АВТОНОМНАЯ ДЕГАЗАЦИОННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области дегазации при разработке газоносных угольных месторождений, а именно к дегазационным установкам, в том числе и передвижным, для эффективного извлечения и утилизации метана с производством электроэнергии, используемой как внутри установки, так и во внешней сети.
Известна дегазационная установка, содержащая вакуум-насос, трубопроводы, влагоотделитель, регулятор давления, управляемую задвижку, трубопровод для подачи стабилизированной смеси в топку котла, демпфирующую емкость, блок управления системой защиты, газоанализатор и сигнализатор давления (авторское свидетельство №1209898, кл. E21F 7/00, заявлено 10.05.1984 г., опубликовано в 1986 г., Б. №5). Воздушное дутье, обогащенное шахтным метаном, поступает в трубопровод для подачи стабилизированной смеси и далее через клапан-отсекатель и дутьевой вентилятор направляется в топку котла. Установка обеспечивает использование каптированных метано-воздушных смесей с низким содержанием метана или ограниченным дебитом.
Основным недостатком известной дегазационной установки является низкий КПД (не более 5-7%). Установка имеет сложную систему регулирования содержания метана в стабилизированной сети, и для ее использования необходимо иметь централизованную электросеть мощностью не менее 40 кВт.
Известна контейнерная вакуумно-насосная станция фирмы Pro 2 (ФРГ) для дегазации и утилизации шахтного метана (Ж. «Глюкауф», ФРГ, Эссен, №2(3), август, 2008 г., с.97-98 или Ж. «Глюкауф», 2006 г., №4, декабрь, с.36-39). Известная установка содержит подключенный дегазационный трубопровод с пламепреградителем, насосную, компрессор для сжатия газа, блочную ТЭЦ и трансформаторную подстанцию. Недостатком установки является необходимость иметь внешний источник электроэнергии, а также значительные габариты и масса (более 30 т).
Сравнительно недавно на мировом рынке электрооборудования появились микротурбинные агрегаты, предназначенные для производства электроэнергии из горючих газов, в том числе из шахтного метана, обеспечивающих рекордный КПД по электричеству 35-40%. Этот показатель выше, чем у самых современных дизельных и газопоршневых машин соответствующей мощности. Одним из важнейших стимулов развития «малой» энергетики является наличие ряда регионов, где местные источники энергоносителей, в частности попутный газ метан, не используются из-за отсутствия технологии. Этот газ невыгодно транспортировать, но можно использовать как топливо для выработки дешевой электроэнергии. В последние годы в США были разработаны микротурбины «Capstone» (модели С30, С60 и т.д.), которые могут производить электричество из природных газов, метана угольных шахт и других видов газов (журнал «Электро-info», №2 (4), февраль 2004 г., http://www/localpover.ru /press-center/publication, 2004, 14-3.Shtml). Указанные микротурбины могут работать на высокосернистых газах, содержащих до 7% сернистого водорода с низкой или переменной теплотой сгорания. Данные микротурбины можно устанавливать непосредственно у скважин и использовать газ затрубного пространства. На их основе были разработаны различные, в том числе и передвижные, дегазационные установки, которые предполагается использовать в России при выполнении программы «Метан России».
Известен микрогазотурбинный электроагрегат для сжигания шахтного метана и производства из него электроэнергии, основой которого является микрогазотурбинный двигатель, приводящий в действие электрический генератор (журнал «Наука и технологии». - М.: Академия энергетики. - №4 (06), август 2005 г. - С.26-33). Кроме микрогазотурбинного двигателя электроагрегат содержит топливную систему, соединяющую двигатель с дегазационным трубопроводом, насос и компрессор. Электропитание нагрузки от агрегата осуществляется через специальный силовой электронный преобразователь, где высокочастотный ток турбогенератора сначала выпрямляется в постоянный ток, а затем преобразуется в трехфазный переменный ток. Электроагрегат содержит также аккумуляторную батарею для автономного запуска при отсутствии внешней электрической сети. Компактность и простота конструктивного исполнения агрегата обусловливает малые габариты и вес его составляющих узлов, особенно турбодвигателя, и существенно упрощает монтажные и ремонтные работы. Требования к качеству газового топлива достаточно низкие, и допускается существенная загрязненность его любыми газовыми примесями, в том числе и сернистым газом.
К основным недостаткам известной дегазационной установки с микрогазотурбинным электроагрегатом следует отнести:
- автономная система запуска агрегата в виде аккумуляторной батареи ограничивает возможности агрегата и значительно увеличивает его массу (на 300-400 кг);
- излишки шахтного газа, не сжигаемые агрегатом, выбрасываются в атмосферу, что отрицательно сказывается на эффективности дегазации;
- при низких температурах окружающей среды снижается КПД установки и уменьшается ее работоспособность.
Техническим результатом полезной модели является возможность автономного запуска дегазационной установки с использованием емкости со сжатым газом и повышение эффективности и надежности работы дегазационной установки.
Предложена автономная дегазационная установка, включающая газотурбинную электростанцию, соединенную топливной системой с помощью вентилей и фильтров с дегазационным трубопроводом, насос, компрессор и систему автономного запуска.
Отличием является то, что автономная система запуска выполнена в виде емкости для сжатого газа с редуктором и трехходовым краном, соединенной с топливной системой газотурбинной электростанции, причем указанная топливная система дополнительно содержит ресивер и сепаратор для очистки и сушки шахтного газа, при этом в автономной системе запуска между трехходовым краном и газотурбинной электростанцией установлен регулятор давления с клапаном, а в топливной системе перед ресивером установлены стопорный кран и топливный фильтр.
Отличием является также то, что установка снабжена частотным электроприводом, соединяющим газотурбинную электростанцию с электродвигателями компрессора и насоса.
Следующим отличием является то, что топливная система помещена в укрытие, а выхлоп газотурбинной электростанции введен в него.
Другим отличием является то, что сепаратор для очистки и сушки газа снабжен газоразделительным устройством, установленным на его отводящем газопроводе.
Наличие автономной системы запуска, работающей от емкости со сжатым газом, обеспечивает возможность запуска установки без внешней электрической сети, что позволяет осуществлять монтаж дегазационной установки в местах, удаленных от электрических сетей, а использование в установках минигазотурбинной электростанции позволяет повысить КПД и получать дешевую электроэнергию как для внутренних, так и для внешних нужд. Надежная работа установки обеспечивается также тем, что топливная система газотурбинной электростанции находится в укрытии и подогрев ее осуществляется продуктами сгорания газовой смеси. Конструкция дегазационной установки обеспечивает ее эффективную работу даже при наличии в газовой смеси различных примесей. Одним из недостатков всех известных дегазационных установок является выброс в атмосферу различных, в том числе и парниковых, газов при утилизации шахтного метана. Предлагаемая конструкция дегазационной установки при наличии излишков газовой смеси позволяет отводить излишний газ, разделять его на отдельные компоненты и использовать по назначению. Конструкция установки позволяет повысить КПД по току при утилизации шахтного метана до 35-40%.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где приведена принципиальная схема дегазационной установки.
3
Автономная дегазационная установка содержит контейнер 1, в который помещена газотурбинная электростанция 2 напряжением U=380 В и силой тока 100 А, потребляющая газовую смесь в количестве 0,375 м/мин с концентрацией шахтного метана 25-75%.
Топливная система 3 соединяет газотурбинную электростанцию через ресивер 4, компрессор 5, сепаратор 6 для очистки и сушки шахтного газа и насос 7, например типа ВВН, с дегазационным трубопроводом 8, выведенным из шахты по скважине 9. Топливная система оборудована трехходовым краном 10 для соединения с системой автономного запуска и редуктором давления 11 с клапаном. Между газотурбинной электростанцией и ресивером в топливной системе установлены фильтр топливный 12 и кран стопорный 13, а ресивер оборудован предохранительным клапаном 14. Связь ресивера, компрессора и сепаратора осуществляется через вентили 15, 16 и газовый фильтр 17, установленные в топливной системе 3. Связь топливной системы с дегазационным трубопроводом осуществляется с помощью вентиля 18. Сепаратор 6 для очистки и сушки шахтного газа снабжен на выходе газопроводом 19, на котором установлено газоразделительное устройство 20, осуществляющее разделение излишек газа на компоненты (например, кислород, азот, метан). Для подогрева топливная система электростанции помещена в укрытие, которое может быть выполнено в виде трубы 21, контейнеров 1 и 22 или их совокупности. Выхлоп 23 газотурбинной электростанции направлен внутрь укрытия, и температуры выхлопных газов до +300° вполне достаточно для подогрева поступающего из шахты газового топлива. Автономная система запуска электростанции осуществляется от емкости (баллона) 24 со сжатым газом (природный газ, пропан и т.д.) объемом 40 л и давлением 25 МПа. Указанная емкость имеет редуктор 25 на давление 0,6 МПа и подключается к трехходовому крану 10.
Ниже приведено описание работы автономной дегазационной установки.
Запуск производится оператором, для чего перекрывают кран стопорный 13, соединяют систему автономного запуска через трехходовой кран 10 с газотурбинной электростанцией 2 и с помощью редуктора 25 устанавливают в сети запуска необходимое давление, например 0,6 МПа. Запуск производят с помощью системы зажигания электростанции. После набора оборотов турбины и начала выработки электрической энергии подается ток на осветительные приборы и на частотный электропривод 26, который запускает электродвигатель вакуум-насоса 7. Частотный электропривод типа ИРВИ выпускает ООО НПФ «ИРБИС» (г.Новосибирск) для работы с ПДУ-2, ПДУ-2М и т.д., используется для плавного запуска электродвигателей и ранее в дегазационных установках не использовался. После выхода установки в нормальный режим работы открывают вентиль 18 на дегазационном трубопроводе 8, и шахтный газ поступает на сепаратор 6, где происходит его очистка от пыли и влаги, после чего включают электродвигатель компрессора 5 и открывают вентили 15, 16 для подачи шахтного газа в ресивер 4. Ресивер представляет собой баллон для хранения объема газа, достаточного для работы газотурбинной электростанции в течение 20 мин. После наполнения ресивера 4 до пределов срабатывания предохранительного клапана 14 открывают стопорный кран 13 и переключают трехходовой кран 10, отключая автономную систему запуска и включая систему подачи топлива от ресивера 4. Топливо из ресивера поступает в топливную систему газотурбинной электростанции 2, и далее она работает на шахтном газе, поступающем из дегазационного трубопровода.
Излишки шахтного газа, не потребляемые электростанцией, из сепаратора 6 по газопроводу 19 поступают на газораспределительное устройство 20, где происходит разделение излишек шахтного газа на кислород, азот и метан с повышением их концентрации. Кислород и азот адсорбируются и их закачивают в баллоны, а метан используют по назначению (для бытовых нужд, заправки автотранспорта и т.д.).
Использование укрытия для топливной системы обеспечивает обогрев ее до температуры не менее +10°.