Модульная дегазационная установка
MODULAR DEGASSING UNIT

Изобретение относится к подземной разработке месторождений полезных ископаемых, склонных к газо- и геодинамическим явлениям, и в частности к разработке угольных месторождений. Модульная дегазационная установка (МДУ) предназначена для откачивания метановоздушной смеси (МВС) из действующих и уже закрытых угольных шахт и рудников, относится к горной промышленности, выполнена на базе водокольцевых вакуумных насосов с автоматизированной системой управления и может быть использована в автоматизированных системах вентиляции и кондиционирования воздуха в нефтяных шахтах и иных подземных сооружениях, в том числе опасных по взрыву газов и пыли.
Известна дегазационная установка, содержащая соединенные между собой с помощью трубопроводов в замкнутый контур водокольцевой вакуум-насос, водоотделитель и водоохладитель, выполненный в виде двух теплообменных блоков, причем второй теплообменный блок подключен между первым теплообменным блоком и вакуум-насосом, первый теплообменный блок выполнен в виде радиатора с оребренными трубками, обдуваемого вентилятором, а второй теплообменный блок выполнен в виде бака с крышкой, на которой установлен вакуум-насос, к которому подведены всасывающий и нагнетательный коллекторы, последний соединен с водоотделителем, корпус вакуум-насоса имеет соответственно первый и второй сальники для вала рабочего колеса, каждый из которых оснащен патрубком для стекания воды, введены две емкости, размещенные одна над другой и установленные ниже уровня расположения вакуум-насоса, верхняя емкость соединена с помощью первого и второго гибких рукавов с патрубками для стекания воды соответственно из первого и второго сальников, нижняя емкость оснащена уровнемером и имеет первый, второй, третий и четвертый патрубки с вентилями, соединенными соответственно с верхней емкостью, вакуум-насосом, нагнетательным коллектором и с всасывающим коллектором, а также пятый патрубок с вентилем и открытым свободным концом. [Патент РФ на полезную модель №90129, М.Кл. E21F 7/00 от 07.09.2009 г.].
Недостатком известной дегазационной установки является невысокий уровень эксплуатационных параметров, обусловленный конструктивными особенностями, которые требуют постоянное присутствие обслуживающего персонала для управления дегазационной установкой, отсутствие обязательной продувки вакуум-насоса свежим воздухом перед запуском и остановкой дегазационной установки, отсутствие быстродействующей запорной арматуры, отсутствие огнепреградителей, невозможность эксплуатации в условиях низких температур.
Технической задачей изобретения является эффективное откачивание метановоздушной смеси (МВС) из действующих, и закрытых (законсервированных) угольных шахт и рудников, снижение объема поступающего в горную выработку и выходящего на поверхность из почвы метана, транспортировка откачанного газа для утилизации или дальнейшего использования, снижение до минимума, или полное исключение участия обслуживающего персонала в управлении работой модульной дегазационной установки (МДУ) и снижение вероятности человеческой ошибки при эксплуатации оборудования на опасном производственном объекте, эксплуатация независимо от внешних климатических влияний, передача оперативной информации о параметрах работы МДУ в диспетчерскую службу шахты для работы в рамках единой системы аэрогазового контроля (АГК).
Указанная цель достигается тем, что оборудование модульной дегазационной установки (МДУ) размещено в металлическом термоизолированном модуль-контейнере, выполненным в виде корпуса защищающего работу внутреннего оборудования от внешних климатических влияний, установлена быстродействующая запорная арматура в виде затворов с пневмоприводом, установлены огнепреградители, разработана и внедрена автоматизированная система управления дегазационной установкой (АСУ ДУ), обеспечивающая работу МДУ как в автоматическом (без участия человека) так и в ручном режимах, передачу оперативной информации о параметрах работы МДУ в диспетчерскую шахты, а также работу в рамках единой системы аэрогазового контроля (АГК) шахты.
Модульная дегазационная установка (МДУ) состоит не менее чем из одного модуля вакуумирования (MB) и одного модуля управления (МУ), модуль вакуумирования (MB) выполнен в виде термоизолированного модуль-контейнера, разделенного на два помещения изолированных друг от друга герметичной перегородкой, в первом (технологическом) помещении размещены одна (или несколько) насосная группа, состоящая из водокольцевого вакуумного насоса с электроприводом водокольцевого вакуумного насоса, затвора с пневмоприводом на входе водокольцевого вакуумного насоса и клапана с пневмоприводом, огнепреградителя на входе водокольцевого вакуумного насоса, продувочного трубопровода с затвором с пневмоприводом, затвором с пневмоприводом отводной трубы, отводной трубой, выхлопным газопроводом, газопроводом водогазовой смеси, водоотделителем, водопроводами подачи свежей и сбора отработанной воды, фильтром воды, емкостью с резервной водой, циркуляционным и откачным насосами, водоохладителем, системой контроля состава воздуха в помещении модуля, вентиляторами аварийного проветривания и автономной автоматической системой пожаротушения.
Во втором помещении [помещении системы управления (ПСУ)] размещена аппаратура управления с программируемым контроллером.
Дополнительно установлены система анализа состава метановоздушной смеси проходящей по вакуумному газопроводу и система определения расхода метановоздушной смеси.
Во втором варианте в МДУ дополнительно введен модуль очистки, предназначенный для защиты вакуумных водокольцевых насосов от капельной влаги и механических примесей, содержащихся в метановоздушной смеси, а модуль вакуумирования (MB) выполнен без отводной трубы и затвора с пневмоприводом отводной трубы.
В третьем варианте в МДУ введен модуль водоотделения (МВО), а из модуля вакуумирования (MB) отдельно вынесены выхлопной газопровод, водоотделитель, циркуляционный насос, фильтр воды, водоохладитель, откачной насос и емкость с резервной водой, при этом модуль вакуумирования (MB) и модуль водоотделения (МВО) соединены между собой газопроводом водогазовой смеси и водопроводами подачи и сбора отработанной воды.
В четвертом варианте дополнительно введен модуль очистки (МО), предназначенный для защиты вакуумных водокольцевых насосов от капельной влаги и механических примесей, содержащихся в метановоздушной смеси, а в модуле вакуумирования (MB) исключены отводная труба и затвор с пневмоприводом отводной трубы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1. приведена компоновка модульной дегазационной установки (МДУ) (Вариант I); на фиг. 2 показано основное оборудование модуля вакуумирования (MB) для варианта I компоновки МДУ, где (А) - вид сверху, (Б) - вид спереди, (В) - местный вид; на фиг. 3 показано основное оборудование модуля управления (МУ); на фиг. 4 приведена компоновка МДУ (Вариант II) с дополнительным модулем очистки (МО); на фиг. 5 показано основное оборудование модуля очистки (МО) (вариант II,) где (А) - вид сверху, (Б) - вид спереди; модуль управления (МУ) и модуль вакуумирования (MB) для варианта II аналогичны варианту I; на фиг. 6 приведена компоновка МДУ (Вариант III), отличающаяся от варианта I наличием дополнительного модуля водоотделения (МВО); на фиг. 7 - показано основное оборудование модуля вакуумирования (MB) для варианта III компоновки МДУ, где (А) - вид сверху, (Б) - вид спереди; на фиг. 8 показано основное оборудование модуля водоотделения (МВО), где (А) - вид сверху, (Б) - вид спереди; модуль управления (МУ) для варианта III компоновки МДУ аналогичен варианту I и варианту II; на фиг. 9 приведена компоновка МДУ (Вариант IV), отличающаяся от варианта III наличием дополнительного модуля очистки (МО); для варианта IV компоновки МДУ модуль вакуумирования (MB) аналогичен варианту III, модуль водоотделения (МВО) аналогичен варианту III, модуль управления (МУ) аналогичен варианту I, варианту II и варианту III; на фиг. 10 показано основное оборудование модуля очистки (МО) для варианта II и варианта IV компоновки МДУ при объединении модуля очистки (МО) и модуля управления (МУ), где (А) - вид сверху, (Б) - вид спереди.
Модульная дегазационная установка (МДУ) выполнена на базе водокольцевых вакуумных насосов с автоматизированной системой управления (АСУ) состоит из нескольких термоизолированных модуль-контейнеров (далее модуль) выполненных в виде металлических замкнутых корпусов с размещенным в них оборудованием.
1 - модуль вакуумирования (MB);
2 - модуль управления (МУ);
3 - модуль очистки (МО);
4 - модуль водоотделения (МВО);
5 - дегазационная скважина;
6 - вакуумный газопровод;
7 - отводная труба;
8 - выхлопной газопровод;
9 - водопроводы подачи свежей и сбора отработанной воды;
10 - газопровод водогазовой смеси;
11 - водокольцевой вакуумный насос;
12 - огнепреградитель на входе водокольцевого вакуумного насоса-11;
13 - затвор с пневмоприводом на входе водокольцевого вакуумного
насоса;
14 - водоотделитель;
15 - циркуляционный насос;
16 - фильтр воды;
17 - водоохладитель;
18 - сальниковое уплотнение вала
19 - клапан с пневмоприводом;
20 - расходомер воды;
21 - регулирующий клапан;
22 - сливной бак;
23 - откачной насос;
24 - затвор с пневмоприводом отводной трубы;
25 - термоизолированный модуль-контейнер;(корпус)
26 - герметичная перегородка;
27 - электропривод водокольцевого вакуумного насоса;
28 - продувочный трубопровод с затвором с пневмоприводом;
29 - емкость с резервной водой;
30 - система контроля состава воздуха в помещении;
31 - обогреватель;
32 - светильник;
33 - вентилятор аварийного проветривания;
34 - автономная автоматическая система пожаротушения;
35 - аппаратура управления с программируемым контроллером;
36 - система анализа состава метановоздушной смеси (МВС);
37 - системой определения расхода метановоздушной смеси (МВС);
33. металлический корпус термоизолированного модуль-контейнера модуля управления (МУ)-2;
39 - рабочее место оператора;
40 - пульт управления;
41 - светильник;
42 - конвектор;
43 - предметы мебели;
44 - кондиционер;
45 - санузел;
46 - система очистки метановоздушной смеси (МВС);
47 - затвор с пневмоприводом системы очистки;
48 - огнепреградитель отводной трубы модуля очистки (МО)-З;
49 - аппаратура управления.
Модульная дегазационная установка (МДУ) работает следующим образом:
По вариантам I и III
В модульной дегазационной установке (МДУ) при работе водокольцевого вакуумного насоса - 11 в зоне всасывания создается разрежение, вследствие чего метановоздушная смесь (МВС) от дегазационной скважины - 5 по вакуумным газопроводам - 6, через огнепреградитель на входе водокольцевого вакуумного насоса - 12 и затвор с пневмоприводом на входе водокольцевого вакуумного насоса - 13 попадает в водокольцевой вакуумный насос - 11, далее по газопроводу водогазовой смеси - 10 поступает в водоотделитель - 14, где происходит отделение воды от метановоздушной смеси (МВС), а вода скапливается в водоотделителе - 14.
По вариантам II и IV
В модульную дегазационную установку (МДУ) добавлен модуль очистки (МО)-3. Как и в первом варианте при работе водокольцевого вакуумного насоса - 11 в зоне всасывания создается разрежение, вследствие чего метановоздушная смесь (МВС) от дегазационной скважины - 5 по вакуумным газопроводам - 6. Через затвор с пневмоприводом системы очистки - 47, систему очистки метановоздушной смеси МВС - 46 и вакуумный газопровод - 6, также попадает в водокольцевой вакуумный насос - 11, далее по газопроводу водогазовой смеси - 10 поступает в водоотделитель - 14, где происходит отделение воды от метановоздушной смеси (МВС), а вода скапливается в водоотделителе - 14.
Метановоздушная смесь (МВС) из водоотделителя - 14 через выхлопной газопровод - 8 выбрасывается в атмосферу.
Вода, нагретая вследствие сжатия газа в водокольцевом вакуумном насосе - 11, подается из водоотделителя - 14, циркуляционным насосом - 15 на фильтр воды - 16 и затем на водоохладитель - 17, где происходит ее охлаждение.
При конструкции водокольцевого вакуумного насоса - 11 предусматривающей подвод воды на сальниковые уплотнения вала - 18 водокольцевого вакуумного насоса - 11 из внешнего источника, после водоохладителя - 17 поток воды разделяется, при этом часть воды через клапан с пневмоприводом - 19 поступает на сальниковые уплотнения вала - 18 водокольцевого вакуумного насоса - 11, а вторая часть через расходомер воды - 20 и регулирующий клапан - 21 попадает в сам водокольцевой вакуумный насос - 11.
При конструкции водокольцевого вакуумного насоса - 11 предусматривающей подвод воды на сальниковые уплотнения вала - 18 изнутри насоса, то вода после водоохладителя - 17 сразу через расходомер воды - 20 и регулирующий клапан - 21 попадает в водокольцевой вакуумный насос - 11. Из водокольцевого вакуумного насоса - 11 вода вместе с метановоздушной смесью (МВС) по газопроводу водогазовой смеси - 10 выталкивается в водоотделитель - 14, где происходит отделение воды от газа, и рабочий цикл повторяется.
Вода, вытекающая из сальниковых уплотнений вала - 18, сливается в сливной бак - 22, откуда она по мере наполнения перекачивается откачным насосом - 23 в водоотделитель - 14.
При остановке модульной дегазационной установки (МДУ), метановоздушная смесь (МВС) выбрасывается в атмосферу за счет естественной тяги (для вариантов I и III) через огнепреградитель - 12, на входе водокольцевого вакуумного насоса - 11, затвор с пневмоприводом отводной трубы - 24 и отводную трубу - 7 из модуля вакуумирования (МВ) - 1.
При остановке модульной дегазационной установки (МДУ), в вариантах II и IV ее комплектации, метановоздушная смесь (МВС) выбрасывается в атмосферу через затвор с пневмоприводом отводной трубы - 24, огнепреградитель отводной трубы модуля очистки (МО) - 48, и отводную трубу - 7 из модуля очистки (МО) - 3, в этом случае в конструкции модуля вакуумирования (MB) - 1 отсутствуют отводная труба - 7 и затвор с пневмоприводом отводной трубы - 24.
Все электрическое и неэлектрическое оборудование технологических помещений модульной дегазационной установки (МДУ) используется во взрывозащищенном исполнении.
Модульная дегазационная установка (МДУ) на базе водокольцевых вакуумных насосов - 11 имеет четыре типовых варианта компоновки.
Вариант I - (Фиг. 1)
Модульная дегазационная установка (МДУ) (фиг. 1-3) включает в себя обязательное наличие не менее одного модуля вакуумирования (MB) - 1 и одного модуля управления (МУ) - 2.
Модуль вакуумирования (MB) - 1 (фиг. 2) предназначен для создания разницы давлений между атмосферой и дегазационной скважиной - 5, в результате которой метановоздушная смесь (МВС) начинает движение по вакуумному газопроводу - 6. Модуль вакуумирования (MB) - 1 выполнен в виде термоизолированного модуль-контейнера - 25 включающий металлический замкнутый корпус, разделенный на два помещения изолированных друг от друга герметичной перегородкой - 26.
В первом (технологическом) помещении размещены одна (или несколько) насосная группа, состоящая из водокольцевого вакуумного насоса - 11 с электроприводом водокольцевого вакуумного насоса - 27, затвора с пневмоприводом на входе водокольцевого вакуумного насоса - 13 и клапана с пневмоприводом - 19, огнепреградителя - 12 на входе водокольцевого вакуумного насоса - 11, продувочного трубопровода с затвором с пневмоприводом - 28, отводной трубой - 7, выхлопным газопроводом - 8, газопроводом водогазовой смеси - 10, водоотделителем - 14, водопроводами подачи свежей и сбора отработанной воды - 9, фильтром воды - 16, емкостью с резервной водой - 29, циркуляционным - 15 и откачным - 23 насосами, водоохладителем - 17, системой контроля состава воздуха в помещении модуля (датчик метана) - 30, обогревателем - 31, светильниками - 32, вентиляторами аварийного проветривания - 33 и автономной автоматической системой пожаротушения - 34.
Во втором помещении, помещении системы управления (ПСУ), размещена аппаратура управления с программируемым контроллером - 35 (шкафы управления, коммутационная аппаратура и т.д.).
Модульная дегазационная установка (МДУ) на базе вакуумных водокольцевых насосов - 11 комплектуется системой анализа состава МВС - 36, проходящей по вакуумному газопроводу - 6, а также системой определения расхода МВС - 37.
Модуль управления (МУ)-2 (фиг. 3) предназначен для компоновки рабочего места оператора - 39 с пультом управления - 40 модульной дегазационной установки (МДУ) размещенного в металлическом корпусе - 38 термоизолированного модуль-контейнера модуля управления (МУ)-2, при этом рабочее место оператора - 39 оборудуется светильниками - 41, конвекторами - 42, необходимыми предметами мебели - 43, кондиционером - 44 и санузлом - 45.
Вариант II - Фиг. 4.
В модульную дегазационную установку (МДУ) дополнительно введен модуль очистки (МО) - 3, предназначенный для защиты вакуумных водокольцевых насосов - 11 от капельной влаги и механических примесей, содержащихся в МВС, а также отсутствием в модуле вакуумирования (МВ)-1 отводной трубы - 7 и затвора с пневмоприводом отводной трубы - 24.
На фиг. 2, 3 и 5 показано размещение основного оборудования модулей вакуумирования (MB) - 1, управления (МУ) - 2 и очистки (МО) - 3 компоновки МДУ для варианта II
Модуль очистки (МО) - 3 как и модуль вакуумирования (МВ)-1 выполнен в виде термоизолированного модуль-контейнера - 25 включающего металлический замкнутый корпус, разделенный на два помещения изолированных друг от друга герметичной перегородкой - 26, но отличается компоновкой оборудования.
В первом (технологическом) помещении размещены система очистки МВС - 46 с автоматическим сливом жидкости по мере наполнения, смонтированы вакуумные газопроводы - 6, затвор с пневмоприводом отводной трубы - 24, затвор с пневмоприводом системы очистки - 47, отводная труба - 7 с огнепреградителем - 48, система контроля состава воздуха в помещении (датчик метана) - 30, обогреватели - 31, светильники - 32, вентилятор аварийного проветривания - 33 и автономная автоматическая система пожаротушения - 34.
Во втором помещении - помещении системы управления (ПСУ) размещена аппаратура управления - 49 модулем очистки (МО) - 3.
На фиг. 10 представлен вариант размещения основного оборудования в модуле очистки (МО) - 3, совмещенном с модулем управления (МУ) - 2.
Вариант III - Фиг. 6.
В модульную дегазационную установку (МДУ) дополнительно введен модуль водоотделения (МВО) - 4, в который из модуля вакуумирования (MB) варианта I отдельно вынесены выхлопной газопровод - 8, водоотделитель - 14, циркуляционный насос - 15, фильтр воды - 16, водоохладитель - 17, откачной насос - 23 и емкость с резервной водой - 29. MB и МВО соединены между собой газопроводом водогазовой смеси - 10 и водопроводами подачи и сбора отработанной воды - 9.
Модульная дегазационная установка (МДУ) включает в себя обязательное наличие не менее одного модуля вакуумирования (MB) - 1, одного модуля водоотделения (МВО) - 4 и один модуль управления (МУ) - 2.
На фиг. 3, 7 и 8 представлено размещение основного оборудования в модулях управления (МУ) - 2, вакуумирования (MB) - 1 и водоотделения (МВО) - 4 соответственно для компоновки МДУ варианта III
Вариант IV- Фиг. 9.
Модульная дегазационная установка (МДУ) отличается от варианта III наличием дополнительного модуля очистки (МО) - 3, предназначенного для защиты вакуумных водокольцевых насосов - 11 от капельной влаги и механических примесей, содержащихся в МВС, а также отсутствием в модуле вакуумирования (МВ) - 1 отводной трубы - 7 и затвора с пневмоприводом отводной трубы - 24.
Модульная дегазационная установка (МДУ) включает в себя обязательное наличие не менее одного модуля вакуумирования (MB) - 1, одного модуля водоотделения (МВО) - 4, одного модуля очистки (МО) - 3 и одного модуля управления (МУ) - 2
На фиг. 3, 5, 7 и 8 представлено размещение основного оборудования в модулях управления (МУ) - 2, очистки (МО) - 3, вакуумирования (MB) - 1 и водоотделения (МВО) - 4 соответственно для варианта IV компоновки МДУ.
На фиг. 10 представлен вариант размещения основного оборудования в модуле очистки (МО) - 3, совмещенном с модулем управления (МУ) - 2.
Таким образом, размещение оборудования модульной дегазационной установки (МДУ) в металлическом термоизолированном модуль-контейнере, выступающем в роли корпуса обеспечивает отсутствие влияния внешних климатических условий на параметры работы оборудования, при этом установка быстродействующей запорной арматуры в виде затворов с пневмоприводом, огнепреградителей, и внедрение автоматизированной системы управления дегазационной установкой (АСУ ДУ) обеспечивает работу МДУ как в автоматическом (без участия человека), так и в ручном режимах, передачу оперативной информации о параметрах работы МДУ в диспетчерскую шахты, а также позволяет работать в рамках единой системы аэрогазового контроля (АГК) шахты.
Модульная дегазационная установка (МДУ) предназначена для откачивания метановоздушной смеси (МВС) из действующих и уже закрытых угольных шахт и рудников для снижения объема поступающего в горную выработку и выходящего на поверхность из почвы метана. Также с помощью МДУ возможна транспортировка откачанного газа для утилизации или дальнейшего использования. Наличие автоматизированной системы управления позволяет работать МДУ без постоянного присутствия обслуживающего персонала, тем самым снижая вероятность присутствия человеческой ошибки при эксплуатации оборудования на опасном производственном объекте.