АВТОНОМНАЯ ДЕГАЗАЦИОННАЯ УСТАНОВКА
AUTONOMOUS DEGASSING UNIT

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к установке для откачивания метановоздушной смеси из угольных пластов, горных пород и выработанных пространств, и может быть использовано на поверхности опасных по взрыву газов и пыли действующих и уже закрытых угольных шахт и рудников без подвода электроэнергии из внешней сети.
Так, из уровня техники известна энергетическая установка утилизации шахтного метана, которая включает в себя модульную котельную, выполненную с возможностью работы на шахтной метановоздушной смеси (патент РФ №67181, E21F 7/00, опубликованный 10.10.2007).
В качестве наиболее близкого аналога принята дегазационная установка, которая включает в себя систему очистки, насосы, автономную систему запуска установки в виде емкости со сжатым газом и газогенераторную электростанцию, потребляющая газовую смесь с концентрацией шахтного метана 25-75%, с топливной системой для повышения КПД и получения дешевой электроэнергии как для внутренних, так и для внешних нужд (патент РФ №84918, Е21F 7/00, опубликованный 20.07.2009).
Недостатками известного решения являются возможные перебои в работе при падении концентрации метана в откачиваемой смеси ниже 25%, поскольку отсутствует возможность подмешивания природного газа при возможном падении концентрации метана в откачиваемой смеси ниже 25%, а емкость сжатого природного газа используется только для запуска установки, недостаточная надежность, безопасность и долговечность работы автономной дегазационной установки, а также необходимость использования дополнительного оборудования для осушки газа.
Технической проблемой заявленного изобретения является создание надежной и безопасной мобильной автономной дегазационной установки, которая в короткие сроки может быть перемещена на новое место работы, и способная откачивать метановоздушную смесь с концентрацией метана менее 25%.
Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в обеспечении бесперебойной и надежной работы автономной дегазационной установки.
Указанный технический результат достигается в автономной дегазационной установке, содержащей модуль очистки, соединенный с одной стороны с дегазационным трубопроводом, а с другой - с модулем вакуумирования, газовую электростанцию, емкость со сжатым газом и систему управления, при этом модуль вакуумирования содержит по меньшей мере один вакуумный насос, связанный с газовым смесителем, соединенным с газовой электростанцией и емкостью со сжатым газом, при этом между газовым смесителем и газовой электростанцией установлен датчик для определения концентрации метана, выполненный с возможностью передачи сигнала системе управления, обеспечивающей открывание или закрывание клапана, установленного между газовым смесителем и емкостью со сжатым газом.
Благодаря выполнению автономной дегазационной установки, содержащей модуль очистки, соединенный с одной стороны с дегазационным трубопроводом, а с другой - с модулем вакуумирования, газовую электростанцию, емкость со сжатым газом и систему управления, где модуль вакуумирования содержит по меньшей мере один вакуумный насос, связанный с газовым смесителем, соединенным с газовой электростанцией и емкостью со сжатым газом, при этом между газовым смесителем и газовой электростанцией установлен датчик для определения концентрации метана, выполненный с возможностью передачи сигнала системе управления, обеспечивающей открывание или закрывание клапана, установленного между газовым смесителем и емкостью со сжатым газом обеспечивается бесперебойная и надежная работа автономной дегазационной установки.
Использование газовой электростанции в составе автономной дегазационной установки, работающей на шахтном газе (метановоздушной смеси поступающей из дегазационной шахты), обеспечивает автономность работы дегазационной установки с входящими в нее модулями очистки и вакуумирования с соответствующим оборудованием, а наличие емкости со сжатым природным газом позволяет не только запускать в самом начале работу автономной дегазационной установки, но и поддерживать ее бесперебойную работу в случаях снижения концентрации метана в метановоздушной смеси менее 25%. Сама газовая электростанция не может работать при концентрации метана в шахтном газе ниже 25% из-за эксплуатационных ограничений производителей силовых установок. Возможность работы автономной дегазационной установки при концентрации метана в шахтном газе ниже 25% обеспечивается наличием газового смесителя, соединенного с одной стороны с газовой электростанцией, а с другой - через вакуумный насос с модулем очистки и через клапан с емкостью со сжатым природным газом. При этом отслеживание падения концентрации метана в метановоздушной смеси осуществляется соответствующим датчиком, который расположен в трубопроводе, соединяющий газовую электростанцию и газовый смеситель, и в зависимости от показаний упомянутого датчика система управления координирует работу клапана. Кроме того, модуль отчистки осуществляет очистку метановоздушной смеси перед подачей ее в блок вакуумирования и на газовую электростанцию, что повышает безопасность и надежность работы заявленной установки, а также обеспечивает бесперебойность ее работы.
В частности в качестве газовой электростанции могут быть использованы газопоршневая или газотурбинная электростанция.
В качестве вакуумного насоса в модуле вакуумирования может быть использован ротационный вакуумный насос сухого типа, который обладает длительным сроком службы и не требует дополнительного оборудования для осушки газа.
Емкость со сжатым газом может быть соединена с газовой электростанцией посредством байпасного трубопровода в обход газового смесителя для запуска в работу автономной дегазационной установки.
В частности модуль очистки содержит огнепреградители, сепаратор циклонного типа, фильтр тонкой очистки от мелкодисперсной пыли, отстойник с указателем уровня наполнения в виде датчика уровня, откачной насос, систему определения расхода откачиваемой МВС и систему контроля содержания метана в виде датчика концентрации метана.
В частности автономная дегазационная установка содержит систему контроля состава воздуха в виде датчика метана, вентилятор аварийного проветривания и автономную автоматическую систему пожаротушения, обеспечивающие безопасную работу заявленной установки.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1. приведена компоновка автономной дегазационной установки.
На фиг. 2 показано основное оборудование модуля очистки, где (А) - вид спереди, (Б) - вид сверху.
На фиг. 3 показано основное оборудование модуля вакуумирования, где (А) - вид спереди, (Б) - вид сверху.
На фиг. 4 показана технологическая схема автономной дегазационной установки. На фигурах приведены следующие конструктивные элементы.
1 - модуль очистки (МО);
2 - модуль вакуумирования (MB);
3 - дегазационный трубопровод;
4 - отводная труба;
5 - вакуумный газопровод;
6 - трубопровод подключения MB;
7 - сбросной трубопровод;
8 - продувочный трубопровод на выходе вакуумного насоса;
9 - блок запаса газа (БЗГ);
10 - сани транспортировочные;
11 - герметичная перегородка;
12 - отсечной затвор с пневмоприводом отводной трубы;
13 - огнепреградитель отводной трубы;
14 - отсечной затвор с пневмоприводом системы очистки;
15 - входной коллектор системы очистки
16 - сепаратор циклонного типа;
17 - фильтр тонкой очистки от мелкодисперсной пыли;
18 - отстойник;
19 - датчик уровня;
20 - откачной насос;
21 - клапан с пневмоприводом сливного трубопровода;
22 - сливной трубопровод;
23 - система определения расхода откачиваемой метановоздушной смеси
24 - датчик метана в дегазационном трубопроводе;
25 - датчик метана технологического помещения;
26 - обогреватель технологического помещения;
27 - светильник технологического помещения;
28 - вентилятор аварийного проветривания;
29 - автономная автоматическая система пожаротушения;
30 - аппаратура управления модулем очистки;
31 - пульт управления;
32 - светильник;
33 - конвектор;
34 - предметы мебели;
35 - кондиционер;
36 - санузел;
37 - затвор с пневмоприводом на входе ротационного вакуумного насоса;
38 - огнепреградитель на входе ротационного вакуумного насоса;
39 - ротационный вакуумный насос с электроприводом;
40 - огнепреградитель на выходе ротационного вакуумного насоса;
41 - затвор с пневмоприводом на выходе вакуумного насоса;
42 - продувочный трубопровод на входе вакуумного насоса;
43 - обратный клапан
44 - затвор с пневмоприводом продувочного трубопровода на входе вакуумного насоса
45 - затвор с пневмоприводом продувочного трубопровода на выходе вакуумного насоса
46 - огнепреградитель продувочного трубопровода на выходе вакуумного насоса;
47 - нагнетательный трубопровод;
48 - перепускной клапан;
49 - огнепреградитель сбросного трубопровода;
50 - байпасная перемычка;
51 - затвор с ручным управлением;
52 - перепускной клапан вакуумного насоса;
53 - газовая электростанция;
54 - газовый смеситель;
55 - огнепреградитель газовой электростанции;
56 - отсечной электромагнитный клапан;
57 - датчик метана в нагнетательном трубопроводе;
58 - газопровод природного газа;
59 - отсечной клапан;
60 - регулирующий клапан;
61 - клапан с ручным управлением;
62 - металлокомпозитные баллоны с арматурой;
63 - регулятор давления;
64 - выхлопной трубопровод;
65 - глушитель выхлопа;
66 - охладитель выхлопных газов;
67 - патрубок входа охлаждающего воздуха;
68 - патрубок выхода отработанных газов;
69 - перемычка газопровода природного газа;
70 - датчик монооксида углерода;
71 - заправочный патрубок БЗГ;
72 - аппаратура управления и автоматизации с программируемым контроллером. Согласно фигурам 1-4 автономная дегазационная установка (АДУ) с
автоматизированной системой управления (АСУ) состоит из нескольких установленных на транспортировочные сани металлических модуль-контейнеров с размещенным в них оборудованием, а именно: по меньшей мере с одним модулем вакуумирования (MB) 2, установленного на транспортировочные сани 10, подключенного посредством вакуумного трубопровода 5 к по меньшей мере одному модулю очистки (МО) 1, который также установлен на транспортировочные сани 10 и связан с дегазационной скважиной через дегазационный трубопровод 3.
Модуль очистки (МО) 1 устанавливается перед модулем вакуумирования (MB) 2 по направлению движения метановоздушной смеси МВС из шахты. МО 1 разделен на три отделения глухими герметичными перегородками 11, исключающими попадание газа СШ (в аварийной ситуации) из одного отделения в другое. В первом (технологическом) отделении размещены затвор 12 с пневмоприводом отводной трубы 4, оснащенной огнепреградителем 13, отсечной затвор 14 с пневмоприводом системы очистки, входной коллектор системы очистки 15, сепаратор циклонного типа 16, фильтр тонкой очистки от мелкодисперсной пыли 17, отстойник 18 с указателем уровня наполнения в виде датчика уровня 19, откачной насос 20, клапан 21 с пневмоприводом сливного трубопровода 22, система определения расхода 23 откачиваемой МВС и система контроля содержания метана в виде датчика концентрации метана 24, установленные на дегазационном трубопроводе 3. Данный набор оборудования производит очистку МВС, поступающей из скважин, от влаги, пыли и других механических примесей, осуществляет автоматический слив конденсата из сепаратора с помощью центробежного откачного насоса, осуществляет выход МВС в атмосферу, минуя MB при остановке автономной дегазационной установки. Технологическое помещение оборудовано системой жизнеобеспечения, в которую входят система контроля состава воздуха 25 в виде датчика метана, обогреватель технологического помещения 26, светильник технологического помещения 27, вентилятор аварийного проветривания 28 и автономная автоматическая система пожаротушения 29. Во втором отделении (помещении системы управления ПСУ) расположена аппаратура управления модулем очистки 30. В третьем отделении расположено помещение обслуживающего персонала (помещение оператора ПО), в котором размещены пульт управления 31, светильники 32, конвекторы 33, необходимые предметы мебели 34, кондиционер 35 и санузел 36. Данный набор оборудования позволяет осуществлять управление АДУ как в автоматическом так и в ручном режимах, передачу данных.
MB 2 входит в состав автономной дегазационной установки, выполнен с возможностью соединения с МО 1 автономной дегазационной установки и разделен на три помещения глухими герметичными перегородками 11, исключающими попадание газа СШ (в аварийной ситуации) из одного отделения в другое. В первом (технологическом) отделении расположены один (или несколько) ротационный вакуумный насос 39 сухого типа с электроприводом, соединенный посредством вакуумного газопровода с МО, затворы 37 и 41 с пневмоприводами на входе и выходе вакуумного насоса, огнепреградители 38 и 40 на входе и выходе вакуумного насоса 39, продувочный трубопровод 42 на входе вакуумного насоса с обратным клапаном 43 и затвором 44 с пневмоприводом, продувочный трубопровод на выходе вакуумного насоса 8, оборудованный огнепреградителем 46, и к которому подключен вакуумный насос через огнепреградитель 40 и затвор 45 с пневмоприводом, байпасная перемычка 50 вакуумного насоса, в которой установлены затвор 51 с ручным управлением и перепускной клапан 52 вакуумного насоса, нагнетательный трубопровод 47, оборудованный сбросным трубопроводом 7, в котором смонтированы перепускной клапан 48 и огнепреградитель 49. Данный набор оборудования предназначен для создания разрежения в дегазационном трубопроводе 3, в результате которого МВС начинает движение из скважины в сторону вакуумного насоса 39 сухого типа, и избыточного давления в нагнетательном трубопроводе 47 в результате которого МВС движется в сторону газовой электростанции 53 ив случае излишков сбрасывается в атмосферу. Технологическое помещение оборудовано системой жизнеобеспечения, в которую входят система контроля состава воздуха 25 в виде датчика метана, обогреватель технологического помещения 26, светильник технологического помещения 27, вентилятор аварийного проветривания 28 и автономная автоматическая система пожаротушения 29.
Во втором (технологическом) отделении расположена газовая электростанция 53, на которую поступает МВС по нагнетательному трубопроводу 47 через газовый смеситель 54, систему контроля концентрации метана в нагнетательном трубопроводе 47 в виде датчика метана 57, огнепреградитель 55 и отсечной электромагнитный клапан 56. Причем к нагнетательному трубопроводу 47 через газовый смеситель 54, регулирующий клапан 60, отсечной клапан 59, по газопроводу природного газа 58 через регулятор давления -63 подключен закрепленный снаружи MB 2 блок запаса газа (БЗГ) 9, состоящий из металлокомпозитных баллонов с арматурой 62, регулятора давления 63 и заправочного патрубка 71. Газовый смеситель 54 представляет собой конструкцию в виде цилиндрического корпуса, внутри которого размещен диффузор, представляющий собой сопло Вентури. МВС поступает к диффузору, вначале которого по периметру выполнены радиальные отверстия, сообщенные с кольцевым коллектором, который подключен к газопроводу природного газа 58 через регулирующий клапан 60 и отсечной клапан 59. При подаче природного газа в смеситель газ попадает в зону высоких скоростей потока МВС, в результате чего на выходе из смесителя обеспечивается гомогенизация рабочей смеси.
В качестве газового смесителя может быть использован газовоздушный смеситель для двигателя внутреннего сгорания представленный в патенте РФ №2467196 F02M 29/00, опубликованном 20.11.2012).
Газовый смеситель предназначен для смешивания метановоздушной смеси, поступающей в АДУ, с природным газом с достижением концентрации метана в метановоздушной смеси выше 25% для подачи ее в газовую электростанцию 53.
Газопровод природного газа 58 имеет байпасное подключение с клапаном 61 имеющим ручное управление к нагнетательному трубопроводу 47 в обход газового смесителя 54, регулирующего клапана 60, отсечного клапана 59. Байпасное подключение необходимо для принудительной подачи природного газа на газовую электростанцию 53 для ее запуска. При наличии второго MB газопровод природного газа 58 MB №1 соединяется с газопроводом 58 MB №2 через перемычку 69. Горячие отработанные газы с газовой электростанции 53 по выхлопному трубопроводу 64 через глушитель выхлопа 65 попадают в охладитель выхлопных газов 66, в котором горячие отработанные газы разбавляются свежим холодным воздухом до температуры не более+80°С, причем патрубки входа 67 охлаждающего воздуха и выхода 68 отработанных газов должны располагаться на расстоянии не менее 5 м от концов сбросного трубопровода 7 и продувочного трубопровода 8 на выходе вакуумного насоса. Помещение оборудовано системой жизнеобеспечения, в которую входят система контроля состава воздуха в виде датчика метана 25 и датчика монооксида углерода 70, обогреватель технологического помещения 26, светильник технологического помещения 27, вентилятор аварийного проветривания 28 и автономная автоматическая система пожаротушения 29 В третьем отделении (помещении системы управления ПСУ) расположена аппаратура управления и автоматизации 72 с программируемым контроллером.
БЗГ 9 крепится снаружи модуля вакуумирования и выполнен в виде металлокомпозитных баллонов с арматурой 62, объединенных в кассету, для хранения природного (резервного) газа в сжатом состоянии, подающегося в газовую электростанцию 53 через газовый смеситель 54 в случае падения концентрации метана в откачиваемом газе (МВС), а также для первоначального запуска в случае остановки АДУ. БЗГ заправляется через заправочный патрубок 71 компримированным природным газом, который в последующем хранится в сжатом состоянии до появления необходимости его использования. Заправка осуществляется путем доставки БЗГ на станцию заправки природным газом (АГНКС) либо заправляется на месте передвижным автогазозаправщиком (ПАГЗ). Объем хранимого газа в БЗГ позволяет работать АДУ на номинальной мощности в течение не менее 3 часов.
Все оборудование, установленное в технологических помещениях имеет взрывозащищенное исполнение.
4
2
Система автоматизированного управления позволяет контролировать: разрежение в дегазационном трубопроводе, концентрацию метана (CH) в трубопроводах и технологических помещениях, концентрацию СО и О в дегазационном трубопроводе (при необходимости), температуру газа в дегазационном трубопроводе и на нагнетании вакуумного насоса, давление газа на всасывании и нагнетании вакуумного насоса, расход МВС, температуру в помещениях, уровень заполнения отстойника.
Система автоматизированного управления осуществляет: управление вакуумным насосом, управление газовой электростанцией, переключение затворов, передачу контролируемых параметров на расстоянии.
АДУ работает следующим образом.
Все оборудование остановлено, вся запорная арматура закрыта кроме отсечного затвора с пневмоприводом отводной трубы 12. Вручную оператором открывается клапан 61 для принудительной подачи природного газа на газовую электростанцию 53. Производится запуск газовой электростанции 53 с открытием отсечного электромагнитного клапана 56.
После появления электроэнергии автоматически включаются системы жизнеобеспечения модулей, запускается охладитель выхлопных газов 66, открывается затвор 44 с пневмоприводом продувочного трубопровода на входе вакуумного насоса, открывается затвор 45 с пневмоприводом продувочного трубопровода на выходе вакуумного насоса, запускается ротационный вакуумный насос 39 на минимальных оборотах, осуществляется продувка воздухом в течение пяти минут, открывается затвор 37 с пневмоприводом на входе вакуумного насоса, открывается затвор 14 с пневмоприводом системы очистки, закрывается затвор 12 с пневмоприводом отводной трубы, закрывается затвор 44 с пневмоприводом продувочного трубопровода на входе вакуумного насоса, МВС по дегазационному трубопроводу 3 начинает движение в сторону вакуумного насоса 39 через систему определения расхода МВС 23, датчик метана 24 в дегазационном трубопроводе, затвор 14 с пневмоприводом системы очистки, входной коллектор системы очистки 15, сепаратор циклонного типа 16, фильтр тонкой очистки 17, вакуумный трубопровод 5, затвор 37 с пневмоприводом на входе вакуумного насоса, огнепреградитель 38 на входе вакуумного насоса, далее попадает в ротационный вакуумный насос 39 с электроприводом и через огнепреградитель 40 на выходе вакуумного насоса, затвор 45 с пневмоприводом продувочного трубопровода на выходе вакуумного насоса и огнепреградитель 46 продувочного трубопровода на выходе вакуумного насоса, выбрасывается в атмосферу до тех пор, пока концентрация метана в откачиваемой МВС, контролируемая датчиком метана 24 не станет более 10%.
После открывается затвор 41 с пневмоприводом на выходе ротационного вакуумного насоса 39 с электроприводом, закрывается затвор 45 с пневмоприводом продувочного трубопровода на выходе ротационного вакуумного насоса 39 с электроприводом и МВС начинает поступать по нагнетательному трубопроводу 47 через газовый смеситель 54 к газовой электростанции 53, в то же время открывается отсечной клапан 59 и через регулирующий клапан 60 в газовый смеситель 54 начинает поступать природный газ до тех пор, пока концентрация метана в нагнетательном трубопроводе 47, контролируемая датчиком метана 57 не достигнет значения более 25%, вручную перекрывается клапан 61. По мере роста концентрации метана в нагнетательном трубопроводе 47 и полном перекрытии регулирующего клапана 60 при повышении концентрации метана более 30% ротационный вакуумный насос 39 с электроприводом будет увеличивать обороты вплоть до номинальных но при этом, не позволяя концентрации метана упасть ниже 30%.
При падении концентрации метана в МВС ниже 30% на первом этапе осуществляется снижение оборотов ротационного вакуумного насоса 39 до тех пор, пока концентрация не достигнет значения 30%. При дальнейшем падении концентрации метана в откачиваемой МВС до 25% осуществляется подмешивание природного газа от БЗГ 9 в МВС с помощью газового смесителя 54 и регулирующего клапана 60 до достижения необходимой концентрации на уровне не менее 25%. Во время работы АДУ с заданной производительностью излишки откачиваемой МВС, непотребляемые газовой электростанцией 53, через перепускной клапан 48 и огнепреградитель 49 через сбросную трубу 7 сбрасываются в атмосферу, либо при концентрации метана более 25% возможна утилизация на факеле закрытого типа.
При отсутствии необходимости поддержания заданного объема откачиваемой МВС ротационным вакуумным насосом 39 с электроприводом, открывается вручную затвор 51, установленный на байпасной перемычке 50, тем самым в работу запускается перепускной клапан 52 ротационного вакуумного насоса 39, который не позволяет достичь давления в нагнетательном трубопроводе 47 равному давлению открытия перепускного клапана 48 и АДУ начинает откачивть газ с производительностью, необходимой для работы газовой электростанции 53.
Во время работы АДУ влага и различные механические примеси, поступающие вместе с МВС по дегазационному трубопроводу 3 оседают в отстойнике 18, уровень наполнения которого контролируется датчиком уровня 19, по мере наполнения включается откачной насос 20, открывается клапан с пневмоприводом 21 и через сливной трубопровод вся накопленная жидкость сливается за пределы модуля очистки МО.
Заявленную автономную дегазационную установку целесообразно применять, если требуется дегазационная установка с коротким сроком эксплуатации на одном месте, так как при передвижении на новое место эксплуатации не требуется вслед за установкой заново прокладывать коммуникации, нередко в ущерб сельскохозяйственным и лесным угодьям, что может понести за собой значительные потери времени и ресурсов.
Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает бесперебойную, безопасную и надежную работу автономной дегазационной установки, которая в короткие сроки может быть перемещена на новое место работы и способная откачивать метановоздушную смесь с концентрацией метана менее 25%.