СИСТЕМА ПРОВЕТРИВАНИЯ УКЛОННОГО БЛОКА НЕФТЕШАХТЫ
OIL MINE SLOPE UNIT VENTILATION SYSTEM

Изобретение относится к горной и нефтедобывающей промышленностям и может быть использовано для проветривания уклонных блоков на месторождениях высоковязкой нефти и природного битума, подземная добыча которых производится шахтным способом с тепловыми методами воздействия на пласт (термошахтный способ).
В нефтешахтах применяется термошахтный способ добычи высоковязкой нефти, при котором в нефтяной пласт закачивается перегретый пар. В результате этого вязкость нефти снижается, и нефть выдается из добывающих скважин, расположенных в буровой галерее уклонного блока. Проблема заключается в том, что от стен буровой галереи излучается тепло (температура воздуха в буровой галерее может достигать 70°C). Нагретый воздух выдается в исходящие выработки нефтешахты. Вследствие этого в данных выработках нарушаются санитарно-гигиенические условия труда горнорабочих.
Известна система проветривания неглубокого рудника, включающая сообщающиеся между собой два воздухоподающих и один вентиляционный стволы, главную вентиляторную установку, размещенную на выходе вентиляционного ствола, и две главные вентиляционные выработки, подходящие к вентиляционному стволу. Также система включает поверхностную и подземную установки кондиционирования воздуха, при этом испаритель подземной установки расположен в околоствольном дворе воздухоподающего ствола, ближнего к вентиляционному стволу, а ее конденсатор - в одной из главных вентиляционных выработок (RU №140553, опубл. 10.05.2014 г.).
Недостатки известной системы следующие:
1. Небольшой перепад температур между охлаждаемым в испарителе и нагреваемым в конденсаторе воздухом, вследствие чего у системы кондиционирования достаточно низкий КПД.
2. Не используется энергия тепла исходящего по вентиляционному стволу воздуха для преобразования ее в другие виды энергии либо ее утилизации.
3. Большая протяженность трубопроводов с теплоносителем, что требует значительных затрат на его транспортировку и на обеспечение теплоизоляции.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является система проветривания нефтешахты (RU №2582145, опубл. 20.04.2016 г.), включающая главную вентиляторную установку, установленную на вентиляционном стволе нефтешахты, микроконтроллерный блок, связанный с датчиками температуры и давления воздуха либо с плотномерами, а также с датчиками расхода воздуха. В каждой воздухоподающей выработке уклонного блока расположен вентилятор местного проветривания, а в каждой воздуховыдающей выработке уклонного блока размещен воздушный тамбур, состоящий из перемычек с дверями, а устья вентиляционных скважин уклонных блоков снабжены дефлекторами и поверхностными вентиляторами, датчики расхода воздуха и датчики температуры и давления воздуха или плотномеры расположены в воздухоподающих выработках уклонных блоков, в главных исходящих вентиляционных выработках, в устьях и околоствольных дворах воздухоподающих стволов и в канале главной вентиляционной установки, а дополнительные датчики расхода воздуха установлены в воздуховыдающих выработках уклонного блока за соединительной выработкой по ходу потока исходящего воздуха, при этом дополнительные датчики температуры, давления или плотномеры расположены в буровых галереях уклонных блоков и на поверхности нефтешахты, причем микроконтроллерный блок выполнен с возможностью регулирования расхода воздуха, поступающего в уклонные блоки, в зависимости от показаний указанных датчиков за счет изменения режима работы вентиляторов местного проветривания и поверхностных вентиляторов, а также с возможностью изменения производительности главной вентиляторной установки. Данная система принята за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - главная вентиляторная установка, установленная с возможностью подачи воздуха в нефтешахту; воздухоподающая и воздуховыдающая выработки; вентилятор местного проветривания, расположенный в воздухоподающей выработке; воздушный тамбур, состоящий из перемычек с дверями, и вентиляционная скважина, установленные в воздуховыдающей выработке; поверхностный вентилятор и дефлектор, расположенные на вентиляционной трубе, установленной в устье вентиляционной скважины; микроконтроллерный блок, связанный с датчиками расхода воздуха и датчиками температуры и давления или плотномерами, установленными в воздухоподающей и воздуховыдающей выработках.
Недостатки известной системы, принятой за прототип, заключаются в следующем.
1. В буровой галерее воздух остается нагретым, в результате чего ухудшаются санитарно-гигиенические условия труда горнорабочих в ней. При подаче в буровую галерею большего объема воздуха санитарно-гигиенические условия труда улучшатся, однако при этом необходимо затрачивать большее количество электроэнергии на работу главной вентиляторной установки и поверхностного вентилятора.
2. Нагретый в буровой галерее воздух выбрасывается в атмосферу и его тепловая энергия не используется и не утилизируется.
3. В результате небольшого перепада температур поступающего по воздухоподающей выработке и удаляемого по вентиляционной скважине воздуха величина естественной тяги (тепловой депрессии) также будет небольшой, т.е. в рассматриваемой системе степень энергосбережения также невелика.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в улучшении санитарно-гигиенических условий труда горнорабочих за счет снижения температуры воздуха в буровой галерее при увеличении степени энергоэффективности проветривания и утилизации энергии тепла исходящего из вентиляционной скважины воздуха.
Указанный технический результат достигается за счет того, что известная система проветривания уклонного блока нефтешахты, включающая главную вентиляторную установку, установленную с возможностью подачи воздуха в нефтешахту, воздухоподающую и воздуховыдающую выработки, вентилятор местного проветривания, расположенный в воздухоподающей выработке, воздушный тамбур, состоящий из перемычек с дверями, и вентиляционную скважину, установленные в воздуховыдающей выработке, поверхностный вентилятор и дефлектор, расположенные на вентиляционной трубе, установленной в устье вентиляционной скважины, микроконтроллерный блок, связанный с датчиками расхода воздуха и датчиками температуры и давления или плотномерами, установленными в воздухоподающей и воздуховыдающей выработках, согласно изобретению снабжена установкой для кондиционирования воздуха, включающей испаритель, конденсатор, соединенные трубопроводом, в котором расположены компрессор и дроссель, при этом испаритель расположен в воздухоподающей выработке, а конденсатор - на входе в вентиляционную скважину и/или в вентиляционной скважине, установка для кондиционирования воздуха выполнена с возможностью регулирования величины естественной тяги за счет изменения режима работы компрессора и дросселя, в воздуховыдающей выработке расположена направляющая, предназначенная для направления потока воздуха в вентиляционную скважину, на выходе скважины расположен испаритель теплового насоса, предназначенный для отбора тепловой энергии исходящего из буровой галереи воздуха, в вентиляционной трубе установлен датчик расхода воздуха, связанный с микроконтроллерным блоком, при этом микроконтроллерный блок выполнен с возможностью управления режимами работы компрессора и дросселя установки для кондиционирования воздуха, вентилятора местного проветривания, поверхностного вентилятора и главной вентиляторной установки в зависимости от объемного расхода воздуха и величины естественной тяги, регулируемой установкой для кондиционирования воздуха.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - наличие установки для кондиционирования воздуха, включающей испаритель, конденсатор, соединенные трубопроводом, в котором расположены компрессор и дроссель, причем испаритель расположен в воздухоподающей выработке, а конденсатор - на входе в вентиляционную скважину и/или в вентиляционной скважине; выполнение установки для кондиционирования воздуха с возможностью регулирования величины естественной тяги за счет изменения режима работы компрессора и дросселя; расположение в воздуховыдающей выработке направляющей, предназначенной для направления потока воздуха в скважину; расположение на выходе вентиляционной скважины испарителя теплового насоса, предназначенного для отбора тепловой энергии исходящего из буровой галереи воздуха; установка в вентиляционной трубе датчика расхода воздуха, связанного с микроконтроллерным блоком; выполнение микроконтроллерного блока с возможностью управления режимами работы компрессора и дросселя установки для кондиционирования воздуха, вентилятора местного проветривания, поверхностного вентилятора и главной вентиляторной установки в зависимости от объемного расхода воздуха и естественной тяги, величина которой регулируется за счет изменения режима работы компрессора и дросселя установки для кондиционирования воздуха.
Наличие установки для кондиционирования воздуха, испаритель которой расположен в воздухоподающей выработке, позволяет снизить температуру воздуха в уклонном блоке, обеспечив требуемые санитарно-гигиенические условия труда горнорабочих в нем.
e
Расположение испарителя в воздухоподающей выработке, а расположение конденсатора установки для кондиционирования воздуха на входе в вентиляционную скважину и/или в вентиляционной скважине позволяет за счет разности температур воздуха, охлажденного в испарителе и нагретого в конденсаторе, создать естественную тягу (тепловую депрессию) h, которая усиливается за счет нагрева исходящего воздуха в конденсаторе и направляет воздух вверх по вентиляционной скважине, т.е. способствует проветриванию. В результате увеличивается степень энергоэффективности проветривания.
Выполнение установки для кондиционирования воздуха с возможностью регулирования величины естественной тяги позволяет при помощи управления режимами работы компрессора и дросселя изменять разность температур поступающего в буровую галерею воздуха и исходящего из нее, вследствие чего увеличивается степень энергоэффективности проветривания.
Расположение в воздуховыдающей выработке направляющей, предназначенной для направления потока воздуха в скважину, позволяет снизить аэродинамическое сопротивление при переходе воздуха в скважину, тем самым увеличить степень энергоэффективности проветривания.
Расположение на выходе вентиляционной скважины испарителя теплового насоса позволяет осуществлять отбор тепловой энергии исходящего из буровой галереи воздуха с целью ее последующей утилизации.
Установка в вентиляционной трубе датчика расхода воздуха, связанного с микроконтроллерным блоком, позволяет контролировать объем воздуха за счет установки для кондиционирования воздуха, поверхностного вентилятора и дефлектора. В результате увеличивается степень энергоэффективности проветривания.
Выполнение микроконтроллерного блока с возможностью управления режимами работы компрессора и дросселя установки для кондиционирования воздуха, вентилятора местного проветривания, поверхностного вентилятора и главной вентиляторной установки в зависимости от объемного расхода воздуха и естественной тяги, величина которой регулируется за счет изменения режима работы компрессора и дросселя, позволяет контролировать объем воздуха, что обеспечивает эффективное автоматизированное управление заявляемой системы и повышает энергоэффективность проветривания.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют снизить температуру воздуха в буровой галерее, тем самым улучшить санитарно-гигиенические условия труда горнорабочих. Кроме того, заявляемая система позволяет увеличить степень энергоэффективности проветривания и утилизировать энергию тепла исходящего из вентиляционной скважины воздуха.
Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-5.
На фиг. 1 представлена упрощенная схема уклонного блока (вид сверху).
На фиг. 2 - схема распределения воздуха внутри уклонного блока.
На фиг. 3 - размещение конденсатора установки для охлаждения воздуха.
На фиг. 4 - схема работы микроконтроллерного блока.
На фиг. 5 - схема испарителя теплового насоса.
На чертежах обозначены:
1 - воздухоподающая выработка уклонного блока;
2 - свежий воздух;
3 - буровая галерея;
4 - вентилятор местного проветривания;
5 - воздуховод;
6 - соединительная выработка;
7 - глухая перемычка;
8 - воздуховыдающая выработка уклонного блока;
9 - испаритель установки для кондиционирования воздуха;
10 - нагретый воздух;
11 - вентиляционная скважина;
12 - направляющая;
13 - конденсатор установки для кондиционирования воздуха;
14 - компрессор установки для кондиционирования воздуха;
15 - дроссель установки для кондиционирования воздуха;
16 - трубопровод с теплоносителем;
17 - дефлектор;
18 - вентиляционная труба;
19 - устье вентиляционной скважины 11;
20 - датчик расхода воздуха;
21 - датчик расхода воздуха;
22 - датчик расхода воздуха;
23 - датчик температуры и давления или плотномер;
24 - датчик температуры и давления или плотномер на выходе из буровой галереи 3;
25 - исходящий поток воздуха;
26 - воздушный тамбур из перемычек;
27 - дверь в перемычке воздушного тамбура 26;
28 - микроконтроллерный блок;
29 - главная вентиляторная установка;
30 - нагретый воздух;
31 - испаритель теплового насоса;
32 - внешний контур испарителя теплового насоса 31;
33 - внутренний контур испарителя теплового насоса 31;
34 - теплоноситель;
35 - исходящий по внешнему контуру 32 воздух;
36 - поверхностный вентилятор.
Система проветривания уклонного блока нефтешахты включает главную вентиляторную установку 29, установленную с возможностью подачи воздуха 2 в нефтешахту, воздухоподающую 1 и воздуховыдающую 8 выработки, микроконтроллерный блок 28, связанный с установленными в воздухоподающей 1 и воздуховыдающей 8 выработках датчиками расхода воздуха 20, 22 и датчиками температуры и давления или плотномерами 23, 24. В воздухоподающей 1 выработке расположен вентилятор местного проветривания 4. В воздуховыдающей 8 выработке установлены воздушный тамбур, состоящий из перемычек 26 с дверями 27, и вентиляционная скважина 11. Система снабжена установкой для кондиционирования воздуха, включающей испаритель 9, конденсатор 13, соединенные трубопроводом 16, в котором расположены компрессор 14 и дроссель 15, причем испаритель 9 расположен в воздухоподающей выработке 1, а конденсатор 13 - на входе в вентиляционную скважину 11 и/или в вентиляционной скважине 11. Установка для кондиционирования воздуха выполнена с возможностью регулирования величины естественной тяги за счет изменения режима работы компрессора 14 и дросселя 15. Микроконтроллерный блок 28 имеет возможность управления режимами работы компрессора 14 и дросселя 15 установки для кондиционирования воздуха, вентилятора местного проветривания 4, поверхностного вентилятора 36 и главной вентиляторной установки 29 в зависимости от объемного расхода воздуха и естественной тяги, величина которой регулируется за счет изменения режима работы компрессора 14 и дросселя 15 установки для кондиционирования воздуха. В воздуховыдающей выработке 8 расположена направляющая 12, предназначенная для направления потока воздуха 10 в скважину 11. На выходе вентиляционной скважины 11 расположен испаритель теплового насоса 31, предназначенный для отбора тепловой энергии исходящего из буровой галереи 3 воздуха. В устье 19 вентиляционной скважины 11 установлена вентиляционная труба 18, на которой расположены поверхностный вентилятор 36 и дефлектор 17. В вентиляционной трубе 18 установлен датчик расхода воздуха 21, связанный с микроконтроллерным блоком 28.
Система проветривания уклонного блока нефтешахты работает следующим образом.
В уклонный блок нефтешахты по воздухоподающей выработке 1 поступает свежий воздух 2. Далее часть воздуха поступает в буровую галерею 3, а другая часть воздуха вентилятором местного проветривания 4 по воздуховоду 5, расположенному в соединительной выработке 6 с глухой перемычкой 7, поступает в воздухоподающую выработку 8 и далее в горные выработки.
Для снижения температуры воздуха в уклонном блоке с целью обеспечения требуемых санитарно-гигиенических условий труда горнорабочих в нем применяют установку для кондиционирования воздуха, состоящую из испарителя 9 и конденсатора 13. Испаритель 9 установки для кондиционирования воздуха располагают в воздухоподающей выработке 1 на входе в буровую галерею 3. Воздух 1 поступает в испаритель 9, где он охлаждается. За счет подачи охлажденного в испарителе 9 воздуха нормализуются санитарно-гигиенические условия труда в буровой галерее 3. При прохождении воздуха по буровой галерее 3 он нагревается. Для исключения возможности попадания нагретого воздуха 10 в воздуховыдающую выработку 8, в случае его недостаточного охлаждения в испарителе 9, предусмотрен путь его выдачи на поверхность через вентиляционную скважину 11. С целью снижения аэродинамического сопротивления при переходе воздуха в скважину 11 в воздухоподающей выработке 8 устанавливают направляющую 12. На входе в вентиляционную скважину 11 либо в ней самой располагают конденсатор 13 установки для кондиционирования воздуха. Теплоноситель циркулирует между испарителем 9 и конденсатором 13 за счет работы компрессора 14 и дросселя 15, регулируемых устройствами управления (не показаны).
В процессе охлаждения нагретого воздуха 10 в испарителе 9 теплоноситель в нем нагревается и по трубопроводу 16 поступает в компрессор 14. За счет давления, создаваемого компрессором 14, температура теплоносителя в трубопроводе 16 повышается. Далее нагретый теплоноситель подается в конденсатор 13. Воздух, поступающий в вентиляционную скважину 11, нагревается в конденсаторе 13, охлаждая теплоноситель в трубопроводе 16. Далее охлажденный теплоноситель через регулируемый дроссель 15, предназначенный для доохлаждения теплоносителя, снова поступает в испаритель 9.
e
За счет разности температур воздуха, охлажденного в испарителе 9 и нагретого в конденсаторе 13 установки для кондиционирования воздуха, возникает естественная тяга (тепловая депрессия) h, которая направляет воздух вверх по вентиляционной скважине 11, т.е. способствует проветриванию. По вентиляционной скважине 11 воздух поступает в вентиляционную трубу 18, установленную в устье 19 вентиляционной скважины 11.
Выдаваемый по вентиляционной скважине 11 нагретый воздух 30 поступает в испаритель теплового насоса 31 по внешнему контуру 32. По внутреннему контуру 33 циркулирует теплоноситель 34, который нагревается теплом исходящего по внешнему контуру 32 воздуха 35.
На выходе вентиляционной трубы 18 расположен дефлектор 17 и поверхностный вентилятор 36.
e
Объемный расход воздуха, его температура и давление (либо плотность) определяются датчиками расхода воздуха 20, 21, 22 и датчиками температуры и давления (либо плотномерами) 23, 24. Информация с датчиков поступает в микроконтроллерный блок (МКБ) 28. В зависимости от естественной тяги h, величина которой определяется в МКБ 28, и истинного объемного расхода воздуха регулируются режимы работы вентилятора местного проветривания 4, компрессора 14 и дросселя 15 установки для кондиционирования воздуха, а также главной вентиляторной установки 29, подающей требуемый объем воздуха 2 во все уклонные блоки нефтешахты, устройствами управления за счет управляющих сигналов, поступающих с МКБ.
e
Объемный расход исходящего из уклонного блока воздуха 25 измеряется датчиком расхода воздуха 22. В случае если действия естественной тяги (тепловой депрессии) h и дефлектора 17 недостаточно для обеспечения выдачи воздуха, включается поверхностный вентилятор 36.
Проход горнорабочих в буровую галерею 3 и обратно по воздуховыдающей выработке 8 обеспечивается за счет расположения в ней воздушного тамбура из перемычек 26 с дверями 27.
Преимущество изобретения состоит в том, что оно позволяет одновременно улучшить санитарно-гигиенические условия труда горнорабочих за счет снижения температуры воздуха в буровой галерее, увеличить степень энергоэффективности проветривания и утилизировать энергию тепла исходящего из вентиляционной скважины воздуха.