Энергетическая установка утилизации шахтного метана, блок подготовки метано-воздушной смеси и блочная двухступенчатая горелка

Предложение относится к области горной промышленности и предназначено для утилизации шахтного метана с одновременной выработкой тепловой энергии за счет использования теплоэнергетического оборудования, которое может быть применено для нагрева воды в системах централизованного и децентрализованного теплоснабжения. Энергетическая установка, представляет собой автономную модульную котельную способную работать на шахтной метано-воздушной смеси (МВС) и содержащую котлы, линию подачи МВС, двухступенчатые горелки, работающие на МВС, продувочную линию. Котельная снабжена блоком подготовки МВС (БП МВС), узлом контроля концентрации метана в МВС и узлами аварийного перекрытия подачи МВС и сброса ее в продувочную линию. БП МВС содержит входной и выходной коллекторы, по крайней мере, одну рабочую ветвь, включающую узел отбора МВС и повышения ее давления, сообщенный с входным коллектором. Рабочая ветвь дополнительно включает газосепаратор, фильтр-сепаратор для очистки конденсата, циркуляционный насос, емкость для сбора конденсата, и пополняемый водяной бак. Узел отбора МВС и повышения ее давления сообщен с входным отводом газосепаратора. Фильтр-сепаратор для очистки конденсата имеет газоотводчик, верхний и нижний выходные отводы и сообщен своим входным отводом, через емкость для сбора конденсата, с нижним выходным отводом газосепаратора. Циркуляционный насос своим входным патрубком сообщен с пополняемым водяным баком, а выходным патрубком - с узлом отбора МВС и повышения ее давления. Верхний выходной отвод газосепаратора сообщен с выходным коллектором. Блочная двухступенчатая горелка, работает на шахтной МВС плотностью 1,0÷1,15 кг/м³ при концентрации метана в ней в пределах 25÷50% и имеет возможность корректировки режима горения при изменении концентрации метана в МВС. Горелка содержит корпус, горелочную головку с электродами розжига и контроля факела, вентилятор, регулятор давления МВС, электромагнитные газовые клапаны, воздушную заслонку с сервоприводом, блок управления. Горелка снабжена огнепреградителем, расположенным непосредственно на входе МВС в корпус горелки. В зависимости от типоразмера, горелка обеспечивает тепловую мощность в пределах 0,15÷1,0 МВт., имеет возможность ее регулирования с коэффициентом рабочего регулирования не менее 3. Используется в качестве топлива только метано-воздушная смесь. 3 н.п. ф-лы, 24 з.п. ф-лы, 4 ил.

Предложение относится к области горной промышленности и предназначено для утилизации шахтного метана с одновременной выработкой тепловой энергии за счет использования теплоэнергетического оборудования, которое может быть применено для нагрева воды в системах централизованного и децентрализованного теплоснабжения. В настоящее время имеет место устойчивая тенденция по переводу котельных установок, ранее работавших на природном газе, на метано-воздушную смесь (МВС), которая в процессе осуществления подземных дегазационных мероприятий постоянно поступает из шахты на поверхность.

В угледобывающих регионах основным видом топлива является энергетический уголь. Альтернативой углю может быть метан, адсорбированный угольным массивом, запасы которого носят промышленные масштабы. При проведении горных работ концентрация метана в угольных шахтах должна поддерживаться на нормативном уровне (˜0,5÷1%) для исключения взрыва метана и отравления шахтеров. Дегазация подземных выработок осуществляется вентиляцией, предварительной и (или) заблаговременной дегазацией. Предварительная дегазация реализуется с помощью системы подземных скважин, пробуренных в угольном массиве и подключенных к коллектору, из которого метано-воздушная смесь с помощью вакуумных насосов удаляется в атмосферу, что ухудшает экологию угледобывающих регионов и рентабельность шахт, т.к. за выбросы метана в атмосферу на шахты накладываются штрафные санкции. Шахтный метан представляет собой метано-воздушную смесь переменного состава.

Предлагается группа полезных моделей, связанная единым творческим замыслом и включающая энергетическую установку, используемые в ней блок подготовки метано-воздушной смеси и блочная двухступенчатая горелка.

В отношении энергетической установки можно указать на известное из уровня техники устройство, близкое к заявленному и представляющее собой котельную установку для автономных систем теплоснабжения. Установка содержит котел с водоохлаждаемой топкой, снабженной горелочным устройством и подключенной к конвективному газотрубному пучку, а также подогреватель воды горячего водоснабжения, подключенный к котлу по греющему тракту (RU 2036377, 1995) [1].

В известной установке не могут быть использованы в качестве газообразного топлива другие его виды, за исключением природного газа, состоящего преимущественно из метана.

Известна энергетическая установка, представляющая собой автономную модульную котельную для систем теплоснабжения, содержащую котлы, линию подачи метано-воздушной смеси, двухступенчатые горелки, работающие на метано-воздушной смеси, продувочную линию (М.Я.Гриненко, И.М.Кихтев, М.А.Розенберг. Автономные модульные котельные для систем децентрализованного отопления. Журнал. Газовая промышленность, №3, 2005, с.84-86) [2]. Автономная модульная котельная установка для автономных систем теплоснабжения обладает такими преимуществами, как простота и быстрота ввода в эксплуатацию, минимальная протяженность теплотрасс и, соответственно, низкие потери тепловой энергии, минимальные эксплуатационные затраты, полная автоматизация и является наиболее близкой к предлагаемой, т.к. содержит наибольшее количество общих существенных признаков с заявляемой. Известная энергетическая установка является ближайшим аналогом заявляемой энергетической установки.

Недостатком известной установки является невозможность использования в ней в качестве газообразного топлива других его видов, за исключением природного газа, состоящего преимущественно из метана, поскольку в ней отсутствует блок подготовки метано-воздушной смеси, приспособленный для работы с шахтной метано-воздушной смесью, имеющей специфические особенности.

В отношении блока подготовки метано-воздушной смеси можно указать на известную из уровня техники вакуумную установку, состоящую из вакуумного насоса водокольцевого типа, задействованного от разделительной емкости на сборно-разделительный бак. Подпитка насоса водой осуществляется из нижней части сборно-разделительного бака во всасывающий трубопровод насоса. На входе вакуумного насоса установлен испаритель в виде цилиндрической полости с тангенциальным входом. Известная вакуумная установка относится к устройствам, применяемым к системе регенерации абсорбента для осушки природного газа, и может быть использовано в других отраслях промышленности, где по технологии используется постоянный вакуум (RU 2159357, 2000) [3].

Известная вакуумная установка не предназначена для использования в качестве блока подготовки шахтной метано-воздушной смеси.

Известен входящий в состав устройства для утилизации шахтной метано-воздушной смеси, по сути, блок подготовки метано-воздушной смеси, содержащий входной и выходной коллекторы, по крайней мере, одну рабочую ветвь, включающую

узел отбора метано-воздушной смеси и повышения ее давления, имеющий входные и выходные патрубки и связанный при помощи отдельных линий своими входными патрубками с входным коллектором (RU 2096626, 1997) [4]. Этот известный блок подготовки метано-воздушной смеси выбран в качестве ближайшего аналога.

Известный блок подготовки метано-воздушной смеси позволяет готовить шахтную метано-воздушной смесь для последующего сжигания в газотурбинной установке, однако он предусматривает предварительное разделение метано-воздушной смеси на три потока с различной концентрацией: свыше 80%, до 5% и менее 0,05%. Утилизации же подвергают только два первых потока, третий сбрасывают в атмосферу. Причем, например, при расходе 60 м³/с метано-воздушной смеси с содержанием метана 0,5%, после разделения смеси, обеспечивается подача смеси с содержанием метана 90% с расходом 0,2 кг/с в камеру сгорания установки и подача смеси с содержанием метана до 5% с расходом 3 кг/с через диффузор также в камеру сгорания газотурбинной установки.

Известный блок подготовки метано-воздушной смеси предполагает наличие в своем составе большого количества сложных устройств (газовая турбина, два компрессора, система подачи основного топлива с топливным баком, насосом и др.).

Известна газовоздушная горелка с принудительной подачей воздуха, работающая преимущественно на природном газе и предназначенная для применения в автоматизированных котельных крышного типа с тепловой мощностью до 1500 кВт. Газовоздушная горелка содержит корпус, горелочную головку с электродами розжига и контроля факела, вентилятор, электромагнитные газовые клапаны, газовую и воздушную заслонки. В газовоздушной горелке применен кольцевой, V-образный в сечении, стабилизатор пламени с карбюратором, который обеспечивает по центральному каналу горелки эффективное сжигание основной доли топливовоздушной смеси в широком диапазоне длины некоптящего факела пламени с низким уровнем выбросов токсичных выделений в продуктах сгорания в виде СО и NO _x (RU 2146788, 2000) [5].

Известная газовоздушная горелка позволяет расширить диапазон работы по коэффициенту избытка воздуха и упрощает систему розжига, но не предназначена для работы с шахтной метано-воздушной смесью.

Известна блочная двухступенчатая горелка, работающая на метано-воздушной смеси, содержащая корпус, горелочную головку с электродами розжига и контроля факела, вентилятор, электромагнитные газовые клапаны, газовую и воздушную заслонки с сервоприводом, блок управления (С.А.Кривошеин, С.С.Евергетидов.

Блочные газогорелочные устройства. Журнал. Газовая промышленность, №3, 2005, с.86-87) [2].

Известная блочная двухступенчатая горелка не предназначена для работы с шахтной метано-воздушной смесью.

Предложение позволяет решить задачу утилизации шахтного метана и получить технический результат за счет создания энергетической установки, используемых в ней блока подготовки метано-воздушной смеси и блочной двухступенчатой горелки, обеспечивающих работу автономной котельной установки, с использованием в качестве топлива только метано-воздушной смеси, которую отбирают из наземного шахтного трубопровода. Применение энергетической установки позволит сократить выбросы метана в атмосферу и выработать при этом тепловую энергию.

Технический результат достигается тем, что энергетическая установка, представляющая собой автономную модульную котельную для систем теплоснабжения, содержащую котлы, линию подачи метано-воздушной смеси, двухступенчатые горелки, работающие на метано-воздушной смеси, продувочную линию, снабжена блоком подготовки метано-воздушной смеси, узлом контроля концентрации метана в метано-воздушной смеси и узлами аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси и сброса ее в продувочную линию, при этом автономная модульная котельная для систем теплоснабжения выполнена с возможностью работы на шахтной метано-воздушной смеси.

Способствует достижению технического результата то, что:

- узел контроля концентрации метана в метано-воздушной смеси размещен в линии подачи метано-воздушной смеси перед двухступенчатыми горелками, узел аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси установлен в линии ее подачи после блока подготовки метано-воздушной смеси, или перед ним и после него, а узел ее сброса в продувочную линию установлен на отводе, связанном с продувочной линией и выполненном на участке линии подачи метано-воздушной смеси между блоком подготовки метано-воздушной смеси и местом установки узла аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси;

- в конкретном воплощении узел контроля концентрации метана в метано-воздушной смеси выполнен в виде газоанализатора, а узлы аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси и сброса ее в продувочную линию - в виде связанных управляющими линиями с газоанализатором нормально открытой управляемой задвижки, отсекающей подачу метано-воздушной смеси в случае снижения концентрации метана в ней ниже установленного предела, и нормально закрытой управляемой задвижки, обеспечивающей сброс ее в продувочную линию, причем применен

газоанализатор с установленным пределом снижения концентрации метана в метано-воздушной смеси 25% (об.);

- для исключения проникновения пламени в линию подачи метано-воздушной смеси в ней перед двухступенчатыми горелками установлены огнепреградители, а для отсечения подачи метано-воздушной смеси в случае возникновения пожара в ее линии подачи установлен термочувствительный клапан;

- линия подачи метано-воздушной смеси выполнена с возможностью присоединия к теплоизолированному и снабженному электронагревательным элементом, исключающим образование конденсата в метано-воздушной смеси в зимнее время, наземному шахтному трубопроводу, идущему от шахтной вакуум-насосной станции;

- на входе в наземный шахтный трубопровод, идущий от шахтной вакуум-насосной станции, установлены автоматический газоанализатор, фиксирующий содержание метана в подаваемой метано-воздушной смеси, и связанная управляющей линией с ним управляемая задвижка, отсекающая подачу шахтного метана в случае снижения концентрации метана в смеси ниже установленного предела;

- установка снабжена байпасным трубопроводом, оборудованным предохранительным сбросным клапаном и сообщенным одним концом с продувочной линией, а другим - с линией подачи метано-воздушной смеси на участке перед узлом аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси.

В отношении блока подготовки метано-воздушной смеси технический результат достигается тем, что он содержит входной и выходной коллекторы, по крайней мере, одну рабочую ветвь, включающую узел отбора метано-воздушной смеси и повышения ее давления, сообщенный с входным коллектором, и выполнен таким образом, что рабочая ветвь дополнительно включает газосепаратор, фильтр-сепаратор для очистки конденсата, циркуляционный насос, емкость для сбора конденсата, и пополняемый водяной бак, при этом узел отбора метано-воздушной смеси и повышения ее давления сообщен с входным отводом газосепаратора, фильтр-сепаратор для очистки конденсата имеет газоотводчик, верхний и нижний выходные отводы и сообщен своим входным отводом, через емкость для сбора конденсата, с нижним выходным отводом газосепаратора, циркуляционный насос своим входным патрубком сообщен с пополняемым водяным баком, а выходным патрубком - с узлом отбора метано-воздушной смеси и повышения ее давления, причем верхний выходной отвод газосепаратора сообщен с выходным коллектором.

В конкретных случаях реализации блока способствует достижению технического результата то, что:

- узел отбора метано-воздушной смеси и повышения ее давления выполнен в виде нескольких параллельно подключенных вакуумных водокольцевых насосов, например, двух, в каждой из двух рабочих ветвей;

- фильтр-сепаратор для очистки конденсата своим верхним выходным отводом сообщен с пополняемым водяным баком;

- к нижнему выходному отводу фильтра-сепаратора присоединены запорный узел и съемная емкость для сбора механических примесей;

- пополняемый водяной бак имеет дренажную линию и сообщен с водопроводной линией;

- блок снабжен теплообменником, установленным в линии сообщения между циркуляционным насосом и узлом отбора метано-воздушной смеси и повышения ее давления.

В одном из исполнений блок подготовки метано-воздушной смеси снабжен узлом контроля концентрации метана в метано-воздушной смеси и узлами аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси и сброса ее в продувочную линию, при этом узел контроля концентрации метана в метано-воздушной смеси размещен в выходном или входном коллекторе, узел аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси установлен в выходном и входном коллекторах, а узел ее сброса в продувочную линию установлен на связанном с продувочной линией отводе из выходного коллектора, выполненном до места установки узла аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси.

Обычно узел контроля концентрации метана в метано-воздушной смеси содержит газоанализатор, связанный управляющими линиями с узлами аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси и сброса ее в продувочную линию.

Достижение технического результата блочной двухступенчатой горелкой, работающей на метано-воздушной смеси и содержащей корпус, горелочную головку с электродами розжига и контроля факела, вентилятор, регулятор давления газа, электромагнитные газовые клапана, воздушную заслонку с сервоприводом, блок управления, обусловлено тем, что она выполнена с возможностью работы на метано-воздушной смеси с концентрацией метана в ней 25-50%, плотностью 1,0÷1,15 кг/м³, теплотворной способностью 8967-17912 кДж/м³. Диапазон концентраций выбран на основании мониторинга систем дегазации шахт. Присоединительное давление метано-воздушной смеси горелки не превышает 6,0 кПа и может быть обеспечено блоком подготовки энергетической установки. Длина факела горелки соответствует требованиям входящих в состав энергетической установки котлов. Параметры горелки обеспечиваются оптимизацией конструкции и размеров элементов

горелочной головки, в частности, выбором: количества и размеров сопловых отверстий подачи МВС, выбором степени перфорации подпорного воздухораспределительного диска. Типоразмерный ряд горелок содержит шесть устройств с номинальной тепловой мощностью в пределах 0,15÷1,0 МВт.

При разработке ряда сохранялись для каждого типоразмера подобие параметра отношения динамических напоров потоков шахтной МВС и дутьевого воздуха, а также удельное теплонапряжение поперечного сечения пламенной трубы.

При изменении в процессе работы горелки концентрации метана в смеси меняется теплотворная способность топливной смеси и тепловая мощность горелки. Влияние изменения концентрации устраняется за счет изменения в обратной зависимости расхода смеси, осуществляемой регулятором давления МВС с автоматической коррекцией давления при изменении концентрации метана: поз.49 Фиг.1.

Предпочтительным является выполнение горелки с возможностью регулирования тепловой мощности с коэффициентом рабочего регулирования не менее трех.

Обычно горелка снабжается огнепреградителем, расположенным непосредственно на входе метано-воздушной смеси в корпус горелки.

Предложение поясняется графическими изображениями, на которых на фиг.1 представлена принципиальная функциональная схема предложенной энергетической установки; на фиг.2-4 приведена принципиальная схема блока подготовки метано-воздушной смеси (различные варианты ее компоновки).

Входящий в состав энергетической установки блок подготовки метано-воздушной смеси (БП МВС), обозначенный на фиг.1 позицией 30 согласно первому варианту (фиг.2) на входном коллекторе I содержит установленный мановакуумметр MB, с помощью которого контролируется величина давления поступающей в БП МВС, Далее входной коллектор I разделяется на две отдельные линии - ветви II и III. Обе ветви в конструктивном плане идентичны друг другу, поэтому более подробное описание дается применительно к одной из них (например, к ветви II).

Отбор МВС из наземного шахтного трубопровода 39 обеспечивается с помощью нескольких вакуумных водокольцевых насосов (ВВН) 1, что позволяет обеспечить возможность их периодического обслуживания или ремонта. В данном случае в составе БП МВС используются четыре ВВН.

В каждой из ветвей II и III установлено по два параллельно подключенных ВВН 1, которые способны принудительно откачивать метано-воздушную смесь из наземного шахтного трубопровода, а затем под некоторым избыточным давлением направлять ее в газосепаратор 2.

Перед входным патрубком каждого из ВВН 1 установлены запорный узел 3 и обратный клапан 4, а после выходного патрубка - запорный узел 5. Из выходных патрубков ВВН 1 метано-воздушная смесь по трубопроводу направляется в газосепаратор 2, где осуществляется отделение от газового потока конденсата (смеси механических примесей и воды). Газосепаратор 2 имеет входной и два выходных отвода: верхний - для газа, нижний - для конденсата.

Перед входным отводом газосепаратора 2 установлены запорный узел 6 и манометр М1. Верхний выходной отвод газосепаратора 2 через запорный узел 7 связан с выходным коллектором IV.

К нижнему выходному отводу газосепаратора 2 последовательно присоединены: специальная емкость для сбора конденсата 8, запорный узел 9, манометр М2 и фильтр-сепаратор 10 для очистки конденсата.

Фильтр-сепаратор 10 имеет входной и два выходных отвода: верхний - для воды, нижний - для механических примесей. Кроме того, фильтр-сепаратор 10 снабжен газоотводчиком 11. К нижнему выходному отводу фильтра-сепаратора 10 присоединены запорный узел 12 и съемная емкость для сбора механических примесей 13. Верхний выходной отвод фильтра-сепаратора 10 с помощью трубопровода связан с пополняемым водяным баком 14.

Водяной бак 14 предназначен для обеспечения снабжения ВВН 1 подпиточной водой. Водяной бак 14 связан с водопроводом (водопроводной линией котельной установки) и имеет дренажную линию. На трубопроводе, который проложен от водяного бака 14 к ВВН 1, последовательно установлены: циркуляционный насос 15, водяной счетчик 16, запорный узел 17, теплообменник 18, запорный узел 19, а также инструментальный фланец 20, снабженный манометром М3 и термометром Т. Теплообменник 18 имеет байпасную линию с запорным узлом 21.

Непосредственно к ВВН 1 вода поступает по индивидуальным трубопроводам, в каждом из которых установлены запорный узел 22 и регулируемый дроссель 23.

В ветвях II и III участки трубопроводов, расположенные между запорными узлами 5 и 6, связаны между собой с помощью байпасной линии, в которой размещен запорный узел 24.

После запорного узла 7 ветвь II соединяется с ветвью III, образуя выходной коллектор IV, по которому осуществляется подача МВС в котельную.

Начальный участок выходного коллектора IV оборудован инструментальным фланцем 25, в котором установлены манометр М4 и датчик газоанализатора 26, а конечный участок - отводом 27 для удаления МВС в продувочную линию 31.

В конкретном случае узел аварийного перекрытия подачи МВС выполнен следующим образом. В выходном коллекторе IV, после инструментального фланца 25, размещен нормально открытый (н.о.) отсекающий клапан 28. Узел сброса МВС в продувочную линию 31 в виде нормально закрытого (н.з.) отсекающего клапана 29 установлен на отводе 27, связанном с продувочной линией 31 (см. фиг.1) и выполненном до места установки узла аварийного перекрытия подачи МВС. Управление клапанами 28 и 29 обеспечивается с помощью газоанализатора 26, связанного управляющей линией с узлами аварийного перекрытия подачи МВС в котельную и сброса ее в продувочную линию 31.

Входящие в состав БП показывающие контрольно-измерительные приборы (мановакуумметры MB, манометры М, термометры Т) снабжены трехходовыми кранами.

Согласно второму варианту (Фиг.3) в принципиальную схему БП МВС введен дополнительный нормально открытый (н.о.) отсекающий клапан 28, который установлен на входном коллекторе I. Это повышает безопасность работы БП МВС при внезапном изменении концентрации метана в МВС.

Согласно третьему варианту (Фиг.4) в принципиальной схеме БП МВС изменено место размещения газоанализатора 26, который в этом случае размещен не в выходном коллекторе IV, а установлен на входном коллекторе I. Подобная установка газоанализатора также способствует увеличению безопасности работы БП МВС, однако точность определения газоанализатором концентрации метана в МВС снижается из-за присутствия в потоке газа капельной воды и механических примесей.

В состав БП МВС входят агрегаты, узлы и сборочные единицы, обвязанные между собой с помощью запорно-регулирующей и трубопроводной арматуры.

Энергетическая установка (см. фиг.1) представляет собой автономную модульную котельную 32 для систем теплоснабжения, способную работать на шахтной МВС. Котельная содержит котлы 33, линию подачи МВС, обычно блочные двухступенчатые горелки 34, работающие на МВС, продувочную линию 31, блок 30 подготовки МВС, узел контроля концентрации метана в МВС и узлы аварийного перекрытия подачи МВС и сброса ее в продувочную линию.

Узел контроля концентрации метана в МВС выполнен в виде газоанализатора 26. Узел аварийного перекрытия подачи МВС выполнен в виде связанной управляющей линией с газоанализатором 26 нормально открытой управляемой задвижки (н.о.), представляющей собой отсекающий клапан 28, который отсекает подачу МВС в случае снижения концентрации метана в ней ниже установленного предела. Узел сброса МВС в продувочную линию 31 выполнен в виде нормально закрытой

управляемой задвижки (н.з.), представляющей собой отсекающий клапан 29, который открывает отвод 27, связанный с продувочной линией 31. Применен газоанализатор 26 с установленным пределом снижения концентрации метана в МВС 25%.

В линии подачи МВС перед блочными двухступенчатыми горелками 34 установлены огнепреградители 35, исключающие проникновение пламени в линию подачи МВС.

Котельная содержит термочувствительный клапан 36, установленный в линии подачи МВС и отсекающий подачу МВС в случае возникновения пожара.

Узел контроля концентрации метана в МВС (газоанализатор 26) размещен в линии подачи МВС перед блочными двухступенчатыми горелками 34 в общем случае, а более конкретно после блока 30 подготовки МВС в его выходном коллекторе IV. Узел аварийного перекрытия подачи МВС (отсекающий клапан 28) установлен в линии подачи МВС после блока 30 подготовки МВС. Возможен вариант, когда второй отсекающий клапан 28 устанавливают перед блоком 30 подготовки МВС (не показано). Оба клапана 28 в этом случае управляются газоанализатором 26. Узел сброса МВС (отсекающий клапан 29) в продувочную линию 31 установлен на отводе 27, связанном с продувочной линией 31 и выполненном на участке линии подачи МВС между блоком 30 подготовки МВС и местом установки узла аварийного перекрытия подачи МВС (отсекающего клапана 28).

Котельная снабжена байпасным трубопроводом 37, оборудованным предохранительным сбросным клапаном 38 и сообщенным одним концом с продувочной линией 31, а другим - с линией подачи МВС на участке перед узлом аварийного перекрытия подачи МВС (клапаном 28).

Линия подачи МВС выполнена с возможностью присоединения к теплоизолированному и снабженному электронагревательным элементом, исключающим образование конденсата в МВС в зимнее время, наземному шахтному трубопроводу 39, идущему от шахтной вакуум-насосной станции 40. Трубопровод 39 врезан в основной шахтный трубопровод 43 после вакуум насосной станции 40.

На входе в наземный шахтный трубопровод 39, идущий от шахтной вакуум-насосной станции 40, установлены автоматический газоанализатор 41, фиксирующий содержание метана в подаваемой МВС, и связанная управляющей линией с ним управляемая задвижка 42, отсекающая подачу МВС в случае снижения в ней концентрации метана ниже установленного предела (в данном случае ниже 25%).

Блочная двухступенчатая горелка 34, работающая на МВС, содержит корпус, горелочную головку с электродами розжига и контроля факела, вентилятор, регулятор давления 49, электромагнитные газовые клапаны, воздушную заслонку с сервоприводом, блок

управления (не показаны). Предлагаемая горелка 34 выполнена с возможностью работы на МВС с концентрацией метана в смеси в пределах 25÷50%. Горелка 34 работает при плотности смеси 1,0÷1,15 кг/м³ и обеспечивает, в зависимости от типоразмера, тепловую мощность в пределах 0,15÷1,0 МВт. Горелка 34 выполнена с возможностью регулирования тепловой мощности с коэффициентом рабочего регулирования не менее 3.

Энергетическая установка в конкретном исполнении представляет собой теплоизолированный модуль, в котором размещены автономная модульная котельная для систем теплоснабжения, выполненная с возможностью работы на МВС, блок подготовки МВС, водогрейные котлы (с КПД 91÷92%), блочные двухступенчатые горелки, работающие на шахтной МВС.

Заданные параметры работы энергетической установки обеспечиваются автоматикой контроля, регулирования и безопасности. Система автоматики позволяет эксплуатировать энергетическую установку без постоянного присутствия обслуживающего персонала (с центрального диспетчерского пункта).

Установка имеет цельнометаллический корпус с пожаробезопасным утепляющим слоем, обшитым снаружи оцинкованным профнастилом. Корпус установки имеет окна, входную дверь, заслонки с жалюзийными решетками и дефлектор. Помещение установки содержит все элементы, обязательные для стационарных установок: два водогрейных (отопительных) котла; блочные двухступенчатые горелки, реконструированные под шахтный метан; огнепреградители в линии подачи МВС на горелки; химводоподготовку; системы подпитки, газоснабжения МВС, сброса некондиционной МВС в атмосферу, дымоудаления, вентиляции, электроснабжения, автоматизации, очистки, осушки, принудительного нагнетания МВС, безопасности. В установке установлены: блок подготовки МВС (включает водокольцевые вакуумные насосы, газосепараторы, фильтры-сепараторы, циркуляционные насосы); сдвоенный насос (рабочий, резервный) теплоснабжения; два насоса подпитки с трубной разводкой; газовое оборудование; газоход; продувочный трубопровод газовой системы; система удаления некондиционной МВС; щиты управления и освещения; контрольно-измерительные приборы, аппаратура и осветительные приборы. Система подпитки содержит клапан с электромагнитным приводом, накопительный бак и два насоса; основной и резервный. Водоподготовку осуществляет аппарат «Комплексон-6», дозирующий количество присадок в зависимости от количества подпитывающей воды. К энергетической установке монтируется дымовая труба, высота и диаметр которой зависят от мощности котельной. Средства автоматизации энергетической установки включают: комплект автоматики, обеспечивающий безопасность и работоспособность котельной; охранную сигнализацию, обеспечивающую отключение котельной с

сообщением в диспетчерскую при несанкционированном проникновении в помещение.

Автоматика системы безопасности обеспечивает прекращение подачи МВС при прекращении подачи электроэнергии, погасании факела горелки либо достижении предельных значений параметров:

- повышении (>13 кПа) или понижении (<7 кПа) входного давления МВС;

- повышении (>1,8 кПа) давления МВС перед горелкой;

- понижении присоединительного давления МВС (<3,5 кПа);

- понижении давления воздуха (<150 Па) перед горелками;

- повышении давления в топке (>250 Па);

- повышении (>0,6 МПа) и понижении (<0,35 МПа) давления воды на выходе из котлов;

- повышении температуры воды (>115°С) на выходе из котлов;

- повышении температуры (>100°С) и давления воды (>0,6 Мпа) на выходе из котельной;

- превышении предельно допустимой концентрации (ПДК) оксида углерода (II порог ПДК 100 мг/м³) и метана (0,5% концентрации от нижнего предела воспламенения) в помещении установки;

- понижении концентрации метана в МВС (менее 25%).

- понижение давления обратной воды системы (<0,2 МПа).

Энергетическая установка состоит из следующих функциональных систем: очистки и осушки подаваемой МВС; принудительного отбора и нагнетания МВС в линию подачи; циркуляции теплоносителя системы отопления; теплоснабжения; газоснабжения; дымоудаления; вентиляции; электроснабжения; автоматического управления и сигнализации; дренирования; промышленной безопасности утилизации шахтного метана; предупреждению аварий и локализации их последствий. Указанный набор функциональных систем позволяет обходиться без постоянного присутствия обслуживающего персонала.

Для обеспечения промышленной безопасности функционирования энергетической установки проанализированы возможные причины аварийной ситуации в подающих линиях и энергетической установке и методы их недопущения:

- проникновение пламени в подземные выработки;

- утечка метано-воздушной смеси из оборудования, трубопроводов, запорных устройств;

- утечка угарного газа (оксида углерода) из трубопроводов;

- отказ автоматики;

- пожар;

- наружные повреждения газопроводов;

- износ и повреждение прокладок фланцевой арматуры, повреждение резьбовых соединений и сальниковой набивки;

- понижение концентрации метана в МВС ниже 25%.

Меры предупреждения аварийных ситуаций на энергетической установке предусмотрены в ее конструкции и контролируются ее состоянием в процессе эксплуатации.

Система газоснабжения энергетической установки включает установленные в линии подачи МВС счетчик газа 44, запорную арматуру 45, 46, 47, продувочный трубопровод 48, регулятор 49 давления горелки 34, блок 50 регулировочных и отсечных клапанов с устройством проверки герметичности горелки 34, огнепреградитель 35, установленный перед горелкой 34. Позицией 51 обозначено ответвление линии подачи МВС на второй котел.

Система дымоудаления включает общий газоход с взрывным клапаном 52, управляемую поворотную заслонку (шибер) 53, дымовую трубу 54. Высота и диаметр дымовой трубы 54 выбираются из условия обеспечения самотяги трубы 54 в любое время года, а также рассеивания токсичных компонентов продуктов сгорания из санитарных и экологических требований.

Шахтный метан, представляющий собой МВС переменного состава, подается в энергетическую установку из вакуум-насосной станции 40 системы дегазации шахты 55. Кондиционные смеси с концентрацией метана выше 25% сжигаются, а некондиционные смеси с концентрацией метана 25% - удаляются в атмосферу.

Поступающая из шахты на поверхность влажная МВС обычно содержит определенное количество механических примесей и капельной жидкости, поэтому перед утилизацией в котельной установке указанная МВС должна быть соответствующим образом подготовлена. Для этого МВС, отбираемая из основного шахтного трубопровода, предварительно направляется в БП МВС, где осуществляется ее очистка от механических примесей и капельной жидкости. Как правило, в котельной установке используются блочные двухступенчатые горелки, но не исключено применение модульных горелок.

Работа энергетической установки контролируется с диспетчерского пункта, на котором установлен пульт удаленной диспетчеризации. Применена система световой и звуковой сигнализации с фиксацией первопричины отключения. Помещение энергетической установки оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией, обеспечивающей трехкратный воздухообмен. Для недопущения повреждения оборудования в

случае взрыва МВС в помещении энергетической установки площадь легко сбрасываемых конструкций (оконных одинарных переплетов) выше требуемой площади (согласно СНиП II-35-76 п.3.16) [6].

При несанкционированном поступлении МВС в помещение установки и наличии источника воспламенения (электрическая искра, молния, открытый огонь, короткое замыкание и др.) указанная смесь может воспламениться, вызвав пожар. Используя нормы противопожарной безопасности (Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности. НПБ 105-95. Главное управление Государственной противопожарной службы МВД России. М., 1997) [7], оценена величина избыточного давления взрыва газа объемом Vг=0,156 м ³, поступающая в свободный объем помещения энергетической установки Vсв=64 м³ из арматуры, при условии: максимальное давление взрыва стехиометрической МВС в замкнутом объеме равно Рmах=600÷900 кПа; начальное давление Р ₀=101 кПа; расчетная температура МВС Т=40°С, коэффициент участия горючих газов во взрыве Z=0,765 при заданном уровне значимости Q=10^-6. В расчетах учитывалась негерметичность помещения и неадибатичность процесса горения. Величина избыточного давления, развиваемого при взрыве несанкционированно поступившего в помещение котельной указанного количества МВС равно Р=3,5÷5,3 кПа, вследствие чего помещение установки по взрывопожарной и пожарной опасности может быть отнесено к категории Г (не взрывопожароопасная и не пожароопасная), т.к. Р5 кПа [7].

В энергетической установке для защиты от поражения электрическим током предусматривается защитное зануление и заземление. Занулению подлежат корпуса электродвигателей и электрооборудования, металлические конструкции, нормально не находящиеся под напряжением, но могущие оказаться под таковым вследствие нарушения изоляции. В целях выравнивания потенциала трубопроводы различных назначений, БП МВС, котлы заземляются. Металлические конструкции установки соединяются с наружным контуром заземления.

Во входном коллекторе I, ВВН 1 блока БП МВС, создается разрежение, обеспечивающее подачу в энергетическую установку по наземному шахтному трубопроводу 39, идущему от дегазационной установки шахты (шахтной вакуум-насосной станции 40), необходимого количества МВС. Оборудование БП МВС обеспечивает принудительный отбор МВС, ее очистку от капельной воды и механических примесей, нагнетание в линию подачи МВС (систему газоснабжения) энергетической установки. Вакуумные водокольцевые насосы выполняют также функции

гидрозатворов, исключающих проникновение МВС и пламени в трубопровод 39. Автоматика БП МВС обеспечивает:

- автоматическое регулирование температуры воды, подаваемой на охлаждение вакуум-насосов за счет включения-выключения вентиляторов теплообменников;

- автоматическое управление насосами подачи циркуляционной воды к вакуум-насосам.

Поступление и прекращение подачи МВС из блока ее подготовки в линию подачи МВС осуществляется открытием или закрытием нормально открытого отсекающего клапана 27, действующего по командам от газоанализатора 26, и срабатывающего в аварийных ситуациях.

Автоматическое закрытие быстродействующего запорного клапана на входе в горелки предусмотрено при достижении в помещении котельной:

- 5÷20% концентрации от НКПР метана;

- II порога (100 мг/м³) ПДК окиси углерода;

- отключение электроэнергии;

- пожаре.

Кондиционная МВС поступает в систему газоснабжения установки. Горение кондиционной МВС обеспечивает нагрев теплофикационной воды в водогрейных котлах 33, а некондиционная МВС выводится в атмосферу. Продукты сгорания МВС удаляются в атмосферу через систему дымоудаления. На котлах установлены двухступенчатые горелки с регулированием тепловой мощности. Заслонки горелок обеспечивают непрерывное регулирование тепловой мощности горелки с коэффициентом рабочего регулирования 3. При регулировании автоматически поддерживается оптимальное соотношение газ-воздух. Блок управления осуществляет программный автоматический розжиг горелки и автоматическое отключение газа в аварийных ситуациях. В процессе запуска горелки производится автоматическая проверка отсечных электромагнитных клапанов на герметичность. Визуальный контроль горения выполняется при повышении и понижении давления газа, понижении давления воздуха, погасании факела, прекращении подачи электропитания, аварийном выключении котельной. Установленные перед горелками огнепреградители исключают проникновение пламени в линию подачи МВС.

Циркуляционный замкнутый контур теплоносителя системы отопления включает группу котлов отопления, сетевые насосы (рабочий и резервный), грязевой фильтр, теплосчетчик, систему отопления потребителя. Система подпитки теплофикационной водой содержит клапан с электромагнитным приводом, накопительный бак и два насоса: основной и резервный. Водоподготовка осуществляется с

помощью аппарата «Комплексон-6», подающего дозированный набор присадок для умягчения воды, поступающей в бак. Для горячего водоснабжения (ГВС) часть воды из системы отопления направляется в отдельный теплообменник (бойлер), обеспечивающий потребности ГВС и составляющий часть замкнутого контура.

Для поддержания требуемых санитарно-гигиенических и технологических параметров воздуха в помещении установки, а также обеспечения воздухом процесса горения и стабилизации тяги за котлами в установке предусмотрена система вентиляции.

Сброс воды при срабатывании предохранительных клапанов, переливе бака подпиточной воды, опорожнении котлов, трубопроводов и бака подпитки обеспечивает система дренирования.

Использование предложения предоставляет возможность утилизации метано-воздушных смесей при концентрации метана в смеси в пределах 25÷50%, в частности, шахтной, извлекаемой из горных выработок. Утилизация шахтного метана осуществляется путем подготовки метано-воздушной смеси, которую отбирают из наземного шахтного трубопровода и сжигают в предлагаемой энергетической установке, предназначенной, например, для систем отопления производственных, служебных и бытовых помещений.

Предложенные блок подготовки метано-воздушной смеси и блочная двухступенчатая горелка, работающая на метано-воздушной смеси, могут быть использованы и в составе других энергетических агрегатов, когда требуется предварительная очистка и осушка газообразного топлива и его сжигание, соответственно.

1. Энергетическая установка, представляющая собой автономную модульную котельную для систем теплоснабжения, содержащую котлы, линию подачи метано-воздушной смеси, двухступенчатые горелки, работающие на метано-воздушной смеси, продувочную линию, отличающаяся тем, что она снабжена блоком подготовки метано-воздушной смеси, узлом контроля концентрации метана в метано-воздушной смеси и узлами аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси и сброса ее в продувочную линию, при этом автономная модульная котельная для систем теплоснабжения выполнена с возможностью работы на шахтной метано-воздушной смеси.

2. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что блок подготовки метано-воздушной смеси выполнен по одному из пп.13-20.

3. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что двухступенчатые горелки, работающие на метано-воздушной смеси, выполнены блочными.

4. Энергетическая установка по п.3, отличающаяся тем, что блочные двухступенчатые горелки, работающие на метано-воздушной смеси, выполнены по одному из пп.23-27.

5. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что узел контроля концентрации метана в метано-воздушной смеси выполнен в виде газоанализатора, а узлы аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси и сброса ее в продувочную линию - в виде связанных управляющими линиями с газоанализатором нормально открытой управляемой задвижки, отсекающей подачу метано-воздушной смеси в случае снижения концентрации метана в ней ниже установленного предела, и нормально закрытой управляемой задвижки.

6. Энергетическая установка по п.5, отличающаяся тем, что применен газоанализатор с установленным пределом снижения концентрации метана в метано-воздушной смеси 25%.

7. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что в линии подачи метано-воздушной смеси перед горелками установлены огнепреградители, исключающие проникновение пламени в линию подачи метано-воздушной смеси.

8. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что содержит термочувствительный клапан, установленный в линии подачи метано-воздушной смеси и отсекающий подачу метано-воздушной смеси в случае возникновения пожара.

9. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что узел контроля концентрации метана в метано-воздушной смеси размещен в линии подачи метано-воздушной смеси перед горелками, узел аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси установлен в линии ее подачи после блока подготовки метано-воздушной смеси или перед ним и после него, а узел ее сброса в продувочную линию установлен на отводе, связанном с продувочной линией и выполненном на участке линии подачи метано-воздушной смеси между блоком подготовки метано-воздушной смеси и местом установки узла аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси.

10. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена байпасным трубопроводом, оборудованным предохранительным сбросным клапаном и сообщенным одним концом с продувочной линией, а другим - с линией подачи метано-воздушной смеси на участке перед узлом аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси.

11. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что линия подачи метано-воздушной смеси выполнена с возможностью присоединения к теплоизолированному и снабженному электронагревательным элементом, исключающим образование конденсата в метано-воздушной смеси в зимнее время, наземному шахтному трубопроводу, идущему от шахтной вакуум-насосной станции.

12. Энергетическая установка по п.11, отличающаяся тем, что на входе в наземный шахтный трубопровод, идущий от шахтной вакуум-насосной станции, установлены автоматический газоанализатор, фиксирующий содержание метана в подаваемой метано-воздушной смеси, и связанная управляющей линией с ним управляемая задвижка, отсекающая подачу шахтного метана в случае снижения концентрации метана в смеси ниже установленного предела.

13. Блок подготовки метано-воздушной смеси, содержащий входной и выходной коллекторы, по крайней мере, одну рабочую ветвь, включающую узел отбора метано-воздушной смеси и повышения ее давления, сообщенный с входным коллектором, отличающийся тем, что рабочая ветвь дополнительно включает газосепаратор, фильтр-сепаратор для очистки конденсата, циркуляционный насос, емкость для сбора конденсата, и пополняемый водяной бак, при этом узел отбора метано-воздушной смеси и повышения ее давления сообщен с входным отводом газосепаратора, фильтр-сепаратор для очистки конденсата имеет газоотводчик, верхний и нижний выходные отводы и сообщен своим входным отводом, через емкость для сбора конденсата, с нижним выходным отводом газосепаратора, циркуляционный насос своим входным патрубком сообщен с пополняемым водяным баком, а выходным патрубком - с узлом отбора метано-воздушной смеси и повышения ее давления, причем верхний выходной отвод газосепаратора сообщен с выходным коллектором.

14. Блок подготовки метано-воздушной смеси по п.13, отличающийся тем, что узел отбора метано-воздушной смеси и повышения ее давления выполнен в виде нескольких параллельно подключенных вакуумных водокольцевых насосов.

15. Блок подготовки метано-воздушной смеси по п.14, отличающийся тем, что узел отбора метано-воздушной смеси и повышения ее давления содержит два параллельно подключенных вакуумных водокольцевых насоса.

16. Блок подготовки метано-воздушной смеси по п.13, отличающийся тем, что содержит две рабочие ветви.

17. Блок подготовки метано-воздушной смеси по п.13, отличающийся тем, что фильтр-сепаратор для очистки конденсата своим верхним выходным отводом сообщен с пополняемым водяным баком.

18. Блок подготовки метано-воздушной смеси по п.13, отличающийся тем, что к нижнему выходному отводу фильтра-сепаратора присоединены запорный узел и съемная емкость для сбора механических примесей.

19. Блок подготовки метано-воздушной смеси по п.13, отличающийся тем, что пополняемый водяной бак имеет дренажную линию и сообщен с водопроводной линией.

20. Блок подготовки метано-воздушной смеси по п.13, отличающийся тем, что он снабжен теплообменником, установленным в линии сообщения между циркуляционным насосом и узлом отбора метано-воздушной смеси и повышения ее давления.

21. Блок подготовки метано-воздушной смеси по п.13, отличающийся тем, что он снабжен узлом контроля концентрации метана в метано-воздушной смеси и узлами аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси и сброса ее в продувочную линию, при этом узел контроля концентрации метана в метано-воздушной смеси размещен в выходном или входном коллекторе, узел аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси установлен в выходном и входном коллекторах, а узел ее сброса в продувочную линию установлен на связанном с продувочной линией отводе из выходного коллектора, выполненном до места установки узла аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси.

22. Блок подготовки метано-воздушной смеси по п.21, отличающийся тем, что узел контроля концентрации метана в метано-воздушной смеси содержит газоанализатор, связанный управляющими линиями с узлами аварийного перекрытия подачи метано-воздушной смеси и сброса ее в продувочную линию.

23. Блочная двухступенчатая горелка, работающая на метано-воздушной смеси и содержащая корпус, горелочную головку с электродами розжига и контроля факела, вентилятор, электромагнитные газовые клапаны, воздушную заслонку с сервоприводом, регулятор давления метано-воздушной смеси, блок управления, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью работы на шахтной метано-воздушной смеси плотностью 1,0÷1,15 кг/м³ и с концентрацией метана в ней 25÷50%.

24. Блочная двухступенчатая горелка по п.23, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью регулирования тепловой мощности с коэффициентом рабочего регулирования не менее 3-х.

25. Блочная двухступенчатая горелка по п.23, отличающаяся тем, что снабжена огнепреградителем, расположенным непосредственно на входе метано-воздушной смеси в корпус горелки.

26. Блочная двухступенчатая горелка по п.23, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью корректировки режима горения при изменении концентрации метано-воздушной смеси.