Аппаратура контроля нижнего предела взрываемости рудничной атмосферы Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

СЕМИНАР 18

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© Ю.Н. Камынин, В.А. Камынин, 2001

УДК 621.398:654.948

Ю.Н. Камынин, В.А. Камынин

АППАРАТУРА КОНТРОЛЯ НИЖНЕГО ПРЕДЕЛА ВЗРЫВАЕМОСТИ РУДНИЧНОЙ АТМОСФЕРЫ

В

контролируемом прост-ранстве размещают несколько датчиков, фиксирующих нижний предел взрываемости газовой среды, соединенных через магистральный канал с устройством контроля. Благодаря этому, достигается достоверная и оперативная сигнализация об образовании взрывоопасной метановоздушной смеси с содержанием газа выше нижнего предела взрываемости. При этом отключается система электроснабжения для предотвращения взрыва в шахте.

Цель предлагаемого проекта -разработать быстродействующее устройство второго уровня защиты людей и оборудования шахт от взрывов газа и пыли, которое автоматически контролирует взрывную концентрацию рудничного газа по метану (5(б)—15 %) с быстродействием до 1 с; фиксирует в нескольких точках пространства нижний предел взрываемости газовой смеси, отключает систему электроснабжения на контролируемом участке, чтобы предотвратить появление электрических и механических источников поджиВ анализаторе 2 сигнал о появлении нижнего предела взрывае-мости газа воспринимается посредством блока 17 и через блок 18 отключает систему электро-

гания взрывной смеси раньше, чем взрывная смесь достигнет электрических и механических источников воспламенения. Кроме того, система передает звуковой и речевой сигналы по участку шахты о наличии взрывной концентрации.

Взрывы метана и угольной пыли на шахтах происходят, и их надо предотвратить.

Новизна аппаратуры заключается в фиксации ныне не контролируемого на шахтах параметра -нижнего предела взрываемости газовой смеси; введении второго уровня защиты людей, выработок и оборудования шахт и уменьшении вероятности взрыва. Таких приборов в мире не существует.

Второй уровень защиты вводится в связи с непрекращающи-мися взрывами метана на шахтах, оборудованных аппаратурой защиты первого уровня (АТ.3-Э, АТ.І-І). Аппаратура первого уровня, основанная, на термокатадити-ческом принципе, кроме возможного отказа элементов, имеет следующие недостатки:

• аппаратура (АТ.3-1, АТ.І-І) может в любой момент отключиться, поскольку ее чувствительный элемент выводят из строя летучие соединения серы, часто со-

снабжения и машины, тем самым предотвращая аварию раньше, чем поток газа достигнет источника зажигания.

При этом через блок 19 пере-

провождающие метан;

• время срабатывания — до 15 с, тогда как время концентрации метана от начального 0 до нижнего предела взрываемости после внезапного выброса составляет 2,84 с;

• возможно появление длины неконтролируемого участка до 200 м (расстояние между датчиками);

• потеря работоспособности аппаратуры при воздействии большой концентрации метана.

Исключение вышеперечисленных недостатков является основным требованием разрабатываемого устройства.

Устройство должно фиксировать наличие взрывной концентрации метана, водорода, этана, пропана, бутана, пентана, этилена и других взрывоопасных смесей газа и паров жидкости. Время срабатывания — 1 с.

Работа схемы заключается в следующем. При появлении нижнего предела взрываемости газа у данного Di датчика 1 газ проходит внутрь взрывобезопасной камеры сгорания 7. Под действием воспламенителя 9 (описание см. ниже) блока 6 происходит принудительное воспламенение взрывчатой среды в камере сгорания 7 с появлением световой вспышки и давления в камере. При этом световая вспышка регистрируется фотоприемником 14, а повышение давления — датчиком давления 13.

При одновременном появлении сигналов на выходе блоков 13 и 14 схема совпадения блока 15 передает посредством блока 5 сигнал к блоку 2 через магистральную кабельную линию 3 и местную сигнализацию блока 5 о появлении нижнего предела взрываемости газа у данного датчика DI■.

дают по участку пространства звуковую и речевую сигнализацию о появлении опасной концентрации газовой смеси.

Расстояние между точками

Рис. 1. Устройство контроля аварийной загазованности пространства:

1 - датчик фиксации нижнего предела взрываемости, газовой смеси с воздухом; 2 - аппарат контроля аварийной загазованности пространства; 3 - магистральный кабель, связывающий датчик I с аппаратом 2

контроля I принимают в зависимости от длины ^НПв допустимого аварийного загазованного пространства выработки с концентрацией газа выше нижнего предела взрываемости (НИВ) и определяют из условия k > Lнпв < где

инпв (м/с) — скорость распространения газовой смеси; ^ — время распространения газовой смеси до встречи с датчиком контроля; k — минимально допустимая длина аварийного загазованного участка. Расстояние У между смежными точками контроля выбирают из условия k > У < Lнпв при этом Lнпв определя-Рис. 2. Принципиальная схема блока принудительного воспламенения взрывчатой среды в камере сгорания

ется при ^ = t2 + Ь, где t2 (с) — время нарастания концентрации газа от начального до нижнего предела взрываемости, а ^ (с) — время с момента встречи потока газовой смеси с источником воспламенения до момента взрыва.

Момент появления взрыва во взрывобезопасной камере сгорания определяют с помощью логической функции Z = НпТп^, где Н — наличие во взрывобезопасной камере сгорания (установленной в данной точке пространства) контроля нижнего предела взрывае-мости газа, Т — наличие во взрывобезопасной камере сгорания, установленной в данной точке пространства контроля, температуры, достаточной для воспламенения взрывной концентрации газа, ^ — индукционный период, п - знак конъюнкции.

Фиксируют этот момент М = ПпД одновременно с появлением пламени П и давления Д во взрывобезопасной камере сгорания, отождествляют- одновременно появление пламени П и давления Д с

наличием Н газа выше нижнего предела взрываемости как в точке установки камеры сгорания, так и в пространстве вокруг этой камеры, приводят в действие противо-аварийную защиту и отключают систему электроснабжения и машины, тем самым предотвращая аварию раньше, чем поток газа достигнет источника зажигания, передают по участку пространства звуковую и речевую информацию персоналу о появлении опасной концентрации газовой смеси.

Воспламенитель для газовой смеси в соответствии с патентом № 21-24196 от 27.12.1998 содержит элемент воспламенения газовой смеси, состоящий из двух электродов (машинная свеча), подключенных с одной стороны к источнику электрических разрядов в виде преобразователя напряжения, а вторые концы помещены во взрывобезопасную камеру сгорания.

Работа преобразователя напряжения основана на получении высоковольтного напряжения путём предварительного накопления энергии в конденсаторе с последующим разрядом конденсатора через цепь, включающую катушку

индуктивности Ll. ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке, создаёт между контактами воспламенителя напряжение, достаточное для пробоя воздушного промежутка между контактами и возникновения искрового разряда.

Принципиальная схема преобразователя представлена на рис. 2. В его состав входят:

• блокинг-генератор;

• накопительный конденсатор С2;

• катушка индуктивности L1;

Датчик 1 включает: 4 - блок питания датчика 1; 5 - блок формирования сигналов от датчика в магистральную кабельную линию и в местную сигнализацию о появлении нижнего предела взрываемости газа у данного датчика; 6 - блок принудительного воспламенения взрывчатой среды в камере сгорания; 7 - взрывобезопасную камеру сгорания; 8 -фиксатор воспламенения газовой смеси во взрывобезопасной камере.

Блок 6 включает: 9 - воспламенитель; 10 -преобразователь напряжения.

Блок 7 включает: 11 - изоляционную колодку; 12 - смотровое окно.

Блок 8 включает: 13 - фотоприемник; 14 -датчик давления; 15 - блок обработки информации о взрыве.

Аппарат контроля аварийной загазованности пространства 2 включает: 16 - блок искробезопасного источника питания; 17 - блок приема сигналов от датчика 1 через магистральную кабельную линию 3; 18 - блок отключения электроэнергии; 19 - блок звуковой и речевой сигнализации

• схема управления разрядом конденсатора;

• реле выключения преобразователя.

Блокинг-генератор выполнен на транзисторе 'УТ1 по схеме с общим коллектором. Высоковольтное выходное напряжение образуется выпрямлением импульсов обратного хода блокинг-генератора.

Временная диаграмма работы преобразователя представлена на рис. 3.

Структурная схема рис. 1 разработана на основании следующих методов и средств контроля нижнего предела взрываемости рудничной атмосферы.

Ниже рассматривается метод, основанный на принудительном воспламенении рудничной атмосферы в точках контроля и фиксации фактического микровзрыва в камере сгорания состоящий в следующем.

Рис. 3. Временная диаграмма работы преобразователя

1. Размещают в горных выработках взрывобезопасные камеры сгорания газа, в которые методом диффузии из выработки поступает рудничной воздух с качественным составом, не отличающимся от состава его в выработке, при данной температуре, давлении, запыленности, влажности и т.д.

2. За счет внешнего источника энергии принудительно производят разогрев объема AV смеси во взрывобезопасной камере длительностью At, и для данной величины пространственно-временного интервала AV, At, при котором величина энергии воспламенения минимальна, но вероятность воспламенения равна единице.

3. Производят воспламенение газа во взрывобезопасной камере сгорания по всем диапазоне концентрационного предела воспламенения.

4. Для стационарных систем разогрев объема AV смеси во взрывобезопасной камере сгорания производят непрерывно, а для переносных устройств периодически или непрерывно.

5. Воспламенение контролируемой газовой смеси производят следующими изменяющимися признаками в камере сгорания:

- мгновенным повышением температуры;

- повышением давления;

- появлением воспламененного метана (СН4), бледно голубоватосинего пламени, т.е. изменением цвета освещенности в камере сгорания.

6. Для систем с непрерывным нагревом тела в момент воспламенения фиксируют нижний предел взрываемости контролируемой смеси с запаздыванием на индукционный период и быстродействием системы фиксации.

7. Для систем с периодическим контролем момент воспламенения фиксируется как состояние контролируемой среды во всем диапазоне концентрационного предела от нижнего до верхнего.

8. Если в предыдущий t1 момент времени принудительного зажигания в камере сгорания не было фактического воспламенения газовой среды камеры, а в текущий i-й момент времени зафиксировано воспламенение среды, то фиксируется, что в данной точке пространства появился нижний предел взрывае-мости рудничной атмосферы с задержкой, равной разности t3 = =t1 - t1-1 между текущим t1 и предыдущим t1-1 временем принудительного зажигания в камере сгорания.

9. Воспламенение газа в камере сгорания в зависимости от условий применения следует производить нагретым электрическим током проволоки или электрическим разрядом.

10. Для воспламенителя газа нагретой проволокой следует выбирать материал проволоки, диа-

метр и температуру воспламенения.

11. Для воспламенителя газа электрическим разрядом следует выбрать тип разряда: дуга, корона, искра; непрерывное или прерывистое искрообразование; тип материала электродов и расстояние между электродами.

Устройство контроля нижнего предела взрываемости рудничной атмосферы (рис. 1) защищено тремя патентами:

• патент на изобретение № 2I24I96 - воспламенитель для взрывчатой среды;

• патент на изобретение № 208ЭТ50 - светильник головной с сигнализатором появлении взрывной смеси газов;

• патент на изобретение № 2124745 - способ контроля аварийной загазованности пространства и устройство для его осуществления.

Предполагаемыми объектами использования являются: шахты второй, третьей категорий и сверхкатегорные, опасные по внезапным выбросам угля и газа;

компрессорные станции и трубопроводы в газовой промышленности; буровые скважины на нефтепромыслах; коммунальное хозяйство.

Опытный образец устройства будет изготовлен в первой половине 2001 г.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Камынин Ю.Н. - профессор, доктор технических наук, Гипроуглеавтоматизация. Камынин В.А. - студент, Московский государственный горный университет.

и