CC BY
58
-------------------------- © В.А Камынин, С.С. Кубрин, Ю.Н. Камынин,
В.А. Хочинов, В.И. Радченко, 2010
УДК 622/8
В.А. Камынин, С.С. Кубрин, Ю.Н. Камынин,
В.А. Хочинов, В.И. Радченко
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ СИГНАЛИЗАТОР ВЗРЫВНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ
Разработан сигнализатор превышения уровня безопасной концентрации метана в шахтной атмосфере.
Ключевые слова: шахта, атмосфера, метан, взрыв, взрывная концентрация, взрывае-мость, искроопасное напряжение.
Семинар № 11
Современное состояние проблемы аэрогазового контроля шахтной атмосферы в угольной отрасли заключается в том, что датчики измерения параметров шахтной атмосферы, входящие в системы «Метан», «Микон», АКМР-М, не контролируют величину нижнего предела взрывной концентрации метана, не обеспечивают необходимого быстродействия контроля, что приводит к взрыву метана на шахте. Каждый взрыв метана в шахтной выработке подтверждает, что: рудничный воздух на этом участке имел взрывную концентрацию (Н); в местах появления взрывной концентрации в момент взрыва находился воспламенитель (Т) взрывной концентрации.
Если после взрыва о воспламенителе становится известно, то время появления взрывной концентрации Н, координаты начального места ее возникновения, скорости ее распространения до воспламенителя неизвестны, т.к. не разработаны технические средства контроля, в том числе высокоскоростные (менее 0,8 сек) сигнализаторы превышения уровня безопасной концентрации метана в шахтной атмосфере.
Все это обуславливает необходимость разработки быстродействующего датчика распознавания взрывной концентрации метано-воздушной смеси и системы контроля взрывобезопасности рудничной атмосферы с целью предотвращения взрыва метана. Разработка датчика и системы контроля взрывной концентрации метана позволит решить задачу предотвращения вспышек метана и угольной пыли от фрикционных искр при работе проходческих и выемочных горных машин, а также взрывов метана в контролируемой горной выработке.
Институтом «Г ипроуглеавтоматиза-ция» разработан сигнализатор превышения уровня безопасной концентрации метана в шахтной атмосфере типа СУБК. В состав сигнализатора СУБК входят два устройства:
• УПК — устройство контроля превышения уровня безопасной концентрации;
• УИП — устройство управления и питания, состоящее из двух конструктивно законченных блоков: БУП — блок управления и питания; СИИП — сетевой искробезопасный источник питания.
Эти устройства обеспечивают:
• устройство УПК — осуществляет в месте своей установки непрерывный автоматический контроль взрывоопасности шахтной газовой среды и, при достижении нижнего предела ее взрывае-мости, фиксировать наличие взрывной концентрации и выдавать этот сигнал через линию связи на блок БУП;
• блок БУП — питает устройство УПК, а при получении сигнала о наличии взрывной концентрации метана отключать электроэнергию, включать аварийную звуковую сигнализацию и передавать этот сигнал на внешние устройства передачи информации;
• блок СИИП — преобразовывает сетевое искроопасное напряжение в искробезопасное и питать им блок БУП.
В комплект поставки сигнализатора входят:
• устройство УПК, шт., — 1;
• устройство УИП, в составе двух блоков:
• блок сетевого питания СИИП, шт.,
— 1;
• блок управления и питания БУП, шт., — 1;
• комплект запасных частей и инструмента по ведомости ЗИП, шт., — 1;
• паспорт, шт., — 1;
• руководство по эксплуатации, шт.,
— 1.
Идея работы состоит в использовании физического свойства ионизации молекул газа (метана) при термическом воздействии и распознавание взрывной концентрации среды. Под действием термического воздействия происходит сильный нагрев метановоздушной смеси, повышение давления, скачек ратуры, вспышка света, изменение водимости. В сигнализаторе распознается вспышка света при горении воздушной смеси. Происходят следую-
щие преобразования метановоздушной смеси в камере сгорания.
Рудничный воздух 1 (рис. 1) за счет шахтной вентиляции проходит через металлическую сетку 3 и попадает в камеру сгорания 2 установленную в выработке. При этом он нагревается электронагревателем 4, проходит электроды 5 искрового разряда, управляемые схемой 6. При наличии в камере взрывной концентрации газа происходит взрыв (воспламенение) и горение метана в камере, начинает испускаться свет от горящего топлива.
Производят фиксацию испускаемого света фотодиодом 9, усиливают 10 сигнал от него и подают его на отключение электроэнергии и включение аварийной звуковой сигнализации.
В нашем случае металлические сетки не представляют замкнутый объем.
В системе введен способ опережающего контроля аварийной загазованности пространства. Он заключается в том, что контролируют наличие взрывного газа путем установки стационарных приборов фиксирующих недопустимую концентрацию газа по объему, отличающегося тем, что создают разницу температуры АТ метановоздушной смеси во взрывобезопасной камере сгорания Tq и загазованного пространства Tz, где расположена камера:
АТ = Tq — ^ (1),
момент Z появления взрыва газовой смеси в контролируемом пространстве может наступить при реализации параметров пространства по логическому выражению:
Z = H Л Tл t л Q, (2)
подогревают газ в камере сгорания и тогда момент появления взрыва (вспышки) подогретого газа определяют с помощью логической функции:
п=
Рис. 1. Получение сигнала о взрывной концентрации метановоздушной смеси в шахте: 1 —
Рудничный воздух с содержанием метана СН4.; 2 — Металлическая камера сгорания; 3 — Две металлические сетки камеры сгорания (КС); 4 — Нагреватель воздуха в КС; 5 — Электроды искрового разряда в КС; 6 — Электронный воспламенитель искрового разряда; 7 — Импульс зажигания электрической искрой смеси и распространение пламени с достижением температуры воспламенения* и температуры взрыва** метановоздушной смеси; 8 — Испускание света горящей метановоздушной смесью; 9 — Фиксация испускаемого света горящей метановоздушной смесью; 10 — Усиление сигнала с выхода фотодиода, отключение электроэнергии, включение аварийной звуковой сигнализации; * — Температура воспламенения метановоздушных смесей зависит от концентрации метана в камере сгорания и температуры источника воспламенения 5; ** — Температура взрыва метановоздушной смеси, то есть температура, до которой в первый момент нагреваются газообразные продукты взрыва, достигает 2150—2650 °С, если взрыв смеси произошел внутри полностью замкнутого объема, и 1850 °С, если продукты взрыва могли расширяться.
Zq = Щ Л Тч Л ^ Л Qq Н >
> Щ Qq > Q, (3)
где Н — нижний предел взрываемости газа в пространстве вокруг камеры сгорания при нормальной температуре (например в горной выработке Q < 35 0С); Hq — наличие во взрывобезопасной камере сгорания (установленной в данной точке пространства контроля) нижнего предела взрываемости подогретого газа с температурой Qq; Т — температура воспламенителя газа в точке пространства (для метана более 6500С); Tq — наличие во взрывобезопасной камере сгорания воспламенителя с температурой достаточной для воспламенения подогретого газа; Q — температура газовой
смеси контролируемого пространства вокруг камеры сгорания; Qq — наличие повышенной температуры подогретого газа в камере сгорания; t — индукционный период в пространстве контроля; tq
— индукционный период в камере сгорания; л — знак коньюнкции.
Изменение значения нижнего концентрационного предела взрывчатости метановоздушной смеси, % в зависимости от роста температуры Qq метановоздушной смеси в камере сгорания определяют по выражению:
Щ = Н - К • Qq (4)
и рис. 2
где К — коэффициент пропорциональности (остальные значения как и в уравнении 3).
Рис. 2. Изменение нижнего концентрационного предела метановоздушной смеси % в зависимости от роста температуры Qq метановоздушной смеси в камере сгорания
Рис. 3. Структурная схема сигнализатора СУБК: 1 — взрывобезопасная камера сгорания газа; 2 — электроды воспламенители газа; 3 — формирователь импульса для образования искры; 4 — фотоприемник; 5 — блок контроля изменения тока в цепи; 6 — электрический нагреватель воздуха
Температуру подогретой метановоздуш- щения взрыва метановоздушной смеси оп-
ной смеси в камере сгорания Tq ограничива- ределяют по выражению:
ют температурой (Tq = 645°С) воспламенения дн = н - Hq
смеси, °С (при р = 1013 ГПа).
Значение величины для опережающего контроля нижнего концентрационного опережающего контроля нижнего
предела взрывчатости с целью предотвра-
(5)
Значение установки срабатывания
Рис. 4. Принципиально — функциональная схема СУБК: 1 — электрический нагреватель газа; 2 — воспламенитель взрывной концентрации газа (электроды); 3 — распознаватель вспышки газа в камере сгорания — фотоприемник; 4 — формирователь высоковольтного напряжения; 5 — камера сгорания; 6 — оптрон; 7 — источник искробезопасного питания; 8 — блок усиления к фотоприемнику; 9 — источник искробезопасного питания
концентрационного предела взрывчатости в зависимости от температуры метановоздушной смеси в камере сгорания в зависимости от цели управления и защиты определяют:
H q = H - ДЛ. (6)
Значение регулируемой уставки температуры Qq подогретого газа для принятого значения H q определяют по выражению:
Н - Нп
О =---------- .
р к
Момент появления взрыва в камере сгорания отождествляют с нижним пределом взрываемости Hq (уравнение
4) подогретого газа, сниженный по сравнению с концентрационным нижним пределом взрывчатости H газа в загазованном пространстве, величина этого снижения ДЛ (уравнение 5) представляет заданную величину опережающего значения концентрации газовой смеси. Не дожидаясь появления взрывной по величине ДЛ концентрации в контролируемом пространстве и последствий взрыва газа опережающе приводят в действие противоаварийную защиту.
На рис. 3 представлена структурная схема, а на рис. 4 принципиальная схема СУБК. Быстродействие схемы 0,5сек.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Способ контроля загазованности пространства и устройство для его осуществления. Патент на изобретение №2124745.
2. Воспламенители для взрывчатой среды. Патент на изобретение № 2124196.
3. Камынин В.А. «Разработка и исследование автоматизированной системы контроля взрывоопасности рудничной атмосферы» диссертация на соискание ученой степени к.т.н. МГГУ Москва 2007 г. ВТШ
Коротко об авторах
Камынин В.А. — руководитель отдела ООО «ИЭНФОДРОМЕД»;
Кубрин С.С. — доктор технических наук, профессор ФГУП «Гипроуглеавтоматизация»; Камынин Ю.Н. — доктор технических наук, профессор ФГУП «Гипроуглеавтоматизация»; (495) 501-15-00,
Хочинов В.А. — зав. лабораторией ФГУП «Гипроуглеавтоматизация»;
Радченко В.И. — старший научный сотрудник ФГУП «Гипроуглеавтоматизация».
ЭТИМОЛОГИЯ ЗНАКОМЫХ СЛОВ
Как в русском языке появилось слово «руда»? Проф. А.М. Тюрин выдвинул гипотезу о том, что скифская культура является наследством Орды и считает Орду вполне способной контролировать добычу руды на территориях Центральной и Западной Европы. Поэтому в европейских языках от слова «Орда» произошли слова «or» и «ore». А русский вариант - «руда» - скорее всего, искаженное слово «Орда».
