CC BY
49
УДК 622.817.47.002.8:621.486
Г.И. Разгильдеев, В.И. Серов
ГАЗООТСАСЫВАЮЩАЯ И ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩАЯ УСТАНОВКА НА ЗАКРЫТОЙ ШАХТЕ
В г. Ленинске - Кузнецком Кемеровской области с июля 2003 г. по ноябрь 2004 г. проводился эксперимент по отсосу остаточного метана из закрытой шахты "Кольчугинская" и его энергетическому использова-
нию.
Рабочий проект "Организация отсоса метана из выработанного пространства ликвидируемой шахты "Кольчугинская" разработан ЗАО "Институт "Шахтопроект" (г. Санкт-
Петербург") по техническому заданию лаборатории энергетики ФГУП ННЦ ИГД им. А.А. Скочинского. Финансировало его Государственное учреждение по вопросам реорганизации и ликвидации нерентабельных шахт и разрезов (ГУРШ). Согласование проекта и технологической схемы газомоторной установки (ГМУ) с заинтересо-
работку, организацию проведения экспертизы проекта на промышленную безопасность, комплектацию оборудования, монтаж ГМУ, оформление разрешительно - лицензионной документации, обучение и аттестацию персонала, пуско - наладочные работы и эксплуатацию выполнило ООО "Кузбас-сэлектро - М" и научно - технический и экспертно - испытательный центр электрооборудования и систем электроснабжения (НТЭИцентр) Кузбасского гостехуниверситета (КузГТУ).
Шахта "Кольчугинская"
разрабатывала угольные пласты Грамотеинской и Ленинской свит Ерунаковской подсерии Кольчугинской серии верхнепермского возраста. Размеры шахтного поля - 8,3 км2 .
Проектом предусматривалось создание ГМУ, работаю-
(25 - 95)% и включающей в себя специально пробуренную газоподающую скважину глубиной 230 м, газоотсасывающий блок с вакуум - насосом, две армейских электростанции ЭСДА - 200 мощностью по 200 кВт каждая с переделанными на газ дизелями 12ГЧ15/18, блок управления и линию электропередачи 0,4 кВ сечением 4х70 кв.мм длиной 300 м до трансформатора ТМ-180 кВ-А, который осуществлял связь электростанции с системой электроснабжения ОАО "Ленинск -Кузнецкая горэлектросеть". Вырабатываемая электроэнергия передавалось в сеть 0,4/0,23 кВ находящегося поблизости частного жилого массива и через трансформатор связи в городскую сеть напряжением 6 кВ.
В качестве коллекторов метана рассматривались зоны
ванными организациями, ее до- щей на метане с концентрацией влияния горных работ отрабо-
Рис. 1. Геологический разрез по газоотсасывающей скважине: О - места взрывания ВВ
танных пластов "Поджурин-ский-5" с расчетным объемом 675 тыс. м 3 при концентрации 90 % и "Поджуринский-1" с объемом 170 тыс. м 3 с концентрацией 20 %. В пересчете этот объем метана мог содержать 23,1 млн. кВт-ч электроэнергии. Воспользоваться расчетными запасами метана не удалось, поскольку создание ГМУ проводилось параллельно с затоплением шахты и к моменту завершения ее монтажа выработанное пространство частично было затоплено.
Газоподающая скважина была пробурена в выработанное пространство пласта "Поджу-ринский-5" и обсажена глухими трубами диаметром 273 мм на расстоянии 80 м от поверхности, а дальше - трубами 168 мм со щелевой перфорацией.
щейся газоотдачей от 1,2 до3 м3 /мин, что свидетельствует о высоком аэродинамическом сопротивлении выработанного пространства, из которого в нее поступал газ. При не работающем вакуум - насосе газ из скважины не поступал.
Газоотсасывающий блок (ГОБ) - это утепленный металлический бокс с размещенными в нем вакуум - насосом, трубопроводами, запорной арматурой, обратными клапанами, ог-непреградителями, датчиками концентрации метана и его расхода. Его упрощенная технологическая схема приведена на рис.2.
В качестве вакуум - насоса в ГОБ установлена роторная объемная газодувка 1Г24-30-2В производства ОАО "Мелком" (Мелитопольский компрессор) с
Рис. 2. Упрощенная технологическая схема газоотсасывающего блока: 1,9 - обратные клапаны; 2 - водоотделитель; 3 - водосборный бак; 4 - фильтр; 5, 7, 10, 11 - огнепреградители; 6 - газодувка; 8 - выравнивающая емкость; К1, К2 - шаровые краны
Скважина не выдавала газ даже при работающем вакуум - насосе с разряжением до 50 кПа. Для ее активизации произвели взрывание ВВ внутри обса-дочной трубы в трех местах (на рис. 1 отмечены окружностями) с последующей пневмообработкой всей скважины с помощью установки АПТ-200 с давлением в магистрали 13 - 14,5 МПа и в рабочей камере 8 - 13 МПа. На один метр производили 10 выстрелов на спуске рабочего органа. В результате этих мер скважина начала выдавать метан с концентрацией 25% при вакууме 45 -50 кПа с последующем увеличением до 56 - 70% с меняю-
взрывозащищенным электродвигателем мощностью 7,5 кВт. Её номинальная производительность - 11 м 3/мин с перепадом давления между всасом и нагнетанием 50 кПа. Роторные газодувки имеют ряд важных преимуществ перед водокольцевыми вакуум - насосами, которые широко применяют в дегазационных установках, в частности, их энергоемкость примерно в 12 - 14 раз ниже за счет высокого КПД, а перекачиваемый газ не насыщается парами воды и не требует сушки перед подачей в поршневые двигатели. Недостаток газодувок состоит в том, что их можно применять только в комплекте с
огнепреградителями, поскольку при большом износе подшипников предположительно существует вероятность сухого трения роторов, что может быть причиной воспламенения перекачиваемой метано - воздушной смеси.
В ГОБ по разрешению Госгортехнадзора РФ установлены в качестве огнепреградителей огневые предохранители ОП -100 Армавирского опытного машиностроительного завода.
Они с двух сторон ограждают газодувку (позиции 5 и 7 на рис. 2) и установлены на газосбросовых свечах (10 и 11) для предотвращения воспламенения сбрасываемого газа под воздействием какой - либо внешней причины (например, разряда молнии).
Цистерна 8 емкостью 183 предназначается для стабилизации работы газовых двигателей. Обратные клапаны 1 и 9 предотвращают уход газа в скважину при остановке двигателя газодувки.
В фильтре 4 установлены фильтрующие элементы от автомобиля КамАЗ, заменяемые через каждые 120 - 130 ч наработки ГМУ из - за отложений пыли.
Измерение концентрации метана, поступающего из скважины, а также могущего скапливаться в боксах электростанций и газоотсасывающем блоке производилось с помощью комплекса АКМР - М и периодически дублировали приборами ШИ - 12 и М - 01. Расход смеси измеряли прибором "Метран". В работе постоянно находилась одна электростанция из - за недостатка газа и малой мощности трансформатора связи с городской электросетью, которая не позволяла поднять мощность генератора выше 145 кВт.
В процессе пуско - наладочных работ и последующей за ними эксплуатацией ГМУ производили систематические (через час) записи приборов, контролирующих ее работу, в том числе: концентрацию метана из
Р*
0,3
0,278
0,25
0,2
0,15 0,14
0,122 0,122
0 1 _____г----Г---- 0,095 0,095______________________________
0'05 0.03 0,03 0,03 0 02 . .
р\ 0 II_______________1_1___________Г 1110
0 38 41 44 47 50 53 56 59 62 65 68 71 74 % СН4
Рис. 3. Гистограмма распределения концентрации метана за время работы ГМУ
0,278
0,14
0,122 0,122 0,095 0,095
0 0.03 0,03 0,03 0 02 . . 0 0,02 т
0 38 41 44 47 50 53 56 59 62 65 68 71 74
скважины; мощность ГМУ, отдаваемую в сеть, кВт; вакуум, создаваемый газодувкой в скважине, кПа; давление газа перед двигателем, кПа; вырабатываемую ГМУ электроэнергию, кВт-ч; расход газовоздушной смеси, поступающей из скважины, м 3/мин; атмосферное давление при работе ГМУ, мм рт. ст.; продолжительность работы двигателя общую и на одно включение до снижение концентрации метана ниже 38 -40 %, ч. Полученные данные были обработаны с помощью методов математической статистики, что позволило перейти к обобщенным
выводам. Характеристики каждого из контролируемых параметров рассчитывали с доверительной вероятностью не ниже 0,85.
Концентрация поступающего из скважины метана не была постоянной и менялась как за время эксплуатации ГМУ, так и
на одно ее включение в (рис. 3). Из гистограммы видно, что эксплуатация ГМУ большую часть времени проводилась при концентрации метана 41 - 56%. Менялось во времени и газоот-дача скважины.
В связи с этим режим работы ГМУ был циклическим. Ее включали в работу при содержании метана (52 - 56)% и выше. При содержании газа (38 -40)% двигатель сбрасывал нагрузку и отключался автоматически, хотя по энергосодержанию газовоздушной смеси из скважины он мог работать при концентрации СН4 до 25%. Объясняется это недоработкой конструкции редукционного клапана двигателя, устранить которую в процессе эксплуатации не представилось возможным. Наработка ГМУ на снижение концентрации от 52 - 56 % до 38 - 40 % составляла 6 -8 ч, пауза между включениями 8 -12 ч. За это время этой концен-
трация вновь поднималась до 52
- 56 % и ГМУ включали в работу. Таким образом ГМУ работала на смеси с теплотворной способностью (20,1 - 14,36) МДж / нм3 (теплотворная способность чистого метана - 35,9 МДж/м3) в течение 12 - 16 ч в сутки.
Изменение концентрации метана из скважины происходило с разной скоростью, как это показано на рис. 4, где приведена гистограмма распределения этих скоростей на одно включение ГМУ. Она составила от 1,6 до 9,6 % / ч со средним значением 4,67 % / ч.
Это свидетельствует не только о неравномерности поступления газа в скважину, но и о невозможности обеспечить стабильную отдачу ГМУ мощности в сеть без регулятора объема газовоздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателей.
О неравномерном поступлении газа в скважину свидетельствует также разность скоростей снижения концентрации метана между наибольшими и наименьшими ее значениями за время работы двигателя. Эта скорость распределялось от 3,8 до 7,6 % / ч и от 11,4 до 19,0% / ч, то есть наблюдался своеобразный волновой процесс поступления газа в скважину.
Разная скорость поступления метана в скважину из выработанного пространства и изменение газоотдачи оказывало самое непосредственное влияние на стабильность работы ГМУ и на уровень выдаваемой двигателем мощности.
Влияние атмосферного давления показано на рис. 5, где приведены кривые регрессии между концентрацией метана и длительностью работы ГМУ при давлении 730 и 750 мм рт. ст. Видно, что концентрация метана повышалась при снижении атмосферного давления и наоборот вне зависимости от продолжительности работы ГМУ Р ч. Высокие коэффициенты корреляционных отношений Я730 = 0,975 и Я750 =0,94
Р *
0,35
0,3 0,33
0,25
0,2 0,25
0,15
0,166
0,1 0,125
0 05 0,083 0,083
0 1,6 3,2 4,8 6,4 8,0 9,6 Уг’ ^
Рис. 4. Гистограмма распределения скоростей снижения концентрации СН4 за одно включение
0,33
0,25
0,166
0,125
0,083 0,083
0 1,6 3,2 4,8 6,4 8,0 9,6
%,СН4
Рис. 5. Изменение концентрации метана при различном атмосферном давлении: 1 - при давлении 730 мм рт. ст.; 2 - при 755 мм рт. ст.
свидетельствуют о практически функциональных связях этих зависимостей.
Восстановление концентрации метана после достижения ею минимального значения и отключения ГМУ происходило также с разной скоростью. Большой разброс скоростей снижения и восстановления концентрации метана можно объяснить как малыми значениями коэффициента пустотно-сти обрушенных много лет назад горных пород так и тем, что движение газа из зоны влияния горных работ к скважине могло происходить не только за счет создаваемого газодувкой вакуума, но и за счет диффузии.
За время пуско - наладочных работ и эксплуатации ГМУ было откачено из выработанного пространства 291 930 м 3 метано - воздушной смеси со средней концентрацией СН4 около 50% и выработано 99 840 тыс. кВт-ч электроэнергии. Коэффициент отдачи энергии из метано - воздушной смеси составил 0,342.
При реализации проекта был разработан и утвержден в установленном порядке нормативный документ: "Временное руководство по безопасной эксплуатации установок энергетического использования шахтного и природного метана", который является нормативной базой для проектирования аналогичных ГМУ и основой для экспертизы проектов на промышленную безопасность.
Из опыта работы ГМУ стало ясно, что технологическую схему ГОБ можно упростить за счет резервного огнепрегради-теля и водоотделителя с водосборным баком. Комплекс измерения метана АКМР - М требует систематической (через 100 - 120 ч работы) настройки. Он имеет высокую инерционность (до 15 с) и в силу этого непригоден для систем регулирования количества подаваемой в двигатель метано - воздушной смеси при изменении концентрации.
Газопоршневые двигатели необходимо оснащать регулято-
рами количества подаваемой в них газовоздушной смеси для обеспечения их стабильной работы.
Опыт показал, что проектирование газотсасывающих установок с целью энергетического использования метана из закрытых шахт целесообразно производить в два этапа. На первом из них выбирать место расположения скважины с расчетом возможных запасов метана и производить ее бурение с измерением аэродинамического сопротивления и газоотдачи, а на втором - выбирать характеристики всего технологического оборудования и электростанций.
Выработанное пространство оказалось ненадежным источником снабжения ГМУ метаном. Перспектива, на наш взгляд, за использованием в качестве коллекторов метана непогашенных основных выработок шахт при условии, что они не будут затоплены.
□ Авторы статьи:
Разгильдеев Геннадий Иннокентьевич
- докт. техн. наук, проф. каф. электроснабжения горных и промышленных предприятий
Серов Виктор Иванович
- докт.техн. наук, проф., зав. лаб.
ФУГП ННЦ ГП и ГД им. А.А. Скочинского
