CC BY
40
Малашкина В.А. - профессор, доктор технических наук, кафедра «Аэрология и охрана труда», Московский государственный горный университет.
---------------------------- © В.А. Малашкина, Н.А. Вострикова,
2006
УДК 622.817
В.А. Малашкина, Н.А. Вострикова
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕГЕРМЕТИЧНОСТИ ДЕГАЗАЦИОННЫХ ГАЗОПРОВОДОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ НА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ В НИХ МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ
В процессе транспортирования каптируемой из угольных шахт метановоздушной смеси от дегазационных скважин на поверхность по подземным вакуумным газопроводам, как известно, имеют место подсосы воздуха из шахтной атмосферы через неплотности фланцевых соединений внутрь трубопроводов. При превышении установленных норм величины удельного объема подсасываемого воздуха наблюдается увеличение удельных потерь давления в трубопроводной сети по сравнению с расчетными величинами, увеличение дебита метановоздушной смеси с одновременным уменьшением в ней концентрации метана, а в связи с образованием скоплений капельной жидкости в пониженных местах трубопровода - уменьшение гидравлического сечения труб. Эти факторы являются причиной увеличения затрат электроэнергии на транспортировку метановоздушной смеси по сети дегазационных трубопроводов, уменьшения дебита метана, отсасываемого из скважин, и увеличения абсолютного метановыделения в очистные выработки и выемочные участки.
Увеличение протяженности функционирующей трубопроводной сети, согласно технологическому процессу дегазации, влечет за собой рост потерь разрежения, создаваемого вакуум-насосами. Так как на один километр длины дегазационно-
го трубопровода приходится 200-250 соединений труб, то с ростом протяженности трубопровода увеличивается объем подсасываемого воздуха в дегазационную систему через неплотности соединений, повышая гидравлическое сопротивление системы и значительно снижая концентрацию метана в каптируемой смеси. Кроме того, с развитием горных работ возрастает величина дебита метана, который необходимо каптировать дегазационной установкой из источников мета-новыделения для достижения требуемой эффективности дегазации. Поэтому, для увеличения пропускной способности дегазационной системы при ее реконструкции производится прокладка параллельных участков газопровода. Это приводит к росту фактической длины подземного газопровода и увеличению числа соединений труб. Таким образом, вопрос о правильном расчете длины и диаметра дополнительного параллельного участка трубопровода также является актуальным.
Каптируемая метановоздушная смесь поступает из скважин в трубопроводную систему, имея в среднем температуру 30- 35 °С [1], а за время прохождения по вакуумному подземному дегазационному трубопроводу вследствие интенсивного теплообмена с окружающей средой температура смеси снижается до 15-20 °С (температуры воздуха в горных выработках ближе вентиляционному стволу). Как отмечалось выше, пары воды, поступающие вместе с отсасываемой метановоздушной смесью из дегазационных скважин в вакуумный подземный трубопровод, заметно снижают эффективность транспортирования метановоздушной смеси, так как охлаждаясь и конденсируясь, скапливаются в трубопроводе в виде капельной жидкости, уменьшая гидравлическое сечение и увеличивая сопротивление дегазационной системы. В настоящее время разработаны способы и оборудование, позволяющие отделять из газовоздушной смеси капельную жидкость и механические примеси.
Определение характера влияния частиц угольной и породной пыли, выносимых потоком газа из скважин, на гидродинамическое движение метановоздушной смеси по вакуумному подземному трубопроводу представляется затруднительным. Общая масса механических примесей, поступаю-
щих в вакуумный трубопровод, не является одинаковой, и зависит от многих факторов, в том числе от разрежения, создаваемого в устье скважин, и от количества одновременно эксплуатируемых скважин.
Одной из особенностей транспортирования метановоздушной смеси по подземному трубопроводу является колебание параметров смеси, в связи с разным числом одновременно работающих скважин (а, соответственно, и с меняющимися во времени величинами параметров отсасываемой из скважин смеси: расхода метана и его концентрации), и различным количеством воздуха, поступающего в систему через неплотности соединений труб. В то же время, для возможности утилизации добываемого метана необходимо поддержание стабильных параметров каптируемой из источников метана смеси.
Плотность метановоздушной смеси на всем пути ее следования по вакуумному подземному дегазационному трубопроводу изменяется, и для определения степени ее влияния на величину потерь разрежения в дегазационной системе, необходимо знать причины и характер этого изменения.
Принимаем вакуумный трубопровод состоящим из отдельных, герметичных, соединенных между собой звеньев труб, имеющих в местах соединений неплотности, через которые происходит подсос воздуха из шахтной атмосферы внутрь дегазационной системы. Выделим в начале звена 1 (рис. 1) некоторый объем метановоздушной смеси /1, масса т1 которого равна сумме масс: смеси, поступившей из предыдущего звена т0, и воздуха, подсасываемого через неплотность фланцевого соединения между двумя трубами -тв1. Режим движения воздуха через неплотности фланцевого соединения - ламинарный [1]. Так как, согласно основному уравнению неразрывности, массовый расход метановоздушной смеси на всем протяжении следования по рассматриваемому участку трубы остается постоянным £т1 =р1и1 Б = Qm2 =ССП81 и остается постоянным сечение трубы Б (при отсутствии скоплений капельной жидкости), то
иРх = и2Р2 (1)
где ц и и2 - скорость соответственно выделенного объема метановоздушной смеси в начале и конце участка трубы, м/мин; р и р2- плотность влажной смеси в начале и конце участка, кг/м3.
Метановоздушная смесь, каптируемая из источников га-зовыделения дегазационной установкой, представляет собой смесь газов и паров воды, не вступающих между собой в химические реакции, и полностью сохраняющих свои свойства независимо друг от друга. Поэтому рассмотрим плотность влажной метановоздушной смеси как функцию ее состава
Рг = амРм + а1Р1 + РРЛ (2)
Рис. 1. Схема перемещения ограниченного объема влажной метановоздушной смеси по участку трубопровода: 1 - герметичное звено трубопровода длиной I = 4,0 м; 2 - фланцевое соединение
где pi - плотность влажной метановоздушной смеси, кг/м3; р - относительная влажность транспортируемой метановоздушной смеси, доли ед.; рм и р1 - плотность соответственно метана и сухого воздуха при данном давлении и температуре смеси, кг/м3; рА. - плотность насыщенного водяного пара, кг/м3.
Свойства большинства газов приближены к свойствам идеального газа при температуре, величина которой достаточно далека от точки конденсации, т. е. при отсутствии между молекулами взаимодействия, исключая моменты их соударений, и когда собственный объем молекул газа значительно меньше объема газа [2]. Это утверждение справедливо и для каптируемой метановоздушной смеси. При этом, чем больше разрежение в дегазационной системе, тем более точно удовлетворяется уравнение Менделеева-Клапейрона.
При малой длине рассматриваемого участка трубопровода равной длине одного звена (I = 4 м) температуру метановоздушной смеси можно считать одинаковой, то есть в этом случае имеет место изотермический процесс изменения состояния смеси. Согласно закону Бойля-Мариотта и применимо к метановоздушной смеси, произведение величины давления смеси и занимаемого ею объема почти не изменяется
PV ~ P2V2 = const
(3)
где р1 и р2 - давление метановоздушной смеси соответственно в начале и конце звена трубопровода, Па (р1 > р2); Х^1 и V2 - объем метановоздушной смеси массой m1 в начале и конце звена трубопровода, м3.
Увеличиваемый в конце рассматриваемого звена трубопровода 1 (см. рис. 1) вакуум приводит к росту длины свободного пробега молекул метановоздушной смеси и, учитывая (3), вызывает расширение движущегося объема: V2 > V. Величина объема, занимаемого смесью газов, обратно пропорциональна величине плотности (VW = р2/р1), и плотность влажной метановоздушной смеси в конце звена трубопровода можно представить в следующем виде
Р2
Р2 =Pl— .
Pl
(4)
Анализируя зависимость (4), можно сделать вывод, что при движении смеси величина ее плотности к концу звена 1 трубопровода уменьшается. Таким образом, к концу рас-
сматриваемого звена объем влажной газовоздушной смеси увеличится, величина давления уменьшится, и с уменьшением плотности, по зависимости (1), возрастет скорость поступательного движения молекул.
Через неплотность фланцевого соединения 2 рассматриваемого и последующего звеньев трубопровода (см. рис. 1) в дегазационную систему поступает некоторое количество воздуха из окружающей шахтной атмосферы тв2 в момент нахождения в этой области молекул метановоздушной смеси в объеме У2, что снижает концентрацию метана. Так как при одинаковых условиях плотность воздуха больше плотности метана, то в районе подсоса воздуха в дегазационную систему произойдет некоторое увеличение плотности каптируемой метановоздушной смеси.
Характер изменения плотности влажной метановоздушной смеси по длине магистрального трубопровода представлен на рис. 2. Так, при движении смеси по герметичному участку трубопровода 1 длиной 4,0 м плотность метановоздушной смеси снижается с 0,7478 кг/м3 до 0,7476 кг/м3, при концентрации метана в смеси 80 %. Снижение концентрации метана в смеси в результате подсосов воздуха через негерметичное соединение труб увеличило плотность смеси до 0,7510 кг/м3 (участок 2). При удельном объеме подсасываемого воздуха 0,001 м3/мин-м динамика снижения плотности смеси при движении по следующему участку трубопровода аналогична рассмотренной для участка 1. Очевидно, что влияние подсасываемого воздуха на изменение плотности движущейся смеси и приводящей к ее увеличению больше, чем влияние создаваемого разрежения и влекущего за собой снижение ее величины.
р, кг / мъ
0,759
0,755
0,751
0,747
0 2 4 6 8 Ю 12 14 1,М
Рис. 2. изменение плотности каптируемой метановоздушной смеси по длине вакуумного газопровода (1зена = 4,0м) р = /(I) : 1 - при
движении смеси по герметичному участку трубопровода (ам = 80% ); 2 -при движении смеси в области происходящих подсосов воздуха
Рассматривая дегазационную сеть таким образом, приходим к выводу: при движении влажной метановоздушной смеси по вакуумному подземному дегазационному трубопроводу ее объемный расход увеличивается как вследствие увеличения разрежения так и поступления воздуха в трубопроводную сеть. Кроме того, из-за подсосов воздуха увеличивается и величина плотности транспортируемой смеси, несмотря на то, что при движении по герметичным участкам трубопровода ее значение уменьшается. Так, на участковых
трубопроводах (см. рис. 2) влияние подсосов воздуха на изменение величины плотности смеси обычно в 14 -г- 18 раз превышает влияние разрежения (при допустимой величине удельных подсосов воздуха). Увеличение удельных подсосов воздуха является одной из главных причин увеличения гидравлического сопротивления трубопровода и, как следствие, потери давления на участке трубопровода увеличиваются. При этом влияние изменения плотности влажной метановоздушной смеси на потери давления тем больше, чем меньше внутренний диаметр вакуумного трубопровода (рис. 3).
Степень влияния изменения плотности каптируемой влажной метановоздушной смеси на потери давления в трубопроводной сети определяется следующими зависимостями
2 4,5 -10-4б2Я X I Т
р2 ='1 р1---------------2----------
вт = вс1Р1
(5)
или
Р2 = / (Pl, Qc1, Рl, Я, Х Т, 1, Л)
(6)
Откуда
Р 1 - Р2 = / ( (вс2 - Qcl), АР, AX, Т, Л )
(7)
где вс1 - объемный расход смеси в начале рассматриваемого участка, м3/мин; р1 и Др - соответственно плотность каптируемой смеси в начале участка и изменение величины плотности на концах участка, кг/м3.
Учитывая то, что при движении смеси по участку трубопровода с происходящими подсосами воздуха изменяются такие параметры метановоздушной смеси как объемный расход, плотность, а коэффициент гидравлического трения учитывает
25.2
20.2
15.2
10.2 5,2
0
0,070 0,097 0,124 0,151 0,178 0,205 Ар, кг / М
Рис. 3. Зависимость величины потерь давления на участке вакуумного трубопровода от изменения плотности влажной метановоздушной смеси при различной величине внутреннего диаметра труб
(Р1 - Р2) = /(Ар,^) ; 1 - при ёен = 0,259 м; 2 - при ёен = 0,309 м; 3 -при имеющихся скоплениях капельной жидкости и dгuдр = 0,250 м
р2, кПа
90,0
89,3
88,6
87,9
87,2
34 34,7 35,4 36,1 36,8 37,5 38,2 (},мъ Iмин
Рис. 4. Влияние расхода метановоздушной смеси на требуемую величину абсолютного давления смеси в конце участка трубопровода при различных значениях концентрации метана в смеси
Р2 = / (в,ам ) : 1 - при °м = 90 %; 2 - при ам= = 83 %; 3 - при ам = 70 %
влияние изменения температуры, гидравлического диаметра, то зависимость для величины разности давления на концах участка следующая
Р2 - Рі = І ( й, Р,Я, *■, Т, I, d)
(8)
Так как величина плотности влажной метановоздушной смеси, транспортируемой по участку вакуумного трубопровода, оказывает значительное влияние на потери давления на участке, то для каптирования одной и той же величины объемного расхода метановоздушной смеси, но при различной концентрации в ней метана, требуется установление различных величин давления на конце участка трубопровода. При этом, чем меньше концентрация метана в смеси, тем меньше должна быть и величина давления на конце участка. Например, для возможности каптирования объемного расхода газовой смеси, равного О = 36,1 м3/мин и концентрации метана ам = 90 % абсолютное давление в конце участка должно быть равно р2 = 89,45 кПа (кривая 1, рис.4), а при снижении концентрации метана в смеси до величины ам = 70 % (кривая 3), необходимо создать в конце участка абсолютное давление, величиной р2 = 88,58 кПа, что достигается включением дополнительного вакуум-насоса, с соответствующим увеличением затрат электроэнергии.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Малашкина В.А. Дегазационные установки: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МГГУ, 2000. - 190 с.
2. КухлингХ. Справочник по физике: Пер. с нем. - М.: Мир, 1985. - 520 с.
3. Руководство по дегазации угольных, / АН СССР, Ин-т горного дела им А. А. Скочинского. - Люберцы, 1990. - 192 с.
4. Карпов Е.Ф., Рязанов А.В. Автоматизация и контроль дегазационных систем. - М.: Недра, 1983. - 196 с.
5. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах: Распространяются на проектирование, строительство, реконструкцию и эксплуатацию угольных и сланцевых шахт: Утв. Минуглепромом СССР 18.08.86 и Госгортехнадзором СССР 12.09.86 - М.: Недра, 1986. - 448 с.
і— Коротко об авторах----------------------------------------------
Малашкина В.А. - профессор, доктор технических наук, кафедра
«Аэрология и охрана труда», Московский государственный горный университет,
Вострикова Н.А. - кандидат технических наук, инженер ОАО
«МЕТРОГИПРОТРАНС».
