CC BY
159
--------------------------------------- © В.Г. Казанцев, С.С. Золотых,
М.К. Дурнин, В.В. Тормозов,
Р.И. Куимов, Е.Я. Кулявцев,
2009
УДК 622.8
В.Г. Казанцев, С.С. Золотых, М.К. Дурнин,
В.В. Тормозов, Р.И. Куимов, Е.Я. Кулявцев
СИСТЕМЫ ВЗРЫВОЗАЩИТЫ ГАЗООТВОДЯЩЕЙ СЕТИ ВЫСОКОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ
Разработаны варианты систем взрывозащиты газоотводящих сетей для вентиляторов соответствующей пропускной способности.
Ключевые слова: управление газовыми потоками, газовоздушная смесь, огне-преградители, система взрывозащиты.
~П 80-х годах в России была разработана экономичная и -Я-М эффективная технология управления газовыми потоками на выемочных участках - комбинированное проветривание. Технические особенности комбинированного проветривания заключаются в следующем:
газ, поступающий из разрушаемого угольного пласта и вмещающих пород вместе со значительной частью подаваемого на выемочный участок воздуха, проходит по выработанному пространству и выходит на поверхность через пробуренную в начале выемочного столба скважину большого диаметра (до 1 м) или газодренажную горную выработку. В некоторых случаях одна скважина используется для нескольких выемочных столбов в зависимости от их размера, места расположения и проницаемости выработанного пространства.
Отличительным признаком комбинированного проветривания является формирование такого воздухораспределения участка, при котором вдоль забоя подается достаточное количество воздуха для разжижения до безопасной концентрации всего метана, поступающего через поверхность забоя и из отбитого угля. Это условие считается определяющим по отношению к прочим. Вторая часть подаваемого в лаву воздуха направляется через выработанное про-
2% -15% СН4
Рис. 1. Типовая схема управления газовыделением на перспективных шахтах Кузбасса
метан от призабойного объема. Концентрация газа в выработанном пространстве не контролируется и не регламентируется по причине весьма низкой, как считалось, вероятности возникновения в нем источника воспламенения смеси. Однако практически оказалось, что эта вероятность не равна нулю, а ее низкие значения обусловлены относительной надежностью системы газовой защиты в целом.
Опыт эксплуатации комбинированных систем проветривания базирующихся на газоотсасывающих вентиляторах средней и высокой производительности, показал, что в аварийных ситуациях газодренажная выработка или скважина, транспортирующая газовоздушную смесь с опасными концентрациями метана, не защищены от воздействия внешнего источника воспламенения, как природного характера (молния), так и техногенного (воспламенение МВС в газоотсасывающей установке при ведении различных работ).
Обычно, при эксплуатации промышленных газотрубопрово-дов, для исключения движения пламени и защиты оборудования и технических устройств в аварийных случаях применяются огнепреграждающие и взрывопреграждающие устройства, различных типов:
ленточные огнепреградители;
пластинчатые огнепреградители;
сетчатые огнепреградители;
насадочные огнепреградители.
Для защиты огнепреградителей от повышенного (взрывного) давления предусматривается установка перед ними на пути движения взрывной волны предохранительных мембран. Предохранительные мембраны (в зависимости от механизма срабатывания) разделяют на:
разрывные, ломающиеся, отрывные, срезные, хлопающие и специальные.
Проведенный анализ конструкций огнепреградителей показывает, что из всех известных видов огнепреградителей для технологических схем комбинированного проветривания ни один не подходит по фактору динамического сопротивления и пропускной способности.
Огнепреградители должны быть установлены на устьях дегазационных скважин или газоотводящих горных выработок. Их сопротивление не должно превышать 5 -10% от максимальной депрессии вентиляторной установки, а пропускная способность соответствовать производительности газоотсасывающих вентиляторов типа УВЦГ-7, УВЦГ-9 и УВЦГ -15.
В Кузбассе совместно с Бийскими учеными были разработаны два варианта систем взрывозащиты газоотводящих сетей для вентиляторов соответствующей пропускной способности.
Система взрывозащиты газоотводящей сети для вентиляторов типа УВЦГ-7, УВЦГ-9
СВГС(Н)-1110-16-НД-У3- ТУ 4854-001-59291375-05
СВГС устанавливается горизонтально на поверхности и соединяется со стороны входа с устьем газоотводящей скважины, а со стороны выхода с входным патрубком вентилятора.
Взрывозащита газоотводящей сети достигается за счет непрерывной флегматизации метановоздушной смеси гидрозолем в огнепреградителе и автоматическим перекрытием гидрозатвором газодинамического тракта, связывающего скважину с входным патрубком вентилятора, при опрокидывании струи в результате воспламенения и взрыва метановоздушной смеси. Гашение ударной волны осуществляется предохранительными устройствами, установленными на корпусе СВГС.
Условное обозначение установки при заказах и в документации:
СВГС(Н)- 1110-16-НД-У3- ТУ 4854-001-59291375-05.
Данная запись содержит следующую информацию: система взрывозащиты газоотводящей сети (СВГС) с не разрушающимся корпусом (Н), максимальной пропускной способностью 1110 м3/мин, объемом 16 м3, непрерывного действия (НД), климатического исполнения У3, изготовлена в соответствии с ТУ-4854-001-59291375-05.
Система взрывозащиты газоотводящей сети - СВГС предназначена для локализации и тушения объемного возгорания метановоздушной смеси, переходящего во взрыв при возникновении пожара класса С (загорание газообразных веществ по ГОСТ 27331-87), и предотвращения проникновения огня и ударной волны в газоотсасывающую скважину, без участия человека.
Способ пожаровзрывозащиты, включающий снижение давления ударной волны, образование и ввод инертной среды для гашения открытого огня и взрывного горения смеси, заключается в том, что в корпус взрывоогнепреградителя подают первоначальный объем жидкости и изолируют входной патрубок всасывающего трубопровода при неработающем газоотсасывающем вентиляторе. Затем производят формирование постоянно действующей флегма-тизирующей инертной среды, которой обрабатывают отсасываемую смесь в аэродинамическом канале, соединяющем входной и выходной патрубки в взрывоогнепреградителе, на основе аэрогидрозоля, образованного из псевдосжиженного объема жидкости, за счет воздействия аэродинамического скоростного напора, создаваемого работающим вентилятором. Периодически измеряют и контролируют уровень жидкости и компенсируют объем выносимого гидрозоля дополнительной подачей жидкости в взрывоогне-преградитель из резервного бака. При возгорании метановоздушной смеси и возникновении взрыва происходит гашение открытого взрывного горения гидрозолью, снижение давления во фронте ударной волны в результате вскрытия предохранительных мембран взрывоогнепреградителя, а также обеспечивается автоматическое перекрытие аэродинамического канала между камерой огнепрегра-дителя и входным патрубком СВГС (газоотводящей скважиной) посредством гидрозатвора.
Рис. 2. Принципиальная схема взрывозащиты поверхностной газоотводящей сети (СВГС): 1 - входное отверстие для газоотводящей скважины; 2 - корпус СВГС; 3 - резервный бак; 4 - предохранительное устройство; 5 - ротоклон; 6 - стяжные болты; 7 - антициклон; 8 - выходной патрубок; 9 - окно уровня жидкости СВГС; 10 - уровень жидкости в корпусе; 11 - разъем корпуса; 12 - технологическая заглушка; 13 - кран резервного бака; 14 - кран слива излишек жидкости; 15 - бак эвакуации жидкости; 16 - горловина заливки жидкости в резервный бак; 17 - окно уровня жидкости резервного бака; 18 - кран общего слива жидкости из корпуса СВГС; 19 - рама; 20 - сепараторы (отделители) жидкости; 21 - трубки контроля депрессии СВГС; 22 - люк
СВГС, схема которой представлена на рис. 2, монтируется на объекте между устьем газоотводящей скважины и входным патрубком газоотсасывающего вентилятора.
Корпус СВГС прямоугольной формы в плане, также как и другие конструктивные элементы установки изготовлен из листовой стали толщиной 5 мм. Входное отверстие диаметром 1300 мм, представлено на рисунке 1 позицией 1, и выходной патрубок диаметром 920 мм позиция 8.
Установка имеет объемом 16 м3. Из этого объема 5,8 м3 занимает жидкость (техническая вода по ГОСТ 1673), уровень которой обозначен на рис. 2 позицией 10 и 0,55 м3 занимает объем жидкости в резервном баке позиция 3 рис. 2. Вес установки без жидкости составляет 12500 кг. Основные геометрические размеры установки показаны на рис. 2.
Условно СВГС можно разделить на три функциональные части.
Первая (входная) часть установки включает входное отверстие позиция 1 рис. 2, резервный бак 3 и бак эвакуации жидкости 15 с элементами управления за рабочим уровнем жидкости в корпусе СВГС - кран резервного бака 13 и кран слива излишек жидкости 14.
Вторая часть установки - взрывоогнепреградитель располагается в ее центральной части, отделяется герметично от входной части установки ротоклоном 5.
Принципиальная схема ротоклона показана на рисунке 3.
Ротоклон представляет собой устройство с функциями предотвращения проникновения пламени в газоотводящую скважину и уменьшения в 5-6 раз скоростного напора транзитного газа для уменьшения аэродинамического сопротивления СВГС.
В настоящем исполнении ротоклон состоит из десяти не связанных друг с другом герметичных полостей, представленных на рис. 3 позицией 6, в нижней части которых имеются выходные щели, показанные на виде А рис. 3, опущенные в жидкость (воду) на некоторую глубину 8 - величину, называемую «опуском» ротокло-на.
Аэродинамически геометрия ротоклона спроектирована так, чтобы организовать равномерное распределение газового потока вдоль его опуска. С этой же целью устроены аэродинамические лопатки-перемычки 4.
Рис. 3. Принципиальная схема ротоклона огнепреградителя: 1 - корпус ротоклона; 2 - верхняя панель корпуса СВГС; 3 - уровень жидкости в корпусе СВГС; 4 - аэродинамические лопатки-перемычки; 5 - входное сечение в щелевую часть ротоклона; 6 - щели ротоклона; 7 - направление движения транзитного газа в щелях ротоклона; 8 - геометрия опуска ротоклона.
Третья функциональная часть установки СВГС представляет собой устройство для отделения капель жидкости из транзитного потока газа, возвращения жидкости в корпус СВГС и представляет собой два спаренных антициклона, представленные на рис. 2 позицией 7.
Для более полного отделения жидкости из транзитного газа применены сепараторы жидкости, представленные на рис. 2 позицией 20.
Работа СВГС заключается в следующем.
В исходном состоянии при выключенном вентиляторе жидкость, находящаяся во внутренней полости ротоклона, отделяет газоотводящую скважину от вентилятора (выхода газа в атмосферу) гидрозатвором. При включении вентилятора транзитный газ, показанный на рис. 3 позицией 7, из газоотводящей скважины поступает в расширительную часть 5 щелей ротоклона.
Исходное
состояние
Работа
вентилятора
| ОО оо
Рис. 4. Схема транзита газа через опуск ротоклона: Первая зона (I) — жидкость. Вторая зона (II) - жидкостно-пузырьковая смесь. Третья зона (III) - пена.
Газ, проходя через жидкость, образует у стенок ротоклона псевдоожиженную газоводяную смесь - гидрозоль. В вертикальном сечении гидрозоль условно подразделяется на три зоны, представленных на рис. 4.
При возгорании метановоздушной смеси наличие перечисленных зон гидрозоля создает надежную преграду проникновения огня в щелевую часть ротоклона и, стало быть, в газоотводящую скважину. Типовая конструкция предохранительного устройства показана на рис. 5.
При возникновении аварийной ситуации (возгорание метановоздушной смеси, переходящей во взрыв) предохранительная мембрана позиция 3 рис. 5 срывается с места крепления при воздействии на нее ударной волны. При этом давление во фронте ударной волны не превышает атмосферное более 40-50 ДаПа.
Срыв предохранительных мембран с предохранительного устройства, позиция 4 на рис. 2, приводит к резкому снижению давление во фронте ударной волны до уровня, при котором конструктивные элементы СВГС сохраняют свою прочность и не изменяют свою геометрию. При этом гидравлический затвор создает препятствие и не пропускает распространение ослабленной ударной волны в щели ротоклона и в газоотводящую скважину.
Рис. 5. Схема предохранительного устройства: 1 - корпус СВГС; 2 - обводка; 3 - предохранительная мембрана; 4 - решетка; 5 - стяжной резиновый шнур; 6 -корпус люка; 7 - пенопласт.
При нормальном функционировании СВГС предохранительная мембрана 3 за счет разряжения, создаваемое вентилятором, прижимается к обводке 2 и герметизирует выходное отверстие предохранительного устройства.
На корпусе предохранительного устройства предохранительная мембрана фиксируется стяжным резиновым шнуром 5. Решетки предохранительных устройств на взрывоогнепреградителе выполнены съемными, что позволяет техническому работнику при необходимости, проникнуть внутрь корпуса взрывоогнепрегради-теля через входное отверстие предохранительного устройства для ревизии его конструктивных элементов или для проведения ремонтных работ.
После отделения капель жидкости в сепараторах и антициклоне газовый поток направляется в выходной патрубок, где происходит ускорение потока до скорости, когда становится затруднительным или невозможным зажигание метановоздушной смеси (аэродинамический эффект гашения). Установка улавливает жидкость поступающей из скважины до 100%. Сепараторы позиций 20 рис. 2 улавливают 99,5% капель жидкости из газового потока. Поэтому метановоздушная смесь подается к вентилятору практически обезвоженной, что решает еще одну проблему обмерзания вентилятора при его работе в зимних условиях.
Уровень жидкости, показанный на рис. 2 позицией 10, в корпусе СВГС контролируется водомерными окнами 9.
Наименование основного параметра и размера Норма
1. Габаритные размеры СВГС ІхЬхИ (длинна, ширина, высота), м 8,875 х3,030х2,825
2. Диаметр газоотводящей скважины, не более, м 1,3
3. Объем жидкости СВГС, м3 5,8
4. Объем жидкости резервного бака, м3 0,55
5. Количество предохранительных мембран, шт. 22
6. Давление срыва мембран ДаПа, не более 50
7. Расход воздуха через СВГС не более, м3/мин (м3/сек) 1110 (18,5)
8. Аэродинамическое сопротивление СВГС, не более, к|і 0,6
9. Средняя скорость потока газа в выходном сечении патрубка при работающем вентиляторе, м/сек, не менее 15
10. Температурный диапазон эксплуатации СВГС без теплоизоляции, t °С От -5 до +50
11. Температурный диапазон эксплуатации СВГС с учетом теплоизоляции, t °С От -50 до +50
12. Проникновение пламени в газоотводящую скважину, сек. Не допускается
13. Проникновение ударных волн в газоотводящую скважину, сек. Не допускается
14. Срок эксплуатации СВГС, лет 5
Примечание - аэродинамическое сопротивление установки СВГС определяется по формуле: R=h/Q2, где И - депрессия, затрачиваемая на перемещение воздуха по установке, ДаПа; Q - количество воздуха, проходящее через установку или ее части, м3/с.
Водомерные окна расположены как на торцевой, так и на боковых стенках установки.
При помощи четырех боковых водомерных окон, позиция 6 рис. 6, производится ориентирование установки в горизонтальное положение. Уровень жидкости в корпусе СВГС при выключенном вентиляторе должен совпадать с рисками, нанесенными на боковые водомерные окна.
Оновные технические характеристики установки, обеспечивающие выполнение требований технических условий представлены в табл. 1.
В настоящее время на шахтах Кузбасса эксплуатируются 12
установок.
Рис. 6. Установка взрывозащиты СВГС на заводских приемочных испытаниях
Система взрывозащиты газоотводящей сети для вентиляторов типа УВЦГ-7, УВЦГ-9 и УВЦГ -15 СВГСА(Н)-^НД-У3- ТУ 4854-001-59291375-07
Система взрывозащиты газоотводящей сети, автоматически осуществляет функции гашения взрывного горения и предотвращения проникновения пламени в газоотводящую скважину или выработку при возгорании метановоздушной смеси (МВС) любой концентрации, следующей транзитом по газоотводящей сети.
Наименование системы взрывозащиты газоотводящей сети -автономная система взрывозащиты газоотводящей сети аэродинамическая (СВГСА), далее по тексту - СВГСА.
СВГСА разработана в соответствии с «Системой стандартов безопасности труда» ГОСТ 12.2.003-91.
Приоритетными особенностями разработки являются:
- выполнение требований пункта 3.3 по безопасной эксплуатации поверхностных газоотсасывающих установок параграфа 3 «Руководства по проектированию комбинированного проветривания
выемочных участков и полей с применением газоотсасывающих вентиляторных установок» и пункта 45 «Инструкции по противопожарной защите угольных шахт» к параграфу 553 Правил безопасности в угольных шахтах;
- СВГСА представляет собой встроенное в газоотводящую сеть устройство, которым оснащается производственное оборудование (поверхностная вентиляторная установка) с целью предотвращения возникновения разрушающих нагрузок (ударной волны) и огневого воздействия на персонал горнорабочих непрерывно в течение всего периода эксплуатации поверхностной газоотводящей сети;
- надежность СВГСА обеспечивается четырехступенчатой защитой газоотводящей скважины или выработки от проникновения в нее ударной волны и огня;
- СВГСА как изделие отвечает требованиям стандартов пожа-ро-взрывобезопасности (не является источником образования по-жаро - и взрыво-опасной среды, источником зажигания и инициирования взрыва) в условиях работы поверхностной газоотводящей сети;
- СВГСА является устройством взрывозащиты газоотводящей сети и в соответствии с ГОСТ 12.2.003-91 отвечает приоритетному требованию - защиты горнорабочих и оборудования;
- СВГСА ограничивает физические и нервнопсихологические нагрузки на горнорабочих.
СВГСА включает в себя корпус взрывоогнепреградителя, систему воздуховодов, предохранительные мембраны, предохранительный клапан переменного сопротивления, мортиру пылеметную газодинамическую для подавления взрывного горения МВС, аэродинамический подавитель пламени, а также устройства для настройки рабочих параметров системы, обеспечивающих работу взрывозащиты без присутствия человека, рис. 7.
Корпус взрывоогнепреградителя изготовлен из листового металла толщиной 5 > 5 мм.
Воздуховоды СВГСА, в зависимости от диаметра газоотводящих скважин или выработок в соответствии с заданным потребителем ТЗ, изготавливаются из металлических труб или коробчатых конструкций с приведенным диаметром до 4500 мм.
К дрЕнажнай быраЗпгпке
или скважине КЬентилятору
16685
Рис. 7. Схема автономной системы взрывозащиты газоотводящей сети аэродинамической (СВГСА): 1 - Корпус СВГСА-№ 2 - Пневмодвигатель. 3 - Рычаги управления предохранительными клапанами. 4 - Баллоны сжатого газа. 5 - Пневмотракт. 6 - Кольцевые предохранительные мембраны. 7 - Датчик скорости транзитного газа. 8 - Аэродинамический подавитель пламени. 9 - Присоединительный фланец. 10 - Предохранительный клапан-форточка. 11 - Запорный клапан. 12 -Пылеметная газодинамическая мортира. 13 - Оптический датчик
Предохранительные мембраны изготавливаются из прорезиненной воздухонепроницаемой ткани со свойствами не ниже чем у ткани марки 202-2Н, соответствующей требованиям ТУ на ткань -ТУ 38.10565-91.
По условиям локализации пламени установка СВГСА классифицируется как взрывостойкая и стойкая к разгрузке давления.
В основу физических принципов взрывозащиты, реализованных в установке СВГСА положено четыре возможных меха-
низма гашения пламени - тепловой (теплопотери), кинематический (потеря энергии при транспортировании флегматизатора
- распыленного в потоке газа огнетушащего порошка), аэродинамический (потеря энергии на преодоление турбулентного трения) и герметичное перекрытие газодинамического тракта СВГСА предохранительным клапаном.
Автономность работы установки в режиме взрывозащиты достигается за счет непрерывного транзита метановоздушной смеси (МВС) через тракты СВГСА со скоростью в аэродинамическом подавителе пламени, превышающей пороговый взрывоопасный уровень (У>10 м/сек.) - аэродинамический эффект, а так же флегматизацией МВС путем образования распыления частиц огнетушащего порошка в полости огнепреградителя - тепловой, кинематический и флегматизирующий эффекты, а так же автоматическим перекрытием газодинамического тракта связывающего скважину с входной коробкой вентилятора предохранительным клапаном переменного сопротивления и организацией подсвежения транзитного газа воздухом при снижении расхода метановоздушной смеси до уровня взрывоопасной скорости транзита газа, а так же гашением ударных волн при помощи вышибных предохранительных мембран, расположенных на корпусе.
СВГСА изготовлена в климатическом исполнении У, категории размещения 3 по ГОСТ 15150-69, для работы в температурном диапазоне от минус 50°С до плюс 50°С.
Условное обозначение установки при заказах и в документации:
СВГСА(Н)-1Ч-НД-У3 ТУ 4854-001-59291375-07.
Данная запись содержит следующую информацию: система взрывозащиты газоотводящей сети аэродинамическая (СВГСА) с не разрушающимся корпусом (Н), пропускной способностью транзитного газа N м /мин (К^ до 6000 м /мин), непрерывного действия (НД), климатического исполнения У3, изготовлена в соответствии с ТУ 4854-001-59291375-07.
Таблица 2
Наименование основного параметра и размера Норма
1. Г абаритные размеры СВГСА lxbxh 20x4.0x4.0
(длинна, ширина, высота) не более, м.
2. Приведенный диаметр воздуховодов, м 4.5
3. Количество предохранительных мембран, шт. 20
4. Расход воздуха через СВГСА не менее, 3000 (50)
м3/мин (м3/сек)
5. Потеря депрессии СВГСА, не более 5-10%
6. Средняя скорость потока газа в выходном сечении аэро-
динамического подавителя пламени при номинальной ра- 25
боте вентиляторной установки, м/сек, не менее
7. Температурный диапазон эксплуатации От -50 до +50
СВГСА, t 0С
8. Работа автоматики и защитных клапанов. Герметизация
скважины
9. Проникновение пламени в газоотводящую скважину или Не допускается
выработку.
10. Проникновение ударных волн в газоотводящую сква- Не допускается
жину или выработку.
11. Срок эксплуатации СВГСА, лет 5
12. Масса изделия, т., не более 12
Сопротивление СВГСА отсчитывается от максимальной депрессии вентиляторной установки.
Технические характеристики опытного образца СВГСА(Н)-50-НД-У3 приведены в табл. 2.
В декабре 2008 года завершены приемочные (эксплуатационные) испытания СВГСА зав. №1.
Испытания проводились на устье газоотводящей выработки -ходка 26-52 филиала «Шахта «Есаульская» ОАО ОУК «Южкузбассуголь», укомплектованной тремя газоотсасывающими вентиляторами типа УВЦГ15, в период с 28.08.08 по 28.11.08 г. -три месяца, в соответствии с утвержденной Программой и методикой испытаний.
Система взрывозащиты газоотводящей сети СВГСА(Н)-50-НД-У3 установлена в вентиляционном канале, между устьем выработки и вентиляторами и выполняет функцию защиты от возможного распространения взрывного горения в горную выработку.
Рис. 8. Размещение СВГСА дегазационной установки 3УВЦГ - 15 на промпло-щадке устья ходка 26-52 филиала «Шахта «Есаульская»
Рис. 9. Приёмка СВГСА зав. №1 дегазационной установки 3УВЦГ -15
В настоящее время системами СВГСА комплектуются дегазационные установки на шахтах «Алардинская», «Осинниковская». \шт
Kazantsev V.G., Zolotih S.S., Durnin M.K.,
Tormozov V. V., Kuimov R.I., Kuljavtsev E.J.
SYSTEMS OF EXPLOSION DEFENSE OF GASOUTLET NETWORK OF HIGH THROUGHPUT
There are developed variants of explosion defense of gasoutlet networks for ventilators of corresponding throughput.
Key words: gas streams management, air-gas mix, fire-obstacles, system of explosion defense.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Казанцев В.Г.- доктор технических наук, профессор, директор ООО НПП «Системы промышленной безопасности»,
Золотых С. С. - доктор технических наук, профессор, генеральный директор ООО «МетаноБезопасность»,
Дурнин М.К. - главный специалист отдела технического обеспечения и оперативной работы Технической дирекции ОАО «ОУК «Южкузбассуголь», E-mail: [email protected]
Тормозов В.В. - главный специалист отдела дегазации Технической дирекции ОАО «ОУК «Южкузбассуголь»,
Куимов Р.И. - главный конструктор ООО НПП «Системы промышленной безопасности» (по согласованию),
Кулявцев Е.Я. - конструктор ООО НПП «Системы промышленной безопасности» (по согласованию).
