Установка для використання метановмісного газу вугільних родовищ для вироблення теплової та електричної енергії

1. Установка для використання метановмісного газу вугільних родовищ для вироблення теплової та електричної енергії, яка містить пристрій для збору і збагачення метановмісного газу, пристрій для очищення зібраного збагаченого метановмісного газу для подальшого використання, пристрій для перетворення хімічної енергії метановмісного газу в інші види енергії, газопроводи, які з'єднують пристрої збору і збагачення газу, його очищення та перетворення його енергії, яка відрізняється тим, що вона містить когенераційні установки на базі газопоршневих двигунів з електрогенераторами й котлами-утилізаторами для комбінованого вироблення теплової та електричної енергії, пристрій для пріоритетного відбору метановмісного газу дегазації розроблювальних вугільних пластів зі свердловин, пробурених з підземних виробок, відносно концентрації метану, і його розподілу між U 2 (19) 1 3 22896 4 довищ для одержання електричної енергії [2]. Але ГТУ. Збагачення газу і підвищення температури і в цьому випадку шахтний газ використовується спалення за рахунок регенерації повинні забезпесумісно з традиційним дизельним паливом, що чити ефективне його спалення. Продукти спалензнижує економічну ефективність його використання направляють в газову турбіну, після турбіни - в ня як самостійного палива. регенератор. З регенератора продукти спалення Відомі устрої для безпосереднього викорисвикидають в оточующе середовище. Таким чином, тання метановмістного газу вугільних родовищ для ГТУ працює по регенеративному циклу. Механічну вироблення теплової та електричної енергії. енергію газової турбіни може бути використано Відома установка для безпосереднього викодля вироблення електроенергії. ристання метановмістного газу вугільних родовищ Прототипу притаманні слідуючі недоліки. Газ для одержання електричної енергії шляхом спапідземної дегазації недостатньо ефективний для лення шахтного газу в регенеративній камері спазбагачення бідного газу, бо концентрація в ньому лення і використанням продуктів спалення в парометану недостатньо висока. вому котлі з паровою турбіною і Необхідність збагачення шахтного газу газом електрогенератором. В цій установці досягається дегазації вугільних пластів з більшим вмістом меможливість спалення бідного шахтного газу за тану, дебіт якого значно менший за дебіт бідного рахунок підвищення температури спалення, що газу, обмежує вибір потужності ГТУ можливістю забезпечується з допомогою регенерації з викоризбагачення бідного газу. При цьому частина бідностанням частини топочних газів [3]. го газу залишається невикористаною. В прототипі Недоліки цієї установки зв'язані з труднощами немає вказівок, що з ним робити далі. Дебіт газу забезпечення високотемпературної регенерації. дегазації, а також вмісткість метану в ньому моКрім того, при високотемпературній регенерації жуть коливатись в процесі експлуатації. Ці колиустановка в значній мірі працює „сама на себе", вання будуть негативно позначатися на енергетищо значно зменшує товарний продукт. Цикл Ренчних показниках роботи ГТУ. В прототипі не кина, який використовують в установці, теж є непередбачені методи резервування газу збагачення достатньо ефективним для виробництва електроі забезпечення сталого збагачення незалежно від енергії. коливань дебіту газ у підземної дегазації. Відома установка для безпосереднього викоНаявність в робочому тілі компресора паливристання метановмістного газу вугільних родовищ ного газу обмежує ступінь стиснення робочого тіла для виробництва електроенергії з допомогою гаі суттєво ступінь регенерації. Тому, незважаючи на зопоршневого двигуна, в якій разом з шахтним регенеративний цикл ГТУ, її ефективність не може газом в циліндри двигунів подають повітря, збагабути високою. Не викликає сумніву і пожежонебезчене киснем [4]. Збагачення паливної суміші киспечність використання повітряно-метанової сумінем забезпечує більш високу температуру спашші як робочого тіла компресора. лення метановмістного газу вугільних родовищ в Витрата основного бідного газу і його склад циліндрах двигуна і достатню ступінь його виготакож можуть суттєво коливатися, що спричиняряння. Збагачення повітря киснем здійснюють з тиме й коливання потужності ГТУ. Для ГТУ цей допомогою мембранного сепараційного пристрою. фактор суттєво негативний, тому що е фективність Недоліком цієї установки є неможливість в ГТУ при такому режимі роботи значно знижується. промислових умовах здійснити вказаним методом Тому з урахуванням попереднього зауваження збагачення повітря киснем. Відомі ж промислові важко сподіватись на високу ефективність протометоди збагачення повітря киснем занадто енертипу при такому використанні метановмістного гоємні і дорогі. Крім того, метаноповітряна суміш, газу вугільних родовищ. Крім того, використання збагачена киснем, схильна до детонації. Тому стуГТУ передбачає великі потужності. Це значно звупінь стиснення такої суміші не може бути високою, жує область застосування прототипу, обмежуючи а це негативно виявляється на потужності і ефекїї шахтними підприємствами з великими видобуттивності двигуна. ками газу вугільних родовищ. Найбільш перспективними установками для Метановмістний газ вугільних родовищ може вироблення теплової та електричної енергії з вимати високу вологість, в тому числі й краплинну. користанням метановмістного газу вугільних родоВелика вологість може вивести з ладу фільтри. вищ є установки, які використовують збагачений Вологість в краплинній формі разом з твердими метановмістний газ вугільних родовищ. частками негативно впливатиме на компресор, Відома установка безпосереднього викорисвикликаючи ерозійний знос його лопатей і знижентання збагаченого метановмістного газу вугільних ня ефективності роботи. В прототипі не передбародовищ для виробництва механічної енергії на чені пристрої для використання вологого газу. базі газотурбінної установки (ГТУ), прийнята за В основу корисної моделі поставлено задачу прототип [5]. В цій установці метановмістний газ удосконалення установки для використання мета(бідна суміш повітря з метаном) збирають в каменовмістного газу вугільних родовищ з урахуванням рі, куди одночасно для збагачення газу подають його можливої високої вологості, підвищення ефегаз, видобутий з вугільних пластів, з більшим вмісктивності його використання в підприємствах вугітом метану (газ підземної дегазації). Збагачений льної промисловості шляхом впровадження новітгаз після очищення в фільтрах подають в компреніх технологій використання палива, а також сор газотурбінної установки. Після стиснення мерозширення ресурсної бази для новітніх технолотано-повітряну суміш направляють в регенератор, гій. де нагрівають її за рахунок вихлопу з газової турПоставлена задача вирішується тим, що устабіни, після чого направляють в камеру спалення новка для використання метановмістного газу ву 5 22896 6 гільних родовищ, одержаного з шахтних виробок, рені, що важливо при швидко змінюющихся навандля вироблення теплової та електричної енергії, таженнях, надійні і мають хороші експлуатаційні яка містить пристрій для збору і збагачення метахарактеристики. новмістного газу, пристрій для очищення зібраного Установка використовує метановмістний газ збагаченого метановмістного газу для подальшого дегазації розробляємих вугільних пластів з свердвикористання, пристрій для перетворення хімічної ловин, пробурених з підземних виробок. Це необенергії метановмістного газу в інші види енергії, хідно, бо цей газ містить значно більше метану (до газопроводи, які з'єднують пристрої збору і збага18%), чим, наприклад, вентиляційний газ зі штречення газу, його очищення та перетворення його ків. Це дозволяє зменшити необхідну ступінь його енергії, згідно корисної моделі, вона містить когеподальшого збагачення. нераційні установки на базі газопоршневих двигуПристрій для приоритетного відбору метановнів з електрогенераторами й котламимістного газу дегазації розробляємих вугільних утилізаторами для комбінованого вироблення теппластів з свердловин, пробурених з підземних вилової та електричної енергії, пристрій для приориробок, відносно концентрації метану та його розтетного відбору метановмістного газу дегазації поділу між блоком підготовки паливного газу і корозробляємих вугільних пластів з свердловин, лектором бідного газу є необхідним. В процесі пробурених з підземних виробок, відносно конценексплуатації в газопроводах, які підводять газ від трації метану, і його розподілу між блоком підготорізних свердловин, концентрація метану може вки паливного газу і колектором бідного газу, блок змінюватись. Пристрій забезпечує для викориспідготовки паливного газу для збагачення відібратання в двигунах приоритетний відбір газу з тих ного газу з найбільшою концентрацією метану (пагазопроводів, в котрих в даний момент концентраливного газу) газом з техногенних свердловин чи ція метану найбільша, і подачу відібраного газу з природним газом з газової магістралі та підготовки найбільшим вмістом метану (паливного газу) в до подальшого використання, колектор бідного блок підготовки паливного газу. Це дозволяє змегазу з свічею, циклон для очищення газу з техноншити необхідну ступінь послідуючого збагачення генних свердловин з баком-дегазатором для скидпаливного газу. Цей же пристрій забезпечує поданої крапельної вологи, зв'язаний з блоком підготочу газу з решти газопроводі з малим вмістом мевки паливного газу, газопровід з дроселем для тану в колектор бідного газу. подачі природноо газу з газової магістралі в блок Блок підготовки паливного газу є необхідним підготовки паливного газу систему технологічних для збагачення паливного газу і підготовки його газопроводів, систему автоматики і регулювання для подальшого використання в двигунах. Викориустановки, крім того, згідно корисної моделі, устастання для збагачення паливного газу газу з техновка містить когенераційні установки на базі ганогенних свердловин є необхідним. Цей газ місзопоршневих двигунів форкамерного типу, розпотить значну кількість метану (90-97%) і як побічний ділювач газу з техногенних свердловин, продукт поверхневої дегазації дешевий. розташований після циклону для очищення газу з Колектор бідного шахтного газу з свічею є нетехногенних свердловин, який розподіляє газ в обхідним для збору бідного газу і подачі його в два газопроводи, один з яких зв'язаний з блоком свічу для спалення. підготовки паливного газу, а другий - з нагрівачем Циклон для очищення газу з техногенних свегазу, який працює на теплоті з системи охолордловин з баком-дегазатором для скидної крапедження двигунів, розташованим після розподілюльної вологи є необхідним для очищення газу від вача і зв'язаним з форкамерами двигунів. твердих часток завбільшки 5 мкм й краплинної Когенераційні установки на базі газопоршневологи. Бак-дегазатор є необхідним для дегазації вих двигунів з електрогенераторами і котламискидної води з циклону перед скидом її в каналізаутилізаторами для комбінованого вироблення тепцію. лової та електричної енергії необхідні при утилізаГазопровід з дроселем для подачі природного ції метановмістного газу вугільних родовищ. Когегазу з газової магістралі в блок підготовки паливнераціїні технології - це найбільш прогресивні ного газу є необхідним. Природний газ з магістралі технології, які дозволяють ефективно використоє резервним для збагачення паливного газу, який вувати ексергію палива. Застосування когенеравикористовують при нестачі газу з техногенних ційних технологій пов'язане з підвищенням надійсвердловин. Дросель на газопроводі природного ності роботи шахтного підприємства і значним газу є необхідним для зниження тиску природного економічним ефектом, що обумовлюється відмогазу з магістралі. вою від дорогої мережевої електроенергії для влаСистема газопроводів є необхідною для здійссних потреб підприємств, зменшенням потреб в нення зв'язку між елементами установки, паливі для теплопостачання і можливістю продажу Система автоматики і регулювання установки надлишку виробленої електричної та теплової є необхідною для забезпечення ефективної і наенергії в мережу. дійної роботи установки. Використання саме газопоршневих двигунів в Когенераційні установки на базі газопоршнекогенераційних технологіях при утилізації метанових двигунів форкамерного типу необхідні в разі вмістного газу вугільних родовищ є необхідним. необхідності зосередження значної потужності в Газопоршневі двигуни мають великий ККД (40одному агрегаті. Саме газопоршневі двигуни фор42%), на який практично не впливають коливання камерного типу підвищеної потужності надійно потужності двигуна в діапазоні 50-100%, що важпрацюють на небагатих газових сумішах (коло 25% ливо в зв'язку з можливими коливанням витрати метану). шахтного газу і вмісту в ньому метану. ГПД манев 7 22896 8 Розподілювач газу з техногенних свердловин, ступає в колектор бідного газу 3 для подачі на свірозташований після циклону, є необхідним при чу 4. При зупинці двигунів весь газ з підземних використанні двигунів форкамерного типу для свердловин пристрій 1 спрямовує в колектор бідрозділення газу з техногенних свердловин на два ного газу і свічу для спалення. потоки, один з котрих направляют в систему палиВ блоці підготовки паливного газу 2 відбувавного газу для його збагачення, а другий - в форється збагачення паливного газу за рахунок вводу камери двигунів для забезпечення сталого запав блок газопідготовки газу з техногенних свердлолення від іскрової свічі і стабільної роботи вин (газу поверхневої дегазації), який має високий двигунів. вміст метану (90-95%), або, в разі його нестачі, Нагрівач для потоку газу з техногенних свердприродного газу з магістрального газопровода, і ловин, який направляють в форкамери двигунів, є очищення паливного газу від твердих часток і наднеобхідним для зменшення відносної вологості лишкової вологи. З системи підготовки паливний газу для сталості запалення в форкамерах двигугаз подають в циліндри двигунів 5. нів. Ме ханічна робота двигунів перетворюється в Суть корисної моделі пояснюється кресленелектроенергію з допомогою електрогенераторів ням, на якому зображена запропонована принци6, зв'язаних механічно з двигунами. Випускні гази з пова схема установки для використання метановдвигунів спрямовують в котел-утилізатор 7 для містного газу вугільних родовищ для вироблення одержання цільової теплової енергії (енергії пари теплової та електричної енергії. чи гарячої води) для послідуючого використання. Установка містить пристрій 1 для приоритетВикидні гази з котла-утилізатора спрямовують в ного відбору метановмістного газу дегазації розатмосферу. робляємих вугільних пластів з свердловин, пробуГаз з техногенних свердловин після зниження рених з підземних виробок, відносно концентрації тиску в дроселі 12 подають в циклон 8 для очиметану, і його розподілу між блоком підготовки щення від твердих часток завбільшки 5 мкм і краппаливного газу і колектором бідного газу, блок линної вологи, після чого подають на збагачення підготовки паливного газу (відібраного газу дегапаливного газу в систему підготовки паливного зації розробляємих вугільних пластів з свердлогазу 2. Викид з циклону направляють в баквин, пробурених з підземних виробок) 2, колектор дегазатор 9, звідти - в каналізацію. бідного газу 3 зі свічею 4, когенераційні установки При нестачі газу з техногенних свердловин на базі газопоршневих двигунів 5 з електрогенерадодатково в блок підготовки паливного газу 2 гаторами 6 й котлами-утилізаторами 7 циклон 8 для зопроводом 13 подають природний газ з магістралі очищення газу з техногенних свердловин з бакомпісля зниження його тиску в дроселі 14 (пунктирна дегазатором 9 для скидної крапельної вологи, лінія). дросель 12 для зниження тиску газу з техногенних В разі великого видобутку газу з підземних свердловин перед його подачею в циклон, газосвердловин і необхідності в застосуванні газопорпровід 13 з дроселем 14 для подачі природного шневих двигунів великої потужності використовугазу з газової магістралі. ють двигуни форкамерного типу, які стало працюВ разі використання газопоршневих двигунів ють при збідненому паливному газі. В цих форкамерного типу установка додатково містить двигуна х запалення основної паливної суміші в розподілювач газу з техногенних свердловин 10, циліндрах двигунів відбувається з допомогою форта нагрівач 11 газу з техногенних свердловин, який камер, куди подають газ з високою концентрацією подають в форкамери двигунів. На кресленні таметану (газ з техногених свердловин) і де відбувакож умовно зображений споживач теплової енергії ється його запалення від іскрової свічі. Запалення 15. основної паливної суміші в циліндрах відбувається Працює установка слідуючим чином. Метаноза рахунок полум'я, яке просякає з форкамер в вмістний газ дегазації розробляємих вугільних циліндри. пластів з свердловин, пробурених з підземних виПри використанні газопоршневих двигунів форобок, подають на утилізацію в установку газопроркамерного типу газ з техногенних свердловин водами, які з'єднуються з пристроєм 1 для відбору після очищення в циклоні 8 розподіляють з допогазу з газопроводів подачі газу і його розподілу між могою розподілювача 10 на два потоки, один з блоком підготовки паливного газу і колектором котрих подають на збагачення паливного газу в бідного газу. В пристрої 1 визначається приоритет систему підготовки паливного газу 2, а другий - в газопроводів, з котрих відбирають газ для викоринагрівач 11, в якому для підігріву другого потоку стання в двигунах (паливний газ). Приоритет вигазу з метою зниження його відносної вологості значається в залежності від вмісту метану. Найвикористовують теплоту о холодження двигунів. вищий приоритет для постачання паливного газу Після нагрівача другий потік газу направляють в має газопровід з найбільшим вмістом метану на форкамери двигунів 5 (п унктирні лінії). даний момент. Такий метод відбору газу для викоВидобуту в установці електроенергію, а також ристання в двигунах дозволяє підвищити вміст цільову теплоту з котла-утилізатора використовуметану в паливному газі вище за середній в газі з ють для власних потреб установки і шахтного підпідземних свердловин і зменшити витрату багатоприємства. Надлишок електричної енергії передаго метаном газу з зовнішніх джерел (напрклад, ють в електричну мережу, а надлишок цільової дорогого природного газу з магістралі) при послітеплоти з котла-утилізатора спрямовують зовнішдуючому збагаченні паливного газу. Відібраний газ нім споживачам 15, якими при достатній потужносз пристрою 1 подають в блок підготовки паливного ті когенераційної установки можуть бути комунагазу 2. Ре шта більш бідного газу з пристрою 1 польні підприємства. 9 Комп’ютерна в ерстка Г. Паяльніков 22896 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601