Спосіб виробництва електроенергії з метаноповітряної шахтної суміші

Реферат: Спосіб виробництва електроенергії з метаноповітряної шахтної суміші, у якому метаноповітряну суміш, видалену з шахти, спалюють в камері згорання турбіни, зв'язаної з електрогенератором. Використовують метаноповітряну суміш зі змінною концентрацією метану. Як камеру згоряння використовують топку парового котла. Згенеровану пару подають на парову гвинтову турбіну, після проходження якої відпрацьовану пару направляють у теплову мережу для технологічних потреб або опалення. UA 88773 U (12) UA 88773 U UA 88773 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузей вугільної промисловості та теплоенергетики, а саме стосується способів утилізації шахтної метаноповітряної суміші, та може бути використана для електро- і теплопостачання промислових, адміністративних і житлових об'єктів та інших технологічних потреб. Як відомо, одним з провідних напрямів інноваційної діяльності у вугільній галузі є утилізація метану, основним джерелом якого є шахтна метаноповітряна суміш. Впровадження технологій використання видобутої з шахти метаноповітряної суміші як енергоносія є надзвичайно актуальним для забезпечення енергетичних потреб. Загальновідомим є спосіб виробництва електроенергії з метаноповітряної шахтної суміші, який включає спалювання її у газопоршневих двигунах внутрішнього згоряння ТЕС, зв'язаних з електрогенератором [Опыт внедрения мобильных ТЭС на шахтном метане / С. Бакхаус, В.А. Беспфлюг, Е.В. Мазаник, С. Хоппе // Уголь - № 11. - 2009. - С. 50-53]. Недоліками виробництва електроенергії із шахтного метану відомим способом є необхідність особливих заходів щодо газопідготовки, монтажу та експлуатації ТЕС з поршневими газовими двигунами, що зумовлено чутливістю системи до великої вологості і забрудненості газової суміші та суттєвого коливання концентрації в ній метану. Найбільш близьким за своєю суттю та ефектом, що досягається, і який приймається за прототип, є спосіб виробництва електроенергії з метаноповітряної шахтної суміші, згідно з яким метаноповітряну суміш, що видаляється з шахти, спалюють в камері згоряння газової турбіни, зв'язаної з електрогенератором [Безпфлюг В.А., Дурнин М.К. Сравнительная экономическая оценка различных технологий утилизации шахтного метана // Уголь. - 2007. - № 11. - C. 59-61]. Основним недоліком відомого способу є нестабільність процесу горіння метаноповітряної суміші в газовій турбіні при концентрації метану нижче 70 %, що суттєво обмежує сферу застосування вказаного способу, зокрема, при умовах застосування його в районах безпосереднього видобування метаноповітряної суміші із шахт (тобто без попереднього збагачення до потрібної концентрації). Також суттєвим недоліком є наявність вимог до якості метаноповітряної суміші, зокрема щодо вологості та присутності сторонніх домішок, що спричиняє необхідність додатково залучати процеси попереднього вологовідділення, сушіння, сепарації та ін. Це сприяє підвищенню собівартості виробленої даним способом електроенергії. В основу корисної моделі поставлена задача спрощення способу виробництва електроенергії з метаноповітряної шахтної суміші при одночасному підвищенні його рентабельності та розширенні сфери застосування за рахунок забезпечення можливості використовувати як сировину метаноповітряну суміш незалежно від вихідної концентрації в ній метану шляхом відповідних технологічних змін. Рішення поставленої задачі досягається тим, що у відомому способі виробництва електроенергії з метаноповітряної шахтної суміші, у якому метаноповітряну суміш, видалену з шахти, спалюють в камері згорання турбіни, зв'язаної з електрогенератором, згідно з пропозицією, використовують метаноповітряну суміш зі змінною концентрацією метану, при цьому як камеру згоряння використовують топку парового котла, а згенеровану пару подають на парову гвинтову турбіну, після проходження якої пару направляють у теплову мережу для технологічних потреб або опалення. У запропонованому способі використання зазначеного типу турбіни (парової гвинтової турбіни) усуває вимоги щодо рівня вологості й забрудненості метаноповітряної суміші, оскільки ці параметри не впливають на працездатність вказаної конструкції. Крім того, парова гвинтова турбіна не чутлива до коливань концентрації метану в газовій суміші. Як показує досвід, метаноповітряна суміш стійко згоряє в паровому котлі при концентрації від 25 % метану (згідно з нормами - мінімальна концентрація для кондиційної суміші), при цьому кількість електроенергії, що виробляється паровою гвинтовою турбіною, пропорційна концентрації метану в газовій суміші, що спалюється. Зважаючи на те, що гвинтова турбіна здатна працювати у великому інтервалі продуктивності, навіть значні коливання концентрації метану не можуть призвести до перевантаження системи і зриву роботи турбіни. Саме цим забезпечується можливість використовувати як сировину метаноповітряну суміш змінної концентрації, зокрема ту, що надходить безпосередньо з шахти, без попередньої обробки (збагачення й очищення). Це сприяє спрощенню процесу вироблення енергії, підвищенню його рентабельності (завдяки відсутності додаткових етапів підготовки сировини), а також сприяє вирішенню екологічної проблеми утилізації шкідливих металовмісних шахтних газів (завдяки уникненню можливості витоку газу на передбачуваних етапах транспортування і очищення метаноповітряної суміші). Крім того, реалізація запропонованого способу дозволяє отримувати додатковий прибуток за рахунок того, що після проходження через парову турбіну відпрацьована пара, маючи 1 UA 88773 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 достатній вміст тепла, виконує додаткову роботу: надходить в технологічний цикл виробництва або підігрівачі води для гарячого водопостачання та опалення. При цьому надлишкове тепло, що продукується в літній період, як правило, направляють в охолоджувачі (конденсатори). Отже, уся сукупність суттєвих ознак запропонованого рішення стосовно способу виробництва електроенергії з метаноповітряної шахтної суміші забезпечує досягнення технічного результату. Запропонований спосіб здійснюють наступним чином. Видалену з шахти кондиційну метаноповітряну суміш без жодної попередньої обробки по трубопроводу подають безпосередньо у топку парового котла, де, відповідно, виконують її спалювання. При цьому ймовірні коливання концентрації метану у газовій суміші приймаються за норму для даного технологічного процесу і не потребують контролю й управління. Отриману генераційну пару з котла направляють у парову гвинтову турбіну будь-якої відомої конструкції через впускне вікно в корпусі з одного торця її роторів. Проходячи по гвинтовому каналу між зубами шнеків, пара розширюється і перетворює теплову енергію в механічну, плавно обертаючи ротори. Обертальний момент передається обслуговуючому механізму, що обертає генератор, який у свою чергу виробляє електричну енергію. Відпрацьована пара видаляється через вихідні вікна корпусу гвинтової турбіни і повертається в технологічний цикл виробництва або надходить в підігрівачі води для забезпечення гарячого водопостачання та опалення. Заявлене технічне рішення перевірене на практиці. Запропонований спосіб виробництва електроенергії з метаноповітряної шахтної суміші не містить у своєму складі жодних технологічних і технічних елементів, які неможливо було б відтворити на сучасному етапі розвитку науки і техніки, зокрема, у галузях вугільної промисловості та теплоенергетики, а отже є придатним для промислового застосування, має технічні та інші переваги перед відомими аналогами, що підтверджує можливість досягнення технічного результату об'єктом, що заявляється. У відомих джерелах патентної та іншої науково-технічної інформації не виявлено способів із вказаною в пропозиції сукупністю суттєвих ознак, тому запропоноване технологічне рішення вважається таким, що може отримати правовий захист. Суттєва відмінність запропонованого способу полягає у тому, що сировиною для вироблення електроенергії виступає метаноповітряна суміш змінної концентрації, а як конструктивне рішення для реалізації процесу використана парова гвинтова турбіна. Вказана відмінність забезпечує можливість суттєво спростити процес виробництва електроенергії з метаноповітряної шахтної суміші, при цьому отримати дешеву електроенергію та додатковий прибуток від використання теплового потенціалу відпрацьованої пари. Жоден із відомих способів не може одночасно мати всі перераховані властивості, оскільки не передбачає у своєму складі всієї сукупності заявлених у пропозиції суттєвих ознак. До технічних переваг запропонованого способу, у порівнянні з прототипом, можна віднести: - можливість використовувати як сировини метаноповітряну суміш змінної концентрації, зокрема ту, що надходить безпосередньо з шахти, за рахунок нечутливості конструктивної складової процесу (парової гвинтової турбіни) до коливань концентрації метану в газовій суміші; - усунення вимог до рівня вологості й забрудненості метаноповітряної суміші за рахунок відсутності впливу цих параметрів на працездатність вищевказаної конструкції; - полегшення робіт з обслуговування процесу за рахунок усунення необхідності здійснювати контроль і налаштування обладнання під конкретні параметри вихідної сировини; - зниження собівартості виробленої електроенергії з усіх вищеперерахованих причин; - можливість додаткового отримання теплової енергії за рахунок використання теплового потенціалу відпрацьованої пари. Після опису запропонованого способу фахівцям у даній галузі знань повинно бути наочним, що все вищеописане є лише ілюстративним, а не обмежувальним, будучи представленим даним прикладом. Численні можливі варіанти вказаного способу, що стосуються, зокрема, значення концентрації метану в метаноповітряній суміші, температури, тиску і витрати пари, потужності парової гвинтової турбіни тощо, можуть змінюватися залежно від конкретних умов реалізації та, зрозуміло, знаходяться в межах об'єму одного із звичайних і природних підходів в даній області знань і розглядаються такими, що знаходяться в межах об'єму запропонованого технічного рішення. Квінтесенцією запропонованого технологічного рішення є те, що як сировину для вироблення електроенергії використовують метаноповітряну суміш зі змінною концентрацією метану, спалюючи її в паровому котлі з наступною подачею згенерованої пари на парову гвинтову турбіну і подальшим використанням відпрацьованої пари для технологічних потреб або опалення, і саме ці обставини у сукупності дозволяють надбати запропонованій корисній моделі вищезгадані й інші переваги. Використання окремих технологічних прийомів із всієї 2 UA 88773 U 5 сукупності заявлених, природно, обмежує спектр переваг, перерахованих вище, і не може вважатися новими технічними рішеннями в даній області знань, оскільки інші технології, подібні описаній, вже не вимагатимуть будь-якого творчого підходу від конструкторів та інженерів, і не можуть вважатися результатами їх творчої діяльності або новими об'єктами інтелектуальної власності, відповідними до захисту охоронними документами. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 Спосіб виробництва електроенергії з метаноповітряної шахтної суміші, у якому метаноповітряну суміш, видалену з шахти, спалюють в камері згорання турбіни, зв'язаної з електрогенератором, який відрізняється тим, що використовують метаноповітряну суміш зі змінною концентрацією метану, при цьому як камеру згоряння використовують топку парового котла, а згенеровану пару подають на парову гвинтову турбіну, після проходження якої відпрацьовану пару направляють у теплову мережу для технологічних потреб або опалення. 15 Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3