4.2 Выбор оборудования вакуум-насосоной станции
4.2.1 Состав вакуум-насосной станции
В состав вакуум-насосной станции (ВНС) входят насосы, электродвигатели, пусковая и защитная аппаратура, оборудование для подачи и охлаждения воды, стационарная контрольно-измерительная и защитная аппаратура.
Рис 4.5 - Схема дегазации подрабатываемых пологих пластов скважинами, пробуренными из выработки, поддерживаемой за лавой: 1 - разрабатываемый пласт; 2 - выработка, поддерживаемая за лавой; 3 - подрабатываемый пласт; 4 - дегазационная скважина; 5 - газопровод; в1 - протяженность зоны, препятствующей разгрузке пород возле выработки, из которой бурится скважина; - угол залегания пласта; β1 - проекция угла наклона скважины на вертикальную плоскость, которая проходит перпендикулярно к выработке, из которой она пробурена; ψ - угол разгрузки.
Вакуум-насосные станции могут располагаться на поверхности шахты или в подземных выработках. ВНС, расположенные на поверхности, размещаются в специальном здании, которое должно удовлетворять требованиям техники безопасности. Здание вакуум-насосной станции состоит из следующих основных помещений: вакуум-насосного отделения, где размещаются вакуум-насосы с электродвигателями и приборами местного контроля во взрывобезопасном исполнении; отделения для пусковой и другой аппаратуры управления в нормальном исполнении (отделение изолируется от вакуум-насосного и имеет отельный выход); отделения для бака с водой и насосов для её перекачки; газоанализаторной; контрольно-измерительного пункта; кладовой.
Каптируемая при дегазации метановоздушная смесь транспортируется от скважин на поверхность по газопроводам под давлением меньше атмосферного, создаваемого в вакуум-насосами, расположенными в ВНС.
Рис 4.6 - Схема дегазации надрабатываемого пласта скважинами, пробуренными из выработки, поддерживаемой за лавой: 1 - надрабатываемый пласт; 2 - откаточный штрек; 3 - дегазационная скважина; 4 - газопровод; 5 - разрабатываемый пласт; 6 - конвейерный штрек; 7 - выработанное пространство; ∆ - проекция скважины на угольный пласт; - угол залегания пласта; М - наименьшее расстояние от места бурения скважины до пласта, на который бурят скважину.
4.2.2 Выбор оборудования внс
Вакуум-насосы могут быть поршневыми или ротационными. Поршневые применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокое давление на выходе и высокую степень разрежения на всасе. Эти насосы отличаются большой степенью сжатия и меньшим, по сравнению с ротационными, теплоотводом, что создает значительное повышение температуры газа на выходе из насоса.
При ведении дегазационных работ применяют в основном ротационные машины с водой в качестве рабочей жидкости — водокольцевые вакуум-насосы. Вода, имеющая высокие теплоемкость и теплотворность, не создает с горючими газами взрывоопасной смеси. Возможный интенсивный отвод тепла, выделяющегося при сжатии газа, обеспечивает незначительное повышение температуры газа на выходе из вакуум-насоса. Наличие в метановоздушной смеси угольной и породной пыли приводит к повышенному износу рабочих органов в поршневых насосах. В водокольцевых насосах степень износа значительно ниже.
В общем случае водокольцевые вакуум-насосы состоят из цилиндрического или эллипсообразного корпуса 1 (рис. 4.1), закрытого с торцов крышками-лобовинами. Внутри корпуса расположено рабочее колесо 3 с литыми изогнутыми лопатками. Колесо, посаженное навал, размещено в корпусе насоса с эксцентриситетом. Выпуклая сторона лопаток направлена в сторону, противоположную направлению вращения рабочего колеса. Выход вала из крышки-лобовины уплотнен сальником. В корпус насоса подается вода, которая создает в сальниках гидравлический затвор, обеспечивающий дополнительную герметичность. Принцип действия водокольцевого насоса следующий. Перед запуском насоса вода заполняет его корпус примерно наполовину. При вращении электродвигателем вала насоса лопатки ротора увлекают за собой воду, отбрасываемую от втулки рабочего колеса к корпусу, образуя водяное кольцо 7. Благодаря наличию эксцентриситета между водяным кольцом и втулкой ротора образуется серповидное пространство около центра внутренней полости корпуса со стороны, противоположной валунасоса. Рабочая полость вакуум-насоса разделена на отдельные ячейки, ограниченные лопатками, втулкой ротора, торцевыми крышками и внутренней поверхностью жидкостного кольца.
При вращении вала вследствие эксцентриситета объем каждой ячейки, начиная с ее верхнего вертикального положения, увеличивается, и через всасывающие патрубок 5 и окно б происходит засасывание каптируемой метановоздушной смеси. При дальнейшем вращении рабочего колеса после прохождения ячейкой нижнего вертикального положения ее объем начинает уменьшаться, вследствие чего происходит сжатие метановоздушной смеси и выталкивание ее через нагнетательное окно 2. Во время работы насоса из корпуса через нагнетательный патрубок 4 вместе с нагнетаемым газом выбрасывается вода в количестве, равном количеству воды, поступившей в насос. Для отделения воды от газа и ее сбора установлен водосборник, который с помощью гидоозатвора может наподняться водой только до определенного уровня. Водосборник соединен трубкой с вакуум-насосом и коммуникацией для дополнительного питания установки водой.
Для дегазации угольных шахт применяют водокольцевые вакуум-насосы типа РМК, ВВН, ЖВН, ДВВН, имеющие одинаковый принцип действия и отличающиеся конструкторскими решениями, размерами, производительностью, наличием тех или иных дополнительных элементов (встроенных редукторов, насосов смазки, водоотделителей и др.). Водокольцевые насосы изготовляют двух типов: В — простого и ДВ — двойного действия.
Вакуум-насосы могут включаться параллельно или последовательно. Параллельное подключение характерно для поверхностных ВНС, последовательное — для вспомогательных подземных ВНС. Эффективность Э параллельной или последовательной работы насосов зависит от уточненного эквивалентного сопротивления дегазационной сети Rc,.
Вакуум-насосы типа РМК (ротационные машины компрессионные) относятся к машинам жидкостно-кольцевого типа и используются для создания вакуума или вкачестве компрессора (табл. 4.1). Рабочей жидкостью может служить вода, масло или любая другая неагрессивная жидкость. При использовании насосов в дегазационных системах угольных шахт в качестве рабочей жидкости применяют только воду. Вакуум насосы типа РМК выпускаются трех типоразмеров: РМК-2 (ВВН-32, РМК-3 (ВВН-12) и РМК-4 (ВВН-25). Основная характеристика данных насосов - зависимость давления во всасывающем патрубке от его подачи.
Рис. 4.1. Водокольцевой вакуум-насос одинарного действия
Таблица 4.1 Технические характеристики вакуум-насосов
Показатели |
РМК-2 |
РМК-3 |
РМК-4 |
Максимальный вакуум, % |
90 |
96 |
|
Максимальное давление нагнетания, |
0,14 |
0,21 |
|
МПа |
|
|
|
Максимальная подача, м3/мин |
3,6 |
11,5 |
27 |
Частота вращения вала, мин-1 |
1450 |
960 |
720 |
Мощность электродвигателя, кВт: |
|
|
|
вакуум-насоса |
10 |
28 |
75 |
газодувки |
14 |
40 |
75 |
Максимальный расход воды, м3/мин: |
|
|
|
вакуум-насосом |
0,02 |
|
|
газодувкой |
0,03 |
0,06 |
0,1 |
Диаметр рабочего колеса, мм |
200 |
325 |
450 |
Число лопаток |
12 |
20 |
|
Внутренний диаметр корпуса, мм |
230 |
280 |
540 |
Эксцентриситет, мм |
12 |
20 |
35 |
Торцевой зазор (между |
0,15 |
0,25 |
|
колесом и крышкой), мм |
|
|
|
Диаметр штуцеров, мм (дюйм): |
|
|
|
всасывающего |
70 |
120 |
170 |
и нагнетательного |
|
|
|
водяных |
9,525 |
12,7(1/2) |
|
|
(3/8) |
|
|
Объем, м3: |
|
|
|
водосб орника |
0,12 |
0,3 |
|
газосборннка |
|
0.28 |
|
Габариты, мм: |
|
|
|
длина |
730 |
1310 |
1645 |
ширина |
410 |
450 |
600 |
высота |
445 |
990 |
1265 |
Масса, кг: |
|
|
|
насоса |
123 |
520 |
1028 |
водосборника |
27,5 |
77 |
|
газозборника |
|
133 |
|
Вакуум-насосная установка ВВН-150 состоит из водокольцевого вакуум-насоса двойного действия ВВН-150 (Техническая характеристика представлена в Табл. 4.2) , зубчатого редуктора и электродвигателя, соединенного с ним муфтой. Вакуум-насос установлен на раме, электродвигатель – на двух опорных плитах.
Табл. 4.2 – Техническая характеристика водокольцевого
вакуум-насоса ВВН-150
Максимальный вакуум, % |
85 |
Максимальное давление нагнетания, МПа |
0,15 |
Максимальная подача, м3/мин |
150 |
Частота вращения вала, мин-1 |
179 |
Мощность электродвигателя, кВт |
250 |
Максимальный расход воды, м3/мин |
0,35 |
Габариты, мм |
2665х2180х2095 |
Масса, кг |
9490 |
Насос ВВН-150 имеет четыре всасывающих патрубка и один нагнетательный. Всасывающий патрубки обычно подсоединяются одной системе, а при необходимости – попарно или в отдельности к различным системам питания. Схема питания ВВН-150 представлена на Рис. 4.2.
Рис. 4.2 – Схема питания вакуум-насоса ВВН-150: 1 - водоотделитель; 2 – ороситель; 3 – Сетка; 4 – труба; 5 – вакуум-насос; 6 – водяной насос.
Техническая характеристика вода-кольцевого вакуум-насоса ЖВН-50
Максимальный вакуум, %............................................................... 94
Максимальное давление нагнетания, МПа..................................0,15
Максимальная подача. м3/мин....................................................... 50
Частота вращения вала, мин-1........................................................590
Мощность электродвигателя, кВт.................................................125
Максимальный расход воды, м3/мин.............................................0,12
Габариты, мм.................................................................2910x960x1140
Масса, кг...........................................................................................2670
акуум-насос ЖВН-50 состоит из корпуса на опорных лапах, двух кронштейнов, в которые вмонтированы подшипники рабочего колеса и сальники, двух боковых крышек с выхлопными и всасывающими окнами.
Внутренняя полость крышек разделена на три изолированные полости - две газовые (нагнетательная и всасывающая) и водяную, расположенную в нижней части крышки. На всасывающем патрубке насоса установлен вентиль, через который поступает воздух из атмосферы с целью облегчения пуска насоса. Зазор между рабочим колесом и торцовыми крышками регулируют путем перемещения коренного подшипника с помощью регулировочных болтов.
Водокольцевой вакуум-насос ДВВН-150Б (сушествует другая модификация ДВВН-150А с встроенным редуктором) двойного действия (рис. 4.3) состоит из не подвижного корпуса 1, в который помешено рабочее колесо с лопатками. Насос снабжен двумя всасывающими 2, 3 и одним нагнетательным 4 патрубками.
Рис. 4.3. Вакуум-насос ДВВН-150Б
Техническая характеристика водокольцевого вакуум-насоса ДВВН-150Б
Максимальный вакуум, %............................................................... 85
Максимальное давление, МПа.......................................................0,15
Максимальная подача, м3/мин.......................................................150
Частота вращения вала, мин-1.........................................................280
Мощность электродвигателя, кВт..................................................320
Максимальный расход воды, м3/мин.............................................0,35
Масса, кг...........................................................................................9549
Конструкция насосов обеих модификаций позволяет производить профилактические осмотры, очистку и ремонт их при частичной разборке (без отсоединения трубопроводов от насосов и снятия вакуум-насосов с фундамента, распрессовки подшипников, разборки узлов сальника и извлечения ротора из корпуса вакуум-насоса).
Электродвигатель устанавливается на ВНС для привода вакуумных и водяных насосов. Для привода вакуум-насосов обычно устанавливается электродвигатели во взрывобезопасном исполнении.
В помещении для электродвигателя должна быть оборудована система приточной вентиляции, автоматически включающаяся и поддерживающая избыточное давление при появлении утечек метана в машинном зале вакуум-насосной станции.
Асинхронный взрывобезопасный электродвигатель трехфазного тока с короткозамкнутым ротором серии МА36 (техническая характеристика представлена в табл. 4.3; схема двигателя – рис. 4.4) предназначен для длительной работы в угольных шахтах, опасным по газу и пыли. Он имеет взрывозащищенное исполнение и рассчитан для работы при температуре окружающего воздуха не более +35 оС и относительной влажности до 97%. Электродвигатель – горизонтальный, на лапах, с одним свободным концом вала, рассчитанным на частоту вращения 750, 100 и 1500 мин-1 и напряжение 380/660 В. Охлаждение осуществляется за счет обдува от собственного вентилятора.
Табл. 4.3 – Техническая характеристика АД МА 36
Мощность, кВт |
100 |
Частота вращения, мин-1 |
1000 |
КПД |
0,91 |
Масса, кг |
1070 |
Рис. 4.4 – Схема АД МА 36
Водяные насосы применяются на стационарных ВНС для подачи воды в водокольцевые вакуум-насосы. Обычно это происходит по следующей схеме: отработанная вода через выхлопной патрубок вакуум-насоса поступает вместе с метановоздушной смесью в водоотделитель, где происходит их разделение. Из водоотделителя вода по сливному трубопроводу поступает в приемный колодец, а оттуда опять к вакуум-насосам. Для перекачки воды на вакуум-насосной станции устанавливаются два однотипных водяных насоса. Техническая характеристика насоса 3К-9а представлена в табл. 4.4.
Таблиця 4.4 – Техническая характеристика насоса ЗК-9а
Подача, м3/ч |
35 |
Давление, МПа |
0,225 |
Частота вращения вала, мин-1 |
2900 |
Мощность электродвигателя, кВт |
4,5 |
Мощность на валу насоса, кВт |
3,1 |
КПД, % |
70 |
Допустимая высота всасывания, м |
6,9 |
Диаметр рабочего колеса, мм |
143 |
Вентиляторы. Для проветривания отделения, в котором расположен вакуум-насос, и других помещений ВНС при их загазировании применяются различные виды вентиляторов. Наиболее рациональными в конструктивном и эксплуатационном отношении являются осевые вентиляторы типа МЦ с встроенными электродвигателями, предназначенные для приточно-вытяжной вентиляции. Характеристика осевого вентилятора МЦ-10 представлена в Табл.4.5
Таблиця 4.5 – Техническая характеристика осевого вентилятора МЦ-10
Диаметр рабочего колеса, мм |
1000 |
Частота вращения колеса, мин-1 |
1000 |
Поача, тыс.м3/ч |
18-30 |
Максимальная мощность, кВт |
2,9 |
Давление, даПа |
26,15-9,75 |