废弃煤矿煤层气地面抽采及销毁系统设计.pdf

设备运维124|2023年08月0 引言随着煤炭资源长期以来的高强度、大规模开采，因资源枯竭、政策措施等原因而关闭的煤矿数量不断增加。截至 2020 年，我国废弃煤矿 12 000 处，预计2030 年将有 15 000 处废弃煤矿。废弃煤矿停止生产，煤层气逐渐减少，但甲烷的释放并没完全停止，甲烷通过各种途径释放到大气中，如密封不良的通风井和钻井，煤矿上部岩层的裂缝和裂隙等。废弃矿井能以近乎稳定的速率持续地向外部释放甲烷，时间持续数年之久1-4。比如某煤矿关闭后，在风井附近地面溢出大量煤层气，造成环境污染，同时溢出的甲烷发生过燃烧事故。为此，设计了一种额定工况为 900 m3/h 的废弃煤矿煤层气地面抽采及销毁系统，旨在将废弃矿井储存煤层气及时抽采并销毁。1 系统方案设计1.1 系统构成根据甲烷体积分数不同分为高浓度煤层气和低浓度煤层气。高浓度煤层气甲烷体积分数大于或等于30%，低浓度煤层气的甲烷体积分数大于或等于 3%且小于 30%5。低浓度煤层气甲烷体积分数处于爆炸界限内(5%16%)，具有易燃易爆特性，不得作为燃废弃煤矿煤层气地面抽采及销毁系统设计黄克海1,2(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037;2.中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)摘要：废弃矿井逐年增多，煤矿虽然停止生产，但甲烷释放并没完全停止，并通过多种途径释放到大气中，污染环境的同时还具有燃烧爆炸风险，因此设计了一种废弃煤矿煤层气地面抽采及销毁系统。文章首先介绍了系统构成，包括：抽采系统、火炬系统及监测监控系统；其次设计了针对高浓度煤层气抽采的干式罗茨泵+变频电机的可调流量式抽采系统；再者设计了地面火炬燃烧系统，燃烧火焰完全控制在防辐射隔热罩内，最大限度地减少热辐射、噪音对工作人员和周围设备的影响；最后设计了无线传输式监测监控系统。该系统基于现场总线及无线通信等技术，实现远程监测监控抽采系统及燃烧系统运行状态，对异常变化具有自动判识、报警并紧急处置功能，有效保障抽采煤层气安全销毁。关键词：废弃煤矿；地面抽采；销毁；无线传输；火炬燃烧中图分类号：TD712；TP273 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)24-0124-05DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.24.035Design of Surface Extraction and Destruction System for Coalbed Methane in Abandoned Coal MineHUANG Ke-hai1,2(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology,Chongqing 400037,China;2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute,Chongqing 400039,China)Abstract:Abandoned mines are increasing year by year.Although the production of coal mines has stopped,the methane release has not completely stopped,and it is released into the atmosphere through various ways,which not only pollute the environment but also have the risk of combustion and explosion.Therefore,a surface extraction and destruction system of abandoned coal mines is designed.This paper first introduces the system structure,including that pumping system,flare system and monitoring system.Secondly,the system of dry Roots pump+variable frequency motor for high concentration coalbed methane extraction with adjustable flow is designed.In addition,the ground torch burning system is designed,and the burning flame is completely controlled in the radiation-proof heat shield,which minimizes the influence of heat radiation and noise on the staff and surrounding equipment.Finally,the wireless transmission monitoring system is designed.Based on fieldbus and wireless communication technology,the system can realize remote monitoring and monitoring of the operation status of the pumping system and the combustion system,and has automatic identification,alarm and emergency disposal functions for abnormal changes,effectively guaranteeing the safe destruction of extracted coalbed methane.Keywords:abandoned coal mines;surface extraction;destruction;wireless transmission;torch burning二校-2023-8-下期.indd 1242023/8/17 14:51:302023年08月|125气直接燃烧6。因此，针对高浓度煤层气设计废弃煤矿煤层气地面抽采及销毁系统，其由抽放系统、火炬燃烧系统及监测监控系统三部分组成，如图 1 所示。图1 废弃煤矿煤层气地面抽采及销毁系统构成图为了便于现场安装及转场运输，废弃煤矿煤层气地面抽采及销毁系统设计为撬装式，其中抽采系统和火炬燃烧系统各为一个独立的撬，监测监控系统为柜体式结构。抽采系统进气口通过软管和地面井井口管道法兰连接，出气口同样采用软管和火炬系统进气口法兰连接，实现系统快速装拆。1.2 系统功能及工艺流程设计煤层气抽采系统将废弃煤矿煤层气快速抽出，采用变频调速技术根据需要调节抽放量。火炬燃烧系统将抽采的煤层气通过火炬系统燃烧销毁，火炬系统具有自动点火、熄火自动停泵功能。监测监控系统在线监测煤层气抽采系统、火炬燃烧系统运行状态，确保系统安全、高效运行，并基于现场总线、无线通信等技术，实现煤层气流量及浓度的远程传输。同时一旦出现抽采煤层气甲烷浓度低于 30%，则自动关断输送管道、关停抽采泵。根据各子系统功能设计了废弃煤矿煤层气地面抽采及销毁系统工艺流程图，如图 2 所示。图2 废弃煤矿煤层气地面抽采及销毁系统工艺流程图2 废弃煤矿地面煤层气抽采及销毁系统设计2.1 设计依据废弃煤矿煤层气地面抽采及销毁系统设计依据如表 1 所示。表1 废弃煤矿煤层气地面抽采及销毁系统设计依据额定工况/(m3/h)管道煤层气流速/(m/s)环境温度/大气压力/kPa90015040801102.2 煤层气抽采系统设计抽采系统包括抽放泵、电机、变频器、消声器、负压滤筒、管路等，其中抽放泵和防爆电机是抽采系统的关键设备。煤层气抽放泵分为干式和湿式，选择何种方式和抽采煤层气浓度有关，因废弃煤矿地面煤层气抽采及销毁系统用于高浓度煤层气抽采，故选择干式的罗茨泵。依据表 1 中额定工况，罗茨泵的抽气量设计为 15 m3/min，泵的型号选择为 SR-150SV。为了实现系统抽放量的调节，罗茨泵配套电机采用直联方式，通过变频调速实现抽采量的调节，因此电机选择变频式防爆电机，经查询 SR-150SV 型罗茨泵配套YBBP-160L-4IP55 型电机，电机功率 11 kW。表 2 为罗茨泵及电机的主要技术参数。表2 抽采系统罗茨泵及电机的主要技术参数名称型号及主要技术参数数量罗茨泵型号：SR-150SV；抽气量：15 m3/min；极限真空度：-20 kPa1防爆变频电机型号：YBBP-160L-4IP55；功率：11 kW；防护等级：IP551根据系统额定工况为 900 m3/h，管道煤层气流速不大于 15 m/s7，经计算：抽采管路的管径选择DN100mm。抽采系统设计为敞开式撬装结构，该撬外形尺寸为：3 600 mm2 600 mm2 400 mm，重量约为 2 500 kg。图 3 为煤层气抽采系统图。二校-2023-8-下期.indd 1252023/8/17 14:51:31设备运维126|2023年08月2.3 火炬系统设计火炬系统有两种型式：一种是高架火炬系统，该系统采用外燃式，燃烧室在火炬顶部；另一种方案是地面火炬系统，该系统设置了火炬筒体，无明焰8-9。废弃煤矿煤层气地面抽采及销毁系统旨在快速抽采煤层气并安全销毁，从经济性及便捷性考虑，火炬系统选择地面火炬系统。地面火炬由火炬筒体、燃烧头、火炬点火系统、火炬阀组、火炬控制系统等构成，图 4 为火炬系统结构图。图3 煤层气抽采系统图4 火炬系统图地面火炬系统将气体放空燃烧火焰完全控制在防辐射隔热罩内，外界看不到火焰，能最大限度的减少热辐射、噪音对工作人员和周围设备的影响。燃烧头材料采用不锈钢金属纤维，能适应燃烧产生的高温，又能很好地防止燃气的腐蚀性对燃烧头造成的损坏，同时金属纤维具有阻火、防回火功能，安全性高10。火炬配备高能点火器，点火成功率在 99%以上。煤层气管道上配备有手动阀、快关阀、阻火器三个部件，发生异常情况快速阀及时关断，切断气源，阻火器在发生回火时，及时熄火，阻止火焰传播，实现系统安全冗余。火炬控制系统采用 PLC 控制，具有自动和手动两种操作模式。自动模式可以实现自动点火、自动停机、二校-2023-8-下期.indd 1262023/8/17 14:51:322023年08月|127自动熄火保护，确保安全生产。表 3 为火炬系统主要设备技术参数。表3 火炬系统主要设备明细表名称规格型号及参数数量火炬主体主体直径：320 mm；主体高度：5 000 mm1 套燃烧头燃烧头直径：630 mm；处理量：300900 m3/h1 组点火系统点状放电方式；点火电极使用寿命超过 20 万次1 套控制系统PLC 控制模式1 套2.4 监测监控系统设计2.4.1 监测监控系统架构设计监测监控系统具有在线监测煤层气浓度、流量、压力、温度以及环境甲烷浓度功能，同时为了集中管理，现场运行数据还远传至数据中心。废弃煤矿多在野外，距离远，可用网络少，综合考虑监测监控系统采用无线传输模式。该系统基于现场总线及无线通信等技术，对生产场所抽采系统运行状态及数据、焚烧系统运行状态及数据实现远程监测监控。监测监控系统由设备层、传输网络层、云服务器及客户端等构成，如图 5 所示。2.4.2 主要设备选择及技术参数设备层由现场的传感器、监控分站、电源等终端设备组成，传感器负责甲烷浓度、流量、压力、温度采图5 监测监控系统构成图集及就地显示，并将采集到的数据通过总线传输到监控分站，监控分站将接收到的数据打包传送给传输网络层；传输网络层的无线传输设备接收到数据后，再将数据转换为无线信号，通过 4G 网络传送给目标服务器，从而实现数据的远传功能。(1)传感器传感器需要采集甲烷浓度、流量、管道压力、温度等多个参数，为了减少传感器数量，选择 GD4 型煤层气抽放多参数传感器。GD4 型煤层气抽放多参数传感器主要用于煤矿煤层气管道抽放参数监测，能够在线测量抽放管道中各测点的差压、抽放压力、甲烷浓度、管道温度，能配合孔板流量计计算并显示抽放煤层气的混合流量和纯甲烷流量，传感器输出信号为RS485 总线型，具有传输距离长、速度快、抗干扰能力强等功能。(2)监控分站监控分站选择 KJ90-F16(C)矿用本安型分站，该分站是一种以基于 ARM 内核的 32 位嵌入式微控制器为核心的嵌入式控制设备，可挂接多种传感器，具有多通道、多制式的信号(数字式、电流信号、电平信号)采集功能和通讯功能，分站最大可接入 16 台传感器或执行器。适用于煤矿井下所有存在煤层气和煤尘二校-2023-8-下期.indd 1272023/8/17 14:51:33设备运维128|2023年08月爆炸危险的场所，以及煤矿井下所有需要使用传感器监测、监控各种有毒有害气体及设备运行状态的地方及场所。(3)电源监 控 分 站 及 传 感 器 均 为 矿 井 本 安 设 备，其工作电源应为本质安全直流电源，系统电源选择KDY660/24B(A)矿用隔爆兼本安直流电源。该电源主要应用于煤矿井下具有爆炸性危险的场所，同时也可应用到地面非爆炸危险场所，具备输入、输出电源指示功能，具备限流、限压、短路保护和故障消除后自动恢复的功能，具备备用电源指示功能，备用电源采用浮充电方式，并具有防止过充电、过放电的功能。KDY660/24B(A)矿用隔爆兼本安直流电源输入工作电压范围为 90900 VAC；适合电源等级：660 V/380 V/220 V/127 VAC，50 Hz；本安输出参数如表 4 所示。表4 KDY660/24B(A)矿用隔爆兼本安直流电源本安输出参数输出电压标称值/V额定输出电流/mA最小输出电压/V输出路数12.028010.01 路18.010017.01 路24.012023.08 路(4)无线传输设备无线传输设备即数转模块，是传输网络层的核心设备，它将 KJ90-F16(C)矿用本安型分站通过RS485 串口传输过来的数据转换为无线信号，通过4G 网络传送给目标服务器，从而实现数据的远传功能。数转模块选择有人 USR-G781-42，表 5 为有人USR-G781-42 主要技术参数表。表5 有人USR-G781-42主要技术参数表工作电压工作电流工作模式通讯协议无线标准936 VDC300 mA/12 VDC透传模式、HTTPD 模式、MODBUS 互转模式TCP、UDP、DNS、HTTP、FTPTDD-LTE、FDD-LTE、WCDMA、TD-SCDMA、GSM/GPRS/EDGE3 结语(1)针对高浓度煤层气设计了由抽采系统、火炬燃烧系统及监测监控系统三部分组成的废弃煤矿煤层气地面抽采及销毁系统，系统采用撬装式结构实现了快速安装及转场运输。(2)抽采系统由煤层气输送管道、抽采泵、电机、变频器等组成。抽采泵选择 SR-150SV 型罗茨泵，配套 YBBP-160L-4IP55 型电机，罗茨泵配套电机采用直联方式，并通过变频调速实现抽采量的调节。(3)废弃煤矿煤层气地面抽采及销毁系统旨在快速抽采煤层气并销毁，火炬系统选择地面火炬系统，将气体放空燃烧火焰完全控制在防辐射隔热罩内，外界看不到火焰，能最大限度减少热辐射、噪音对工作人员和周围设备的影响。(4)构建了由设备层、传输网络层、云服务器及客户端等构成的监测监控系统。基于现场总线及无线通信等技术，实现远程数据采集及系统运行状态远程监测监控，有效保障了抽采煤层气的安全销毁。参考文献：1 刘双林,任育杰.废弃矿井瓦斯抽采现状分析与探究J.化工管理,2016(30):56.2 凯文杜兰.中国废弃煤矿的甲烷排放C/国家煤炭安全监察局.2011 第十一届国际煤层气研讨会论文集.北京:2011 第十一届国际煤层气研讨会,2011:97-98.3 张农,阚甲广,王朋.我国废弃煤矿资源现状与分布特征J.煤炭经济研究,2019,39(5):4-8.4 杨明,朱林,全星苑,等.废弃煤矿采空区瓦斯抽采可行性评价模型构建及应用J.煤田地质与勘探,2022,50(7):107-117.5 国家市场监督管理总局,国家标准化管理委员会.煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范:GB 408812021S 北京:中国标准出版社,2021.6 国家安全生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程M.北京:煤炭工业出版社出版,2022.7 住房和城乡建设部,国家质量监督检验检疫总局.煤矿瓦斯抽采工程设计规范:GB 504712008S北京:中国标准出版社,2008.8 张帅涛.火炬燃烧器的结构设计与数值模拟D.西安:陕西科技大学,2019.9 苟彬德.多点式地面火炬的安全环保性能初探J.石油化工设计,2015,32(1):10-13.10 赵旭生,逄锦伦.低浓度瓦斯安全直接燃烧技术研究J.矿业安全与环保,2017,44(6):1-5,16.作者简介：黄克海(1979-)，湖北襄阳人，高级工程师，硕士，2010 年毕业于重庆大学，现从事煤矿瓦斯利用 技术及装备研究，E-mail：。二校-2023-8-下期.indd 1282023/8/17 14:51:33