PL B1. INSTYTUT TECHNIK INNOWACYJNYCH EMAG, Katowice, PL

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. E21F 7/00 ( ) G01N 7/00 ( ) (54) Układ do pomiaru oraz monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT TECHNIK INNOWACYJNYCH EMAG, Katowice, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 19/06 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 06/12 (72) Twórca(y) wynalazku: ADAM BROJA, Gliwice, PL KRZYSZTOF GRALEWSKI, Katowice, PL ANTONI JAKUBÓW, Jastrzębie Zdrój, PL JERZY MARKIEWICZ, Jastrzębie Zdrój, PL JERZY MRÓZ, Katowice, PL ANDRZEJ TOR, Siemianowice Śląskie, PL STANISŁAW WASILEWSKI, Katowice, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Marian Małachowski PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Układ do pomiaru oraz monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń przeznaczony jest do ciągłego pomiaru stężenia metanu w rurociągu, stężenia tlenku węgla, wartości przepływu, ciśnienia bezwzględnego oraz temperatury w wybranych punktach sieci rurociągów. Przy czym, ww. parametry sieci odmetanowania poprzez odpowiednio skonfigurowany układ umożliwiają realizację bieżącej automatycznej kontroli i oceny zagrożenia metanowego w kopalni. W kopalniach silnie metanowych ważnym elementem eksploatacji jest utrzymanie poprawnej wentylacji na dole kopalni. Metan wydostający się ze zrobów zamkniętych oraz z rejonów przedeksploatacyjnych musi być wydobyty na powierzchnię kopalni. Odmetanowanie według znanych sposobów odbywa się przy pomocy otworów drenażowych z górotworu oraz otamowanych zrobów. Polega na wydobyciu metanu bezpośrednio z wyrobisk lub z wcześniej wykonanych wnęk wiązkami otworów i odpowiednim podłączeniu ich do rurociągu odmetanowania. Odprowadzenie metanu realizowane jest osobną siecią rurociągów na powierzchnię, wykorzystując depresję pomp stacji odmetanowania. Znana i stosowana struktura sieci odmetanowania kopalń pozwala na kontrolę wydobywanego metanu przede wszystkim w stacji pomiarowej, gdzie stężenie metanu przed sprężarkami nie może być niższe niż 40% dla poprawnej ich pracy. Układ stacji odmetanowania wyposażony jest w odpowiednie zabezpieczenia koncentracji metanu w mieszaninie, które powoduje automatyczne wyłączenie stacji odmetanowania i włączenie sygnalizacji alarmowej, gdy stężenie metanu w mieszaninie spadnie poniżej 30%. Praktycznie prawidłowe stężenie metanu utrzymywane jest w granicach 54%. Według dotychczasowego stanu techniki kontrola parametrów gazu w sieci rurociągów odmetanowania jest realizowana poprzez wykonywanie pomiarów raz na dobę przez służby techniczne kopalni. Pomiary stężenia metanu, spadek ciśnienia na kryzie, podciśnienie w rurociągu oraz temperatura gazu wykonywane są bezpośrednio na kryzach zabudowanych na dołowych rurociągach przez pracowników służb technicznych, a następnie na podstawie tych pomiarów obliczany jest wydatek metanu w rurociągu oraz ilość pobranego metanu w ciągu doby i odnotowywane są te wielkości w książce odmetanowania. Takich punktów pomiarowych w dołowej sieci odmetanowania kopalni jest przeważnie kilkadziesiąt. Pomiary te są niezbędne dla oceny zagrożenia metanowego w rejonach ścian wydobywczych na podstawie wykonywanych bilansów metanu odprowadzanymi rurociągami oraz wyrobiskami wentylacyjnymi. W kopalniach metanowych wydobywany metan z odmetanowania często wykorzystuje się do zasilania silników gazowych napędzających np. urządzenia klimatyzacyjne lub dostarcza się metan odbiorcom przemysłowym, co wymaga odpowiedniej kontroli parametrów gazu i stabilizacji stężenia metanu na poziomie bezpiecznym około 40% w celu nieprzerwanego zasilania silników gazowych napędzających przykładowo generatory elektryczne. Znana jest z publikacji pt.: Kopalniane pomiary wentylacyjne" aut. W. Roszczyniarski, W. Trutwin, J. Wacławik, Wydawnictwo Śląsk -1992r. (str ) centrala metanometryczna ASC - 72 służąca do pomiaru i rejestracji stężenia metanu, podciśnienia, oraz strumienia objętości w pięciu punktach sieci odmetanowania. Ponadto opublikowane są na str ww. pozycji systemy metanometryczne obejmujące system pomiarowy oraz częściowo kontrolny i alarmowy. Część pomiarową stanowią układy: detekcji, teletransmisji, rejestracji i przetwarzania danych. Część kontrolno - pomiarowa zawiera układy sygnalizacji przekroczenia wartości progowych oraz samoczynnego wyłączania energii elektrycznej z zagrożonych rejonów. Za pomocą układów systemów metanometrycznych w wybranych punktach kopalni wykonuje się pomiary: stężenia metanu w powietrzu kopalnianym, stężenia metanu w rurociągach odmetanowania, prędkości przepływu powietrza w wyrobiskach oraz innych wielkości np. różnicy ciśnień, depresji, stężenia innych gazów. Ze względu na dużą liczbę czujników współpracujących z jedną centralą pomiar parametru jest dyskretny w czasie np. co 4 minuty. Systemy metanometryczne składają się z komputera wyposażonego w urządzenia peryferyjne połączonego poprzez linie przesyłowe, zasilacze iskrobezpieczne i bariery iskrobezpieczne z urządzeniami pomiarowymi, składającymi się z monitora zawierającego miernik stężenia metanu, detektor różnicy ciśnień oraz zasilacz. W systemach transmisji sygnałów pomiarowych stosuje się częstotliwościowy sygnał teletransmisji. Wyniki pomiarów rejestrowane są na rejestratorach taśmowych lub w pamięci komputera, gdzie następuje przetwarzanie wyników w postaci tabel lub wykresów. Znane są z publikacji pt.: "Zagrożenia naturalne w kopalniach - Sposoby prognozowania, zapobiegania i kontroli" Praca zbiorowa pod kier. B. Firganka i F. Klebanowa, Wydawnictwo Śląsk r. systemy metanometryczne oparte na technice cyfrowej np. system MINOS przeznaczony do kontroli

3 PL B1 3 parametrów bezpieczeństwa w podziemiach kopalń. W skład systemu wchodzą sprzęt komputerowy oparty na jednostce centralnej z odpowiednią pamięcią wewnętrzną. Systemy metanometryczne składają się z komputera wyposażonego w urządzenia peryferyjne połączonego poprzez linie przesyłowe, zasilacze iskrobezpieczne i bariery iskrobezpieczne z urządzeniami pomiarowymi. System ten oparty jest na jednostce centralnej z odpowiednią pamięcią wewnętrzną i kabli interfejsu przemysłowego, przy czym komputer wyposażony jest w dwa dyski elastyczne, oraz urządzenia peryferyjne w postaci drukarki i dwóch monitorów. Układ składa się z systemu transmisji danych, podziemnych stacji lokalnych oraz podziemnych urządzeń pomiarowych takich jak metanomierze, anemometry, detektory dymu, czujniki pracy instalacji odmetanowania, barometr powierzchniowy, przetworniki różnicy ciśnień przetwornika ciśnienie - przepływ, czujniki wilgotności. Wszelkie informacje wyświetlane są na monitorach, przy czym na ekranie lewego monitora wyświetlane są główne źródła informacji umożliwiające przejście z informacji zbiorczej do informacji szczegółowej. W przypadku wystąpienia sytuacji alarmowej w danym oddziale wydobywczym na ekranie prawego monitora wyświetlana jest przyczyna alarmu. Niezależnie od informacji o stanie aktualnym kontrolowanego obiektu system umożliwia wyświetlanie szeregu wykresów pokazujących uśrednione dane za okres zmiany poprzedzającego go tygodnia. Znany jest też z publikacji książkowej pt.: Kopalniane pomiary wentylacyjne" aut. W. Roszczyniarski, W. Trutwin, J. Wacławik, Wydawnictwo Śląsk 1992 r. (str.348) metanomierz wysokiego stężenia BM - 2H przeznaczony do pomiaru stężenia w rurociągach odmetanowania, który złożony jest z kryzy zainstalowanej w rurociągu w celu wytworzenia różnicy ciśnień wymuszającej przepływ mieszanki metanowej przez układ filtrów i czujnik. Urządzenie składa się z monitora zawierającego miernik stężenia metanu, sygnalizację alarmową wartości progowych, wyjście sygnału telemetrycznego i alarmowego, zasilacza buforowego z akumulatorami oraz rejestratora. Znane układy do pomiaru parametrów sieci odmetanowania kopalń nie pozwalają na jednoczesny pomiar wszystkich pięciu parametrów w realnym czasie oraz realizację natychmiastowej analizy zagrożenia metanowego, a także na dokonanie odpowiednio szybkiej reakcji w celu przeprowadzenia regulacji zapewniającej odpowiednie parametry mieszaniny gazu włącznie z stabilizacją stężenia w niej metanu na poziomie bezpiecznym w celu nieprzerwanego zasilania silników gazowych np. napędzających generatory elektryczne lub inne urządzenia. Celem wynalazku jest wyeliminowanie dotychczasowych niedogodności i opracowanie układu umożliwiającego zdatny automatyczny jednoczesny pomiar stężenia metanu w rurociągu, stężenia tlenku węgla, wartości przepływu, ciśnienia bezwzględnego oraz temperatury parametrów w wybranych punktach sieci odmetanowania kopalń, a następnie na podstawie odpowiednio skonfigurowanego układu realizację bieżącej automatycznej kontroli i oceny zagrożenia metanowego w kopalni. Układ do pomiaru i monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń składa się z co najmniej jednego urządzenia do pomiaru parametrów technicznych sieci odmetanowania kopalń, połączonego z modułem transmisyjno-zasilającym, który połączony jest światłowodową linią przesyłową z konwerterem oraz poprzez sterownik z wejściowym konwerterem separującym, który z kolei połączony jest linią przesyłową poprzez wyjściowy konwektor separujący z komputerem. Z kolei drugie wyjście sterownika połączone jest z systemem metanowo-pożarowym poprzez wejściowy konwektor separujący, linię przesyłową i wyjściowy konwektor separujący. Urządzenie do pomiaru parametrów technicznych sieci odmetanowania kopalń składa się z modułu wyświetlająco - transmisyjnego oraz modułu detektorów usytuowanych w pobliżu kryzy pomiarowej. Z kolei wejścia detektora różnicy ciśnień podłączone są do kryzy pomiarowej. Natomiast wejście detektorów ciśnienia bezwzględnego, detektora tlenku węgla, detektora wysokich stężeń metanu podłączone są do jednego przewodu umieszczonego w rurociągu. Detektor temperatury poprzez swoje wyjście połączony jest z półprzewodnikowym czujnikiem temperatury umieszczonym bezpośrednio we wnętrzu rurociągu. Wyjścia poszczególnych detektorów modułu detektorów połączone są z układem wzmacniaczy, który połączony jest poprzez układ barier izolująco-zabezpieczających z wejściem analogowym modułu wyświetlająco-transmisyjnego, składającego się z modułu iskrobezpiecznego zasilacza, z modułu komunikacyjnego połączonego swoim wyjściem z układem do pomiaru oraz monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń oraz z modułu sterownika nadrzędnego, Iskrobezpieczny zasilacz poprzez swoje wejście podłączony jest do źródła napięcia zewnętrznego, natomiast jego wyjście podłączone jest do wejścia zasilacza detektorów. Wynalazek w przykładzie wykonania jest odtworzony na rysunku, na którym Fig. 1 - przedstawia schemat blokowy układu do pomiaru i monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń, Fig. 2 - schemat blokowy urządzenia do pomiaru i monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń.

4 4 PL B1 Układ do pomiaru i monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń składa się z szeregu urządzeń do pomiaru i monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń 1, służących do pomiaru stężenia metanu w rurociągu, stężenia tlenku węgla, wartości przepływu, ciśnienia bezwzględnego oraz temperatury, których wyjścia sygnału pomiarowego E oraz wejścia zasilające F połączone są do modułu transmisyjno-zasilającego 19. Następnie moduł transmisyjno-zasilający 19 połączony jest dołową światłowodową linią przesyłową L 1 z konwerterem separującym 20 oraz szeregowo z sterownikiem 21, który z kolei połączony jest z komputerem 22 poprzez wejściowy konwektor separujący 20b, linię przesyłową L 2 i wyjściowy konwektor separujący 20a. Komputer 22 usytuowany w stacji odmetanowania wyposażony jest w ekran 23 i drukarkę 24. Z kolei drugie wyjście sterownika 21 połączone jest z systemem metanowo-pożarowym 25 poprzez wejściowy konwektor separujący 20c, linię przesyłową L 3 i wyjściowy konwektor separujący 20d. Urządzenie do pomiaru i monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń 1 posiada strukturę modułową i składa się z modułu detektorów 2, który usytuowany jest bezpośrednio na kryzie pomiarowej 3 oraz z modułu wyświetlająco - transmisyjnego 4 montowanego w pobliżu kryzy pomiarowej 3, tak by umożliwić dostęp do płyty czołowej modułu wyświetlająco - transmisyjnego 4, w celu realizacji podglądu danych pomiarowych. Część pomiarowa modułu detektorów 2 składa się z detektora różnicy ciśnień 5 na kryzie pomiarowej 3 w zakresie od 0 do 200 Pa, detektora ciśnienia bezwzględnego 6 w zakresie od 0 do 110 k Pa, detektora tlenku węgla 7 w zakresie od 0 do 200 ppm lub od 0 do 1000 ppm, detektora temperatury 8 w zakresie od 10 do 40 C oraz z detektora wysokich stężeń metanu 9 w zakresie od 0 do 100%. Wejścia A i B detektora różnicy ciśnień 5 połączone są przewodami podłączonymi przed i za kryzą pomiarową 3. Natomiast wejście C detektora ciśnienia bezwzględnego 6 oraz wejścia detektora tlenku węgla 7 i detektora wysokich stężeń metanu 9 podłączone są jednym z przewodem umieszczonym w rurociągu 10. Z kolei detektor temperatury 8 poprzez wyjście D połączony jest z półprzewodnikowym czujnikiem temperatury 11 umieszczonym bezpośrednio w rurociągu 10. Każdy z wyżej wymienionych detektorów połączony jest z układem wzmacniaczy 12, gdzie przesyłane zostają sygnały analogowe. Układ wzmacniaczy 12 połączony jest poprzez układ barier izotującozabezpieczających 13 z wejściem analogowym 14 modułu wyświetlająco-transmisyjnego 4, składającego się z iskrobezpiecznego zasilacza 15 o napięciach wyjściowych +15V oraz +5V, z modułu komunikacyjnego 16 połączonego wyjściem E z układem do pomiaru oraz monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń oraz z modułu sterownika nadrzędnego 17. Iskrobezpieczny zasilacz 15 poprzez wejście F podłączony jest do źródła napięcia zewnętrznego 220V, natomiast jego wyjście o maksymalnej wartości +15V i +5V oraz prądzie zwarciowym nie większym od 0,6A podłączone jest do wejścia zasilacza detektorów 18. Z kolei jedno wyjście zasilacza detektorów 18 z precyzyjnie stabilizowanym napięciem zasilającym +5V ± 0,1V, podłączone jest do wszystkich bloków funkcjonalnych modułu detektorów 2 oraz dodatkowo odseparowane zasilanie +3,2V ± 0,1V, podłączone jest do przetwornika konduktometrycznego detektora wysokich stężeń metanu 9. Zadaniem wzmacniaczy 12 jest odpowiednie wzmocnienie i dopasowanie sygnału wyjściowego każdego z detektorów do standardu 0,4-2 V. W każdym z poszczególnych torów detektorów z modułu detektorów 2 zastosowano takie samo rozwiązanie funkcjonalne układu wzmacniania i dopasowania sygnału, różniące się jedynie użyciem innych wartości elementów biernych. Odpowiednio wzmocnione i dopasowane sygnały analogowe z układu wzmacniaczy 12 podawane są na układ bariery izolująco - zabezpieczającej 13 chroniącej przed niepożądanymi sygnałami, które mogą przedostać się do wyjść modułu detektorów 2. Układ bariery izolująco-zabezpieczającej 13 ma także ograniczenia charakterystyki wyjściowej napięcia przy przekroczeniu zakresu pomiarowego z modułu detektorów 2 oraz ograniczenia spadku napięcia zasilania poniżej 7V. Następnie moduł komunikacyjny 16 realizuje przesyłanie danych pomiarowych do układu monitorowania parametrów sieci odmetanowania. Natomiast moduł sterownika nadrzędnego 17 zintegrowany jest z wyświetlaczem alfanumerycznym wyświetlającym przemiennie bieżące wskazania detektorów w jednostkach inżynierskich oraz wartości napięć wyjściowych poszczególnych detektorów. Dane pomiarowe z urządzeń do pomiaru i monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń 1, przesyłane są poprzez moduł transmisyjno-zasilający 19 dołową światłowodową linią przesyłową L 1 do sterownika 21. Moduł transmisyjno-zasilający 19 odseparowany jest od sterownika 21 konwerterem separującym 20 zapewniającym ich separacje galwaniczną. W sterowniku 21 na podstawie danych pomiarowych z urządzenia do pomiaru i monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń 1, obliczany jest wydatek gazu w rurociągu. Wydatek ten obliczany jest zgodnie z instrukcją pomiarów wydatku przez zwężki na podstawie wzoru (a):

5 PL B P h m V G = 0,11 a E d (a) s T min gdzie: V G - wydatek gazu w rurociągu, 0,11 - współczynnik liczbowy, a - współczynnik przepływu, E - współczynnik ekspansji gazu. Zwężki są tak dobrane, że E=1 D - średnica otworu zwężki [cm], P - ciśnienie absolutne w rurociągu [mmhg], h - spadek ciśnienia na kryzie pomiarowej [mmh 2 O], s - względna gęstość gazu liczona według wzoru (b) γ CH % CH4 + γ. %. 4 pow pow s =, (b) γ pow. T - temperatura bezwzględna gazu przed zwężką [ K]. Wydatek metanu obliczany jest następnie z wzoru (c): V CH 4 VG % CH = 4 ; (c) 100 Oprócz obliczania wydatku metanu sterownik 21 oblicza także bilanse dobowe i zmianowe wydatku metanu oraz realizuje programy zabezpieczające i sterujące tak, aby system mógł bezpiecznie pracować w przypadku awarii komputera 22. Obliczone wartości przesyłane są ze sterownika 21 poprzez dołowe światłowodowe linie przesyłowe L 1 i L 2 do komputera 22 umieszczonego w stacji odmetanowania, co umożliwia wizualizację, archiwizację i raportowanie danych przesyłanych ze sterownika 21. Poprzez połączenie sterownika 21 z systemem metanowo-pożarowym 25 łączem światłowodowym L 3, możliwe jest pobieranie danych chwilowych z urządzeń do pomiaru oraz monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń 1 oraz wyników obliczeń wykonywanych w trakcie pracy układu monitorowania systemu odmetanowania. Pobierane dane chwilowe są gromadzone w wewnętrznych bazach danych systemu metanowo-pożarowego 25 oraz wizualizowane w dedykowanym oknie przeznaczonym do wyświetlania tego typu danych. Dane te wykorzystywane są do wykonywania raportów oraz wykonywania bilansu gazowego w systemie metanowo-pożarowym 25. Dane tego systemu pozwalają także na wykonywanie obliczeń wydatku metanu odprowadzanego przez powietrze wentylacyjne. W powiązaniu z danymi odmetanowania możliwe jest obliczanie bilansu gazu w rejonie, co pozwala na określanie wartości procentowej metanu odprowadzanego rurociągami odmetanowania oraz wyrobiskami wentylacyjnymi. Urządzenia do pomiaru i monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń 1, mogą być zlokalizowane zarówno pod ziemią gdzie obsługują wtedy pomiary z poszczególnych rurociągów sieci odmetanowania, jak i na powierzchni np. na zrębie szybu obsługując pomiary związane z głównymi rurociągami odmetanowania. Do układu do pomiaru oraz monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń mogą być podłączone dodatkowo inne czujniki pomiarowe np.: anemometry, czujniki stężenia metanu w otaczającym powietrzu. Układ do pomiaru oraz monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń według wynalazku umożliwia równoczesny pomiar wszystkich pięciu parametrów w realnym czasie oraz realizację natychmiastowej analizy zagrożenia metanowego, a także dokonanie odpowiednio szybkiej reakcji w celu przeprowadzenia regulacji zapewniającej odpowiednie parametry mieszaniny gazu włącznie ze stabilizacją stężenia w niej metanu na bezpiecznym poziomie.

6 6 PL B1 Zastrzeżenie patentowe Układ do pomiaru oraz monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń składający się z komputera wyposażonego w urządzenia peryferyjne połączonego poprzez linie przesyłowe, zasilacze iskrobezpieczne i bariery iskrobezpieczne z urządzeniami do pomiaru parametrów technicznych sieci odmetanowania, znamienny tym, że co najmniej jedno urządzenie do pomiaru parametrów technicznych sieci odmetanowania kopalń (1), połączone jest z modułem transmisyjno-zasilającym (19), który połączony jest światłowodową linią przesyłową (L 1 ) z konwerterem (20) oraz poprzez sterownik (21) z wejściowym konwerterem separującym (20b), który z kolei połączony jest linią przesyłową (L 2 ) poprzez wyjściowy konwektor separujący (20a) z komputerem (22), z kolei drugie wyjście sterownika (21) połączone jest z systemem metanowo-pożarowym (25) poprzez wejściowy konwektor separujący (20c), linię przesyłową (L 3 ) i wyjściowy konwektor separujący (20d), przy czym urządzenie do pomiaru parametrów technicznych sieci odmetanowania kopalń (1) składa się z modułu wyświetlająco - transmisyjnego (4) oraz z modułu detektorów (2) usytuowanych w pobliżu kryzy pomiarowej (3), z kolei wejścia (A) i (B) detektora różnicy ciśnień (5) podłączone są do kryzy pomiarowej (3), natomiast wejście (C) detektorów ciśnienia bezwzględnego (6), detektora tlenku węgla (7) i detektora wysokich stężeń metanu (9) podłączone są jednym przewodem umieszczonym w rurociągu (10), a detektor temperatury (8) poprzez wyjście (C) połączony jest z czujnikiem temperatury (11) umieszczonym bezpośrednio we wnętrzu rurociągu (10), przy czym wyjścia poszczególnych detektorów modułu detektorów (2) połączone są z układem wzmacniaczy (12), który połączony jest poprzez układ barier izolująco-zabezpieczających (13) z wejściem analogowym (14) modułu wyświetlająco-transmisyjnego (4), składającego się z modułu iskrobezpiecznego zasilacza (15), z modułu komunikacyjnego (16) połączonego wyjściem (E) z układem do pomiaru i monitorowania parametrów sieci odmetanowania kopalń oraz z modułu sterownika nadrzędnego (17), przy czym iskrobezpieczny zasilacz (15) poprzez wejście (F) podłączony jest do źródła napięcia zewnętrznego, natomiast jego wyjście podłączone jest do wejścia zasilacza detektorów (18).

7 PL B1 7 Rysunki

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)