Safety in TechnosphereSafety in TechnosphereБезопасность в техносфере1998-071X1015710.12737/16963Энерго- и ресурсосбережениеEnergy and resource savingЭнерго- и ресурсосбережениеCoal Mine Methane Utilization in Gas Turbine Units for Electricity and Heat ProductionУтилизация шахтного метана в газотурбинных установках для производства электрической энергии и теплотыКулаковД. М.KulakovD. М.Kulakov.dm.m@gmail.comЩёголевН. Л.ShchegolevN. Л.ТумашевР. З.TumashevR. Z.
кандидат технических наук;
candidate of technical sciences;
Московский государственный технический университет имени Н.Э. БауманаМоскваРоссияМосковский государственный технический университет имени Н.Э. БауманаМоскваRussian Federation2510201525102015454148https://zh-szf.ru/en/nauka/article/10157/view
Добыча каменного угля сопровождается выделением шахтного метана, выбросы
которого в составе метано-воздушной смеси могут привести к взрыву, а также
оказать негативное влияние на состояние окружающей среды. Современный подход предполагает использование метано-воздушной смеси в тепловых котельных
установках или установках для выработки электрической энергии. Для выработки тепловой и электрической энергии целесообразно утилизировать шахтный метан в когенерационных газотурбинных установках с измененной последовательностью процессов. Термогазодинамические расчеты газотурбинных установок в
широком диапазоне изменения начальных параметров показали, что для установок небольшой мощности целесообразно принимать степень повышения давления
2,8, температуру перед турбиной 1173 К, перед газоохладителем — 303 К, степень
регенерации — 0,8. При этих параметрах электрический коэффициент полезного
действия установки составляет 25–26%, а с учетом вырабатываемой теплоты —
63–64%. У газотурбинной установки с измененной последовательностью процессов капитальные и эксплуатационные затраты меньше, чем у газотурбинной
установки традиционной схемы. Использование в газотурбинных установках дарового энергоресурса в виде метано-воздушной смеси повышает рентабельность
добычи угля и улучшает экологическую обстановку в регионе.
Coal mining is accompanied by the release of coal mine methane. Its emissions into the atmosphere within methane-air
mixture have a negative impact on the ecological situation. The modern approach involves the use of methane-air-mixture
for heat boilers or units to generate electricity. For the generation of heat and electrical energy the coal mine methane
could be used in cogeneration gas turbine plants with an altered sequence of processes. Thermo — and gas dynamics
studies were conducted in a wide range of parameters of gas turbine plants. For small power plants recommended are:
2.8 compression ratio, turbine inlet — 1173 K, gas cooler inlet temperature — 303 K, 0.8 regeneration ratio. In this case the
electrical efficiency of gas turbine plant is 25–26% and even 63–64% if produced heat is counted. Cogeneration gas turbine
plant with an altered sequence of process has smaller capital and operating costs compared to traditional gas turbine unit.
The use of methane-air mixture as fuel in such gas turbine units increases the profitability of coal mining and improves the
ecological situation in the region.
шахтный метанутилизациягазотурбинная установка с измененной
последовательностью процессовчисленные исследованиякоэффициент полезного действияэкология.coal mine methaneutilizationgas turbine unit with altered sequence of processesnumerical researchesefficiencyecology.
1. ВведениеДобыча каменного угля из угольных пластов подземным способом связана с обеспечением безопасности ведения работ из-за выделения шахтного метана (ШМ), т.е. газа, который в результате процесса формирования угленосных отложений находится в тесной связи с углем, образуя твердый углеметановый раствор. Эмиссия (или освобождение) ШМ возникает при добыче из-за нарушения термодинамического состояния равновесия в системе «газ–уголь».В состав газов угольных месторождений входят метан и другие продукты метаморфизма угля — тяжелые гомологи метана, водород H2, сероводород H2S, а также газы воздушного происхождения (диоксид углерода CO2, азот N2 и инертные газы), которые в процессе газового выветривания проникают в угольный пласт [1]. Компонентный состав шахтного газа определяется газовой зональностью угольного пласта (табл. 1).
Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. М.: Издательство Академии горных наук, 2000.Malyshev Yu.N., Troubetzkoy K.N., Ayruni A.T, Fundamentally Applied Methods for Solving the Problem of Coal Bed Methane. Izdatel’stvo Akademii Gornih Nauk = Publishing House of the Academy of Mining Sciences, 2000. 509 p.Рогозина Е.А. Состав, зональность и масштабы генерации газов при катагенезе органического вещества гумусовых углей // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2008. Т.3. № 3.Rogozina E.A., Composition, Zoning and Extent of Regeneration Rases at Catagen Organic Matter of Yumic Coals. Vserossiyskiy Neftyanoy Nauchno-Issledovatelskiy Geologicheskiy Institut, Neftegazovaya Geologiya. Teoriya i Praktika = All-Russia Petroleum Research Geological Institute, Petroleum Geology. Theory and Practice. 2008, I. 3. 20 p.Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006). Серия 05. Выпуск 14. М.: Научно-технический центр по безопасности в промышленности, 2007.Methodical Recommendations on the Procedure for the Degassing of Coal Mines (RD-15-09-2006). Series 05. Issue 14. Otkritoe Aktsionernoe Obshchestvo “Nauchno-Tehnicheskiy Tsentr po bezopastnosti v Promishlennosti” = Open Joint Stock Company “Scientific and Technical Center of Industrial Safety”, 2007. 256 p.Белошицкий М.В., Троицкий А.А. Использование шахтного метана в качестве энергоносителя // Турбины и дизели. 2006. № 6. С. 2-9.Beloshitsky M.V., Troitsky A.A. The Use of Coal Mine Methane as an Energy Source. Turbini I Dizeli = Turbines and Diesel Engines. 2006, I. 6, pp. 2-9.Дурнин М.К. Киотский протокол - источник финансирования обеспечения безопасности горных работ // Уголь. 2007. № 02. С. 58-60.Durnin M.K.The Kyoto Protocol - a Source of Financing Mine Working Safety. Ugol’ = Coal. 2007, I. 02, pp. 58-60.Шилов А.А., Храмцова А.М. Утилизация и использование шахтного метана для получения тепла и электроэнергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008. № 04. С.85-89.Shilov A.A., Hramtsova A.M. Utilization and Use of Coal Mine Methane to Produce Heat and Power. Gorniy Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten’ = Mountain Information-Analytical Bulletin, 2008, I. 04, pp. 85-89.Таразанов И. Итоги работы угольной промышленности за январь-июнь 2011 года // Уголь. 2011. № 09. С. 25-37.Tarazanov I. Results of the Coal Industry in January-June 2011. Ugol’ = Coal, 2011, I 09, pp. 25-37.Осипов М.И., Тумашев Р.З., Моляков В.Д. ГТУ малой мощности на топливных газах низкого давления с измененной очередностью процессов термодинамического цикла // Труды Международной научно-практической конференции «Малая энергетика-2003», Обнинск, 2003. С. 340-343.Osipov M.I., Tumashev R.Z., Molyakov V.D., Low Power Gas Turbine Plants Using Fuel Gas of Low Pressure with an Altered Sequence of the Thermodynamic Cycle Processes. Trudi Mezhunarodnoy Nauchno-Prakticheskoy Konferentsii “Malaya Energetika - 2003” = Proceedings of the International Scientific and Practical Conference “ Small Energetics - 2003”, Obninsk, 2003, pp. 340-343.Осипов М.И., Тумашев Р.З., Моляков В.Д. Усовершенствование ГТУ малой мощности при использовании топливных газов низкого давления // Труды Международной научно-практической конференции «Малая энергетика-2004», Москва, 2004. С. 113-116.Osipov M.I., Tumashev R.Z., Molyakov V.D., Improvement of Low Power Gas Turbine Plants Using Low Pressure Fuel Gases. Trudi Mezhunarodnoy Nauchno-Prakticheskoy Konferentsii “Malaya Energetika -2004” = Proceedings of the International Scientific and Practical Conference “Small Energetics - 2004”, Moscow, 2004, pp. 113-116.Тумашев Р.З., Бодров Н.Г. Когенерационная газотурбинная установка на попутных нефтяных газах с высоким содержанием тяжелых углеводородов // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2012. № 7. С. 155-165.Tumashev R.Z., Bodrov N.G., Cogeneration Gas Turbine on Associated Petroleum Gas with a High Content of Heavier Hydrocarbons. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana = Bauman MSTU Herald, 2012, I. 7, pp. 155-165.Тумашев Р.З., Моляков В.Д., Лаврентьев Ю.Л. Повышение эффективности компрессорных станций магистральных газопроводов // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2014. № 1. С.68-79.Tumashev R.Z., Molyakov V.D., Lavrentiev Yu.L., Improving the Efficiency of the Compressor Stations of Main Gas Pipelines. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana = Bauman MSTU Herald, 2014, I.1, pp. 68-79.