一種礦山溜煤眼落煤勢能發(fā)電裝置設計

石鑫壘 劉明輝 馬致先

摘要：針對我國煤炭產業(yè)精細化程度不夠、環(huán)境負效應較大、運輸過程中耗能較多的問題，本文設計了一種礦山溜煤眼落煤勢能發(fā)電裝置，利用在通過溜煤眼過程中煤塊下落產生的勢能通過發(fā)電機轉化為電能，經整流濾波后為巷道中設備提供照明電能，為煤炭開采提供了新的節(jié)能降耗增收的方法。

關鍵詞：礦山;溜煤發(fā)電;勢能利用;節(jié)能;

1、引言：

隨著我國科學技術的發(fā)展，煤礦業(yè)作為我國的支柱產業(yè)，發(fā)展迅速。然而其高耗能、高污染的開采方式，造成重大的經濟損失和環(huán)境污染，所以更加高效地利用礦山資源成為節(jié)能減排的首要任務之一。溜煤是煤礦運輸的一種方式，煤炭經溜煤眼（一段面積不大的豎直巷道或大傾角巷道）自由下落，沖擊落入底部放置的煤斗或溜煤眼倉，然后再轉入礦車或皮帶轉運。煤礦中溜煤眼數量較多，高度一般從10米至100米不等，溜煤運輸雖然簡單方便，但從能量的角度分析，煤炭自身所具有的重力勢能因沖擊碰撞及摩擦而白白的被浪費掉，在浪費的同時，煤炭在下落過程中的破碎程度加劇，對煤炭的價格有所影響。本文所設計的落煤發(fā)電裝置就是一種煤礦溜煤能量的回收利用裝置，解決煤炭運輸過程中能量的浪費問題，對落實節(jié)能減耗和節(jié)約礦山開采成本有重大意義。

2、設計方案

該裝置由發(fā)電硐室、防爆裝置、通風冷卻裝置和電路等構成。

2.1發(fā)電硐室的基本構成

2.1.1發(fā)電機組

本裝置采用的發(fā)電機組為礦用防爆永磁發(fā)電機，作用是進行能量的轉換，將葉片捕獲到的勢能轉換為機械能，再將機械能進一步轉換為電能。

2.1.2葉輪

扇葉在轉動過程中，下落的煤炭會與扇葉發(fā)生碰撞摩擦，會產生大量熱量，并且碰撞和摩擦對于扇葉的消耗會比較大，因此選用先進高強度鋼做基本構架。葉片的數量從能量利用及防堵方面考慮采用四葉片設計，并且使葉片存在一定度弧度以減輕煤塊對葉片的沖擊，以便更好控制輪機轉動方向。在葉片鋪裹一層橡膠材料，以延長葉片使用壽命并減少煤炭的沖擊破碎，同時也避免煤炭下落時與金屬碰磨引起火花，有利于煤礦安全。

葉輪結構如圖1所示。

2.1.3齒輪箱

齒輪箱是勢能發(fā)電機的核心組成部分，主要功能是將葉片捕獲到的勢能轉換為機械能，再將機械能傳遞給發(fā)電機。另一個功能與配在低轉速工作的勢能葉輪以及高轉速下工作的永磁發(fā)電機協(xié)同工作，對這兩部分的轉速進行匹配，以保證正常的發(fā)電量。

2.2防爆裝置及通風冷卻裝置

將輪機葉片與發(fā)電裝置之間設立安全門進行隔離，使煤塵不能進入發(fā)電機硐室;同時保持原礦井的通風結構設計、防止改變溜煤眼的通風情況。其次，向發(fā)電機所處的后半硐室進行通風，保證發(fā)電機處于工作環(huán)境下，通過運輸大巷中設立的通風道排出。此外，該方法還可以對發(fā)電機進行冷卻。無論能量回收轉換裝置是否工作，新鮮風均由通風巷道流向發(fā)電硐室，同時保證硐室內無風流死角，保證發(fā)電機處于工作環(huán)境下;為確保安全，所有電氣裝置采用防爆設計;另外根據需要向各軸承通水冷卻，減少轉動機械摩擦產生的熱量;在硐室頂部增裝噴頭，不僅僅降低葉輪因機械摩擦產生的熱量，還可以起到降塵的作用。發(fā)電機硐室內設瓦斯及溫度檢測傳感器，可以時時查看裝置的狀態(tài)。

整體結構圖和電硐室細節(jié)示意圖如圖2、圖3所示。

2.3 電路設計

該裝置是利用溜煤眼中煤炭下落時產生的勢能，煤塊通過推動輪機來帶動發(fā)電機，發(fā)電機產生的電能通過PWM電子整流裝置進行整流。整流過的電流一部分輸入儲電設備進行儲存，另一部分供礦上基礎用電。勢能發(fā)電充電控制單元是通過勢能發(fā)電裝置對蓄電池充電的控制以保證蓄電池不至于過充、過放，保持整個電能捕獲系統(tǒng)的安全運行。設置信號檢測系統(tǒng)，將檢測到的葉輪速度與礦用防爆電機溫度變化傳遞給控制器DSP。由于井下環(huán)境惡劣，當葉輪的轉速經過增速器后的轉速超過發(fā)電機的額定轉速時，控制器會接入動態(tài)阻性負載來限制勢能發(fā)電機的轉速以使勢能發(fā)電機保持恒功率運行，或者是調整葉輪在溜煤眼截面所占面積比。同時減弱了煤炭到達煤眼底部傳送帶的速度，減小了對傳送帶的破壞。根據蓄電池所具有的充放特性，實現(xiàn)控制晶閘管的導通，當蓄電池充滿電時，電流電壓檢測系統(tǒng)將采集到的信號傳遞給控制器DSP，實現(xiàn)卸荷器導通，保護蓄電池同時防止過充，也可以在異常情況發(fā)生時對整個發(fā)電機以及發(fā)電系統(tǒng)做出保護措施。

信號檢測系統(tǒng)如圖4所示。

3、工作原理

溜煤眼發(fā)電的基本原理是利用煤炭運輸過程中的高度差，配合礦用防爆永磁發(fā)電機捕獲煤炭下落過程中的由勢能轉換而來的動能，也就是利用煤炭的位能轉為葉片輪機轉動的機械能，再以機械能推動發(fā)電機，而得到電力。供煤礦使用廉價又無污染的電力。

4、總結

本文所設計的落煤發(fā)電裝置就是一種煤礦溜煤能量的回收裝置，完全可以實現(xiàn)將煤炭所具有的勢能轉換為電能并加以利用，對落實節(jié)能減耗重大戰(zhàn)略目標和節(jié)約礦山開采成本有重大意義。

參考文獻：

[1]張堃. 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的仿真設計實現(xiàn)[D].大連理工大學，2016.

[2]遲永寧.大型風電場接入電網的穩(wěn)定性問題研究[D].中國電力科學研究院.2006

[3]王玉杰.溜煤眼受煤方式優(yōu)化設計研究與應用[J].山東煤炭科技，2017（10）：9-10.

[4]陳冬梅，王雷.溜煤眼技術設計與應用研究[J].煤炭技術，2015，34（07）：20-22.

[5]李康，王安超.溜煤眼施工工藝優(yōu)化研究與應用[J].能源技術與管理，2015，40（05）：123-124.

[6]張蕭，劉壯，王曉丹，郭秀蘭.風光柴蓄多能互補隧道供電系統(tǒng)[J].南方農機，2018，49（23）：26-27.