基于抽水蓄能的井下給排水兩用能量回收系統

摘要：針對現有礦井開采過程中地面向井下供排水時存在設備能耗大和供水的水勢能浪費問題，利用抽水蓄能技術，通過水勢能和電能之間的相互轉化，設計了一套基于抽水蓄能的井下給排水兩用能量回收系統和井下給排水兩用能力回收裝置。裝置的機械部分由給水動力單元、發電能量回收單元、排水助力單元和動力輸出控制單元構成。液位檢測、差速鎖控制、電磁離合器控制和電路設計組成控制部分。當地面向井下供水時，本系統中給水動力單元將水勢能轉換為電能儲存到電池組內，實現儲能。在用電低谷期時利用這些電能將井底水倉的水排至中間巷道達到抽水蓄能的目的，同時電池組內的電能也可用于井下其他需要供電設備。在用電高峰期時，蓄水池內的水釋放轉換為電能，為井下排水泵助力供能，實現降低排水泵能耗，達到節能的目的。

關鍵詞：供排水；水勢能；抽水蓄能；能量回收；節能

中圖分類號：TD442 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.09.004

文章編號：1006-0316 （2024） 09-0022-07

Abstract：In view of the problems of high energy consumption of equipment and the"waste of water potential energy in water supply during underground water supply and drainage， a set of dual-purpose energy recovery system for underground water supply and drainage based on pumped storage technology is designed through the mutual conversion of water potential energy and electrical energy. The mechanical part of the device is composed of water supply power unit， power generation energy recovery unit， drainage booster unit and power output control unit， and the control part consists of liquid level detection， differential lock control， electromagnetic clutch control， and circuit design control part."When the water is supplied to the underground， the water supply power unit in the system converts the hydraulic potential energy into the energy and stores it in the battery pack for energy storage."During the off-peak demand hours for electricity， the electrical energy is used to pump the water from the water silo at the bottom of the well to the intermediate roadway for pumped energy storage."At the same time， the electrical energy in the battery pack can also be used for other power supply equipment underground."During the peak demand hours for electricity， the water is released from the reservoir and converted into electrical energy to support the energy supply of the underground drainage pump， so as to reduce the energy consumption of the drainage pump and achieve the goal of energy saving.

Key words：water supply and drainage；hydraulic potential energy；pumped storage；energy recovery；energy saving

在現有的礦井開采過程中，需要向井下供水，用于減少井下煤塵和瓦斯、降低沖擊地壓和礦井溫度、延長煤體自燃發火期等用途。然而，在某些礦區，由于存在較大的標高差，供水端的水壓較大，容易導致管道破裂事故。目前，各礦區一般在主巷道安裝一個減壓閥，將供水管內水壓降低后，再輸送至各個較低標高的開采區域。當礦井深度等于地下水位時，礦井通道內會有水涌入，也就是煤礦井下出現涌水現象[1]。目前煤礦運作中，礦井涌水從巷道排出后，會自然流入井底水倉以實現初步沉降，再利用排水泵將井底水倉內的礦水排至地面。由于地面與井底工作面高度差較大，需采用大功率排水泵進行操作，使得每年的排水費用就高達1000萬元以上[2]。整個供排水過程卻仍然存在能耗大、供水時水勢能浪費等弊端。

目前井下給排水系統是將直接由地面經過減壓閥降低水壓為井下各用水點供水，排水時將井下各開采區的水集中至水倉，再由排水泵從井底水倉向地面排水[3]。

抽水蓄能是在用電低谷期時將多余的電能轉化水勢能儲存，當用電量在一個峰值期間，將這一部分水釋放，水勢能重新轉換為電能并利用，達到降低因用電高峰期和低谷期而產生的能電能損，抽水蓄能水電系統的建設對提高能量利用率，滿足未來電力系統的峰值需求具有重要意義[4]。

本文針對現有井下給排水過程設計出一種基于抽水蓄能的井下給排水兩用能量回收系統，并根據該系統設計一種井下給排水兩用能量回收裝置。

1 基于抽水蓄能的井下給排水兩用能量回收系統設計

根據目前井下給排水系統的原理，我們提出一種新的基于抽水蓄能的井下給排水兩用能量回收系統。該系統是在目前井下給排水系統的供排水管路上添加一套井下給排水兩用能量回收裝置，并在中間巷道上設置一個蓄水池。如圖1為目前井下給排水系統原理圖。

地面向井下供水時，水流通過給水管道沖擊該裝置的給水動力單元，將給水管道內水的勢能轉換為電能存儲在電池組內。電池組內的電能可為井下礦用機電車和單軌吊等設備提供電能。

在用電低谷期時，減壓水倉的水通過該裝置的排水助力單元，利用供水時儲存的電能排至中間巷道蓄水池，將電能轉化為水的勢能儲存在蓄水池中達到抽水蓄能。

在用電高峰期時，蓄水池內的水釋放，沖擊該裝置的給水動力單元，將水勢能轉化為電能，為排水泵助力，達到節能的目的。如圖2為基于抽水蓄能的井下給排水系統兩用能量回收系統的原理圖。

2 理論計算

動力葉輪能將供水端的急速水流的動能轉換為機械能。在這個能量轉換過程中，各種能量損耗如機械摩擦損耗、水頭損耗以及漏水損耗等相伴發生[5]。因此發電機的效率始終小于1，動力葉輪的輸入功率為[6]：

式中：為動力葉輪的輸入功率；n1為機組效率，n1取0.4；n2為引水效率，通常取0.8～0.95；P為管道內水壓；Q為過機流量；為水的密度，＝1000"kg/m3；g為重力加速度；H為發電水頭。

井下消防灑水管道的靜水壓力需小于等于4.0"MPa，且接入一般用水設備及泵站水池、水箱的管接口水壓，應小于等于1.6"MPa[7]，水壓超過1.6"MPa時，應采取減壓措施，所以在給水動力單元上方安裝有減壓閥，使供水壓力不超過1.6"MPa。裝置管道橫截面直徑0.4"m。要求得動力葉輪的輸入功率就必須求出給水動力單元內的流量Q，根據伯努利原理，可得：

式中：為供水管道內水的流速；供水管道橫截面積；供水管道半徑。

聯立式（3）（4），經計算可得v＝56.57"m/s，"Q＝7.11"m3/s。代入式（1），得＝3640.32"kW。

發電機的發電功率為：

N＝n3n4Nw""""""""""""""""""""""""""""""""""（4）

式中：n3為差速器的工作效率，一般n3＝0.9～0.95，這里取n3＝0.9；n4為發電機的能量轉換效率，一般n4＝0.8～0.95，這里取n4＝0.8。

計算得N＝2621.03"kW，則每小時的發電量可高達2621.03 kW·h。

3 井下給排水兩用能量回收裝置設計

3.1 機械部分設計

裝置的機械部分包括發電能量回收單元、

給水動力單元、排水助力單元和動力輸出控制單元。圖3為井下給排水兩用能量回收裝置模型圖。圖4為裝置總體結構示意圖。

3.1.1 給水動力單元

當中間巷道蓄水池向下供水時，因為供水端與井下各用水點存在較大的落差，水向下輸送的時候勢能轉換為動能，使水流具有極高的速度，在供水管內形成急速水流，水流沖擊動力葉輪，葉輪轉動產生轉矩，動能轉換為機械能并以轉矩的方式輸出。圖5為給水動力單元示意圖。

3.1.2"發電能量回收單元

該單元由電池組和發電機組成，井下工況復雜，為保護電池和發電機，用殼體罩住該單元，并用電線連接。可以將動力輸出控制單元傳輸過來的機械能轉換為電能并儲存，在抽水蓄能時為排水助力單元提供電能或其他井下設備供電，例如單軌吊和礦用機電車。如圖6所示為發電能量回收單元示意圖。

3.1.3"排水助力單元

排水泵用電低谷期時，電池組為排水助力單元供電。水由排水泵排至地面轉變為由井下給排水兩用能量回收裝置的排水助力單元排至中間巷道蓄水池，達到用電低谷期抽水蓄能的目的。排水結束時，為減小倒流的水對葉輪的沖擊，排水助力單元采用棘輪式葉輪和棘輪機構。圖7為排水助力單元示意圖。圖8為棘輪機構示意圖。

3.1.4 動力輸出控制單元

在動力輸出控制單元中，在抽水蓄能時，排水助力單元輔助排水泵排水，第二階梯軸被鎖定，第三階梯軸和第四階梯軸固聯此時機械能能直接從給水端的差速器直接傳遞至排水端，由于第一階梯軸固定，沒有機械能傳遞至發電能量回收單元，降低中間能量損失，提高排水時機械能轉化率。當不需要排水時，在控制器控制下，第三階梯軸被左邊差速器鎖定，同時右邊差速鎖打開，此時給水端傳遞過來的轉矩通過差速器傳遞到第三階梯軸，從而將機械能傳遞給發電機的輸入端，轉換成電能儲存。圖9為動力輸出控制單元示意圖。

3.2 控制部分設計

裝置的控制部分包括液位檢測、差速鎖控制、電磁離合器控制和電路設計。液位檢測是監測井下涌水，再用電低谷期時，當涌水深度達到最大值時，此時將發電能量回收單元的能量傳遞到排水助力單元，使礦水排至中間巷道蓄水池中；差速鎖的控制是通過單片機對差速鎖進行操控，以實現動力的合理分配，確保能量得到最大程度的利用；電磁離合器控制是當排水過快時，使第三階梯軸與第四階梯軸分離，從而降低排水端的能量損失。

3.2.1 液位檢測

利用紅外光學技術，將液位傳感器檢測到的液位和液面非電信號轉化為電信號輸出，解析得到的輸出電信號，可以評估液位狀態從而得到裝置是否需要排水。利用光線原理和無摩擦等機械運動部件的特點，其使用壽命得以顯著提高[8]。

液位傳感器初始化配置：液位傳感器用于檢測液位高度，主控采用STM32F103，利用ADC采集模擬電壓輸出值。

為減小液位檢測過程中的誤差，通過程序設計實現連續檢測10次，當涌水深度達到最大值時，排水助力單元將水排至中間巷道內的蓄水池中，將電能轉換為水勢能進行儲存。

3.2.2"差速鎖控制

差速鎖控制通過單片機控制步進電機來控制差速鎖，使相應的動力輸出軸轉動實現動力的合理分配，保證能量合理、最大化地利用，其中步進電機以STM32作為控制器，用步進電機驅動器進行驅動，控制器輸入脈沖信號和方向信號，驅動器收到信號后對其功率進行放大，并將放大后的信號作用于步進電機[9]。而對于步進電機轉動的控制，可以通過對脈沖數量、頻率及電動機各項繞組通電順序來控制[10]。圖10為驅動原理圖。

3.2.3 電磁離合器控制

電磁離合器是一種借助電磁鐵吸力控制的離合器。當線圈通電時，磁扼會吸住銜鐵，進而壓縮摩擦片組。依靠內外摩擦片之間的摩擦力，撥盤（由齒輪驅動）的轉矩傳遞給摩擦片，再由摩擦片帶動花鍵軸旋轉，從而實現轉矩的傳輸。在線圈斷電后，內摩擦片和外摩擦片在彈簧墊圈作用下分離，斷開轉矩傳遞，銜鐵內環與銜鐵外環之間是滑動連接，可以調節摩擦片組沿外環和內環的軸向間距。

電磁離合器采用直流24"V電源供電，由于單片機電壓為3.3"V，且電流太小，這里采用帶有光耦的晶體管放大電路驅動電磁離合器，單片機只需要給一個信號就能控制電磁離合器的閉合與打開。

3.2.4 電路設計

（1）電源穩壓電路

在一個完整的控制系統中，電源的穩定是保證裝置各部分穩定工作的首要條件。采用井下控制回路電壓36"V作為輸入電源，總共有12"V、5"V、3.3"V三個電壓等級，將36"V電源電壓穩壓成12"V和5"V，再將5"V穩壓到3.3"V。圖11為12"V穩壓電路圖。圖12為5"V穩壓電路圖。

（2）晶體管放大電路

系統中存在電磁離合器、步進電機，需要較大的電流，因此采用晶體管光耦放大電路驅動，且能隔離輸入電信號和輸出電信號，具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力，能夠保護電路，并且可以由單片機輸出信號控制NPN或者PNP。輸入電流5～10"mA，輸出電流在3"A，最大可達到5"A。如圖14為晶體管放大電路。

4 結語

在對現有井下給排水系統工作情況進行充分分析的基礎上，針對其供水勢能大導致能耗損失大的問題，基于抽水蓄能技術，設計出一套井下給排水兩用能量回收系統。首先經過理論計算得出該裝置能夠利用水勢能獲得的電量，為儲能系統選型提供理論依據，然后對系統的機械結構和控制部分進行了設計，系統通過供水勢能與電能之間的轉換，利用抽水蓄能技術進行儲能，大大提高了水勢能的利用率，不僅降低了井下排水能耗，還可以為井下其它耗電裝備供電，實現回收供水勢能，達到節能增效的目的，具有一定的推廣應用價值。

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