一種礦山溜煤眼落煤勢能發(fā)電裝置設(shè)計

石鑫壘 劉明輝 馬致先

摘要：針對我國煤炭產(chǎn)業(yè)精細化程度不夠、環(huán)境負效應(yīng)較大、運輸過程中耗能較多的問題，本文設(shè)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(chǎn)生的勢能通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)整流濾波后為巷道中設(shè)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(guān)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(shù)的發(fā)展，煤礦業(yè)作為我國的支柱產(chǎn)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(jīng)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(wù)之一。溜煤是煤礦運輸?shù)囊环N方式，煤炭經(jīng)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(zhuǎn)入礦車或皮帶轉(zhuǎn)運。煤礦中溜煤眼數(shù)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(shè)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(shè)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(gòu)成。

2.1發(fā)電硐室的基本構(gòu)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(zhuǎn)換，將葉片捕獲到的勢能轉(zhuǎn)換為機械能，再將機械能進一步轉(zhuǎn)換為電能。

2.1.2葉輪

扇葉在轉(zhuǎn)動過程中，下落的煤炭會與扇葉發(fā)生碰撞摩擦，會產(chǎn)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(gòu)架。葉片的數(shù)量從能量利用及防堵方面考慮采用四葉片設(shè)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速工作的勢能葉輪以及高轉(zhuǎn)速下工作的永磁發(fā)電機協(xié)同工作，對這兩部分的轉(zhuǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(nèi)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(shè)計;另外根據(jù)需要向各軸承通水冷卻，減少轉(zhuǎn)動機械摩擦產(chǎn)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(chǎn)生的熱量，還可以起到降塵的作用。發(fā)電機硐室內(nèi)設(shè)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(jié)構(gòu)圖和電硐室細節(jié)示意圖如圖2、圖3所示。

2.3 電路設(shè)計

該裝置是利用溜煤眼中煤炭下落時產(chǎn)生的勢能，煤塊通過推動輪機來帶動發(fā)電機，發(fā)電機產(chǎn)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(shè)備進行儲存，另一部分供礦上基礎(chǔ)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(shè)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(zhuǎn)速經(jīng)過增速器后的轉(zhuǎn)速超過發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速以使勢能發(fā)電機保持恒功率運行，或者是調(diào)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(jù)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(zhuǎn)換而來的動能，也就是利用煤炭的位能轉(zhuǎn)為葉片輪機轉(zhuǎn)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(jié)

本文所設(shè)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(zhuǎn)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。

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