CC BY
48
УДК 622.45^622.74 © М.В. Рыльникова, В.В. Олизаренко,
С.А. Линьков, Ар.А. Зубков, 2015
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ЭНЕРГИИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ РУДНИЧНЫХ ПОТОКОВ В КАЧЕСТВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ*
Технические решения по воспроизводству электрической энергии за счет использования потоков воздуха во внешней вентиляционной сети от вентилятора главного проветривания рудника обеспечиваются обоснованным выбором участков вентиляционной сети, имеющих резерв энергии движущего воздушного потока. Установка на участке движущегося воздушного потока генераторной установки малой мощности обеспечивает возможность получения электроэнергии, которая может быть направлена во внутреннюю шахтную электросеть без изменения расчетных и эксплуатационных параметров режима проветривания горных выработок подземного рудника и нарушения технологии ведения горных работ. Ключевые слова: рудник, шахта, проветривание, поток, воздух, вентилятор, турбина, колесо, возобновляемый источник, электроэнергия.
Целью выполненного исследования является выявление возможностей получения возобновляемого источника электрической энергии в ходе реализации процессов вентиляции при подземной разработке месторождений. Использование энергии движущегося по горным выработкам воздушного потока осуществляется путем размещения в них генераторных установок малой мощности для воспроизводства электроэнергии. Эта энергия подается во внутреннюю электросеть и используется для собственных нужд рудника.
Основное содержание статьи
Многообразие горнотехнических систем и технологий разработки рудных тел различной геометрической формы, рассредоточенных по площади и глубине осваиваемого участка недр предопределяет необходимость принятия инновационных комплексных решений по выбору рациональной схемы вскрытия, системы разработки и способов рудничной вентиляции. Обоснованный выбор рациональной схемы и способа рудничной вентиляции для поддержания нормируемых показателей атмосферного воздуха по
* Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №14-17-0255.
содержанию кислорода (не менее 20 %), температуры (не выше 26 оС по сухому термометру), влажности (не более 80 %), запыленности (не более 4 мг/м3), заданной скорости движения потока воздуха, не превышающей требования §156 [2], обеспечивают сохранение здоровья и безопасные условия труда горнорабочих, надежную и производительную работу оборудования и рудника в целом с высокими технико-экономическими показателями при минимальном расходовании ресурсов и электроэнергии с частичным их воспроизводством в условиях, присущих только горнотехническим системам.
Постоянное совершенствование и усложнение схем вскрытия и систем разработки, на основе которых проектируется рудничная вентиляционная сеть, как правило, представляются схематично и в упрощенном виде без соблюдения масштаба, фактического положения и конструкций основных подземных выработок, без нанесения вспомогательных выработок. Вместе с тем, упрощенные схемы проветривания не позволяют учесть все аэродинамические сопротивления движению воздушного потока по горно-вентиляционным выработкам и определить резервы по расходу воздуха и другие необходимые параметры для реализации современных ресурсо- и энергосберегающих технологий.
Выполненный анализ шахтных вентиляционных сетей показал, что в процессе эксплуатации вентиляторов главного проветривания регулирование параметров воздушного потока, поступающего в шахту для проветривания горных выработок, выполняется путем изменения углов установки лопаток в рабочих колесах и направляющих аппаратах вентиляторов главного проветривания в пяти случаях:
1) в начальный момент установки главного вентилятора установки;
2) периодически в процессе ее эксплуатации;
3) в период закрытия и открытия задвижек (шиберов) во внешней сети;
4) при устройстве вентиляционных окон и дверей в горных выработках внешней сети, если требования к конструкции этих устройств оговорены в приложениях ЕПБ;
5) внедрения конструктивного изменения проектного решения поперечного сечения вертикальных восстающих без лестничных отделений на вертикальные вентиляционные скважины с
неограниченной скоростью движения воздушного потока при строительстве рудника или в процессе углубки горных выработок на нижележащие горизонты отрабатываемого месторождения.
В 1-ом случае на начальной стадии эксплуатации вентилятора у воздушного потока имеется излишек энергии, также в этот период длина горных выработок минимальна. Не все оборудование с двигателями внутреннего сгорания введено в эксплуатацию, но в полной мере заложены рабочие смены горнорабочими. Поэтому производительность вентилятора с начальным углом установки лопаток превышает потребное количество воздуха на их проветривание.
Во 2-ом случае в процессе эксплуатации месторождения периодически возникают излишки энергии движения воздушного потока по горизонтальным горным выработкам. Это зависит от общей продолжительности отработки месторождения и длительности эксплуатации вентилятора, когда углы установки их лопаток увеличиваются на большие значения, чем установлены, согласно параметрам точек пересечения кривой характеристики внешней вентиляционной сети с кривыми заданных углов установки лопаток на индивидуальной характеристике вентилятора главного проветривания. В этом случае возникновение избытка энергии вентиляционной сети возможно в ремонтную смену, либо в смену, когда не задействованы условия, являющиеся лимитирующими при расчете параметров вентиляционной сети. Например, ведется закладка выработанного пространства и не все самоходное оборудование задействовано.
Третий и четвертый случай приводит к возникновению дополнительного сопротивления в воздушной сети в результате закрытия задвижек (шиберов), установленных в горных выработках внешней вентиляционной сети, при перераспределении воздуха на несколько потоков, либо в случае устройства вентиляционных окон и дверей в поперечном сечении горной выработки.
Пятый случай - конструктивного изменения проектного сечения вентиляционной горной выработки, например, замена восстающего без лестничного отделения на вентиляционные скважины, суммарная площадь поперечного сечения которых равна площади поперечного сечения восстающего. В этом случае может возникать дополнительная естественная тяга за счет разности вентиляционных отметок забора воздуха и выброса отработанной
шахтной струи, либо, напротив, происходят дополнительные утечки воздушной струи в атмосферу поверхности.
Во всех перечисленных случаях вентиляторы главного проветривания могут работать с производительностью, выше проектной, что указывает на появление возможности использования избытка энергии воздушного потока в качестве возобновляемого источника энергии путем установки рабочего колеса генераторной установки малой мощности в поперечном сечении горной выработки для воспроизводства электрической энергии и передачи ее в электрическую сеть рудника для использования внутренними потребителями. Во всех других случаях установка дополнительного сопротивления (рабочего колеса генератора воспроизводства электроэнергии) в горных выработках, включенных в рудничную вентиляционную сеть, приводит к увеличению потребляемой мощности электродвигателем вентилятора главного проветривания и уменьшению количества воздуха подаваемого в горные выработки для проветривания, что является не экономичным и не удовлетворяет требования ЕПБ.
Воспроизводство электроэнергии на основе использования энергии вентиляционной струи возможно в выработках, изолированных от вентиляционной сети рудника, но где проявляется действие естественной тяги, обусловленное разностью высотных отметок движения воздуха. Причем, направление перемещения воздушной струи в летний и зимний период будет различно: зимой - снизу вверх на поверхность, а летом в противоположном направлении.
Экспериментальное моделирование.
При разработке стендовой лабораторной установки, совместно работающей с моделью генераторной установки малой мощности, для использования свободной энергии генератором воздушного потока, истекающего из концевой вставки вентиляционной сети, исходили из основных положений методики расчета параметров вентиляционной рудничной сети с применением методов подобия физического моделирования процессов вентиляции: геометрического, кинематического и динамического.
Экспериментальные исследования скорости воздушных потоков в горной выработке проводились на лабораторной модели (рис. 1) с задвижкой для регулирования скорости и устройством для регистрации объема и характеристик движущего потока воздуха (рис. 2) по горной выработке с круглой, прямоугольной и
сводчатой формой сечения. Модель соединилась на стенде с генераторной установкой, используемой для производства электроэнергии на основе ветряка, конструкция которого представлена на рис. 3. Рабочее колесо генераторной установки помещается в концевую часть вентиляционного рукава с движущимся воздушным потоком (рис. 4). Вал рабочего колеса соединен гибким эластичным отрезком с валом генератора, что исключает их центрирование. Генератор имеет выходные концы для подсоединения электропроводов с контактами внешней электрической сети, оборудованной присоединительными контактами для подключения к внешней электросети с контрольно измерительными приборами (рис. 2). Замеры расхода воздуха и частоты вращения вала генератора осуществлялись ручными бесконтактными аремометром и тахометром с электронным экраном для фиксации замеренных параметров.
Таким образом, экспериментальные исследования возможностей воспроизводства электроэнергии на основе использования свободной энергии вентиляционной струи проводились совме-щенно во времени на физической модели, имитирующей движение воздуха по горизонтальным выработкам различного сечения с использованием задвижки для регулирования площади поперечного сечения вентиляционной сети, а также модели (рис. 4, а) генераторной установки, вал которой соединен жесткой муфтой с валом рабочего колеса с ковшовыми или пластинчатыми лопатками (рис. 4, б). Для фиксации модели генератора 9 (рис. 4) по точкам поперечного сечения вентиляционной сети выполнена и использована металлическая решетка с точками крепления в горизонтальной и вертикальной плоскости.
Обе модели были объединены в испытательный стенд для контроля моделируемых параметров системы рудничной вентиляции с рекуперацией свободной энергии вентиляционной струи для воспроизводства электроэнергии и направления ее в общешахтную электросеть.
В исходящий воздушный поток из концевых ьх сечений горных выработок крепится на стойке перемещаемая модель воздушной генераторной установки малой мощности (рис. 3, б, в) со стационарными блоками измерительных (рис. 3, а) и ручных переносных приборов (рис. 3, в, г) для фиксации количественных значений измеряемых параметров.
Рис. 1. Схема модели для исследования параметров вентиляционной струи в выработке прямоугольной (а), круглой (б) и сводчатой (в) формы: 1 - электродвигатель; 2 - вентилятор; 3 — воздуховод; 4 - жидкостные дифманометры; 5 - блок измерительной электроаппаратуры; 6 - задвижки; 7 - стойки; 8 - подставки; 9 - металлическая сетка для крепления генераторной установки с координатами точек замера параметров
Рис. 2. Общий вид лабораторного стенда вентиляторной установки с центробежными вентиляторами (1), внешней вентиляционной сетью (2), задвижками (6) с выходными концевыми сечениями прямоугольной, круглой и сводчатой формы (рис. 3,1)
Рис. 3. Модель генераторной установки (рис. 4, б, в) в рабочем положении и контрольно-измерительные приборы и устройства: а - лабораторного стенда: 4 - блок электроприборов; 5 - жидкостные дифманометры; б - генераторной
установки малой мощности: 1 -рабочее колесо; 2 - генератор с присоединительными контактами для подключения к внешней электросети с контрольно-измерительными приборами; 3 - передвижная стойка для крепления и перемещения генераторной установки в вертикальной и горизонтальной плоскости сечения модели горной выработки; в, г - бесконтактные тахометр (в) и ареометр (г)
б
а
Модель генераторной установки (рис. 3, б, в) с осевым рабочим колесом 1 лопастного типа и генератором 2, размещалась в плоскости поперечного сечения горной выработки концевой части вентиляционной сети лабораторного стенда по поперечному сечению движущегося воздушного потока и перемещалась на стойке 3 (рис. 4, г) по координатам точек замера параметров 9 (рис. 2). Вал рабочего колеса генератора соединен гибким эластичным отрезком с валом генератора, что исключает их центрирование.
Генератор имеет выходные концы для подсоединения электропроводов с контактами внешней электрической сети, оборудованной присоединительными контактами для подключения к внешней электросети с контрольно измерительными приборами (рис. 3, б, в). Замеры расхода воздуха и частоты вращения вала генератора осуществлялись ручными бесконтактными приборами: тахометром (рис. 3, в) и ареометром (рис. 3, г) с электронным экраном для фиксации замеренных параметров.
Лабораторный стенд и модель генераторной установки были объединены в испытательный центр для контроля моделируемых параметров системы рудничной вентиляции для воспроизводства электроэнергии от излишков энергии в воздушном потоке и направления ее в общерудничную электросеть.
На первом этапе исследований проводились замеры давления воздуха внутри вентиляционной трубы и скорости воздушного потока на её выходе в зависимости от положения задвижки, моделирующей перекрытие внутри ствола шахты. Затем, на втором этапе вместо задвижки было установлено рабочее колесо ветро-турбины с генератором (рис. 4). Принципиальная электрическая схема генератора показана на рис. 5.
Исследованиями установлено, что с увеличением тока генератора, на валу возрастает тормозной электромагнитный момент и скорость рабочего колеса уменьшается. Это вызывает повышение
сопротивления воздушному потоку и, как следствие, происходит уменьшение скорости воздуха на выходе из трубы.
Рис. 4. Генератор с рабочим колесом лопастного типа на валу
Рис. 5. Принципиальная электрическая схема генератора мощности на напряжение 6,12, 24 В (а) и большой мощности на напряжение 380 В (б)
Использование разработанных конструкций оборудования лабораторного стенда для вентиляции горных выработок рудника, шахты и электрической схемы модели генераторной установки при проведении экспериментов обеспечило получение исходных данных, в результате обработки которых получено семейство электромеханических и скоростных характеристик (рис. 6), наглядно демонстрирующих возможность регулирования скорости воздушного потока на выходе из вентиляционной трубы вентиляторной установки главного проветривания путем изменения нагрузочного сопротивления тока генератора. Сопротивление лопастей рабочего колеса генераторной установки увеличивает давление (напор) воздуха внутри вентиляционной выработки.
Семейство электромеханических и скоростных характеристик (рис. 6, а, б, в), наглядно демонстрирующих возможности регулирования скорости воздуха на выходе из вентиляционной трубы путем изменения нагрузочного сопротивления тока генератора. Сопротивление лопастей ветротурбины увеличивает давление воздуха внутри вентиляционного канала, создавая условия более интенсивной транспортировки воздуха, например, на нижние уровни шахты. Графические зависимости скорости воздуха от положения задвижки и от нагрузочных сопротивлений генератора свидетельствуют также о линейной зависимости скорости воздуха на выходе из вентиляционного канала.
Семейство электромеханических и скоростных характеристик (рис. 6 а, б, в), наглядно демонстрирующих возможности регулирования скорости воздуха на выходе из вентиляционной трубы
Кц 280 1 к„ 12 Оэ ■Ц 8 О»
/ с = 4 01 мв=о Он
/ Л
П,об1жт
К3 14н Л Ом =8 Ом К„=12< и
8 Ом
V», м/с
Ув, м/с
Рис. 6. Электромеханические характеристики зависимости частоты вращения генератора от тока нагрузки п = /(1г) (а); скоростные характеристики б) зависимости частоты вращения генератора от линейной скорости воздушного потока п =/(Уе) (б); зависимости: 1 — линейной скорости воздушного потока от положения задвижки в трубе; 2 -от сопротивления нагрузки Кн, Ом (в)
путем изменения нагрузочного сопротивления тока генератора. Сопротивление лопастей ветротурбины увеличивает давление воздуха внутри вентиляционного канала, создавая условия более интенсивной транспортировки воздуха, например, на нижние уровни шахты. Графические зависимости скорости воздуха от положения задвижки и от нагрузочных сопротивлений генератора свидетельствуют также о линейной зависимости скорости воздуха на выходе из вентиляционного канала.
Экспериментальные электромеханические характеристики, представленные на рис. 6, аппроксимированы зависимостью:
п = ■
30 Ян п-кФ„
где п — скорость генератора, об./мин; Ян — сопротивление нагрузки, Ом; кФН — номинальный поток генератор постоянного тока, Вс; 1г — ток генератора, А.
Выводы
1. Работа вентилятора главного проветривания на внешнюю вентиляционную сеть зависит от глубины разработки месторождения и имеются возможности по использованию резерва энергии вентиляционного потока для получения электроэнергии; чем более разветвлена сеть, особенно при комбинированной разработке месторождений полезных ископаемых эти возможности шире.
2. Определены условия, когда часть энергии вентиляционной сети без нарушения режима проветривания шахты можно использовать для производства электроэнергии.
3. По экспериментальным данным определены линейные электромеханические характеристики, которые аппроксимированы зависимостью (1), позволяющую определить частоту вращения воздушного генератора от нагрузочного сопротивления Ян.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каплунов Д.Р., Ръгльникова М.В., Радченко Д.Н. Проблема использования возобновляемых источников энергии в ходе разработки месторождений твёрдых полезных ископаемых, Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2015, №1. - С. 88-96.
2. Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых. Утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 11 декабря 2013 г. N 599). -170 с.
2. Картавый Н.Г. Стационарные машины: Учебник для вузов. - М.:, Недра, 1981. - 327 с.
4. Олизаренко В.В., Линьков С.А. Нетрадиционные энергоэффективные технологии для электроснабжения открытых и подземных рудников //Комбинированная геотехнология: устойчивое и экологически сбалансированное освоение недр /материалы международной научно-технической конференции, г. Магнитогорск, 2015. -Сб. тезисов. - Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова, 2015. - С. 106-107.
5. Линьков С.А., Сарваров А.С., Бачурин И.В. Перспективы развития ветроэнергетики в России и за рубежом, Электротехнические системы и комплексы, 2013, № 21. - С. 220-225.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Рътьникова Марина Владимировна - доктор технических наук, профессор, зав. отделом теории проектировании освоения недр, rylnikova@mail.ru, Олизаренко Владимир Владимирович - кандидат технических наук, доцент, volizarenko@mail.ru,
Линьков Сергей Александрович - кандидат технических наук, доцент, xx_linkov@rambler.ru,
Зубков Артем Анатольевич — кандидат технических наук, ассистент,
Zubkob89@yandex.mail.ru,
ИПКОН РАН.
UDC 622.45-622.74
STUDY OF ENERGY POTENTIAL OF MINE VENTILATION STREAMS AS A RENEWABLE ENERGY SOURCE
Rylnikova M. V., professor, Doctor of Technical Sciences, manager of department of the design theory of mining exploitation, rylnikova@mail.ru, IPKON RAS, Russia, Olizarenko V.V., candidate of technical sciences, associate professor, volizarenko@mail.ru, IPKON RAS, Russia,
Linkov S.A., candidate of technical sciences, associate professor, xx_linkov@rambler.ru, IPKON RAS, Russia,
Zubkov A.A., candidate of technical sciences, assistant of the Department, Zubkob89@yandex.mail.ru, IPKON RAS, Russia.
Technical .solutions aimed to recuperating of electric energy from air flows in external ventilation network of main fan are provided by justified selection of ventilations places that have an energy reserve of moving air flow. Installation on the place of moving airflow the low-power generator provides the possibility of energy production directed to the internal mine network without change of design and operational parameters of ventilation mode.
Key words: mine, shaft, ventilation, flow, air, fan, turbine, wheel, renewable source, electric energy.
REFERENCES
1. Kaplunov D.R., Ryl'nikova M.V., Radchenko D.N. Problema ispol'zovanija vozobnovljaemyh istochnikov jenergii v hode razrabotki mestorozhdenij tvjordyh poleznyh iskopaemyh (The problem of using renewable energy sources during the development of deposits of solid minerals), Fiziko-tehnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh, 2015, No 1, pp. 88-96.
2. Pravila bezopasnosti pri vedenii gornyh rabot i pererabotke tverdyh poleznyh iskopaemyh (Safety rules at conducting mining works and processing of solid minerals). Utv. prikazom Federal'noj sluzhby po jekologicheskomu, tehnologicheskomu i atomnomu nadzoru ot 11 dekabrja 2013. No 599). 170 p.
3. Kartavyj N.G. Stacionarnye mashiny (Stationary machines): Uchebnik dlja vuzov. Moscow: Nedra, 1981. 327 p.
4. Olizarenko V.V., Lin'kov S.A. Netradicionnye jenergojeffektivnye tehnologii dlja jelektrosnabzhenija otkrytyh i podzemnyh rudnikov (Unconventional energy-efficient technologies for electricity surface and underground mines) //Kombinirovannaja geotehnologija: ustojchivoe i jekologicheski sbalansirovannoe osvoenie nedr /materialy mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii, Magnitogorsk, 2015. Sb. tezisov. Magnitogorsk, MGTU im. G.I. Nosova, 2015. pp.106-107.
5. Lin'kov S.A., Sarvarov A.S., Bachurin I.V. Perspektivy razvitija vetrojenergetiki vRossii i za rubezhom, Jelektrotehnicheskie sistemy i kompleksy (Prospects of development of wind energy in Russia and abroad, Electrotechnical complexes and systems), 2013, No 21, pp. 220-225.
