Энергосберегающая система электроснабжения шахт с аккумулированием электроэнергии
Авторы:
М.В. Рыльникова, С.А. Линьков, В.В. Олизаренко
Источник
Аннотация
Разработана независимая система дополнительного электроснабжения рудника с аккумуляторной станцией для накопления электроэнергии внутри шахты. Система на основе использования возобновляемых в ходе реализации геотехнологических процессов источников энергии позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию для внутреннего потребления. В качестве возобновляемых источников рассматривается энергия подаваемых в выработанное пространство рудника потоков закладочной смеси, пульпы, шахтной воды: разность высотных отметок начала и конца перемещения потоков указанных масс является условием формирования энергии для преобразования её в электрическую. Описана электрическая схема лабораторного стенда, испытания которого позволили разработать схему резервного электроснабжения рудника.
Разнообразие горнорудного электрооборудования рудников предопределяет формирование разветвленной сети электроснабжения с различным номиналом напряжений, родом тока и потребляемых мощностей. В основном - это энергопотребители переменного тока, выполненные на базе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором: вытяжные вентиляторы, насосы для откачки воды из шахт, дробилки для измельчения руды или шлака, бурильные установки, подъёмное оборудование и т.д. Питание этого оборудования осуществляется от сети 0,4 и 6 кВ посредством кабелей, проложенных как на поверхности, так и на всех эксплуатационных горизонтах шахты. Характер нагрузки энергопотребителей шахтного оборудования резкопеременный с большими пусковыми токами. Поэтому для каждой шахты, как правило, строится отдельная питающая подстанция со средствами компенсации реактивной мощности, подключенная к магистральной линии электропередач [1].
Высокие капитальные затраты на строительство рудника для разработки месторождения, высокая электроемкость технологических процессов, возрастающая с ростом глубины горных работ, сказываются на росте себестоимости выпускаемой продукции и, соответственно, на снижении конкурентоспособности всего предприятия. Вопросы электроснабжения горных предприятий на перспективных месторождениях, отдаленных от стационарных линий электропередач становятся основным сдерживающим фактором для вовлечения отдаленных от районов с развитой инфраструктурой месторождений в эксплуатацию. Вопросы экологии и сохранения окружающей среды, повышения энергоэффективности горного производства - всё это, так или иначе обуславливает поиск технических и технологических решений по повышению энергоэффективности горных технологий, в том числе на основе использования природных и техногенных возобновляемых источников [2, 3]. Каждое месторождение - уникально, имеет свои специфические горно-геологические, географические, природно-климатические, горнотехнические и геомеханические особенности, поэтому и подход к решению проблемы роста энергоэффективности должен быть индивидуальным при общем инновационном научно-методическом подходе.
Анализ отечественной и мировой практики разработки месторождений показал, что в современных проектах на отработку месторождений не учитываются возможности воспроизводства электроэнергии генераторными установками малой и средней мощности за счет использования энергии движущихся потоков. Такая возможность оценивается при выполнении ИПКОН РАН проекта РНФ № 14-17-00255 «Изыскание условий и обоснование параметров электроснабжения горных предприятий за счет использования возобновляемых источников энергии на базе геомеханического обеспечения процессов разработки месторождений твердых полезных ископаемых». Под движущимися потоками рассматривается: подземная вода, истекающая через трещины потолочин или боковых стенок открытых и подземных горных выработок; поверхностная, подземная, и техническая воды, загрязненные твердыми частицами горных пород, поступающие с вышележащих горизонтов в главные водосборники с последующей откачкой водоотливным комплексом на поверхность; закладочные смеси, подаваемые в большей части самотеком с поверхности по вертикальным и наклонным закладочным трубопроводам в пустоты отработанных камер; пульпы хвостов обогащения при гидрозакладке отработанных пространств шахт и карьеров; вентиляционная струя, подаваемая вентилятором главного проветривания в горные выработки подземного рудника (шахты) для их проветривания и последующего выноса в атмосферу в виде загрязненного исходящего потока [4].
Авторы данной статьи предлагают нетрадиционные инженерные решения нескольких задач по снижению потребления электроэнергии рудников за счет:
- выработки электроэнергии для питания собственных нужд рудника за счет кинетической энергии, спускаемой в выработанное пространство закладочной смеси для закладки пустот, пульпы, перепускаемых шахтных вод с верхних горизонтов на нижние до места расположения водосборников;
- использования свободной энергии вентиляционной струи для выработки электроэнергии;
- компенсация реактивной мощности шахтной сети;
На рис. 1 представлен внешний вид электронной панели лабораторного стенда для фиксации токов нагрузки от четырёх генераторов с различными типами турбин для выработки электроэнергии, а на рис. 2 - её принципиальная электрическая схема. В качестве аккумуляторной станции (АКС) выбраны четыре гальванических элемента по 3 вольта каждый, соединенных параллельно. АКС подключается к общей шине постоянного тока перемычками, которые устанавливаются вручную в разъём Р5. Для визуального наблюдения токов от каждого генератора на панель выведены миллиамперметры и светодиодные индикаторы. С помощью разъёмов Р1-Р4 и рН можно собирать различные варианты подключения нагрузочных сопротивлений к любому из генераторов Г1-Г4. Из всех четырёх генераторов лишь Г2 выдает переменное напряжение, которое преобразуется в постоянное диодным мостом УБ и сглаживается электролитическим конденсатором С.
На рис. 3 представлена электрическая схема автономной системы электроснабжения шахты с аккумуляторной станцией. При транспортировке пульпы и воды по трубопроводу, лопастная турбина приводит в движение низкооборотный синхронный генератор, который вырабатывает трёхфазное переменное напряжение, [5]. Автономный регулируемый инвертор преобразует переменное напряжение в постоянное стабилизированное. Постоянное напряжение доставляется к каждому потребителю посредством прокладки кабеля. Таким образом, в шахте появляется дополнительная независимая сеть постоянного тока с напряжением до 400 В. Данная сеть имеет меньшие потери электроэнергии по сравнению с сетью переменного тока, за счет отсутствия реактивных потерь.
Потребители электроэнергии работают на переменном токе, поэтому они комплектуются дополнительными автономными регулируемыми инверторами, которые имеют возможность регулировать скорость. Так, например, для того, чтобы регулировать поток воздуха внутри ствола, инвертор, питающий асинхронный двигатель, может изменять частоту вращения вентилятора, а соответственно, и режим потребления электроэнергии. Плавность регулирования скорости качественно влияет на потребление реактивной мощности из сети - исключаются просадки напряжения при пуске двигателей в работу.
Выработка электроэнергии резервной схемы не постоянна и зависит в основном от кинетической энергии пульпы во время закладочных работ, а шахтное оборудование должно быть запитано постоянно. Если турбина не вращается, то напряжения в резервной схеме уменьшаются, и схема питания оборудования автоматически подключается к шахтной сети, посредством диодного моста УБ, либо инвертора ИБб.
Таким образом, энергопотребители будут запитаны в любой момент времени. Рассматривая вариант подключения инвертора иБ6 вместо диодного моста УБ, появляется возможность подпитывать шахтную сеть 380 В. АКС подключается контактором КМ9 параллельно шине постоянного тока и накапливает излишнюю электроэнергию в периоды времени, когда часть потребителей отключено.
Заключение
1. Предложена независимая энергосберегающая система электроснабжения шахты с аккумулированием кинетической энергии от перемещаемых потоков газообразных, жидких и пуль-пообразных масс, способная вырабатывать более 50 % электроэнергии, необходимой для питания энергопотребителей как внутри шахты, так и снаружи.
2. Разработаны и реализованы физические модели для исследования процессов рекуперации энергии движущихся масс и лабораторный стенд для исследования воспроизводства электроэнергии от потоков шахтной воды, закладочной смеси, пульпы и воздуха с аккумулирование электроэнергии.
3. Проведены экспериментальные исследования на физической модели с различным составом Т:Ж шахтной воды, закладочной смеси, пульпы, а также воздуха. Получены графические зависимости скоростных и электромеханических характеристик, которые описаны математическими зависимостями.
Список литературы
1. Каплунов Д.Р., Рътьникова 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. Рыльникова М.В., Олизаренко В.В., Линьков С.А., Зубков Ар.А. Исследования процессов воспроизводства электроэнергии за счет использования энергии движущихся масс в горнотехнической системе рудника //Комбинированная геотехнология: устойчивое и экологически сбалансированное освоение недр /материалы международной научно-технической конференции, г.Магнитогорск, 2015. - Сб. тезисов. - г. Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова, 2015. С.106-107.
3. Олизаренко В.В., Линьков С.А. Нетрадиционные энергоэффективные технологии для электроснабжения открытых и подземных работ // Комбинированная геотехнология: устойчивое и экологически сбалансированное освоение недр /материалы международной научно-технической конференции, г. Магнитогорск, 2015. - Сб. тезисов. - г. Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова, 2015. С. 108-109.
4. 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.