一种高可靠的矿井局部通风机应急电源设计与实现.pdf

2 0 1 2年第 5期 煤炭工程 一 种高可靠的矿井局部通风机 应急 电源 设计与实现 程 红，林 帅，王世兵 ，卢其威，杨子靖 ，辛 甜 中国矿业大学 北京机电与信息工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要 文章通过对 目前应急电源的几种接入方式进行分析对比，以应急电源如何能更加安 全可靠的运行为 目的，提出了一种新的设计方案。该方案中应急电源装置完全独立于煤矿双回路 电源，具有断电切换控制简单，故障点少等优点。文章对所提方案的电池管理系统以及主控制器 都进行 了详细阐述，并且 已将所提方案成功做成样机 ，在 “r - ,_ lk 现场进行 了试验 ，试验结果表 明具 有较 高的推广价值 。 关键词应急电源；电池管理 系统 ；P L C；局部通风机 中图分类号T D 7 2 4 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 2 0 5 - 0 0 1 5 - 0 4 l 概述 为解决局部通风机供电安全， 煤矿安全规程要求高 瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井、低瓦斯矿井 中高瓦斯区的 煤巷掘进工作面正常工作的局部通风机必须配备安装同等 能力的备用局部通风机 。并能 自动切换。正常工作的局部 通风机必须采用 “ 三专” 专用开关 、专用 电缆 、专用变 压器 供电，专用变压器最多可向4套不同掘进工作面的局 部通风机供电；备用局部通风机电源必须取 自同时带电的 另一电源，当正常工作的局部通风机故障时，备用局部通 风机能 自动启动 ，保持掘进工作面正常通风【 2 J 。从上述要 求看，“ 三专”要求只是针对主通风机，但是考虑到局部通 风机在煤矿的重要性 ，许多煤矿备用局部通风机也达到了 “ 三专”要求。 但是即使完全达到以上要求 ，也不能彻底排除局部通 风机无计划断电停风的情况。局部通风机的开关故障、供 电距离长且井下潮湿引起的专用线路故障、特别是开关越 级跳闸故障，仍然是导致局部通风机无计划断电、停风的 重要原因，即使 是 “ 三专” 以及 “ 双 回路”也都无济于 事。另外，为加强煤矿用 电安全，安监总局发出一系列的 通知要求要建立健全应对突发事件的应急预案，严防突 发停电引发的煤矿事故。按照有关规定配置满足保安负荷 容量的应急备用电源 。 重要电力用户供电电源及 自备应 急源配置技术规范7 ． 2 ． 1中要求重要电力用户均应 自 行配置应急电源，电源容量至少应满足全部保安负荷正常 供电的要求。 根据以上要求 ，已有学者提出部分解决方案 J ，其中 1 电源 2 电源 主J x L 机 备用风机 掘进工作面1 ⋯一 图 1 供电方式一 器 主风机 备用风机 、 - - - - - _ - - - - - - 一 掘进工作面4 包括为局部通风机配备应急电源装置。具体的供电方式如 图 1和图2所示。在图 1中，应急系统接在 1 回路中，应 急电源中蓄电池组由 l 电源供电，当 l 回路正常工作时， 备用回路及应急电源处于热备用状态。当系统控制器检测 到主备回路均发生故障时，需要启动应急电源，为主局部 通风机临时供电，保证掘进巷道继续通风。此方案虽可解 决因母线断电故障或由主备 回路开关越级跳闸故障所引起 的局部通风机断电停风，但无法保证由于局部通风机 自身 的故障所导致其断电停风 ，并且在连接应急电源前端接有 切换装置 ，而这样无外乎又增加了故障输出点。致使整个 系统的安全可靠性下降。图 2中虽将应急系统接在 2 回路 中，但是应急电源的接线方式与图 1类似，依然无法保证 收稿 日期2 0 1 11 2 2 9 作者简介程红 1 9 6 6一 ，女 ，浙江金华人，副教授、博士，主要从事电气 自动化及数字信号处理专业教学及科研 工作。 1 5 煤炭工程 2 0 1 2年第 5期 整个系统的安全性能。通过对已有方案 的分析比较，发现 以上两种接线方式共同的缺点是 ①应急电源系统本身的 切换装置串联接在 1 回路中，致使故障点增加，系统安全 可靠性降低。②通风机 自身发生故障时，应急系统不起任 何作用 ，失去了原有应急通风的意义。③断电切换控制繁 琐 ，增加控制隐患。为此，针对这些弊端，提出了出一种 新的设计方案。 l 电源 2 电源 l 专用变压器 l 总馈 开关 l 开关 ．士风机 备用风机 掘进T作面 1 主风机 备蜊风机 、 -_ _ - ’ - ，_ - - _ __ _ ， ” 掘进T作面4 图 2 供 电方式 二 2 新供电系统方案 2 ． 1 设计 方案 及 原理 本文所提的方案是在 “ 双回路”以外增设一套独立的 应急电源装置。该方案以煤矿井下双回路供电为基础。以 应急电源及时安全可靠地为局部通风机供电为目的，在保 证原有回路安全系数不变的情况下，将整个供电系统故障 降低到最小。具体的供电方式如图3所示。 1 电源 2 电源 应急风机主风机 备用风机 掘进工作面1 器 士风机 备用风机 、 _ - _ - - - - ’ - - - - _， 掘进工作面4 图3 供电方式三 图3中，其一，应急电源没有直接 串接于主回路中， 而是与主回路采用并联方式。该方法等同于使用两个相同 1 6 功能的单元来完成同一任务，当其中一个单元失效时，另 一 个单元仍能完成这一功能，这样最大限度减小了整个系 统的失效概率 。提高了系统的可靠性 。其二，应急电源 单独由主回路输入供电，备用 回路不向应急电源供电，假 若由于应急电源故障而导致主回路开关跳闸，则不影响备 用回路的正常使用 ，因此也更好的提高了系统的安全可靠 性。应急电源内部原理图如图4所示。 图 4 应 急电源原 理图 具体的工作原理为系统控制器同时检测 1 电源和2 电源，同时系统控制器通过 1 电源控制蓄电池充电器为蓄 电池组充电，一旦 1 电源出现异常或停电时，如果 2 电源 正常，则图 3中的2 开关会 自动开启 ，2 电源为备用局部 通风机供电；如果此时 1 和 2 电源均出现故障，系统控制 器会立刻控制应急电源系统 自动启动，为应急电源 自带逆 变器供电，通过逆变器控制应急通风机运转 ，为井下巷道 的应急通风给予可靠的保证。系统控制器通过实时检测掘 进巷道的瓦斯浓度以调节应急通风机转速，并且通过电池 管理系统检测每一节蓄电池 电压和温度等信息。一旦某节 蓄电池异常，电池巡检装置能够及时将信息传送给系统控 制器 ， 必要时采取相应 的保护。系统控制器还设有远程监 控接口，可以实时将应急电源的工作状况通讯给煤矿主监 控系统。煤矿主监控系统可以通过监控接口控制应急电源 的启动和停止。 2 ． 2 P L C程序 流程 其具体的流程为主控制器实时监测整个 系统状态， 当 P L C检测到主回路工作正常时，则程序 自上而下执行， 风机 1 启动；当P L C检测到主回路 电源异常或变频器故障 时，则系统 自动切换至备用回路 ，由备用 回路电源供电， 风机 2 启动；当P L C检测到备用回路电源异常时，需先判 断主回路电源及变频器是否正常，若正常，则系统 自动切 回主回路电源供电， 风机 1 启动；若异常，则系统 自动切 换至应急装置，由应急电源供电，并且程序 自上而下执行， 应急风机启动 ；当此时检测到 自带变频器故障时，执行故 障保护，系统停机。P L C流程图如图 5所示。 通过以上分析，所选应急电源系统的方案有以下优势 ①在 “ 三专”，“ 双回路”基础上 ，又额外的保证了由通风 机 自身故障所引起 的断电停风故障。②作为一套独立的系 统，能更可靠安全地为局部通风机临时供电，不受 电网的 问题而影响该装置。③根据应急时间，能够更精确的选择 2 0 1 2年第 5期 煤炭工程 启动 主 路正常 二[ 主 路投 入 N 故 障 保 护 备用回路投入 Y 图 5 P L C流程 图 N 故 障 保 护 风机2 启动 直流输m正常 Y 直流投 入 二[ 变频器正常 Y 应急风机肩动 蓄电池组电池的容量，并且可 自行选取满足通风量的最小 功率的逆变器以及应急通风机。 3 蓄电池组及充电器 3 ． 1 蓄 电池 的选取 由于煤矿井下湿度大，环境恶劣，所 以，电池的选取 很重要。根据 矿用隔爆 兼本安 型锂离子蓄电池电源安 全技术要求征求意见稿 7 ． 1 ． 1中规定单体电池应为安 全性能较高的锂离子蓄电池，如磷酸铁锂蓄电池等，并采 用软包装或使用塑料壳体材料。磷酸铁锂 电池具有无毒， 过充不发生爆炸或燃烧，大电流充放电，寿命长，循环使 用次数高等优点，因此很适合煤矿井下比较苛刻的环境。 该方案选用单体为 3 ． 2 V，6 0 A h的磷酸铁锂电池 ，整体 串联为变频器供电。应急风机选用的是 3 8 0 V的交流输入， 这样可以减少电池数量，从而降低成本。 3 ． 2充 电器 的选取 根据所选 电池 的容量 ，设计充电器以 5小时率充电， 充电电流为 1 2 A 。由于串联多节单体电池，为保证每节电 池电压相互平衡，其设计方法有以下两种 一种是直接为 串联在一起的电池组设计一款充电器，依靠充电控制器来 实现各单体电池电压的平衡。该方法的缺点是充电器功率 大 ，系统控制复杂。另一种方法是为每个单体电池配置一 个充电器 ，该方案除可单独控制各单体 电池电压偏差以实 现单体电池的均衡充电外，由于每个充电器功率低 ，有利 于散热器的设计。根据上述分析，该装置采取第二种方法 设计充电器，实现了充电结束后各单体电池电压偏差不大 于 1 ％，并且充分延长了整个蓄电池组的循环寿命。 充电器具有恒压，限流功能。当电池充满后 ，充电器 自动切断输出触点 ，停止向电池充电；当电池电压降低时， 充电器 自动闭合输 出触点，继续 向电池充电，直至充满为 止。除此之外，充电器具有对单体 电池过充、过放电压保 护，充电过流保护以及输出短路保护等功能。 4 电池管理系统 4 ． 1原 理与 功 能 所谓电池管理系统㈤ ，即通过采集、检测单体电池与 热、电相关数据，对单体电池进行充放电管理、保护与控 制的装置。电池管理系统应包括蓄电池检测系统和蓄电池 保护系统，此外还有通讯模块。 该设计根据 矿用隔爆 兼本安 型锂离子蓄电池电源 安全技术要求征求意见稿的规定，对每节单体电池进行 检测 ，检测的内容包括单体电池的电压和表面温度 ，电池 组的电压、电流、电池组容量等参数，并将信息通过电池 巡检模块反馈给系统主控制器 P L C ，P L C通过预设值对电 池管理系统进行监控，倘若检测到的信息不符合预设值或 者出现故障，立即发出警报提示，必要时将整个应急电源 装置断开。如图6所示 ，为该应急电源的电池管理系统。 出 图 6电池管理 系统原理 图 6中 ，Q 为各个充 电器 的开关状 态 ；I 。 到 I 。 为对 应充电器的输出电流，I 为电池组的输出电流；U 。 到 u 。 为对应单体电池的输出电压 ；T 。 到 T ， 为对应单体电池的 表面温度，这些数据通过电池巡检模块传送给系统主控器 P L C，最终实现 P L C对整个电池系统信息进行采集，监测 以及控制。 4 ． 2 系统 主控 制 器的选 取 单片机一般用于中小型系统 中，其工作环境要求较高 且编程复杂，它最大的缺点是抗干扰的能力差，驱动能力 差，需要很多外围设备来驱动。而在工业控制中控制器多 采用 P L C，它具有稳定性高 ，可靠性好，可以在恶劣的环 境下工作等优点。 因此，应急电源装置所选的主控制器为西门子 S 7 2 0 0 系列，处理器为2 2 6 C N继电器输出型的 P I E。s 7 2 0 0是一 种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的 检测、监测及控制的 自动化。s 7 2 0 0系列的强大功能使其 无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。 5结语 在煤矿原有双回路双电源的基础上，设计 了一套独立 为煤矿井下局部通风机供电的应急电源置 ，具体的内容包 括系统的接线方式，充电器的设计，电池的选取以及电池 管理系统的设计 ，文章对此都做了详细系统的分析与论述 ， 并且设计制作成样机应用在煤矿井下 。 三个月的试验有力 下转第 2 0页 1 7 蓟 一 一 蓍 煤炭工程 2 0 1 2年第 5期 1 博后筛。筛分过程分为松散、分层和透筛 3个 阶 段。松散是分层的前提，物料分层是完成筛分过程的条件， 物料透筛是筛分的 目的。物料在筛面上受筛面外力的作用 处于一定的松散状态 ，使每一颗粒都能获得相互位移所必 需的能量和空间，以保证细粒顺利透筛。博后筛采用筛面 振动而筛箱不振动的结构方式，使筛子的参振质量减少， 容易实现运动参数大型化和筛分设备的大型化。博后筛选 用大振幅、大振动强度和弹性筛面的运动参数来解决难筛 物料的筛分问题。 博后筛采用快速薄料层筛分，物料进人筛子后在筛面 大振动强度作用下，物料迅速沿筛面展开 ，加快了物料与 筛面间的相对运动速度，物料快速的薄料层筛分，使细粒 级粘性物料的分层非常容易 ，小于筛孔尺寸的细颗粒可以 获得更多的透筛机会。 博后筛还具有以下技术特征整体筛面由多块板组合 而成，筛面振动强度可调，采用大幅度、大震动、大倾角 和弹性筛面，双振幅 1 5～ 2 5 mm，大倾角 2 0 。 ～2 8 。 ，处理能 力大和筛分效果好 ，人料水分不限，筛分过程不易堵筛孔， 采用二次减振，对地基的动负荷小 ，运转稳定、可靠，噪 音低。 2 等厚筛。等厚筛是利用单机实现等厚筛分的筛子， 等厚筛分的实质是整个筛面透筛率均衡。物料在筛面上的 筛分过程一般可分为分层和透筛两个阶段 物料按粒度大 小分层，小颗粒到下层 ，大颗粒到上层；在下层与筛面接 触的小于筛孔的颗粒透过筛孔而落到筛下。等厚筛分时， 物料进人大倾角筛面的运动速度高达2 ． 0 4 ． 0 m ／ s ，人料端 物料层高度降低到通常筛分时的 1 ／ 41 ／ 5 ，小颗粒沉降速 度加快 3 4倍。同时，大量小颗粒含量高的入料被输送到 筛面的中间部分，使通常筛分对筛面上小颗粒供应不足的 状况得到改善。筛面供料状况的改善使筛孔透筛能力加强， 等厚筛分时筛孔的平均透筛量达到筛孔透筛能力的 8 0 ％， 从而使等厚筛的处理能力提高达 2 ． 5倍。 等厚筛筛面分成 3段，倾角各不相同，入料段筛面用 于使物料松散和易筛颗粒透筛，中间段筛面主要用于透筛 ， 排料段筛面用于检查性筛分。 3 香蕉筛。香蕉筛是采用等厚筛分原理的新型装备 ， 以外形与香蕉形状相似而得名，产品具有折线型不同倾角 的筛面，通过提高入料段物料流速使层高降低，加速小颗 粒透筛，使筛面透筛能力得到充分利用 ，由于各段筛面上 的物料量与流速比值稳定，物料层高呈现均衡或渐增状态， 适用于煤炭干式筛分、脱水、脱介、脱泥等作业。近些年， 随着重介质选煤工艺的推广、大型化选煤厂的建设以及选 煤工艺 日趋简化 ，香蕉筛 以其处理量大，筛分、脱介效率 高，性能稳定 ，噪音超低可靠等优点，越来越受到广大用 户的青睐，已在国内外选矿选煤行业中得到了广泛应用。 3 ． 2 ． 2 推荐选型 根据上述各种设备的技术特点，按照所要求的筛分处 理能力及该矿煤质资料情况 ，设计推荐采用两台 B H2 1 0 0 型博后筛进行原煤 1 0 m m预先分级，单台博后筛主要技术 参数如下筛面规格 3 2 0 0 m m1 0 0 0 0 m m，单层，筛面面积 3 2 m ，筛面分4段，倾角 2 5 。 ，筛面振幅 1 5 2 5 m m，振动 频率 7 4 0 m i n ，入料粒度 0～ 5 0 ra m，分级粒度 1 0 ra m，Q 3 5 0 ffh ，筛分效率 8 5 ％，电机功率 81 5 k W，防爆。 4 结语 自2 0 0 9年初该矿投人生产以来，选用的原煤筛分设备 运行可靠、平稳 ，产品粒度、限下率等参数满足用户需求， 保证了地面生产系统的正常、高效生产。通过对该矿原煤 筛分顺序的比较，介绍了有关筛分设备技术特征及应用情 况，阐述了有关筛分理论 ，进行了原煤筛分工艺设计选型， 合理的确定了筛分顺序和设备技术参数，提高了系统的可 靠性和经济性，为筛分设备特别是螺旋筛、博后筛在煤矿 原煤筛分中的应用提供了可供借鉴的设计经验。 参考文献 [ I 】 周曦．洗选煤技术实用手册 [ M] ．北京民族出版社， 2 0 o 3 ． [ 2 ] 顾文卿 ．2 0 o 5版新编选煤实用技术手册 [ M] ．北 京煤 炭 工业出版社 。2 0 0 5 ． [ 3 ] 沈丽娟，陈建中， 胡言凤．细粒矿物分级设备的研究现状及 进展 [ J ] ．选煤技术 ，2 0 1 O， 3 6 56 9 ． [ 4 ] 陶有俊 ，陶秀祥 ，宋 德敏 ，等．强化 重力 场中滇东 细粒煤脱 硫研究 [ J ] ．煤炭科学技术 ， 2 0 o 8 ， 7 ． [ 5 ] 朱薇薇 。沈笑 君 ，丁淑芳 ，等．G P J一 9 6 ／ 3一c型 加压过 滤 机在桃 山选 煤 厂 的应 用 [ J ] ．煤 炭技 术 ，2 0 0 7，2 6 7 7 67 8 ． 责任编辑赵巧芝 上接第 1 7页 的证明了该装置很大程度上提高了局部通风机的供电安全， 同样也说明该装置具有较高的安全可靠性。 参考文献 [ 1 ] 国家煤矿安全监察局．2 O 0 4 2 O 0 9 煤矿事故调查报告 [ R] ， 2 0 1 O ． [ 2 ] 国家煤矿安全监察局．煤矿安全规程 [ M] ．北京煤炭工 业出版社 。2 0 1 1 ． 2 O [ 3 ] 国家煤矿安全监察局．关于加强煤矿供用电安全工作的意见 [ R] 。2 0 0 7 ． [ 4 ] 卢其威。程红，王聪．增设局部通风机应急电源的思考 及可行性分析 [ J ] ．煤炭科学技 术 ，2 0 0 8 ， 3 7 1 ～7 3 ． [ 5 ] 刘惟信．机械可靠性设计 [ M] ．北京清华大学出版社 ， 1 9 9 6． [ 6 ] 国家煤矿安 全监察局 ．矿用隔爆 兼本安 型锂离 子蓄 电池 电源安全技术要求 [ R ] ， 2 0 1 1 ． 责任编辑赵巧芝