Применение комбинированных (гибридных) энергосиловых установок в горной промышленности

- © В.П. Степаненко, 2014

УДК 622:621.311.1

В.П. Степаненко

ПРИМЕНЕНИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ (ГИБРИДНЫХ) ЭНЕРГОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Рассмотрены комбинированные (гибридные) энергосиловые установки КЭСУ как одно из средств ускорения внедрения в горной промышленности ресурсо - и энергосберегающих технологий, повышения экологической безопасности при использовании дизельных транспортных машин на подземном транспорте рудников и угольных шахт. Применение на контактно-аккумуляторных электровозах и дизель-аккумуляторных локомотивах бесколлекторных вентильных электродвигателей с постоянными магнитами, вентильно-индукторных безредукторных приводов, ионисторов (сунерконденсаторов), микропроцессорных систем управления, современных аккумуляторов электрической и механической энергии, снижение объема и токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания позволит создать подземные транспортные машины нового технического уровня. Ключевые слова:

подземный транспорт, комбинированные энергосиловые установки КЭСУ, гибридные контактно-аккумуляторные электровозы, дизель- аккумуляторные локомотивы.

Комбинированные (гибридные) энергосиловые установки КЭСУ являются одним из возможных средств ускорения внедрения ресурсо- и энергосберегающих технологий и повышения экологической безопасности в горной промышленности.

Классификация комбинированных силовых установок для транспортных машин угольных шахт была предложена в 70-х годах прошлого столетия и включала 14 видов КЭСУ [1]. В то время перспективными были признаны контактно-аккумуляторные электровозы для рудников и угольных шахт не выше II категории, дизель-аккумуляторные - для сверхкатегорных угольных шахт, дизель-инерционные -для шахт, разрабатывающих пласты, опасные по внезапным выбросам и суфлярным выделениям угля и газа.

Энергосберегающей и экологически безопасной является только контактная откатка, но с ее помощью невозможно доставлять людей и грузы в очистные и подготовительные

забои. Для этих целей часто используются аккумуляторные электровозы. Аккумуляторные электровозы имеют недостатки: низкий КПД процессов заряда, саморазряд аккумуляторов, большие затраты на обслуживание и ремонт (на один электровоз приходится около 2,5 аккумуляторных батарей), срок службы щелочных аккумуляторов на магистральной откатки не более 3-4 лет, уменьшение скорости движения электровоза в конце смены, опасность, связанная с выделением водорода из аккумуляторов, что исключает использование рекуперативного торможения. В зарядной камере при нормальном режиме заряда аккумуляторам сообщается 150%, при усиленном - 200% от номинальной емкости в Ач. При усиленном заряде из электровозной тяговой наливной щелочной никель-железной аккумуляторный батареи, например, 112 -ТНЖ-350 может выделиться до 20 м3 водорода [2]. После завершения процесса заряда в течение 4 часов

аккумуляторную батарею запрещено устанавливать на электровоз, т.к. из аккумуляторов продолжается фоновое выделение водорода. В связи с повышенной опасностью все подземные зарядные камеры проветриваются обособленной воздушной струей, чтобы водород не попадал в общую шахтную вентиляционную сеть.

От основных недостатков аккумуляторных электровозов свободны контактно-аккумуляторные электровозы, которые, как и аккумуляторные позволяют обеспечить сквозную беспересадочную перевозку людей и бесперегрузочную доставку горной массы, грузов, материалов и оборудования от околоствольного двора до забоя и обладают рядом преимуществ. В негазовых шахтах со смешан-

ной контактной и аккумуляторной откаткой гибридные контактно-аккумуляторные КЭСУ позволяют увеличить производительность электровозов, уменьшить протяженность контактных сетей, количество преобразовательных подстанций. На контактно-аккумуляторных электровозах отдача и срок службы аккумуляторов, работающих в реверсивном режиме возрастают в среднем не менее, чем на 1015%. Число батарей с 2,5 комплекта на один аккумуляторный электровоз сокращается до 1,15 комплекта на один комбинированный электровоз. Обслуживание аккумуляторов производится не каждые сутки, а один раз в неделю [1, 3].

На рис. 1 изображена структурная схема электрического привода гиб-

Рис. 1. Структурная схема электропривода гибридною контактно-аккумуляторного электровоза V-860: 1 - контактная сеть постоянного тока ИЭЭ, 2 - зарядное устройство ЗУ, 3 - аккумуляторная батарея АБ, 4 - преобразователь электрической энергии ПЭЭ, 5 - тяговые электрические двигатели ЭД, 6 - механическая передача МП - редукторы, 7 - рабочий орган РО (колесные пары электровоза), 8 - устройство управления УУ; сигналы устройства управления: и - сигнал управления, и - сигнал защиты, и - сигнал обратной связи, и -

^ 1 у ^ 1 ' защ ' ос 1 ' зад

сигнал задания (сигнал уставки); 9 - вентилятор В, 10 - устройство дистанционного управления погрузкой вагонеток ДУ, 11 - рабочая машина РО (электровоз), СУ - система управления (обозначена пунктиром), ЭЭ - электрическая энергия, МЭ - механическая энергия

ридных контактно-аккумуляторных электровозов У-860, которые успешно эксплуатировались в ГДР на руднике Шмирхау [3]. Зарядное устройство ЗУ (2) питалось от контактной сети (1) и подзаряжало свинцовую аккумуляторную батарею (3). Для вентиляции аккумуляторной батареи при подзарядке и для охлаждения тяговых электродвигателей на каждой из трех секций устанавливалась воздуходувка, что позволило увеличить на 40% часовую мощность электровоза и повысить безопасность аккумуляторной батареи. Электровозы были оборудованы системой дистанционного управления погрузкой вагонеток, которая очень хорошо зарекомендовала себя в эксплуатации как очень простая и надежная. Эта система позволяла машинисту электровоза одному грузить и точно позиционировать вагонетки под погрузочными пунктом, плавно передвигая их во время погрузки. Технические решения, примененные на контактно-аккумуляторных электровозах У-860, были защищены патентами. Отечественный гибридный контактно-аккумуляторный электровоз КН-10-900 эксплуатировался на шахте Обуховская ПО Гуковоуголь.

Электровоз КН-10-900 отличался от У-860 тем, что на нем была установлена не свинцовая, а щелочная никель-кадмиевая аккумуляторная батарея 110-ТНК-400 и газоанализатор водорода типа ТП133-1, подававший сигнал на отключение ЗУТ-2 при концентрации водорода под крышкой батарейного ящика более 2%.

Испытания контактно-аккумуляторных электровозов показали: удельный расход электрической энергии на контактной откатке равен примерно 80-100 Втч/ткм, аккумуляторной -180-220 Втч/ткм, контактно-аккумуляторной с подзарядкой под контактной сетью - 110-130 Втч/ткм, без подзарядки - 150-170 Втч/ткм.

Необходимость применения дизель-аккумуляторных машин диктуется состоянием проветривания выработок в отечественной горной промышленности.

Проведенные обследования систем вентиляции показали, что объем воздуха, подаваемого в горные выработки на многих угольных шахтах и рудниках России, недостаточен для разбавления выхлопных газов дизелей до предельно допустимых концентраций - ПДК. При увеличении объема воздуха скорость воздуха в этих выработках достигала предельных по санитарным нормам значений, а на некоторых шахтах значительно превышала эти значения.

Применяемые системы очистки выхлопных газов дизельных машин требуют тщательного ухода. Если транспортная взрывозащищенная дизельная машина работает в нестационарных режимах, то после 2-3 часов непрерывной работы эффективность очистки выхлопных газов резко снижается, возрастают выбросы сажи, продуктов неполного сгорания топлива, угарного газа и особенно сильно увеличивается концентрация окислов азота. В этом случае для восстановления экологической безопасности дизельной машины требуется очистка пламегасителей, катализаторов и замена отработанных водных растворов в жидкостных нейтрализаторах. Однако, в России, как правило, эти требования своевременно не выполняются, регулярный контроль качества очистки выхлопных газов не ведется. В настоящее время в России применяются только зарубежные подземные дизельные машины, на которых жидкостные нейтрализаторы не устанавливаются.

С 1970 г. в СССР и позднее в России требования к экологической безопасности при эксплуатации подземных дизельных машин последовательно снижались. В итоге минималь-

но допустимое количество свежего воздуха, при котором разрешена их эксплуатация, было уменьшено с 23 м3 до 5 м3 в минуту на одну лошадиную силу мощности дизельного двигателя. Значение 5 м3/л.с. мин. было позаимствовано из зарубежных норм и внесено в пункт 3.2 «Технических требований по безопасной эксплуатации транспортных машин с дизельным приводом в угольных шахтах», утвержденных постановлением Госгортехнадзора России от 30.09.1999 г., № 71. В настоящее время в горной промышленности России стремительно растет количество импортных машин с дизельным приводом. К большому сожалению, бывают случаи, когда региональные органы Госгортехнадзора России используют свое право дать сроком на 1 год временное разрешение на использование дизельной техники в выработках со скоростью воздуха 3 м3/л.с.в мин.

Длительный зарубежный опыт применения подземных дизельных машин показал, что возможны массовые отравления подземных рабочих выхлопными газами, как это происходило в Индии. В горнодобывающей промышленности европейских стран (ФРГ, Англии, Швеции и др.) было установлено, что при норме подачи свежего воздуха 5 м3/л.с. мин и менее резко возрастает риск заболевания раком легких среди рабочих, проработавших более 5 лет на подземных дизельных машинах. С целью снижения уровня этого риска и повышения экологической безопасности в некоторых западных странах на подземном транспорте применяется автоматическое управление дизельными машинами без присутствия человека.

Улучшить экологическую обстановку на горных предприятиях России и уменьшить расход дизельного топлива можно с помощью гибридных дизель-аккумуляторных машин. Дизельный

двигатель гибридной транспортной машины локомотива расходует топливо на движение, перевозку грузов, подзарядку аккумулятора энергии и собственные нужды. Автоматическая система управления энергосиловой установкой машины обеспечивает такой режим работы дизельного двигателя, при котором мощность, развиваемая на его валу, остается в течение рейса постоянной и равной 75% от номинальной. Этот режим работы наиболее благоприятен для дизельного двигателя: достигается максимальный срок его службы, в выхлопных газах наблюдается наименьшая концентрация окислов углерода, сажи, альдегидов, окислов азота и канцерогенных веществ.

В ИГД им. А.А. Скочинского была разработана методика расчета энергетических и массогабаритных показателей гибридных машин, обеспечивающих ту же производитель на подземном транспорте, что и машины с традиционным дизельным приводом, но при меньшем расходе дизельного топлива и соответственно меньшем объеме и уменьшенной токсичности выхлопных газов.

Расчеты по этой методике показали, что дизельный локомотив с мощностью двигателя 90 л.с. и гибридный локомотив с запасом энергии в аккумуляторе 15 кВтч и мощностью дизельного двигателя 20 л.с. будут иметь равную производительность, но объем выхлопных газов двигателя гибридного локомотива будет в 4,5 раза меньше, а расход дизельного топлива снизится в 3 раза. В тупиковых выработках, в выработках с недостаточной вентиляцией

Если направление движения гибридного локомотива и воздушной вентиляционной струи совпадают, а их скорости равны, то для улучшения условий труда машиниста локомотива и перевозимых пассажиров

имеется возможность дизельный двигатель заглушить и продолжить движение в аккумуляторном режиме.

На рис. 2 представлена структурная схема привода гибридного рудничного дизель-аккумуляторного локомотивов, самоходных дизельных машин. На рис. 2. приняты обозначения основных элементов структурной схемы: 1 - дизельный двигатель внутреннего сгорания ДДВС; 2 - электромеханический преобразователь механической энергии в электрическую ПЭМ; 3 - моноблок -зарядное устройство ЗУ и аккумулятор электрической энергии АЭЭ; 4 - статический преобразователь электрической энергии ПЭЭ; 5 - тяговый электриче-

ский двигатель, 6 - механическая передача, 7 - рабочий орган - колесная пара, 8 - микропроцессорное устройство управления локомотивом УУ, 9 -устройство регулирования мощности на валу дизельного двигателя.

В качестве аккумулятора электрической энергии АЭЭ можно использовать свинцово-кислотные аккумуляторы, не требующие обслуживания, на шахтах, опасных по внезапным выбросам, - инерционные накопители энергии, например, отечественные, производства НПО им. Хруничева.

Применение на контактно-аккумуляторных электровозах и дизель- аккумуляторных локомотивах бесколлекторных вентильных электродви-

Рис. 2. Структурная схема электропривода гибридною дизель-аккумуляторного локомотива. Сигналы устройства управления: ид - сигнал управления движением, из - сигнал защиты, иос - сигнал обратной связи, иу1 - сигнал управления ПЭМ, иу2 - сигнал управления тяговым двигателем; иу3 - сигнал управления дизельным двигателем, иу4 - сигнал управления током АЭЭ, иу5 - сигнал управления зарядным напряжением АЭЭ, идд - сигнал газоанализатора выхлопных газов, идд - сигнал от ПЭЭ, СУ - система управления (обозначена пунктиром), ЭЭ - электрическая энергия, МЭ - механическая энергия.

гателей с постоянными магнитами, вентильно-индукторных безредуктор-ных приводов, ионисторов (сунер-конденсаторов), микропроцессорных систем управления, современных аккумуляторов электрической и механической энергии, снижение объема и токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания позволит создать подземные транспортные машины нового технического уровня

В то же время впечатляющие результаты были достигнуты при создании электроприводов, аккумуляторов энергии и систем управления гибридных электромобилей. Некоторые из технические решений, уже реализованных на гибридных электромобилях, после доработки можно использовать при создании подземных гибридных транспортных машин нового технического уровня.

Повышения КПД гибридных акку-муляторно-сетевых электровозов можно достичь, используя импульсное регулирование напряжения на тяговых электродвигателях в режимах пуска, что повышает КПД электровоза не менее, чем на 10-12%. Применение без-редукторного индукторного привода, что даст увеличение КПД не менее, чем на 5% [6]. Рекуперативное торможение до полной остановки с отдачей рекуперированной энергии в аккумуляторную батарею позволит вернуть в аккумуляторы в зависимости от уклона пути не менее 5-15% электроэнергии, затраченной на тягу. Переход на свинцово-кислотные аккумуляторы, не требующие обслуживания в течение всего срока службы, совершенствование режимов заряда аккумуляторов, использования применяемой на электромобилях микропроцессорной аппаратуры контроля и управления, даст повышение безопасности, сокращение капитальных и текущих затрат на тяговые аккумуляторные батареи не менее, чем на 20%.

Применение на контактно-аккумуляторных электровозах и дизель- аккумуляторных локомотивах бесколлекторных вентильных электродвигателей с постоянными магнитами, вентильно-индукторных безредуктор-ных приводов, ионисторов (сунер-конденсаторов), микропроцессорных систем управления, современных аккумуляторов электрической и механической энергии, снижение объема и токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания позволит создать подземные транспортные машины нового технического уровня.

Применение контактно-аккумуляторных КЭСУ позволяет снизить протяженность контактных сетей, количество тяговых преобразовательных подстанций, ликвидировать многоступенчатость схем подземного транспорта. Если расход энергии в аккумуляторном режиме движения не превышает 20% от расхода энергии за один рейс, то замена аккумуляторов суперконденсаторами будет экономически оправданной, особенно в случае применения их зимой на поверхностных комплексах.

2. Суммарное повышение КПД на транспортных машинах от внедрения импульсного регулирования скорости, рекуперативного торможения до полной остановки, безредукторного электропривода, применения суперконденсаторов может составить 25-30%.

3. На транспорте сверхкатегорных угольных шахт повышение энергоэффективности и экологической безопасности можно достичь применением гибридных КЭСУ с свинцово-кислот-ными аккумуляторам, на шахтах, опасных по внезапным выбросам, - с инерционными накопителями энергии.

Выводы

Использование гибридных энергосиловых установок позволяет уменьшить расход электрической энергии,

дизельного топлива и трудовых затрат, повысить экологическую безопасность машин на подземном транспорте рудников и угольных шахт.

Дальнейшее совершенствование гибридных энергосиловых установок даст применение подземные транспортные машины нового технического уровня

на базе современных аккумуляторов электрической и механической энергии (ионисторов, суперконденсаторов и супермаховиков), бесколлекторных вентильных электродвигателей с постоянными магнитами, вентильно-индук-торных безредукторных приводов, микропроцессорных систем управления.

1. Степаненко В.П., Венцлафф В., Дайне-ке Р., Василенко В.И. Разработка и испытание контактно-аккумуляторных электровозов V-860 // Уголь. - 1986. - № 12. - С. 32-33.

2. Stepanenko W.P., Wenzlaff W, Andrees V., Kuhnert L., Berger M., Oehme U., Malz M. Grubenlokomotive fur Batterie-und-Fahrleitungsbetrieb. Patentschrift WP B61 C № /254 798 3, 1983.

_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Степаненко В.П., Синчук О.Н., Гу-зов Э.С. Шахтный контактно-аккумуляторный электровоз // Горный журнал. - 1988. -№ 6. - С. 55-57.

4. Степаненко В.П. Дизель-аккумуляторные подвесные монорельсовые локомотивы / Научные сообщения ИГД им. А.А. Ско-чинского. Выпуск 150. - М., 1977. - С. 8083. ИТШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_

Степаненко Валерий Павлович - кандидат технических наук, доцент,

старший научный сотрудник,

МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: ud@msmu.ru.

UDC 622:621.311.1

COMBINATION (HYBRID-TYPE) POWER PLANTS IN MINING

Stepanenko V.P., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Senior Researcher, Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», e-mail: ud@msmu.ru.

Under examination are the combination (hybrid-type) power plants KESU as a tool for boosting industrial introduction of resource- and energy-saving technologies, and for improving ecological safety of using diesel transport vehicles in underground ore and coal mines. Equipment of trolley-battery locomotives and diesel-battery locomotives with commutatorless valve permanent-magnet motors, valve-inductor gearless drives, super condensers, microprocessor control systems and modern electrical and mechanical energy accumulators, as well as reduction in the amount and toxicity of gas engine exhaust will enable creation of underground transport vehicles of a next engineering level.

Key words: underground transport, combination power plants KESU, hybrid-type trolley-battery locomotives, diesel-battery locomotives.

REFERENCES

1. Stepanenko V.P., Ventslaff V., Daineke R., Vasilenko V.I. Ugol', 1986, no 12, pp. 32-33.

2. Stepanenko W.P., Wenzlaff W., Andrees V., Kuhnert L., Berger M., Oehme U., Malz M. Grubenlokomotive fur Batterie-und-Fahrleitungsbetrieb. Patentschrift WP B61 C № /254 798 3, 1983.

3. Stepanenko V.P., Sinchuk O.N., Guzov E.S. Gornyi zhurnal, 1988, no 6, pp. 55-57.

4. Stepanenko V.P. Nauchnye coobshcheniya IGD im. A.A. Skochinskogo. Vypusk 150 (Reports of the Skochinsky Institute of Mining, issue 150), Moscow, 1977, pp. 80-83.