應急重力滑行裝置在副井提升機的應用知識分享
應急重力滑行裝置在副井提升機的應用知識分享
導讀
針對煤礦副井提升機因故障無法正常運行、罐籠中途緊急停車、乘員被困的問題，提出了采用應急重力滑行裝置進行緊急救援的技術方案。介紹了應急重力滑行裝置的研究背景，提出了 3 種應急重力滑行裝置的技術方案，對比分析了 3 種方案與原電控係統的關聯程度以及各自的特點。以單相備用電源+應急液壓站+應急操控台的技術方案為例，闡述了其工作原理及雙閉環控製策略；針對備用電源的選型，結合各方案的設備配置情況，給出了指導性意見。
副井提升機用於升降人員和物料。在運行過程中，一旦出現供電失敗，或者電動機、減速器、調速器 (變頻器) 等關鍵部件出現重大故障，提升機被迫中途停車，提升容器中的乘員被困井筒。副井提升機如果不能在短時內恢複運行，被困人員可能出現急躁、焦慮等不良情緒，安全隱患則隨停機時長的增加而增加。出現上述故障後，要在盡可能短的時間內恢複副井提升機的運行，哪怕是低速運轉進行應急提升。在故障當次恢複提升機運行，將乘員撤離到井口或其他安全處；也可根據實際需要，繼續應急提升，直至完成應急救援任務。
《煤礦安全規程》第四百零一條規定：檢修時，提升容器的速度一般為 0.3～0.5 m/s，最大不得超過 2 m/s。
1、應急重力滑行裝置
靈東煤礦副井采用 JKM 4×4(Ⅲ) 型提升機，其直流電動機的功率為 1 500 kW，係統供電電壓為 10 kV。若提升機因停電等故障無法正常運行，簡單做法是利用 1 台備用柴油發電機作為電源。按照提升負荷的需要，發電機的裝機容量至少為額定容量的 1.6 倍；此外，至少需要增設 1 套 2 400 kW/10 kV 三相高壓發電機組、1 台 10 kV 高壓開關櫃、1 組安裝上述設備的機房 (包括油料庫)。
上述裝備和相應的基建費用相對較多，日常管理和維護也需要一定的成本；但全礦停電事故發生的概率較小，大型設備常備而不常用，造成資源的浪費。
在應急救援中，提升機也需要提升或下放重物。在下放重物的過程中，提升機處於發電狀態，促使網側電壓 (靈東礦為 10 kV) 泵升，電壓泵升至一定值，可能損害包括三相高壓發電機組在內的與該電網相關的設備和元件，這為應急救援埋下了安全隱患。在此情形下，較好的處理方式是通過液壓製動係統，借助提升鋼絲繩的張力差或乘員的重力，控製副井提升機在安全速度下滑行，將被困人員應急提升至安全位置，如井口、井底或中段水平馬頭門處，安全撤離。
2、應急重力滑行裝置技術方案
2.1 方案內容
針對副井提升機應急重力滑行裝置的選擇，筆者提出了 3 種技術方案，具體方案內容如表 1 所列。
表1 應急重力滑行裝置的技術方案
3 種方案中，方案 1 相對獨立於原控製係統及液壓站；方案 2 應急時使用原操作台對提升機重力滑行進行啟停和速度控製；方案 3 增設三相備用電源為控製係統及液壓製動係統供電。液壓站中油泵電動機為AC 380 V 三相交流電動機，考慮此電動機啟動時的衝擊電流，三相備用電源的容量要大於方案 1 和方案 2 中的單相備用電源容量。
2.2 原理分析
以方案 1 為例，其原理框圖如圖 1 所示。圖 1 中虛框內為原電控設備和液壓站，其中：a 為輔助電源 (AC 380 V)，雙回路進線，為電控設備和液壓站供電；b 為網絡化操作台；c 為 PLC 控製櫃；d 為液壓站。
圖1 應急重力滑行裝置的工作原理
1.單相備用電源 2.應急操控台 3.應急液壓站 4.手動單向閥5.測速元件 6.提升機主井設備 7.製動器
圖1 中，應急操控台 2 作為重力滑行應急提升的控製設備，由單相備用電源 1 (AC 220 V) 供電，並對應急液壓站 3 進行控製；應急液壓站中的油泵電動機為單相交流電動機或直流電動機，轉速和容量與油泵相匹配。如同原液壓站，應急液壓站輸出油管也設有 2 隻手動截止閥 4.1，通過三通分別接入液壓製動係統油路的 A 管和 B 管。正常情況下，關閉手動截止閥 4.1，液壓製動係統的油壓由原液壓站控製；應急提升情況下，打開手動截止閥 4.1、關閉 4.2，液壓製動係統的油壓由應急液壓站控製；通過切換手動截止閥 4.1 和 4.2 的狀態，進行日常提升或應急提升。
3、應急液壓站及其雙閉環控製
3.1 工作原理
重力滑行是利用提升係統的不平衡力來移動提升容器，速度由液壓站通過鬆閘和合閘進行控製。本應急係統不設驅動動力，鬆閘的情況下，較重一側的罐籠下降，較輕一側上升。應急液壓站是應急重力滑行裝置的重要部件，其原理如圖 2 所示。應急液壓站安裝時，油路通過三通閥分別與原油路的 A 管、B 管連接。使用應急液壓站前，當盤式製動器處於全製動的狀態下，將 2 個手動截止閥打開，同時關閉原液壓站的手動截止閥。
圖2 應急液壓站的工作原理
1.手動截止閥 2.比例溢流閥 3.壓力傳感器 4.油泵電動機5.油泵 6.安全溢流閥 7.壓力表 8.壓力繼電器9,10.安全電磁閥 11.溫度表 12.液壓站箱體
圖2 中，應急液壓站的油泵電動機 4 要優先選擇直流電動機或單相交流電動機，方便由直流備用電源或單相交流電源供電，並要求具有一定的續航能力；比例溢流閥 2 可設定應急液壓站的額定工作油壓，通常與原液壓站的額定工作油壓相匹配；比例溢流閥受應急操控台上速度操縱杆控製，從而控製應急液壓站的實際壓力，達到控製重力滑行速度的目的。參考《煤礦安全規程》第四百零一條規定，重力滑行速度通常限製在 1 m/s 以內。
應急液壓站的工作過程：安全電磁閥 G1 得電、G2 斷電，油泵電動機 4 運轉，比例溢流閥 KT2 處於卸油狀態，等待應急操控台的指令；當比例溢流閥 2 收到開閘信號，應急液壓站開始升壓，油壓根據開閘信號大小可以連續線性控製，隨著壓力上升，盤式製動器逐漸鬆閘，在兩側罐籠不平衡力的作用下，提升機往較重的一側低速滑行。配套的應急操控台具有保護措施，當發生超速、閘盤超溫、壓力過壓等故障時，應急操控台可聲光報警；同時，比例溢流閥 2 和安全電磁閥 G1 斷電、G2 得電，應急液壓站卸壓，使提升機安全製動，重力滑行停止。應急液壓站的聯鎖基本要求如表 2 所列。表中，“-”代表斷電，“+”代表得電。
表2 應急液壓站的聯鎖要求
3.2 雙閉環控製
利用應急操控台上操縱杆控製應急液壓站的鬆閘或合閘，從而控製重力滑行速度，通過油壓和滑行速度的雙閉環控製，達到穩定滑行速度的目的。雙閉環控製原理如圖 3 所示。
圖3 雙閉環控製的原理
1.非接觸式溫度傳感器 2.應急液壓站 3.功率放大器 4.油壓斜率限製器 5.油壓調節器 6.滑行速度調節器
圖3 中，雙閉環的內環為油壓閉環，設有油壓調節器 5、油壓斜率限製器 4 和功率放大器 3。功率放大器的輸出直接控製比例溢流閥 2.2 的線圈，使得應急液壓站的油壓隨電信號作線性變化；油壓斜率限製器對油壓的變化速率進行限製，以免油壓變化太快，影響滑行速度的平穩性。經過一定時間的重力滑行，閘盤可能過熱，當非接觸式溫度傳感器 1 檢測到過熱情況，發出指令使應急液壓站實施安全製動，在油壓斜率限製器的作用下，更平穩地緊急停車。壓力閉環的反饋信號取自壓力傳感器 2.1。Ug 為滑行速度給定信號，由應急操控台上操縱杆控製，速度閉環的反饋信號取自安裝於提升機主軸的測速機或光電編碼器。根據速度和壓力的跟隨情況，雙閉環的滑行速度調節器 6 和油壓調節器 5 可設置為 PI 或 P 調節器。
4、備用電源的選型
4.1 選型原則
首先，備用電源的選型主要以重力滑行所用液壓站中油泵電動機的額定容量 (電流) 和電壓作為基礎參數。考慮油泵電動機在直接啟動瞬間，最大電流可能是其額定電流的 5～ 7 倍；加之應急重力滑行裝置還有其他負荷，備用電源的額定容量通常不小於應急液壓站 (方案 1 和方案 2) 或原配液壓站 (方案 3) 中油泵電動機額定容量的 10 倍。如果采用方案 1 和方案 2，其油泵電動機的額定容量為 1.0 kW/單相 AC 220 V，則備用電源的額定容量通常不小於 10 kW/單相 AC 220 V；如果采用方案 3，其油泵電動機的額定容量為 3.0 kW/三相 AC 380 V，則備用電源的額定容量通常不小於 30 kW/三相 AC 380 V。
其次，備用電源的續航能力是個重要的參數，必須在設計選型中予以體現。以重力滑行的平均速度 0.5 m/s 計，備用電源的續航時間至少為 H/0.5 (H 為提升高度，m)，並留有充分的裕量。例如，提升高度 H 為 500 m，按平均速度 0.5 m/s 重力滑行一個行程，至少則需 17 min，考慮一定的裕量，備用電源的續航能力通常為不低於 30 min。
4.2 方案選擇
備用電源有兩種選擇：一是不間斷電源 UPS；一是交流發電機組。
(1) UPS 主要由整流器、逆變器和電池組等組成。UPS 額定容量取決於其整流器和逆變器容量，輸出的額定電流與其容量成正比；UPS 的續航能力取決於電池組的容量，電池組的容量越大、續航能力越強，如果要求 UPS 輸出容量大且續航時間長，則需配置相當多數量的電池。UPS 的優點在於靜音；缺點在於需要定期或經常處於在線充電狀態，一旦長時間不在線，電池組的能量可能耗淨或大為減少，應急時 UPS 不能發揮作用或續航能力不夠。市場上 UPS 的輸出多為單相，如果采用方案 1 和方案 2，可選用；UPS 也有三相輸出，但是三相大容量的 UPS，在設備體積、價格、日常維護保養方麵不具有優勢，如果采用方案 3，通常不選用 UPS 作為備用電源。
(2) 交流發電機組可分為單相發電機和三相發電機兩種。單相發電機輸出電壓為 AC 220 V，方案 1 和方案 2 可選用；三相發電機輸出電壓為 AC 380 V，方案 3 可選用。燃油發電機是依靠柴油或汽油燃燒產生動力帶動發電機組的，相較於 UPS，其優點在於耐用，續航能力取決於備用油料量；缺點在於有噪聲和尾氣排放，對小環境有一定的不利影響。
5、幹預重力平衡
在兩邊罐籠交鋒的區域內，且兩邊罐籠載重相差無幾的情況下，鋼絲繩張力差接近於零或較小，即張力處於平衡狀態。此時，製動閘即使全部鬆開，罐籠也可能處於靜止狀態，無法滑行。打破張力平衡狀態最簡單的做法是人為幹預，推動卷筒轉動。在張力平衡狀態下，人為幹預使卷筒轉動並不困難。在有條件的煤礦，可設置重力平衡破壞裝置，如在卷筒的內側增設內齒圈，以及與內齒圈配套的齒輪，通過小型電動機驅動齒輪帶動卷筒轉動，達到破壞重力平衡的目的；也可以在提升機的主軸上、減速器的輸出軸或主電動機的輸出軸上增設小型驅動裝置，也能達到破壞重力平衡的目的。
需要注意的是，重力平衡破壞裝置所使用的電源要與備用電源相匹配，包括電壓等級和容量等。
6、結語
靈東煤礦副井應急重力滑行裝置采用技術方案 1，即單相備用電源+應急液壓站+應急操控台的方案，單相備用電源采用小型單相柴油發電機組。安裝後，經輕載、半載和全載的調試和試驗，重力滑行速度平穩，閘盤溫度控製在容許的範圍內。礦方製定了相應的設備運維管理措施，做到平急結合，確保在應急過程中，設備安全可靠，乘罐人員能夠撤離到安全地點，這為乘罐人員的應急救援增添了一個新的方案。