用于处理浆料的方法及系统
技术领域
本公开大体上涉及用于处理浆料且尤其用于由浆料产生电力的方法和系统。本公开还涉及使用包括其部件的离心泵作为用于产生电力的涡轮。
背景技术
从通过高程差行进的水汲取电力的能力是众所周知的，水力发电大坝在世界范围内得到广泛使用。这些基于的原理在于，所存储的水的势能可用于驱动附接到产生电能的发电机的涡轮。
采矿作业不断存储以尾矿(细颗粒废料和水的浆料)形式的废物。这些尾矿通常最初存储在高处，且然后通常在明渠或管道中运输到该处的下坡处。采矿作业通常还会产生浆料来运输矿石，如煤炭或铁。这些有时在它们运输时会发生高程的变化。
从理论上讲，应该有可能在高架尾矿池或其它高架浆料流的下游提供涡轮，并在其经历高度差时由浆料的势能产生电能。可以在采矿作业中使用所产生的电力，降低操作所需的总电力和相关成本。
然而，在实践中，这出于两个主要原因目前是不可行的。首先，由浆料引起的磨损将需要不断替换适于与水一起使用的涡轮，减少或抵消了发电所节省的成本。其次，浆料由不同的成分构成，并因此浆料的比重和浓度不断变化。结果，浆料的压头和流速始终是不定的。这会产生大问题，因为发电机只能在设定的速度范围内产生电力，并且超速或欠速将导致发电机损坏。再次，维护和替换成本将降低发电的成本效益。备选地，当浆料压力和/或流速在设定范围外以防止对发电机的损坏时，涡轮可能必须与发电机断开。这极大地减少了可由浆料生成的电力量，从而使得这种系统对于高效发电不切实际。
本发明试图提供一种至少部分地缓解或克服这些问题的用于从浆料产生电力的系统。
发明内容
在第一方面中，提供了一种用于从高架浆料容纳池中输送的浆料产生电力的系统，该系统包括：从高架浆料容纳池引出的入口导管；与用于接收浆料的入口导管流体连通的一个或多个涡轮，其中一个或多个涡轮中的每一个都联接到用于发电的发电机；以及在一个或多个涡轮上游的位置处与入口导管流体连通的旁路管线，其中旁路管线的操作控制由一个或多个涡轮接收的浆料的流速。
在某些实施例中，旁路管线包含至少一个流量减小元件，如孔板。
在某些实施例中，至少一个涡轮联接到变速箱，变速箱也联接到发电机。
在某些实施例中，至少一个涡轮联接到V形带滑轮驱动器，V形带滑轮驱动器也联接到发电机。
在某些实施例中，至少一个涡轮联接到制动器，制动器也联接到发电机。
在某些实施例中，导管包括用于允许系统维护的至少一个冲洗入口。
在某些实施例中，至少一个涡轮是用于处理反向行进的浆料的离心泵。
在某些实施例中，系统进一步包括逻辑控制器，所述逻辑控制器响应于选自流速、压力和发电机速度的至少一个参数而控制旁路管线的操作。
在某些实施例中，至少一个压力检测传感器位于入口导管、涡轮和旁路管线中的至少一个中，且其中至少一个压力检测传感器将压力信息中继到逻辑控制器。
在某些实施例中，至少一个流速检测传感器位于旁路管线和涡轮中的至少一个的下游，其中至少一个流速检测传感器将流速信息中继到逻辑控制器。
在某些实施例中，发电机速度传感器位于每个发电机中，其中发电机速度传感器中的每一个将发电机速度信息中继到逻辑控制器。
在某些实施例中，逻辑控制器通过打开或关闭至少一个阀来操作旁路管线。
在某些实施例中，至少一个阀是双阻断和排放阀组件。
在第二方面，提供了一种从高架浆料容纳池输送的浆料产生电力的方法，该方法包括：将浆料从高架浆料容纳池供给到入口导管中，当浆料的一组参数落在预定范围内时朝至少一个涡轮导送浆料，并且当浆料的一组参数落在参数范围外时朝旁路管线导送浆料，其中每个涡轮都连接到用于发电的发电机。
在某些实施例中，一组参数包括以下各项中的至少一个：压力、流速和发电机速度。
在某些实施例中，该方法包括使浆料的变化部分朝向旁路管线导送以将一组参数修改成落在预定范围内。
在某些实施例中，该方法进一步包括将关于该组参数的信息中继到逻辑控制器，逻辑控制器确定引导到旁路管线的浆料部分的大小。
在某些实施例中，逻辑控制器致动入口导管内的至少一个阀以增大或减小引导到旁路管线的浆料部分的大小。
在某些实施例中，有关该组参数的信息由至少一个传感器收集。
在某些实施例中，至少一个传感器包括压力检测传感器。
在某些实施例中，至少一个传感器包括流速检测传感器。
在某些实施例中，至少一个传感器包括发电机速度传感器。
在某些实施例中，浆料的压力在其穿过旁路管线时减小。
在某些实施例中，浆料的压力由旁路管线内的至少一个孔板减少。
在某些实施例中，涡轮呈用于浆料处理的离心泵的形式，并且浆料通过入口导送到泵的出口，使得泵的叶轮围绕旋转轴线移动。
在某些实施例中，该方法进一步包括通过导管、涡轮和用于清洁前述元件的旁路管线周期性冲洗水。
在第三方面，提供了一种用于在用于发电的浆料处理离心泵中使用的叶轮，叶轮包括前护罩、后护罩和其间的多个泵送叶片，叶轮可围绕旋转轴线旋转，其中前护罩包括与旋转轴线同轴的中心开口，以及在远离后护罩的方向上围绕前护罩的外表面上的中心开口延伸的突起。
在某些实施例中，前护罩包括基本上位于垂直于旋转轴线的平面中的内表面，以及外表面，外表面包括基本上位于垂直于旋转轴线的平面的远侧区域和靠近中心开口的中心区域，中心区域远离前护罩的内表面成角度。
在某些实施例中，中心开口的内表面基本上平行于旋转轴线。
在第四方面，提供了一种用于在用于发电的浆料处理离心泵中使用的泵侧部分，所述侧部分包括通路以允许通过通路流体连通，其中通路包括在最内端处的围绕通路的凹入部分。
在某些实施例中，在最内端处围绕通路的凹入部分定形成与根据第三方面的叶轮的突起配合。
在第五方面，提供了一种浆料处理离心泵，其包括第三方面的叶轮和第四方面的泵侧部分中的至少一个。
在结合附图进行的以下详细描述时，其它方面、特征和优点将变得显而易见，附图是本公开的一部分，并且通过举例示出所公开的发明的原理。
附图说明
附图促进了对各种实施例的理解。
图1是发电系统的示意图。
图2是用于处理浆料的典型离心泵的横截面图。
图3是适于在用于从浆料发电的系统中使用的离心泵的横截面图。
图4示出了适用于发电的叶轮和前部的两个透视图。
具体实施方式
图1示出了系统1的实施例，其用于通过入口导管2接收来自高架浆料池(未示出)的浆料，并且根据未示出的可编程逻辑控制器(PLC)通过涡轮导管3或旁路管线4朝向出口导管5导送不同比例。还提供了冲洗入口6以允许清洁系统1。
浆料通过渐缩管34从高架池进入入口导管2。入口导管2包括将进入浆料的压力传输到逻辑控制器的第一压力检测传感器35。浆料接着传送到涡轮导管3和旁路管线4。
由第一隔离阀7、排放阀8和隔离阀9组成的第一双阻断和排放阀组件在涡轮导管3内。该组件提供成允许安全地隔离涡轮导管。一系列涡轮11位于第一阀的下游，且第二阻断和排放阀组件位于涡轮下游。第二阻断阀和排放阀组件由第一隔离阀20、排放阀21、控制夹管阀22和第二隔离阀23组成。
涡轮11通过使它们反向运转而与现有的浆料处理离心泵相适应，其中浆料进入泵的出口并通过泵的入口离开。在这样做时，泵叶轮围绕旋转轴线移动并用作涡轮。为了允许涡轮在用作叶轮时沿相反方向移动，叶轮轴优选地具有与标准叶轮轴相反的螺纹。旋转运动通过变速箱13传递到发电机14，发电机用于产生电力。在此实施例中，发电机是永磁发电机，并且电连接到再生驱动器和变压器，以可靠地馈送并将电能转换成合适的电压以供分别使用。制动器12还设在涡轮和发电机之间以防止过大的速度传送到发电机。发电机速度传感器15设在发电机中的每一个中，并且读数传送到逻辑控制器。在其它实施例中，变速箱可能不是必需的。相反，本领域已知的V形带滑轮驱动器或其它合适的传输方法可以用于改变涡轮的速度以匹配发电机。V形带滑轮驱动器提供了更具成本效益的改变涡轮的速度的方法。应理解，变速箱、V形带滑轮驱动器或其它装置之间的选择可取决于系统的功率要求和涉及的成本。
在此实施例中串联布置了三个涡轮。应理解，在其它实施例中，可存在串联连接的更多或更少的涡轮。备选地，还可以存在并联连接于第一系列的涡轮或多个涡轮。平行于第一系列布置的涡轮可用作待机系统，以允许在第一系列上执行维护。应认识到，涡轮的数量和布置仅受操作的地理元素限制，特别是在整个系统中可用以驱动浆料的高程变化。
涡轮压力检测传感器10、16、17和18遍及涡轮导管定位。这些测量在浆料穿过每个涡轮之后的压力损失，并将此信息传输到逻辑控制器。涡轮流速传感器19位于所有涡轮的下游。这测量用于驱动涡轮之后浆料的流速。在此实施例中，流速传感器是核子流量计，但是应理解，可使用任何合适的流速传感器。浆料的流速传输到逻辑控制器。
系统还包括旁路管线4。旁路管线包括：由第一隔离阀24、排放阀25和第二隔离阀26、三个孔板27构成的双阻断和排放阀组件，以及由第一隔离阀30、排放阀31、控制夹管阀32和第二隔离阀33构成的第二阻断和排放阀组件。阀组件允许安全隔离旁路管线。压力检测传感器28和流量计29位于孔板的下游，这两个将这两个传送信息传送到逻辑控制器。孔板27用于在浆料穿过旁路管线时降低浆料的压力。应当理解，在其它实施例中，可以使用更多或更少的孔板。备选地，在其它实施例中，可以使用降低流速的其它已知方法代替孔板。进入系统的浆料的变化部分可朝向旁路管线引导以改变进入涡轮导管的剩余浆料的流速。以此方式，进入涡轮导管且因此涡轮的流速可通过导送经由旁路管线进入系统的浆料的不同量来控制。
该系统进一步包括由连接到水保持槽的冲洗导管6构成的维护系统。多个冲洗阀42布置成当处于打开位置时将水传送到入口导管2、涡轮导管3和旁路管线4。这些阀由逻辑控制器控制，并在启动时以及在维护期间打开。
其它隔离阀36和40在入口导管和出口导管中，以分别防止浆料在关闭时进入或离开。另一隔离阀39设在出口导管5中以防止流体朝向涡轮流动。排放阀37和38与之相伴，这允许流体以受控方式分别通过阀离开入口导管和出口导管。
在操作中，逻辑控制器首先从高架浆料池中的传感器接收关于池中的水平的信息，且如果其足够，则致动池中的阀以将浆料释放到系统中。控制器接着确定来自第一压力检测传感器35的浆料的初始压力，且通过阀7、8、9和24、25、26产生涡轮导管3与旁路管线4之间的流量比。一旦发电机已启动，逻辑控制器就接收来自连接到发电机的传感器15的速度读数，以及跨越每个涡轮的压降的测量值(从传感器10、16、17、18和28)和流出旁路管线和涡轮导管的流速(从传感器19、29)。逻辑控制器不断地监测参数以将发电机转速保持在可接受的范围内，从而防止损坏并允许用电。逻辑控制器还针对任何堵塞检测流速和压力，在此情况下，其经由阀36密封入口导管且打开阀42以允许水穿过导管。在初始流量不足以运行发电机的情况下，由阀7、8、9制成的第一涡轮导管阻断和排放阀关闭，使得浆料的全部转向到旁路管线4中。如果跨越发电机的压降低于浆料的蒸气压力，则浆料也会转移到旁路管线中，以防止发生闪蒸事件。
否则，从流速、压力和发电机速度传感器传输到可编程逻辑控制器的信息产生恒定反馈回路，从而允许系统适应浆料浓度和比重的变化，而不需要用户干预。通常，行进通过系统的浆料的至少一部分适合产生电力。因此，逻辑控制器能够改变旁路管线与涡轮导管之间的流量比，以便确保浆料流的最佳部分用于发电。有利地，由于当进入系统的浆料的压力高于涡轮的最大工作压力时可以使用发电机，因此这使得可以从浆料产生的功率量最大化。通过改变旁路管线与涡轮导管之间的流量比，进入涡轮的浆料可以保持在合适的参数内以用于发电。另外，随着浆料的参数不断变化，系统还能够自动地对这些改变做出响应，并且改变旁路管线和涡轮导管之间的流量比，以确保浆料的合适部分始终在存在合适的部分时传送到涡轮导管。这可以在不需要操作者干预的情况下完成，这提供了进一步的益处，因为这些系统可以位于通常与采矿场所相关的偏远或很大程度上不可接近的区域。可编程逻辑控制器还配置成在测量参数超出预定容差的情况下关闭，因此允许系统在不需要操作者或操作者一直现场上的情况下运行，仅在需要维护时才需要。
该实施例还包括实现系统轻松维护的考虑因素。为此，提供起重机和入口点。在此实施例中，起重机呈电动高架起重机的形式，但在其它实施例中，可以使用任何其它合适的起重机。入口点采用卷帘门的形式，卷帘门尺寸设定成允许卡车或其它类似尺寸的维护车辆进入系统的元件。图中未显示维护平台，该平台允许操作员根据其不同的高程检查系统的所有元件。
该实施例还设计成用常规尺寸的管构造。更确切地说，可设想，浆料将通过DN550大小的导管从高架池进入系统。设想入口导管2、出口导管5和旁路管线4所有都是DN500尺寸的，而涡轮导管3是DN350尺寸的，且冲洗导管6是DN200尺寸的。应理解，这些尺寸是指示性和非限制性的。在其它实施例中，可使用不同管尺寸。
在一些实施例中，修改用作涡轮的浆料泵可能是有利的。这是在使用泵作为发电机时流体流动方向反向的结果。流体改为从泵的出口行进到泵的入口，其中叶轮不向流体施加力，而是改为用作涡轮以产生电力。
典型浆料处理离心泵的实例的横截面示于图2中。泵100包括叶轮101，叶轮包括前护罩102、后护罩103和设置在前护罩与后护罩之间的多个泵送叶片104。叶轮借助于毂105围绕X-X轴线旋转。泵100还包括泵壳106，其包括前衬套或侧部分107以及后衬套或侧部分108。前衬套或侧部分107又包括入口区段109，入口区段包括通路110，通路在其最内端包括凸起唇缘111，凸起唇缘的曲率适于与叶轮101的前护罩102的外表面配合。
图3示出了改进成用于发电的浆料处理泵。此泵包括充当涡轮201的叶轮，涡轮包括前护罩202、后护罩203和设置于前护罩与后护罩之间的多个泵送叶片204。涡轮借助于毂围绕X-X轴线旋转。改进的泵还包括泵壳206，该泵壳包括前衬套或侧部分207以及后衬套或侧部分208。前衬套或侧部分207包括含有通路210的出口区段209。与图2所示浆料泵不同，此改进的泵在前衬套的内表面上没有凸起唇缘。相反，凸起唇缘212设在涡轮201的前护罩202的外表面上，该外表面定形为与前衬套或侧部分107的内表面配合。这种修改是确保与泵的正常操作相反的方向的有效流动。
叶轮的前护罩202包括位于基本上垂直于叶轮的旋转轴线的平面中的内表面和包括远侧区域和中心区域的外表面。远侧区域，也就是说，远离中心开口朝向前护罩的周缘的区域处于基本上垂直于旋转轴线的平面中。靠近中心开口的前护罩的外表面的中心区域远离前护罩的内表面成角度。这导致前护罩在前护罩的周缘周围的区域中具有恒定横截面宽度，并且在靠近开口的区域中具有朝向中心开口增大横截面宽度。中心开口的内表面基本上平行于旋转轴线。
前护罩的布置与如图2所示的典型浆料泵叶轮的布置形成对比，其中前护罩102的内表面和外表面在靠近中心开口的区域中彼此成角度。图2也没有以中心开口的内表面为特征，而是由前罩的内表面形成的，因为它朝向外表面成角度。
图4示出了叶轮和前衬套的实施例的透视图，该叶轮和前衬套修改为用作由浆料发电的涡轮。涡轮301由前护罩302、后护罩303和在两个护罩之间的叶片304构成。前衬套307包括出口区段309。凸起唇缘312设在涡轮的前罩302上围绕前护罩的中心开口，该前护罩的中心开口定位成与出口区段基本对准。可以看出，除了包括凸起唇缘的区域之外，前护罩具有恒定的横截面宽度，其中前护罩的横截面宽度在中心开口的方向上增加。在此实施例中，前衬套还修改成以提供凹入唇缘313，凹入唇缘定形为与凸起唇缘312对准，以允许流体流在从护罩到出口区段的方向上发生。
在优选实施例的前述描述中，为了清楚起见，已诉诸特定术语。然而，本发明不旨在限于如此选择的特定术语，并且应当理解，每个特定术语包括以相似方式操作以实现相似技术目的的所有技术等同物。术语如“前”和“后”、“内”和“外”、“上方”、“下方”、“上”和“下”等用作方便的词语，以提供参考点而不应解释为限制性术语。
本说明书中对任何先前的公开案(或从其衍生的信息)或任何已知事项的引用，均不是，并也不应视为承认或接受或以任何形式建议先前的公开案(或从其衍生的信息)或任何已知事项形成本说明书所涉及的研究领域中的公知常识的一部分。
在本说明书中，词语“包括”应理解为其的“开放”意义，即，“包含”的意义，并且因此不限于“封闭”意义，“封闭”意义是“仅由……组成”的意义。相应的含义应归因于它们出现的相应词语“包括(comprise)”，“包括(comprised)”和“包括(comprise)”。
另外，前述内容仅描述了本发明的一些实施例，并且在不脱离所公开的实施例的范围和精神的情况下，可以对其进行更改、修改、添加和/或改变，这些实施例是示范性的而非限制性的。
此外，已经结合当前认为是最实用和优选的实施例来描述了发明，应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而相反，其意图是包括在本发明的精神和范围内的各种修改和等同布置。而且，上述各种实施例可以结合其它实施例来实现，例如，一个实施例的各方面可以与另一实施例的各方面组合以实现其它实施例。此外，任何给定组件的每个独立特征或部件可构成附加的实施例。
零件表
1用于从浆料产生电力的系统
2入口导管
3涡轮导管
4旁路管线
5出口导管
6冲洗导管
7第一隔离阀(涡轮入口阻断和排放阀组件)
8排放阀(涡轮入口阻断和排放阀组件)
9第二隔离阀(涡轮入口阻断和排放阀组件)
10 第一涡轮导管压力传感器
11 由浆料泵改造的涡轮
12 制动器
13 变速箱
14 发电机
15 发电机速度传感器
16 第二涡轮导管压力传感器
17 第三涡轮导管压力传感器
18 第四涡轮导管压力传感器
19 涡轮导管流量传感器
20 第一隔离阀(涡轮出口阻断和排放阀组件)
21 排放阀(涡轮出口阻断和排放阀组件)
22 控制夹管阀(涡轮出口阻断和排放阀组件)
23 第二隔离阀(涡轮出口阻断和排放阀组件)
24 第一隔离阀(旁路管线入口阻断和排放阀组件)
25 排放阀(旁路管线入口阻断和排放阀组件)
26 第二隔离阀(旁路管线入口阻断和排放阀组件)
27 孔板
28 旁路管线压力传感器
29 旁路管线流量传感器
30 第一隔离阀(旁路管线出口阻断和排放阀组件)
31 排放阀(旁路管线出口阻断和排放阀组件)
32 控制夹管阀(旁路管线出口阻断和排放阀组件)
33 第二隔离阀(旁路管线出口阻断和排放阀组件)
34 入口渐缩管
35 入口导管压力传感器
36 入口导管隔离阀
37 入口导管排放阀
38 出口导管排放阀
39 第一出口导管隔离阀
40 第二出口导管隔离阀
41 出口渐缩管
42 冲洗导管隔离阀
43 冲洗导管排放阀
100 泵
101 叶轮
102 前护罩
103 后护罩
104 泵送叶片
105 毂
106 泵壳
107 前衬套或侧部分
108 后衬套或侧部分
109 入口区段
110 通路
111 侧部分的凸起唇缘
200 改进的泵
201 涡轮
202 前护罩
203 后护罩
204 泵送叶片
205 毂
206 泵壳
207 前衬套或侧部分
208 后衬套或侧部分
209 出口区段
210 通路
212 前护罩上的凸起唇缘
301 涡轮
302 前护罩
303 后护罩
304 泵送叶片
307 前衬套或侧部分
309 出口区段
312 前护罩上的凸起唇缘
313 前衬套上的凹入唇缘
