煤礦大型機(jī)電設(shè)備節(jié)能效率優(yōu)化探討

肖 峰

煤炭生產(chǎn)企業(yè)大型機(jī)電設(shè)備較多，如提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)、采煤機(jī)、各類輸送機(jī)等，且功率大，運轉(zhuǎn)時間長，電力消耗大[1-2]。根據(jù)節(jié)能降耗及環(huán)保工作要求，有必要對機(jī)電設(shè)備節(jié)能效率進(jìn)行優(yōu)化，提高其協(xié)同運行效率，降低電能消耗，節(jié)約電力成本，提高環(huán)保效率等。

1 煤礦大型機(jī)電設(shè)備分類

1.1 按照生產(chǎn)系統(tǒng)分類

為便于機(jī)電設(shè)備管理，結(jié)合煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)情況，將井下主要機(jī)電設(shè)備進(jìn)行分類，包括通風(fēng)系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)、采掘系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、排水系統(tǒng)。各大系統(tǒng)涵蓋的主要設(shè)備如表1所示。

系統(tǒng)名稱 包括的主要機(jī)電設(shè)備運輸系統(tǒng) 刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)、絞車、電機(jī)車等提升系統(tǒng) 礦用立井提升機(jī)排水系統(tǒng) 礦用離心泵、礦用潛水泵

1.2 各生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備能耗影響因素

通過大量文獻(xiàn)查閱及煤礦企業(yè)調(diào)研，可對機(jī)電設(shè)備能耗情況的影響因素進(jìn)行分類。

一是自然環(huán)境因素。如煤層賦存深度影響提升機(jī)能耗，礦井涌水量影響水泵能耗，煤質(zhì)硬度等條件影響采煤機(jī)及綜掘機(jī)能耗，瓦斯粉塵情況影響通風(fēng)機(jī)能耗，采區(qū)延伸距離影響運輸設(shè)備能耗等，這些因素對設(shè)備的能耗影響主要表現(xiàn)在客觀制約。

二是機(jī)電設(shè)備投入及管理因素。加大機(jī)電設(shè)備資金投入，及時淘汰老舊高耗能設(shè)備，及時配備新型高效設(shè)備，有助于從根本上解決設(shè)備能耗高的問題；同時，在機(jī)電設(shè)備選型設(shè)計、設(shè)備低負(fù)荷或空載管理、從業(yè)人員節(jié)電意識等方面，對機(jī)電設(shè)備的能耗情況同樣產(chǎn)生較大影響。

三是新技術(shù)新工藝的影響因素。如變頻技術(shù)的應(yīng)用，對機(jī)電設(shè)備的節(jié)能情況產(chǎn)生巨大影響，是節(jié)能降耗的重要途徑；同時，其他諸如設(shè)備調(diào)速、功率平衡、降低運行電壓等技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，同樣對節(jié)能降耗工作產(chǎn)生積極影響。

2 機(jī)電設(shè)備節(jié)能效率優(yōu)化

2.1 機(jī)電設(shè)備節(jié)能效率分析

據(jù)統(tǒng)計，井工煤礦能耗最高的系統(tǒng)為采掘系統(tǒng)，占到井下全部機(jī)電設(shè)備耗電量的25%左右，其次為運輸系統(tǒng)和提升系統(tǒng)，兩者合計占到總耗電量的30%以上，其次為壓風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和排水系統(tǒng)。根據(jù)煤礦生產(chǎn)實際過程，以上各大系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備在一個時期內(nèi)或處于流水作業(yè)的串聯(lián)式工作方式，或處于同時作業(yè)的并聯(lián)式工作方式。假設(shè)整個生產(chǎn)系統(tǒng)中有n臺機(jī)電設(shè)備，結(jié)合設(shè)備工作效率等因素，推算出大型機(jī)電設(shè)備的綜合能耗公式[3-4]：

進(jìn)而可推算出生產(chǎn)系統(tǒng)總荷載：

式中：Pt為綜合能耗；k為系統(tǒng)能耗系數(shù)；βi為第i臺設(shè)備的負(fù)荷；hi為設(shè)備運輸?shù)奶嵘叨龋沪読為第i臺設(shè)備能耗因素；ηi為第i臺設(shè)備工作效率系數(shù)；c為生產(chǎn)系統(tǒng)所負(fù)總荷載。

分析公式，ni為本生產(chǎn)系統(tǒng)中第i臺設(shè)備的開停狀態(tài)，啟動時為1，停止時為0；βi為第i臺設(shè)備的工作負(fù)荷。根據(jù)以上分析可繪制煤礦機(jī)電設(shè)備運行效率理想曲線見圖1。通過利用理想效率與實際效率誤差最低原理，可以表達(dá)出井工煤礦實際生產(chǎn)過程中機(jī)電設(shè)備的工作效率特征。通過計算推導(dǎo)，排水系統(tǒng)中的潛水泵等設(shè)備可以使其按照非額定值工作，以節(jié)約電能；通風(fēng)系統(tǒng)可以根據(jù)氣壓狀況和井下實際需風(fēng)量大小進(jìn)行調(diào)風(fēng)；運輸系統(tǒng)可以加強(qiáng)煤炭物料的協(xié)同運輸，減小設(shè)備空載及低負(fù)載的運行時間；提升系統(tǒng)盡最大可能進(jìn)行電能的避峰就谷，降低電價；采掘系統(tǒng)則可加強(qiáng)人工輔助處理，入全巖掘進(jìn)期間的爆破處理，減少設(shè)備損耗及電力消耗；壓風(fēng)系統(tǒng)則可根據(jù)生產(chǎn)實際需要進(jìn)行作業(yè)。

圖1 煤礦機(jī)電設(shè)備運行效率理想曲線

2.2 加強(qiáng)大型機(jī)電設(shè)備協(xié)同運行效率

煤礦生產(chǎn)過程及各系統(tǒng)的作業(yè)配合是一項大的系統(tǒng)工程，對于某項復(fù)雜任務(wù)如巷道掘進(jìn)，井下作業(yè)首先需要主通風(fēng)機(jī)及局部通風(fēng)機(jī)作業(yè)，掘進(jìn)進(jìn)尺需要綜掘機(jī)作業(yè)，巷道錨桿支護(hù)需要壓風(fēng)機(jī)作業(yè)，運輸煤矸需要運輸設(shè)備及提升設(shè)備作業(yè)，巷道迎頭排水需要排水系統(tǒng)作業(yè)。這就需要一個統(tǒng)籌調(diào)度機(jī)制，監(jiān)測及協(xié)調(diào)各個系統(tǒng)及機(jī)電設(shè)備的工作任務(wù)，在各大系統(tǒng)之間選擇合適的資源及時間節(jié)點，利用最短工時將某項任務(wù)完成。這就需要煤礦企業(yè)建立一個完善的生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度，協(xié)同控制各大系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備，讓系統(tǒng)任務(wù)保質(zhì)保量、在最短時間內(nèi)完成，并確保設(shè)備能耗最低，效率最高，以實現(xiàn)節(jié)能降耗目的。

3 結(jié)語

本文對煤礦機(jī)電設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)性分類，分析設(shè)備的能耗影響因素，并對設(shè)備的節(jié)能效率進(jìn)行分析，強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)大型機(jī)電設(shè)備的協(xié)同運行控制及效率，并完善企業(yè)的生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度機(jī)制及算法，對我國煤礦企業(yè)的節(jié)能降耗進(jìn)行了深入研究，但是受限于煤礦傳統(tǒng)能耗思想及工作難度，以及環(huán)保工作壓力的不斷增大，節(jié)能降耗工作依然任重道遠(yuǎn)，需要從業(yè)者繼續(xù)努力。

〔1〕劉 哲.煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā)，2016，31（6）：111-112+140.

〔2〕劉 鵬.礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].太原理工大學(xué)，2013.

〔3〕高之翔.節(jié)能導(dǎo)向的煤礦大型機(jī)電設(shè)備協(xié)同控制技術(shù)[D].安徽理工大學(xué)，2017.

〔4〕姚福來.機(jī)電設(shè)備的效率優(yōu)化方法及其優(yōu)化控制的研究[D].河北工業(yè)大學(xué)，2012.