基建礦山施工用電節電技術研究與實踐

陳海軍

（河鋼集團礦業公司常峪鐵礦）

在礦山建設初期，施工用電多由臨時供電系統供電，通常供電設施簡易，僅滿足基本用電需求，往往忽略供電品質，造成施工供電品質較差，供電損耗較大［1-4］。另外，礦山建設單位為了控制成本，設備更新換代較慢，通常采用一些老舊施工設備，能耗較高，用電效率較低。還有，在井建施工管理上，往往對細節不夠重視，通常忽視通過優化施工組織產生的節電效益。針對這種狀況，研究基建礦山施工用電節電技術很有必要。

本文以常峪鐵礦井建施工建設為例，介紹了具體的井建施工節電技術措施及取得的經濟效益。

1 供電路徑及設備選型優化

1.1 原臨時供電系統

（1）地表供電系統。施工階段供電電源引自司家營鐵礦110 kV變電站，雙路供電，互為備用，供電電壓等級為6 kV，兩路電源采用高壓架空線路沿鋼聯路兩側敷設至主井區現場，供電距離1 600 m，設有1個主副井高壓配電室和3個低壓變電所，負責主井、副井、進風井和回風井的施工供電。

（2）井下供電系統。①斜坡道供電系統：第一部分，斜坡道施工現場從研山鐵礦N3箱變引取一路6 kV電源作為主電源，從司家營鐵礦采場西環線引取一路6 kV電源作為備用電源，地表可以實現電源切換，供電電纜沿斜坡道下井，負責斜坡道-60 m變電所（變壓器800 kVA）、-185 m變電所（變壓器1 000 kVA）、-315 m變電所（變壓器1 000 kVA）和-400 m變電所（變壓器1 000 kVA）供電任務。從研山鐵礦N3箱變至井下-400 m變電所供電距離為4 410 m。斜坡道供電系統的第二部分，6 kV雙路供電電源分別引自鋼聯路兩側高壓架空線路T接，地表設有雙路電源切換柜，供電主電纜沿進風井下井，負責斜坡道-300 m變電所（變壓器1 000 kVA）和-325水泵房的供電任務。從司家營110 kV變電站至井下-325水泵房的供電距離為2 700 m。②進風井供電系統：6 kV雙路供電電源分別引自鋼聯路兩側高壓架空線路T接，雙路供電主電纜沿進風井下井，負責進風井-425 m2個變電所（變壓器500 kVA和630 kVA）和-425 m水泵房的供電任務。從司家營110 kV變電站至井下-425 m水泵房的供電距離為1 850 m。

1.2 優化后的供電系統

經過認真研究，對供電距離較長的斜坡道供電系統進行了優化，但進風井供電系統不變。6 kV雙路供電電源分別引自鋼聯路兩側高壓架空線路起始終端桿處T接，在回風井地表設有雙路電源切換柜，供電主電纜沿回風井下井，負責斜坡道-315 m變電所（變壓器1 000 kVA）、-325 m水泵房和-400 m變電所（變壓器1 000 kVA）的供電任務。從司家營110 kV變電站至井下-325 m水泵站的供電距離為1 100 m；從司家營110 kV變電站至井下-400 m變電所的供電距離為1 860 m。因工程已經完工，取消斜坡道第一部分供電任務，包括取消-60 m變電所（變壓器800 kVA）、-185 m變電所（變壓器1 000 kVA）供電任務。

1.3 供電系統優化后的效果

供電系統優化后，供電距離明顯減小，從司家營110 kV變電站至井下-325 m水泵站的供電距離從2 700 m優化至1 100 m，減少了1 600 m；從地表變電站至井下-400 m變電所的供電距離從4 410 m優化至1 860 m，減少了2 550 m。

（1）終端電壓變化。原供電系統終端電壓斜坡道-325 m水泵站供電電壓為5 810 V、斜坡道-400 m變電所供電電壓為5 720 V，優化后斜坡道-325 m水泵站供電電壓為6 100 V，斜坡道-400 m變電所供電電壓為6 050伏，供電電壓明顯提高。

（2）供電設備投資變化。優化供電方案后，選擇電力電纜型號為ZRYJV22-8.7/15-3×120，電纜單價185元/m。①斜坡道從地表變電站到-325 m水泵站供電電纜減少1 600 m，減少電纜投資185元/m×1 600 m=29.6萬元。②斜坡道從地表變電站到-400 m變電所供電電纜減少2 550 m，減少電纜投資為185元/m×2 550 m=47.175萬元。

總之，通過有效減小供電距離，達到了減小終端電壓損失與供電損耗、提高設備效率與供電品質的效果，同時減少了供電設備投資，降低了建設期施工成本。

2 施工設備選型優化

在礦山井下開采過程中，礦井主提升機作為礦山生產的關鍵設備，肩負著礦石提升的任務，對礦山安全穩定起著至關重要的作用。由于工藝的要求，礦井主提升機多為大功率用電設備，對安全性、可靠性和調速性有著嚴格的要求，其中提升機電控系統的選擇發揮著重要作用。合理選擇電控系統，既可以保證主提升系統安全穩定運行，還可以有效降低用電成本支出。

2.1 主提升機電控方式

通過比較常峪鐵礦2個施工單位的不同主提升機電控方式的差異，選出節能型設備，提高施工用電效率。

（1）進風井施工用主提升機電控系統采用轉子串電阻調速系統，其主要特點：提升機電控系統采用交流異步電動機拖動，轉子串電阻調速系統，此種電氣傳動系統調速性能差，調速時大量能量消耗在電阻上，控制精度低，安全可靠性差，電能消耗大，運行不經濟；電氣傳動系統設備控制簡單、體積大，屬于有級調速，機械特性較軟，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差。因此，上述提升機電阻調速系統較落后。

（2）回風井施工用主提升機電控系統采用直流調速系統，其主要特點：提升機電控系統采用直流電動機拖動，采用直流調速器實現調速，相比轉子串電阻調速系統，直流調速器體積小、重量輕，便于現場安裝使用。直流調速調速性能好，可以實現均勻、平滑的無級調速，調速范圍較寬，機械特性較硬，低速啟動轉矩大，動態響應迅速。直流調速系統優點明顯，安全可靠性高，節約電能，運行經濟穩定，應用廣泛。

2.2 設備投資和耗電

在進風井和回風井2個豎井都施工到相同標高（-300 m水平）的情況下，保證2條豎井提升工況相同。通過比較提升工程量和用電量，得出提升每立方米巖石耗電量，從而得出提升機2種電控系統下的不同能耗情況。

（1）進風井主提升機。進風井主提升機型號2JK3.0×1.5，三相交流電動機功率650 kW，額定電壓6 kV，單價45萬元。進風井從2014年5月開始施工，到2014年12月底到-300 m水平，豎井施工期間累計提升巖石量14 176.27 m3，主提升用電342 464 kWh。

（2）回風井主提升機。回風井主提升機型號2JK3.0×1.5，直流電動機功率500 kW，額定電壓400 V，單價65萬元。回風井從2014年1月開始施工，到2014年12月底到-300 m水平，豎井施工期間累計提升巖石量23 455.2 m3，主提升用電145 184.5 kWh。

（3）提升巖石電力單耗。因進風井和回風井的提升機主電機功率不同，需要歸算到相同電機功率下進行比較，將進風井提升機耗電量除以系數1.3，得到提升巖石電力單耗18.58 kWh/m3；回風井提升巖石電力單耗6.19 kWh/m3。

通過對2個提升系統耗電量比較得知，回風井提升機采用直流調速電控系統提升，單位耗電量是進風井提升機采用串電阻調速電控系統提升單位耗電量的1/3。因此，提升機采用直流調速電控系統節能效果顯著，在以后的礦山建設期值得推廣使用。

3 礦山建設施工組織優化

重點優化排水系統，以降低排水電耗。

3.1 原排水系統

施工建設期原排水系統為分散排水，包括斜坡道排水系統、進風井排水系統、主副井排水系統和回風井排水系統，在項目建設過程中，各自承擔自己的排水任務，相互獨立、互不影響，井下總涌水量190 m3/h。其中，主副井排水系統與其他排水系統相對獨立，不能有效整合，這里不做優化研究。

3.2 優化后的排水系統

2018年6月暫停施工期間，將原分散的排水系統優化為集中排水系統，重點對斜坡道排水系統和進風井排水系統進行優化。因進風井與斜坡道在最低水平-425 m水平已經貫通，停止了斜坡道排水系統，回風井因完工而拆除原排水設施，井下涌水全部由進風井-425 m泵站集中排出。

3.3 優化效果

（1）節電。井下排水系統成本支出包括設備維修費、人工費和電費等，其中電費占比最大。針對井下排水系統優化前后進行經濟性分析，以2018年6月為界，前后各取12個月為樣本，分散排水系統的斜坡道排水系統用電量4 254 011 kWh、進風井排水系統用電量747 839 kWh，合計5 001 850 kWh；集中排水系統總用電量3 215 605 kWh。綜合比較節電1 786 245 kWh。

（2）節省設備維修費。斜坡道排水系統每年需要設備維修費用20萬元，進風井排水系統每年需要設備維修費用25萬元，總計45萬元；排水系統優化后，斜坡道排水系統停用，每年可以減少設備維修費用20萬元。

（3）節省人工費。斜坡道排水系統每年需要支付人工費用33.6萬元，包含6名排水工和2名維修工；進風井排水系統每年需要支付人工費用33.6萬元，包含6名排水工和2名維修工。排水系統優化后，斜坡道排水系統停用，每年可以減少人工費用33.6萬元。

4 避峰就谷，充分利用電價優惠

（1）分時電價原則。根據供電部門實行分時電價原則，充分利用尖、峰、平、谷4個電價區間，盡可能避峰填谷，以降低排水用電費用。尖峰時段為每年6—8月，每天10∶00—12∶00和17∶00—18∶00，工業電價0.828 2元/kWh；高峰時段為每天10∶00—12∶00和13∶00—19∶00，工業電價0.729 6元/kWh；平段時段為每天6∶00—10∶00、12∶00—13∶00和19∶00—22∶00，工業電價為0.532 6元/kWh；低谷時段為每天22∶00—次日6∶00，工業電價0.335 6元/kWh。

（2）每天排水費用。施工建設期每天排水量為：190 m3/h×24 h/d=4 560 m3/d。主要排水設備為進風井-425 m排水泵站水泵，水泵型號MD155-67×9，配套電動機型號YB2-4004-2，功率450 kW，額定電壓6 kV。按每天正常排水4 560 m3計算電費，-425 m水泵站2臺主排水泵需同時排水14.7 h，每天排水電費：①不執行避峰填谷用電方案，交接班前半小時將水排空。按照每天3班排水，每班按4.9 h計，6—8月份每天排水電費7 228.584元/d，其他月份每天排水電費7 183.728元/d。②執行避峰填谷用電方案，每天10—19點不排水，從19點開始排水直至次日10點前排空。每天排水電費5 627.898元/d。優化后每年節約排水電費572 004.7元/a。

5 經濟效益

（1）通過對常峪鐵礦施工階段供電路徑進行優化，重點對供電距離較長的斜坡道供電系統進行優化，供電距離明顯減小，優化后至井下-325 m泵站的供電距離減少了1 600 m、至井下-400 m變電所的供電距離減少了2 550 m。通過有效減小供電距離，達到了減小終端電壓損失與供電損耗、提高設備效率與供電品質的效果，同時減少了供電設備投資76.775萬元。

（2）合理選擇礦井主提升機電控系統，既可以保證主提升系統的安全穩定運行，還可以有效降低用電成本。生產實踐表明，直流調速系統具有安全、節能、穩定等優點，回風井提升機采用直流調速電控系統提升單位電耗僅為進風井提升機采用串電阻調速電控系統提升單位電耗的1/3。

（3）將現場原分散排水系統優化為集中排水系統，實現對斜坡道排水系統和進風井排水系統的優化整合，每年排水節電1 786 245 kWh；每年可以減少設備維修費用20萬元；每年可減少人工費用33.6萬元。

（4）根據供電部門實行的分時電價原則，充分利用尖、峰、平、谷4個電價區間，盡可能避峰填谷，施工建設期正常排水每年可以節省排水電費57.2萬元。

6 結語

結合常峪鐵礦井建施工項目實際情況，深入挖掘井建施工過程中節約電力成本支出潛力，摸索出一系列節電技術措施，取得了較好的經濟效益。這些節電技術的實施提高了施工設備用電效率，降低了礦山建設期用電費用支出，實現了礦山建設用電經濟合理，值得其他類似礦山推廣應用。