煤礦機電設備節能低碳路徑探索

摘" 要：本文以淮北礦業集團某煤礦為例，對壓風系統、提升系統、排水系統、通風系統的現狀和問題進行說明，據此提出有針對性的改進和優化措施，為煤礦綠色低碳發展提供參考。

關鍵詞：壓風系統；提升系統；排水系統；通風系統

壓風系統、提升系統、排水系統、通風系統是煤礦生產過程中除開采系統外的主要用能單元和工序，占到煤礦開采總用能的80%以上，該四大系統運行能效的高低，對煤礦單位產品能耗有著重要影響，是實現《煤炭井工開采單位產品能源消耗限額》（GB29444-2012）中能耗先進值的有效著力點。淮北礦業集團現有生產礦井16對，在建礦井1對，年產商品煤約為2300萬噸，部分礦井投用時間較長，隨著時代的發展和技術的進步，最初設計的配套系統已逐漸落后，需要根據使用現狀，進行有針對性的優化和改善。借助淮北礦業集團開展節能低碳發展管理路徑及具體實施措施研究的契機，以淮北礦業集團下屬某煤業為具體對象，提出相應的井工開采煤礦機電設備節能低碳路徑探索方向。

1.各系統使用現狀

1.1壓風系統現狀

該煤礦地面壓風站有4臺300kW英格索蘭空壓機，額定排氣量48m3/min，額定排氣壓力0.7MPa，均為2008年采購，存在以下問題：

（1）性能衰減，增加了運行能耗。空壓機的性能會隨著空壓機的使用年限逐漸衰減，增加了單位體積空氣的耗電量。

（2）定頻運行，增加了卸載頻次。空壓機可以根據井下用氣量進行開啟臺數的調整，但無法做到實時調整供氣量，造成卸載情況經常發生，無法適應日益提高的精細化管理要求。

（3）壓力不足，增加了設備負荷。壓縮空氣通過管道輸送到井下設備，隨著作業面的延伸，最末端的供氣壓力明顯低于壓縮空氣儲罐的出口壓力，為保障井下設備正常運行，要求空壓站的運行壓力不斷提高，增加了設備負荷。

（4）余熱排空，增加了能量浪費。空壓機運行時的熱量經風冷排到室外，其能耗占到空壓機運行總能耗的80%左右，未能得到充分利用，同時，冬季井口的保暖還要使用外購蒸汽，造成資源浪費。

1.2提升系統現狀

該煤礦現有礦井主提升機1臺，適配電機型號ZKTD285/60，功率2240 kW；副提升機1臺，適配電機型號ZKTD250/60，功率1600 kW。

提升機是煤炭生產過程中的主要耗能設備之一，人員、物料、設備、煤炭的上下工作均要由提升機完成，耗電量巨大，目前的問題主要在于：

（1）負載波動導致電機運行效率偏低。受下游影響，煤礦產量存在一定的波動性，提升機無法一直處于經濟運行區工作，影響了配套電機的運行效率。

（2）系統復雜導致日常維護多。提升機主要由電動機、減速器、聯軸器、制動裝置、主軸裝置、液壓站、潤滑站、電控系統等組成，系統相對復雜，經常出現故障點，造成臨時停車檢修，影響了正常生產。

1.3排水系統現狀

該煤礦的礦井有4臺1400 kW主排水泵和1臺1500 kW主排水泵，配套高壓鼠籠式電機，為減少能源浪費，生產過程中均采用定時排水的管理措施，利用最大排水量來實現最佳運行工況，但還有以下不足：

（1）水泵揚程有富裕。從地面接收水池出口看，主排水泵的揚程有一定的富裕，即水壓過大，具有能源利用效率提升的潛力。

（2）管程壓損較高。由于管道設計不合理，如部分大小管路未采用變徑聯接，造成一些管路清淤困難等，導致管程壓力損失較高。

1.4通風系統現狀

通風系統是維系井下員工安全的重要保障系統，由通風管網、巷道和通風機組成，依據井下工況需要，調節風機出力。礦井配置了2臺1400 kW主通風機和4臺560 kW主通風機，并輔以井下風機。

常規風機設計過程中的管網管理阻力難以計算，因此，系統的最大風量和風壓裕度總是作為選擇的依據，而風機的型號和系列分類是有限的，在沒有精準參數供生產人員選擇合適的風機時，通常會放大余量。長期以來，由于未能及時分析影響通風系統運行的因素，導致其能耗偏高。

2.各系統改進思路

2.1壓風系統改進思路

（1）更新機組。采用新型變頻螺桿空壓機替代現有的4臺定頻空壓機，使運行能效從低于3級提升至1級，根據井下用氣量，實時調節，基本規避卸載情況，實現至少20%的節能效果，同時可以降低機組故障率，減少維護費用。

（2）智能組網。通過安裝智能電表、智能氣表采集用戶用氣規律和相關數據，建立數據庫構建物聯網，根據數據分析自適應匹配空壓機和后處理設備最佳工況，實時動態調整系統運行效率，可有效降低空壓機系統能耗，節能率可達到10%至15%。

（3）余熱回收。礦井口每年保溫的時間約為4個月，現在使用外購蒸汽作為保溫熱源。空壓機余熱回收是一項成熟的節能技術，擁有眾多案例，可以回收約75%的做功熱量，按空壓機組平均運行功率500 kW計算，可實現供熱功率約300 kW，完全可以替代外購蒸汽。

2.2提升系統改進思路

近年來，永磁技術日漸成熟，同時成本也有了大幅度的下降，利用此技術深度開發的永磁內裝式礦井提升機與傳統礦井提升機的傳動形式不同，它是一種機電一體化的新型礦井提升機。內裝式礦井提升機的機械效率高，電動機的轉矩直接傳遞給摩擦輪的筒殼，傳動鏈短且傳動效率高，由此實現節能高效。由于省去了減速器、聯軸器、潤滑站等中間環節，整機效率可達95%以上，綜合節電比傳統提升機節約37%以上，基本無故障[1]。

該類型礦井提升機可用6 kV/10 kV高壓電源，額定功率可做到數個兆瓦級別，完全能替代現有提升機，實現高效運行。

2.3排水系統改進思路

（1）水泵優化。井下主排水泵為MD型礦用耐磨多級理性泵，是在D型礦用臥式單吸多級離心泵的基礎上改進設計而來。10多年前開始出現的自平衡多級離心泵隨著技術不斷的成熟，已進入大規模應用期，與單吸多級離心泵相比，其效率高出5% 至 10%，且故障率降低。

（2）揚程優化。在滿足揚程和流量要求的情況時，在相同效率下，優先選用富裕揚程最小的水泵，一般要求所選水泵的富裕揚程不超過10%。

（3）管路優化。由于最初設計原因，管路采用直角聯接，沿程阻力系數增加，管道無法徹底清淤去垢，使得水泵在相同功率下，排水能力有所下降。可以采用45°管路聯接，定期清理管路積垢，降低排水管路損失，提高管路系統效率，降低工序能耗，達到節能的目的。如果積垢難以清理，造成排水系統效率降低，工序能耗過高，可把舊管更換為新管，根據經驗，更換新管的費用可在一年內通過節約的電費收回[2]。

2.4通風系統改進思路

（1）優化葉輪結構和進口形式，減小風機的阻力損失，提高風機的效率。

（2）根據礦井的具體情況，合理選擇風機型號和數量，充分利用風機的風量和風壓特性，實現通風系統的最佳效果。

（3）引入智能控制系統，通過傳感器實時監測井下環境的溫度、濕度、氣體濃度等參數，根據實時數據調整風機的運行狀態。

（4）建立完善的通風系統監測與維護體系，定期對風機進行檢查和保養，及時發現并解決風機運行中的問題，保證通風系統的長期穩定運行。

（5）對各巷道和風道的擋板按需進行開閉操作，減少不必要的抽風量和瓦斯氣體的混入。

通過“優化設計+智能控制”的方式，相較于傳統通風系統，能耗可降低20%以上，對于提升煤礦生產效率具有重要意義。

2.5配套建設能管平臺

能管平臺系統可以從全礦組織架構、各生產環節、能耗設備角度，分別進行能源數據的采集、存儲、分析、計算，為管理人員提供能耗統計、能耗預警、同比/環比分析、能耗分析、對標分析、能流圖、能源看板、能源報表等業務功能模塊。另外，系統管理、信息設置、能源系統建模等系統功能模塊，可以幫助基層單位完成能源數據向集團平臺的報送工作，最終幫助企業實現能耗在線監測、能源統計、能源分析、能耗管理、能源培訓于一體的綜合能源信息化管理，為企業溫室氣體排放總量控制、配額分配、考核指標的分解落實提供一定的數據支撐。

壓風系統、提升系統、排水系統、通風系統非常適用于能管平臺，因為這4個用能系統面廣、線長，在一線人員數量緊張的情況下，借助能管平臺，可以更好地發現各系統性能瓶頸，或是某個主設備在一段時間中的能耗水平是否正常，是否有突發情況和發展變化趨勢，并通過數據分析結果判斷是否需要維護保養、淘汰更新、參數優化等后續處理，還可已有針對性地對前文所述的節能措施實施效果加以驗證，也可以根據實際需要進行控制參數調整，查找過程中的其他問題。

3.結束語

煤礦的壓風系統、提升系統、排水系統、通風系統采用較為先進的節能設備、設計理念和管理平臺后，相較于舊系統，整體可實現10%至20%的用能降幅，節能效益十分可觀。

參考文獻：

[1]李玉強、謝德凌。永磁內裝式礦井提升機應用技術研究[J].中國煤炭，2019，45（10）：41-44.

[2]張書征。煤礦主排水系統節能措施綜述[J].中州煤炭，2015，（10）：93-96.