露天煤礦全流程能耗分析及節(jié)能對策研究

周 游，劉 宇，艾 暢，趙汝輝

(1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.中國神華哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

露天煤礦在經(jīng)濟性和安全性等方面的優(yōu)勢使得其逐漸成為重要的煤炭開采方式[1]，《煤炭產(chǎn)業(yè)政策》和《煤礦安全生產(chǎn)十三五規(guī)劃》均提出要優(yōu)先發(fā)展露天煤礦[2，3]。與傳統(tǒng)的井工煤礦相比，關(guān)于露天礦能耗的相關(guān)研究仍不夠全面，特別是細化到設備層面的分析十分匱乏[4，5]。盡管露天煤礦的單位能耗普遍低于井工煤礦，但目前仍有較大的提高空間[6，7]。

隨著節(jié)能減排問題逐漸得到重視，能源審計工作得到了大規(guī)模推廣。通過開展能源審計工作，企業(yè)能夠?qū)ψ陨淼哪芎那闆r有更為清晰的認識，對自身的節(jié)能潛力有更為系統(tǒng)的分析。能源審計制度起源于19世紀末20世紀初的西方國家，基于企業(yè)內(nèi)部加強內(nèi)部控制的客觀需要而逐漸被構(gòu)建起來[8-10]。2006年國家能源局頒布了《關(guān)于印發(fā)千家企業(yè)節(jié)能行動實施方案的通知》，被普遍認為是我國能源審計的起點；國家發(fā)改委下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)企業(yè)能源審計報告和節(jié)能規(guī)劃審核指南的通知》，這意味著企業(yè)能源審計已經(jīng)成為實施能源戰(zhàn)略的一項重要手段[11-13]。本文以內(nèi)蒙古黑岱溝露天煤礦為例，通過能源審計對節(jié)能評估做出有益的探索，建立基于能源審計的露天煤礦節(jié)能評估模型，基于實地調(diào)研和現(xiàn)場測試對露天煤礦各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的相關(guān)設備進行能耗分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出露天礦進一步節(jié)能的潛在領(lǐng)域與相關(guān)建議，對于豐富能源審計在露天煤礦的應用具有重要意義[14-19]。

1 露天煤礦用能概況

露天煤礦的生產(chǎn)主要分為穿爆、采裝、運輸、排土四個環(huán)節(jié)，以目前主要采用的單斗-卡車工藝為例，各環(huán)節(jié)中主要以機械設備對能源的消耗為主，其生產(chǎn)用能主要包括柴油和電力，其次是少部分汽油。電力消費主要來源于穿爆和采裝環(huán)節(jié)的鉆機和電鏟；柴油消費主要來源于運輸和工務環(huán)節(jié)的自卸卡車和推土機；汽油消費主要來源于輔助環(huán)節(jié)的指揮車。露天礦各環(huán)節(jié)的設備能耗類別見表1。

表1 各環(huán)節(jié)的設備能耗類別

2 能源消費流向能耗分析體系

通過對的能源使用情況進行基礎分析和調(diào)研，基于《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589—2008)[21]，綜合能耗的計算方法見式(1)：

式中，E為綜合能耗；n為消耗的能源品種數(shù)；ei為生產(chǎn)和服務活動中消耗的第i種能源實物量；pi為第i種能源的折算系數(shù)，按能量的當量值或能源等價值折算。

通過建立三級能耗指標的方法對各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗水平進行進一步的分析。其中，一級指標為企業(yè)層面的綜合能耗，即原煤生產(chǎn)綜合能耗。二級指標為工序?qū)用娴木C合能耗，包括穿孔設備綜合能耗、剝采設備綜合能耗、運輸設備柴油單耗、以及輔助設備柴油單耗。三級指標為設備層面的單位能耗，主要體現(xiàn)在露天礦生產(chǎn)中最重要的采掘和運輸環(huán)節(jié)。其中采掘環(huán)節(jié)的指標主要包括電鏟用電單耗，運輸環(huán)節(jié)的指標包括自卸卡車的柴油單耗。

3 露天煤礦全流程能耗分析

3.1 黑岱溝露天煤礦主要耗能設備

穿爆環(huán)節(jié)包括穿孔和爆破兩個過程，運行的主要設備包括DM-H鉆機2臺、DM-H2鉆機4臺、DM45鉆機3臺、CDM75鉆機2臺。

采裝環(huán)節(jié)包括煤炭的開采及巖石和土的剝離，運行的主要設備包括8750-65型吊斗鏟1臺、395B電鏟4臺、WK-20電鏟1臺、WK-35電鏟3臺、WK-55電鏟4臺、L1350裝載機1臺、992裝載機2臺、反鏟2臺。

運輸環(huán)節(jié)作為露天開采的重要環(huán)節(jié)之一，承擔了煤、巖、土的主體運輸任務，黑岱溝露天煤礦主要采用卡車運輸，運輸設備包括630E型154T自卸卡車52臺、730E型185T自卸卡車5臺、830E型220T自卸卡車10臺、930E型290T自卸卡車21臺、SF33900型220T自卸卡車12臺。

排土環(huán)節(jié)主要運輸設備包括D11T履帶推土機14臺、D10N履帶推土機2臺、834B膠輪推土機3臺等。

輔助環(huán)節(jié)涵蓋煤炭開采的其它輔助生產(chǎn)活動，運行的主要運輸設備包括16G平路機8臺、24M平路機5臺、徐工平路機2臺、100T灑水車7臺、20T灑水車3臺等。其它設備包括壓路機、清洗車、清障車、履帶搬運車、指揮調(diào)度車等。黑岱溝露天煤礦的設備清單見表2。

3.2 能耗計算及能源流向分析

基于《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589—2008)，計算出其黑岱溝露天煤礦年度總能耗為117198.9tce。其中電力8295.3萬kW·h，折標準煤10194.9t；汽油279.5t，折標準煤411.3t；柴油73154.0t，折標準煤106592.7t。為了更清晰的反映出能源在購入、輸送分配和終端消耗之間的流向，運用?；鶊D繪制了黑岱溝露天煤礦的能源流向如圖1所示。?；鶊D中延伸的分支的寬度對應數(shù)據(jù)流量的大小，始末端的分支寬度總和相等，即所有主支寬度的綜合應與所有分出去的分支寬度的總和相等，以保持能量的平衡。

表2 黑岱溝露天煤礦主要設備清單

圖1 能源流向

從能源的流向來看，柴油是露天礦生產(chǎn)中最主要的能耗品種，其中86.3%的柴油用于運輸環(huán)節(jié)，11.0%的柴油被用于排土及其他輔助環(huán)節(jié)。約79.8%的電力被用于采裝環(huán)節(jié)，18.9%的電力被用于穿爆環(huán)節(jié)。汽油的使用量相對較少，僅占總能耗的0.35%，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)均有少量的汽油消耗。

綜合各種能源按當量值折標準煤量計算，在露天礦的各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，運輸環(huán)節(jié)的能耗量最大，2017年共計消耗92055.7tce，占總能耗的比例高達78.5%，其中絕大部分來自于柴油。采裝環(huán)節(jié)的總能耗量為10356.4tce，其中78.5%來源于電力、20.9%來源于柴油。穿爆環(huán)節(jié)的總能耗量為2658.5tce，其中72.5%來源于電力、26%來源于柴油。排土及其它各類輔助環(huán)節(jié)的總能耗為12128.4tce，其中97%來源于柴油，汽油及電力的占比僅為1.9%和1.1%。

通過對露天煤礦統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行整理分析，計算2017年的各類指標數(shù)值，見表3。

表3 能耗指標匯總表

表3中的能耗指標有助于了解企業(yè)各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)以及技術(shù)層面的詳細能源使用情況。分解看來，得到以下結(jié)論：

1)運輸環(huán)節(jié)中自卸卡車的柴油消費是露天礦生產(chǎn)過程中最主要的耗能環(huán)節(jié)，各種類型的卡車均呈現(xiàn)一個規(guī)律，即設備的年運輸量越高，其年均柴油單耗越低。

2)采掘過程中挖掘機的能源消費是露天礦生產(chǎn)中另一個較為主要的耗能環(huán)節(jié)，L1350裝載機具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

3)電鏟并未配備獨立電表，在生產(chǎn)過程中就近選擇電站進行充電，因此無法通過坑下電站的電表數(shù)據(jù)進行評估，因此在進行電鏟能耗優(yōu)化模型與實測分析。

4 電鏟能耗優(yōu)化模型與實測分析

4.1 電鏟能耗優(yōu)化模型及統(tǒng)計測算

由于上述電鏟并未配備獨立電表，在生產(chǎn)過程中就近選擇電站進行充電，因此無法通過坑下電站的電表數(shù)據(jù)進行評估，依據(jù)各設備歷史采剝量及電鏟總電耗數(shù)據(jù)通過運籌學優(yōu)化方法對各型號電鏟的電耗進行了測算。

采用電鏟的季度電耗及采剝量數(shù)據(jù)建立數(shù)學方程，通過最小二乘優(yōu)化方法來匹配測算電耗與實際電耗，同時也考慮了各類型電鏟在理論單耗方面的差異。具體的測算公式如下：

上述優(yōu)化模型的目標函數(shù)為最小化總殘差平方和(Z)，ε代表各季度模型擬合的殘差。約束條件包括：①各季度的電耗平衡方程，確保各類電鏟的能耗之和等于總能耗，其中，A=[ai，j]4×4為采剝系數(shù)矩陣，代表各季度各類電鏟的采剝量；xi為決策變量，代表各類電鏟的單耗；Ei代表各季度的電鏟總電耗；②殘差和約束方程，即各季度的測算殘差之和為零，保證各類電鏟的年總能耗與電表記錄數(shù)據(jù)一致；③理論值約束方程，保證各類電鏟的單耗值大于其理論值Pi。模型通過專業(yè)優(yōu)化軟件GAMS進行求解，結(jié)果見表4。

表4 各型號電鏟單耗測算值與技術(shù)參數(shù)

395B、PH2800和WK-20、WK-35、WK-55型號的電鏟單耗測算值分別為0.4599、0.5188、0.4382、0.3698kWh/m3。由于PH2800和WK-20型號相近，因此在計算中將其視為同一型號。各類型電鏟的單耗隨著鏟斗容積的增加而降低，且與理論單耗存在一定的差距。

4.2 電鏟能耗實測分析

在現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)基礎上，通過外裝電表方法，分別對WK-55、WK-35、WK-20、395B電鏟作實測分析，礦用電鏟均設置互感器變比分別為CT：400/5、PT：6000/100，本次測試在電鏟采掘工作前完成設備安裝。以WK-55為例的電壓、電流、功率波形圖如圖2所示。

依據(jù)測試期間的電壓電流及功率波形可看出，電鏟在作業(yè)時部分時間處于待機或在推卸石塊和煤炭狀態(tài)，此部分能耗導致電鏟整體能耗有所變化，幾種型號電鏟實測能耗見表5。

由于工況復雜，設備工作條件存在較大區(qū)別，電鏟的單耗測算值與實測值存在一定的偏差，但測算的年平均單耗與現(xiàn)場實測值之間基本吻合。

由此可見，建立的電鏟能耗優(yōu)化模型基本能夠真實反映露天礦生產(chǎn)現(xiàn)場的電鏟能耗情況，對于沒有對電鏟配備獨立電表的露天煤礦，在沒有條件進行實測的情況下，可以使用建立的電鏟能耗優(yōu)化模型來模擬計算電鏟能耗。同理，其他用電設備也可以用此模型進行估算，這對于露天煤礦摸清用電設備能耗有積極意義。

5 節(jié)能對策

5.1 建立能源監(jiān)測體系

露天礦的能源監(jiān)測控制管理系統(tǒng)普遍較為匱乏。從國際經(jīng)驗來看，露天礦能源監(jiān)測控制管理系統(tǒng)在節(jié)能降耗方面所起的作用越來越引起人們的重視。通過系統(tǒng)分析研究，可及時掌握露天礦生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)、各系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)、能源轉(zhuǎn)換、輸送及利用過程用能效率，找出高耗能環(huán)節(jié)及系統(tǒng)存在的問題并加以改造，其效果要好于事后進行能耗診斷。

圖2 WK-55電鏟相電壓、相電流趨勢圖

表5 電鏟實測能耗數(shù)據(jù)表

其次，大型能耗設備是露天礦能耗的主要組成部分，對其進行單獨能耗計量可以明確能耗組成，便于節(jié)能措施的制訂及節(jié)能管理。大型設備包括電鏟、吊斗鏟、卡車、推土機、鉆機等。由于工況和季節(jié)等因素，現(xiàn)場測試的結(jié)果相對片面，難以反映設備運行一年的平均水平。相比而言，為大型設備安裝單獨的能耗計量儀器在準確性方面更具優(yōu)勢。

5.2 優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)

降低露天礦綜合能耗最首要的途徑便是降低自卸卡車的柴油單耗。自卸卡車載重利用系數(shù)越大，效率越高，單位能耗越低。830E和SF33900型號的卡車柴油單耗較高，需要對其使用模式和車輛狀態(tài)進行核查。從2017年的能耗分析結(jié)果中也可看出，卡車的年運輸量越高，年均柴油單耗越低。據(jù)測算，在其它生產(chǎn)不變的情況下，只要運輸卡車的柴油單耗相比于2017年水平降低9.1%，即達到0.1454kg/(m3·km)，整體的噸原煤生產(chǎn)綜合能耗便能達到3.2kgce/t以下。

其次是對采裝環(huán)節(jié)技術(shù)的優(yōu)化。電鏟的平均單位能耗為51.5gce/m3，遠低于以柴油為燃料的L1350、992G裝載機和反鏟。采用電力驅(qū)動采剝設備可降低能耗，減少本地環(huán)境污染。若采裝環(huán)節(jié)的電單耗能夠達到47gce/m3的國家一級標準，共可以節(jié)約2447.5tce的能源。

此外，盡管穿爆、排土環(huán)節(jié)的能耗占比較低，但仍不能忽視?？梢圆捎谩白ブ攸c”的策略對上述兩個環(huán)節(jié)進行能耗管理，即對能耗占比最高的重點設備進行實時監(jiān)控，例如DM-H2鉆機、D11T型號推土機、100T灑水車等。

6 結(jié) 論

1)大型能耗設備是露天礦能耗的主要組成部分，對其進行單機能耗計量可以明確能耗組成，便于節(jié)能措施的制訂及節(jié)能管理。對于電鏟等設備沒有安裝獨立電表的煤礦，可以采用能耗優(yōu)化模型對于電耗進行估算，估算結(jié)果對于露天煤礦摸清能耗、制定節(jié)能減排政策有積極意義。

2)在露天煤礦的各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，運輸環(huán)節(jié)的能耗量最大，占總能耗的比例高達78.5%，其中絕大部分來自于柴油。采裝環(huán)節(jié)的總能耗量占比為8.8%，其中78.5%來源于電力，節(jié)能潛力較大。

3)優(yōu)化卡車運輸路線、減少卡車等待時間是露天礦節(jié)能的最主要方式，且各種類型的卡車，其設備的年運輸量越高，年均柴油單耗越低。降低露天礦綜合能耗最首要的途徑便是降低自卸卡車的柴油單耗。因此，在選擇露天煤礦開拓運輸方案時應對其能耗進行分析，經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。新能源礦用卡車具有環(huán)保無廢氣排放、節(jié)能效果好，值得在露天礦進行推廣。

4)采剝工程設計應把能耗指標作為方案綜合技術(shù)經(jīng)濟必選的主要因素，大型采掘設備不宜空載行走，需要消耗大量的能源。單斗挖掘機采用雙面裝車，可減少移動、提高效率。電鏟在提升、推壓、回轉(zhuǎn)、行走各種運行工況下，存在部分電能消耗，應加強對電鏟能耗監(jiān)測，改善作業(yè)不良習慣。