基建礦山施工用電節(jié)電技術(shù)研究與實踐

陳海軍

（河鋼集團礦業(yè)公司常峪鐵礦）

在礦山建設(shè)初期，施工用電多由臨時供電系統(tǒng)供電，通常供電設(shè)施簡易，僅滿足基本用電需求，往往忽略供電品質(zhì)，造成施工供電品質(zhì)較差，供電損耗較大［1-4］。另外，礦山建設(shè)單位為了控制成本，設(shè)備更新?lián)Q代較慢，通常采用一些老舊施工設(shè)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(jié)不夠重視，通常忽視通過優(yōu)化施工組織產(chǎn)生的節(jié)電效益。針對這種狀況，研究基建礦山施工用電節(jié)電技術(shù)很有必要。

本文以常峪鐵礦井建施工建設(shè)為例，介紹了具體的井建施工節(jié)電技術(shù)措施及取得的經(jīng)濟效益。

1 供電路徑及設(shè)備選型優(yōu)化

1.1 原臨時供電系統(tǒng)

（1）地表供電系統(tǒng)。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(lián)路兩側(cè)敷設(shè)至主井區(qū)現(xiàn)場，供電距離1 600 m，設(shè)有1個主副井高壓配電室和3個低壓變電所，負責(zé)主井、副井、進風(fēng)井和回風(fēng)井的施工供電。

（2）井下供電系統(tǒng)。①斜坡道供電系統(tǒng)：第一部分，斜坡道施工現(xiàn)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(huán)線引取一路6 kV電源作為備用電源，地表可以實現(xiàn)電源切換，供電電纜沿斜坡道下井，負責(zé)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(wù)。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(tǒng)的第二部分，6 kV雙路供電電源分別引自鋼聯(lián)路兩側(cè)高壓架空線路T接，地表設(shè)有雙路電源切換柜，供電主電纜沿進風(fēng)井下井，負責(zé)斜坡道-300 m變電所（變壓器1 000 kVA）和-325水泵房的供電任務(wù)。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(fēng)井供電系統(tǒng)：6 kV雙路供電電源分別引自鋼聯(lián)路兩側(cè)高壓架空線路T接，雙路供電主電纜沿進風(fēng)井下井，負責(zé)進風(fēng)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(wù)。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(yōu)化后的供電系統(tǒng)

經(jīng)過認真研究，對供電距離較長的斜坡道供電系統(tǒng)進行了優(yōu)化，但進風(fēng)井供電系統(tǒng)不變。6 kV雙路供電電源分別引自鋼聯(lián)路兩側(cè)高壓架空線路起始終端桿處T接，在回風(fēng)井地表設(shè)有雙路電源切換柜，供電主電纜沿回風(fēng)井下井，負責(zé)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(wù)。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(jīng)完工，取消斜坡道第一部分供電任務(wù)，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(wù)。

1.3 供電系統(tǒng)優(yōu)化后的效果

供電系統(tǒng)優(yōu)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(yōu)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(yōu)化至1 860 m，減少了2 550 m。

（1）終端電壓變化。原供電系統(tǒng)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(yōu)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(shè)備投資變化。優(yōu)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(shè)備效率與供電品質(zhì)的效果，同時減少了供電設(shè)備投資，降低了建設(shè)期施工成本。

2 施工設(shè)備選型優(yōu)化

在礦山井下開采過程中，礦井主提升機作為礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，肩負著礦石提升的任務(wù)，對礦山安全穩(wěn)定起著至關(guān)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(shè)備，對安全性、可靠性和調(diào)速性有著嚴(yán)格的要求，其中提升機電控系統(tǒng)的選擇發(fā)揮著重要作用。合理選擇電控系統(tǒng)，既可以保證主提升系統(tǒng)安全穩(wěn)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(jié)能型設(shè)備，提高施工用電效率。

（1）進風(fēng)井施工用主提升機電控系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)，其主要特點：提升機電控系統(tǒng)采用交流異步電動機拖動，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)，此種電氣傳動系統(tǒng)調(diào)速性能差，調(diào)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(jīng)濟；電氣傳動系統(tǒng)設(shè)備控制簡單、體積大，屬于有級調(diào)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(diào)速系統(tǒng)較落后。

（2）回風(fēng)井施工用主提升機電控系統(tǒng)采用直流調(diào)速系統(tǒng)，其主要特點：提升機電控系統(tǒng)采用直流電動機拖動，采用直流調(diào)速器實現(xiàn)調(diào)速，相比轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)，直流調(diào)速器體積小、重量輕，便于現(xiàn)場安裝使用。直流調(diào)速調(diào)速性能好，可以實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，調(diào)速范圍較寬，機械特性較硬，低速啟動轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)響應(yīng)迅速。直流調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點明顯，安全可靠性高，節(jié)約電能，運行經(jīng)濟穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛。

2.2 設(shè)備投資和耗電

在進風(fēng)井和回風(fēng)井2個豎井都施工到相同標(biāo)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(tǒng)下的不同能耗情況。

（1）進風(fēng)井主提升機。進風(fēng)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(fēng)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(fēng)井主提升機?；仫L(fēng)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(fēng)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(fēng)井和回風(fēng)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(fēng)井提升機耗電量除以系數(shù)1.3，得到提升巖石電力單耗18.58 kWh/m3；回風(fēng)井提升巖石電力單耗6.19 kWh/m3。

通過對2個提升系統(tǒng)耗電量比較得知，回風(fēng)井提升機采用直流調(diào)速電控系統(tǒng)提升，單位耗電量是進風(fēng)井提升機采用串電阻調(diào)速電控系統(tǒng)提升單位耗電量的1/3。因此，提升機采用直流調(diào)速電控系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，在以后的礦山建設(shè)期值得推廣使用。

3 礦山建設(shè)施工組織優(yōu)化

重點優(yōu)化排水系統(tǒng)，以降低排水電耗。

3.1 原排水系統(tǒng)

施工建設(shè)期原排水系統(tǒng)為分散排水，包括斜坡道排水系統(tǒng)、進風(fēng)井排水系統(tǒng)、主副井排水系統(tǒng)和回風(fēng)井排水系統(tǒng)，在項目建設(shè)過程中，各自承擔(dān)自己的排水任務(wù)，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(tǒng)與其他排水系統(tǒng)相對獨立，不能有效整合，這里不做優(yōu)化研究。

3.2 優(yōu)化后的排水系統(tǒng)

2018年6月暫停施工期間，將原分散的排水系統(tǒng)優(yōu)化為集中排水系統(tǒng)，重點對斜坡道排水系統(tǒng)和進風(fēng)井排水系統(tǒng)進行優(yōu)化。因進風(fēng)井與斜坡道在最低水平-425 m水平已經(jīng)貫通，停止了斜坡道排水系統(tǒng)，回風(fēng)井因完工而拆除原排水設(shè)施，井下涌水全部由進風(fēng)井-425 m泵站集中排出。

3.3 優(yōu)化效果

（1）節(jié)電。井下排水系統(tǒng)成本支出包括設(shè)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(tǒng)優(yōu)化前后進行經(jīng)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(tǒng)的斜坡道排水系統(tǒng)用電量4 254 011 kWh、進風(fēng)井排水系統(tǒng)用電量747 839 kWh，合計5 001 850 kWh；集中排水系統(tǒng)總用電量3 215 605 kWh。綜合比較節(jié)電1 786 245 kWh。

（2）節(jié)省設(shè)備維修費。斜坡道排水系統(tǒng)每年需要設(shè)備維修費用20萬元，進風(fēng)井排水系統(tǒng)每年需要設(shè)備維修費用25萬元，總計45萬元；排水系統(tǒng)優(yōu)化后，斜坡道排水系統(tǒng)停用，每年可以減少設(shè)備維修費用20萬元。

（3）節(jié)省人工費。斜坡道排水系統(tǒng)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(fēng)井排水系統(tǒng)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(tǒng)優(yōu)化后，斜坡道排水系統(tǒng)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(yōu)惠

（1）分時電價原則。根據(jù)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(qū)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(yè)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(yè)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(yè)電價為0.532 6元/kWh；低谷時段為每天22∶00—次日6∶00，工業(yè)電價0.335 6元/kWh。

（2）每天排水費用。施工建設(shè)期每天排水量為：190 m3/h×24 h/d=4 560 m3/d。主要排水設(shè)備為進風(fēng)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(zhí)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(zhí)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(yōu)化后每年節(jié)約排水電費572 004.7元/a。

5 經(jīng)濟效益

（1）通過對常峪鐵礦施工階段供電路徑進行優(yōu)化，重點對供電距離較長的斜坡道供電系統(tǒng)進行優(yōu)化，供電距離明顯減小，優(yōu)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(shè)備效率與供電品質(zhì)的效果，同時減少了供電設(shè)備投資76.775萬元。

（2）合理選擇礦井主提升機電控系統(tǒng)，既可以保證主提升系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，還可以有效降低用電成本。生產(chǎn)實踐表明，直流調(diào)速系統(tǒng)具有安全、節(jié)能、穩(wěn)定等優(yōu)點，回風(fēng)井提升機采用直流調(diào)速電控系統(tǒng)提升單位電耗僅為進風(fēng)井提升機采用串電阻調(diào)速電控系統(tǒng)提升單位電耗的1/3。

（3）將現(xiàn)場原分散排水系統(tǒng)優(yōu)化為集中排水系統(tǒng)，實現(xiàn)對斜坡道排水系統(tǒng)和進風(fēng)井排水系統(tǒng)的優(yōu)化整合，每年排水節(jié)電1 786 245 kWh；每年可以減少設(shè)備維修費用20萬元；每年可減少人工費用33.6萬元。

（4）根據(jù)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(qū)間，盡可能避峰填谷，施工建設(shè)期正常排水每年可以節(jié)省排水電費57.2萬元。

6 結(jié)語

結(jié)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(jié)約電力成本支出潛力，摸索出一系列節(jié)電技術(shù)措施，取得了較好的經(jīng)濟效益。這些節(jié)電技術(shù)的實施提高了施工設(shè)備用電效率，降低了礦山建設(shè)期用電費用支出，實現(xiàn)了礦山建設(shè)用電經(jīng)濟合理，值得其他類似礦山推廣應(yīng)用。