煤礦機電設備節(jié)能低碳路徑探索

摘" 要：本文以淮北礦業(yè)集團某煤礦為例，對壓風系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、通風系統(tǒng)的現(xiàn)狀和問題進行說明，據(jù)此提出有針對性的改進和優(yōu)化措施，為煤礦綠色低碳發(fā)展提供參考。

關鍵詞：壓風系統(tǒng)；提升系統(tǒng)；排水系統(tǒng)；通風系統(tǒng)

壓風系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、通風系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)過程中除開采系統(tǒng)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(tǒng)運行能效的高低，對煤礦單位產(chǎn)品能耗有著重要影響，是實現(xiàn)《煤炭井工開采單位產(chǎn)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(yè)集團現(xiàn)有生產(chǎn)礦井16對，在建礦井1對，年產(chǎn)商品煤約為2300萬噸，部分礦井投用時間較長，隨著時代的發(fā)展和技術的進步，最初設計的配套系統(tǒng)已逐漸落后，需要根據(jù)使用現(xiàn)狀，進行有針對性的優(yōu)化和改善。借助淮北礦業(yè)集團開展節(jié)能低碳發(fā)展管理路徑及具體實施措施研究的契機，以淮北礦業(yè)集團下屬某煤業(yè)為具體對象，提出相應的井工開采煤礦機電設備節(jié)能低碳路徑探索方向。

1.各系統(tǒng)使用現(xiàn)狀

1.1壓風系統(tǒng)現(xiàn)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?？諌簷C可以根據(jù)井下用氣量進行開啟臺數(shù)的調(diào)整，但無法做到實時調(diào)整供氣量，造成卸載情況經(jīng)常發(fā)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(yè)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?？諌簷C運行時的熱量經(jīng)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(tǒng)現(xiàn)狀

該煤礦現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)量存在一定的波動性，提升機無法一直處于經(jīng)濟運行區(qū)工作，影響了配套電機的運行效率。

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

1.3排水系統(tǒng)現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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(lián)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(tǒng)現(xiàn)狀

通風系統(tǒng)是維系井下員工安全的重要保障系統(tǒng)，由通風管網(wǎng)、巷道和通風機組成，依據(jù)井下工況需要，調(diào)節(jié)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(guī)風機設計過程中的管網(wǎng)管理阻力難以計算，因此，系統(tǒng)的最大風量和風壓裕度總是作為選擇的依據(jù)，而風機的型號和系列分類是有限的，在沒有精準參數(shù)供生產(chǎn)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(tǒng)運行的因素，導致其能耗偏高。

2.各系統(tǒng)改進思路

2.1壓風系統(tǒng)改進思路

（1）更新機組。采用新型變頻螺桿空壓機替代現(xiàn)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(jù)井下用氣量，實時調(diào)節(jié)，基本規(guī)避卸載情況，實現(xiàn)至少20%的節(jié)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(wǎng)。通過安裝智能電表、智能氣表采集用戶用氣規(guī)律和相關數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析自適應匹配空壓機和后處理設備最佳工況，實時動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)運行效率，可有效降低空壓機系統(tǒng)能耗，節(jié)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(xiàn)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(jié)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(xiàn)供熱功率約300 kW，完全可以替代外購蒸汽。

2.2提升系統(tǒng)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(fā)的永磁內(nèi)裝式礦井提升機與傳統(tǒng)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(nèi)裝式礦井提升機的機械效率高，電動機的轉(zhuǎn)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(xiàn)節(jié)能高效。由于省去了減速器、聯(lián)軸器、潤滑站等中間環(huán)節(jié)，整機效率可達95%以上，綜合節(jié)電比傳統(tǒng)提升機節(jié)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(shù)個兆瓦級別，完全能替代現(xiàn)有提升機，實現(xiàn)高效運行。

2.3排水系統(tǒng)改進思路

（1）水泵優(yōu)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(xiàn)的自平衡多級離心泵隨著技術不斷的成熟，已進入大規(guī)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(yōu)化。在滿足揚程和流量要求的情況時，在相同效率下，優(yōu)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(yōu)化。由于最初設計原因，管路采用直角聯(lián)接，沿程阻力系數(shù)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?？梢圆捎?5°管路聯(lián)接，定期清理管路積垢，降低排水管路損失，提高管路系統(tǒng)效率，降低工序能耗，達到節(jié)能的目的。如果積垢難以清理，造成排水系統(tǒng)效率降低，工序能耗過高，可把舊管更換為新管，根據(jù)經(jīng)驗，更換新管的費用可在一年內(nèi)通過節(jié)約的電費收回[2]。

2.4通風系統(tǒng)改進思路

（1）優(yōu)化葉輪結(jié)構(gòu)和進口形式，減小風機的阻力損失，提高風機的效率。

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

（3）引入智能控制系統(tǒng)，通過傳感器實時監(jiān)測井下環(huán)境的溫度、濕度、氣體濃度等參數(shù)，根據(jù)實時數(shù)據(jù)調(diào)整風機的運行狀態(tài)。

（4）建立完善的通風系統(tǒng)監(jiān)測與維護體系，定期對風機進行檢查和保養(yǎng)，及時發(fā)現(xiàn)并解決風機運行中的問題，保證通風系統(tǒng)的長期穩(wěn)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(yōu)化設計+智能控制”的方式，相較于傳統(tǒng)通風系統(tǒng)，能耗可降低20%以上，對于提升煤礦生產(chǎn)效率具有重要意義。

2.5配套建設能管平臺

能管平臺系統(tǒng)可以從全礦組織架構(gòu)、各生產(chǎn)環(huán)節(jié)、能耗設備角度，分別進行能源數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、計算，為管理人員提供能耗統(tǒng)計、能耗預警、同比/環(huán)比分析、能耗分析、對標分析、能流圖、能源看板、能源報表等業(yè)務功能模塊。另外，系統(tǒng)管理、信息設置、能源系統(tǒng)建模等系統(tǒng)功能模塊，可以幫助基層單位完成能源數(shù)據(jù)向集團平臺的報送工作，最終幫助企業(yè)實現(xiàn)能耗在線監(jiān)測、能源統(tǒng)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(yè)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(shù)據(jù)支撐。

壓風系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、通風系統(tǒng)非常適用于能管平臺，因為這4個用能系統(tǒng)面廣、線長，在一線人員數(shù)量緊張的情況下，借助能管平臺，可以更好地發(fā)現(xiàn)各系統(tǒng)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(fā)情況和發(fā)展變化趨勢，并通過數(shù)據(jù)分析結(jié)果判斷是否需要維護保養(yǎng)、淘汰更新、參數(shù)優(yōu)化等后續(xù)處理，還可已有針對性地對前文所述的節(jié)能措施實施效果加以驗證，也可以根據(jù)實際需要進行控制參數(shù)調(diào)整，查找過程中的其他問題。

3.結(jié)束語

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

參考文獻：

[1]李玉強、謝德凌。永磁內(nèi)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(tǒng)節(jié)能措施綜述[J].中州煤炭，2015，（10）：93-96.