// Электрика. 2006. 6. С.3-7.

 

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЭНЕРГОКОНТРОЛЯ ПРОЦЕССОВ ПОДЗЕМНОЙ

УГЛЕДОБЫЧИ

Г.Г. Пивняк, В.Т. Заика, В.В. Самойленко

Национальный горный университет (Украина)

 

Состояние проектирования и эксплуатации электроэнергетического комплекса угольных шахт в последние десятилетия стало критическим по ряду показателей [1]. Электрические нагрузки, от которых зависят капиталовложения в систему электроснабжения шахты (в зависимости от уровня распределения электроэнергии), определяются с завышением 30–135 %. Удельный расход электроэнергии на добычу угля, несмотря на внедрение более мощной и высокопроизводительной горной техники, растёт, и тенденция эта устойчива. В среднем по отрасли в период спада производства он достиг 135 и 105 кВтч/т (соответственно в 1997 и 2000 гг.), а доля электроэнергии в себестоимости добычи угля, в зависимости от угледобывающего региона, выросла до 7–21 % (2000 г.).

Поэтому с научной и практической точек зрения важными для эффективного энергообеспечения шахт являются следующие задачи:

•определение фактического потенциала ресурсо- и электросбережения;

•выявление взаимосвязей между технологическими и энергетическими параметрами горной техники;

•разработка методов и технических средств для энергоконтроля основных процессов угледобычи.

Целью решения перечисленных задач является научное обоснование методов и технических решений для повышения энергоэффективности мощных комплексов и установок на подземных горных работах.

Потенциал электросбережения. В общем случае уровень энергоиспользования горной техники характеризуется удельным расходом электроэнергии.

По результатам обработки и анализа экспериментальных данных, которые получены в масштабном эксперименте на шахтах Западного Донбасса, установлено следующее:

•из-за завышения расчетных электрических нагрузок у 60 % передвижных подстанций (КТПВ) добычных и подготовительных участков коэффициенты загрузки не превышают 50 % (рис. 1), сечения питающих их кабельных линий завышены по нагреву на 2–4 ступени, по экономической плотности тока и термическому действию токов КЗ – на 1–4 ступени, а по механической прочности – на 1–3 ступени. Поэтому сечение прокладываемых до КТПВ кабелей с числом до двух на линию можно принимать равным минимально допустимому по механической прочности, а у 60 % комплексно-механизированных лав снизить мощность подстанций в среднем на 120–150 кВА [2];

•при применении узкозахватных комбайнов увеличение скорости подачи на 1 % приводит к снижению удельных затрат электроэнергии в среднем на 0,440,67 %, а реальные для исследованных условий резервы электросбережения составляют 1319 % на комплексно-механизированную лаву;

работа проходческих комплексов на суточном интервале носит, в основном, нерегулярный характер. При этом на проветривание и холостой ход конвейеров тратится в 3,5–6 раз больше электроэнергии, чем на выполнение основных операций – разрушение горного массива комбайном и доставку горной массы к погрузочному пункту.

Значительны резервы экономии электроэнергии и на шахтном транспорте. Удельные затраты на транспортировку угля участковыми конвейерами из спаренных лав на 2530 % меньше, чем из одиночных (у них выше погонная нагрузка), практически отсутствует работа на холостом ходу (см. рис. 1). Потребление электроэнергии магистральными конвейерами при работе вхолостую достигает 7590 % от общего потребления электроэнергии на транспортирование, а резервы повышения их энергоэффективности лежат в границах 1257 % относительно минимально достигнутого уровня энергозатрат, что в пересчёте на годовой расход электроэнергии шахты с производственной мощностью 1,01,2 млн т угля в год составляет примерно 34 %.

Весомый потенциал энергосбережения имеют энергоёмкие стационарные установки (вентиляционные, подъёмные, водоотливные), где резерв составляет 2,5–10 % [3].

Полученные результаты показывают, что одинаковые по назначению горные машины и комплексы при работе даже в подобных условиях различаются по уровню энергоиспользования: каждый комплекс и установку, с точки зрения электропотребления, необходимо рассматривать не как среднестатистические, а как уникальные объекты и для них адаптировать соответствующие модели и энергосберегающие мероприятия.

Модели для оперативного контроля уровня энергоиспользования горных машин и установок. В проблеме энергосбережения наиболее актуальна задача снижения затрат электроэнергии (ЭЭ) на выполнение основных технологических процессов, работ и операций. Для шахты особое значение имеет информация об удельных затратах ЭЭ энергоёмких агрегатов, комплексов и технологических звеньев при подземной угледобыче.

Удельные затраты электроэнергии могут быть рассчитаны практически для любой горной машины и установки по известным аналитическим зависимостям. Основной их недостаток – низкая точность из-за неопределённости в выборе значений некоторых коэффициентов, которые непостоянны, не контролируются и сложно измеряются в условиях эксплуатации. Поэтому для оперативного энергоконтроля предложено использовать регрессионные модели, которые обеспечивают простоту учёта основных факторов и возможность систематического уточнения коэффициентов моделей при изменении условий эксплуатации. Для их построения использованы результаты промышленного эксперимента.

Учитывая вид теоретической зависимости между удельными затратами электроэнергии w и технологическими параметрами х (скоростью подачи комбайна v, грузопотоком , суточным подвиганием забоя ∆L, часовой скоростью проходки Vк и др.), а также фактическое расположение опытных точек в соответствующих координатных осях, например, для конвейеров – в осях "wD" (рис. 2), регрессионные модели будем строить в виде дробно-линейных функций гиперболического типа:

.                                                            (1)

Предлагаемая модель универсальна, так как различными являются лишь её коэффициенты, которые зависят от типа горной машины и конкретных условий эксплуатации.

В ходе исследований подтверждено также положение, что подобранные модели адекватно (с уровнем доверительной вероятности 0,95 и выше) отражают те закономерности, которые реально существуют и выявлены в процессе исследований; дают результаты с приемлемой для целей электросбережения точностью. Так, для средних значений скорости подачи комбайнов погрешность определения удельных затрат электроэнергии (при принятой доверительной вероятности р=0,95) не превысит 4,6 %; для проходческих комплексов – 12,2 %, а для моделей конвейерных установок – 5,8 %. Для крайних значений диапазона исследованных параметров (худший случай) границы погрешности увеличиваются примерно вдвое.

Разработанные модели позволяют оценить уровень энергопотребления и резервы энергосбережения при выполнении отдельных технологических операций и по шахте в целом.

Учитывая, что технологические параметры – величины непрерывные, фактический объём потреблённой электроэнергии необходимо определять с учетом соответствующей вероятности появления того или иного уровня параметра за исследуемый период. Примем, что распределение технологических параметров и зависящих от них удельных затрат электроэнергии близко к нормальному закону (см. рис. 2). Тогда, используя математическое ожидание

                                                 (2)

параметра  и модель вида (1), фактический объём электроэнергии, потреблённой агрегатом, комплексом или технологическим звеном за период времени Т, определим из выражения:

,                                                  (3)

где Т – расчётный период времени; xmin, xmax – границы изменения технологического параметра за расчётный период; w(x) – модель, используемая для контроля удельных затрат электроэнергии; f(x) – дифференциальная функция распределения параметра x.

Разница между фактическим Wф и минимальным Wmin расходами электроэнергии и будет той величиной, на которую может быть снижено электропотребление в результате осуществления энергосберегающих мероприятий.

Мониторинг и управление уровнем электроиспользования возможны на основе контроля энергетических показателей (обычно – удельных затрат). Суть процедуры заключается в сопоставлении текущего значения показателя удельного расхода электроэнергии с установленными для данных условий значениями. Последние, в случае применения регрессионных моделей, ограничены соответствующими доверительными границами, например, для индивидуальных значений, когда контроль за сутки ведут по единичному усреднённому замеру.

Полученное контрольное значение удельного расхода электроэнергии оценивают по попаданию в доверительный интервал:

,                                                     (4)

где  – среднеквадратичное отклонение индивидуальных значений ;  – квантили Т-распределения Стьюдента.

Если значение показателя попадает в доверительный интервал, то в пределах гауссового разброса параметров можно судить, что данный объект потребляет электроэнергию нормально для существующих условий эксплуатации; если же находится выше верхней границы доверительного интервала – на соответствующем объекте имеет место повышенное потребление электроэнергии, и необходимо осуществление соответствующих управляющих воздействий.

Технические средства энергоконтроля. Созданные модели в комплексе с техническими и технологическими решениями (коррекцией уставок в задающих устройствах скорости подачи локальных систем автоматического управления горных машин, регулированием скорости движения ленты магистральных конвейеров, применением промежуточных автоматизированных бункеров и др.) в состоянии обеспечить управление энергетической эффективностью лишь при наличии на шахте технических средств энергетического мониторинга. Большая численность точек контроля на шахте (от 50 до 120 и более) предопределяет иерархическую структуру построения средств энергоконтроля (рис. 3).

Для обеспечения необходимой "глубины" энергетического контроля измерения нужно выполнять в характерных узловых точках системы подземного электроснабжения: на присоединениях напряжением 0,38–1,14 (в ближайшей перспективе – 3 кВ) к мощным электроприёмникам (100 кВт и выше); в узлах с трансформаторными подстанциями (КТПВ) и на высоковольтных присоединениях (КРУ). Исследования показали, что в подземных электрических сетях необходимую "глубину" контроля потоков электроэнергии можно обеспечить с помощью принципиально нового метода – имитации схем подключения трансформаторов тока (ТА) и напряжения (ТV) с помощью формирования дискретных вычислительных моделей, включая преобразование фаз векторов контролируемых напряжения и тока [4].

Применение нового метода определения базовых величин во всех узловых точках системы подземного электроснабжения перспективно, так как создаются предпосылки для разработки средств контроля со сниженным собственным энергопотреблением, минимальными массогабаритными и удовлетворительными метрологическими показателями. Анализ показывает, что применение нового метода снижает погрешность измерений и вычисления контролируемых параметров: в узлах с КРУ – до 2,2 %, в узлах с КТПВ – до 3,6 %, а для низковольтных присоединений – до 1,7 %.

Полученные результаты стали основой для обоснования параметров и разработки функциональных блоков и программного обеспечения современных средств энергоконтроля и управления. Они должны выполнять учёт расхода электроэнергии, контроль загрузки электрооборудования и норм расхода электроэнергии, поддерживать диспетчерское управление процессом электропотребления шахты. Система должна также диагностировать правильность подключения вторичных датчиков, а также схем коммутации ТА и ТV в электросетевом оборудовании.

Эффективность применения технических средств. Длительные промышленные испытания на шахте им. Н.И. Сташкова ГХК "Павлоградуголь" прототипа предлагаемых средств (система КТС СОЭ) подтвердили экономическую целесообразность применения подобных систем для организации энергетического контроля на подземных горных работах. Так, для условий Западного Донбасса наличие на шахтах достоверной и оперативной информации о режимах электропотребления, загрузке элементов системы подземного электроснабжения, удельных затратах ЭЭ горных машин и установок позволяет снизить следующие затратные слагаемые на добычу угля:

• расход электроэнергии – на 3–4,5 % (за счёт снижения непроизводительных потерь электроэнергии на подземных горных работах);

максимум активной мощности шахты на 515 % (за счёт отключения и выравнивания графиков работы энергоёмких установок);

мощность трансформаторных подстанций в среднем на 120150 кВА (в расчёте на комплексно-механизированную лаву с нагрузкой до 1000 т/сутки);

сечение жил высоковольтных кабелей (из меди) к передвижным подстанциям на однудве ступени;

длительность перерывов в электроснабжении на 3050 ч в год.

Список литературы

1. Пивняк Г.Г., Разумный Ю.Т., Заика В.Т. Энергетическая безопасность угольных шахт Украины// Уголь Украины. 2000. № 5. С. 9–12.

2. Півняк Г.Г., Заїка В.Т. Експериментальні дослідження завантаженості електромережного обладнання з метою підвищення ефективності систем підземного електропостачання // Вісник ВТУ. Вінниця. 1999. № 6. С. 26–32.

3. Закиров Д.Г. Концептуальные основы энергосбережения в угольной промышленности России // Уголь. 2000. № 4. С. 1316.

4. Пивняк Г.Г., Заика В.Т., Разумный Ю.Т., Рыбалко А.Я. Цифровая обработка информации для контроля энергоиспользования горных машин и комплексов с программной имитацией схем включения первичных преобразователей // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук.-техн. зб. 2000. Вип. 65. С. 27–31.

5. Пивняк Г.Г., Ткачев В.В., Заика В.Т., Шишацкий А.А., Надточий В.В., Разумный Ю.Т. Система учета и контроля расхода электроэнергии для угольных шахт // Промышленная энергетика. 1992. № 7. С. 1921.



 Рис. 1. Графики электрических нагрузок ряда комплексов и установок:

1 активная мощность; 2 – реактивная мощность


Рис. 2. Модель удельных затрат электроэнергии на транспортирование (а) и гистограмма

распределения, совмещённая с кривой нормальной плотности вероятностей (б):

1 – кривые регрессии; 2 – опытные точки; 3, 4 – 95 %-ные доверительные границы соответственно для средних и индивидуальных прогнозируемых значений удельного расхода электроэнергии

 

Рис. 3. Структурная схема территориально-распределённой системы энергоконтроля и управления КРУ:

АС – четырёхканальный активный адаптер связи; ЛС1, ЛС2; РЛС; ЛЛС – соответственно основные,

ретрансляционные и локальные линии связи; УК-6, КРУВ-6 – высоковольтные комплектные шкафы;

ИК1…ИКN – индивидуальные микроконтроллеры