周 游，劉 宇，艾 暢，趙汝輝

(1.煤炭科學(xué)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(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.中國(guó)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(jì)性和安全性等方面的優(yōu)勢(shì)使得其逐漸成為重要的煤炭開(kāi)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(xì)化到設(shè)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(wèn)題逐漸得到重視，能源審計(jì)工作得到了大規(guī)模推廣。通過(guò)開(kāi)展能源審計(jì)工作，企業(yè)能夠?qū)ψ陨淼哪芎那闆r有更為清晰的認(rèn)識(shí)，對(duì)自身的節(jié)能潛力有更為系統(tǒng)的分析。能源審計(jì)制度起源于19世紀(jì)末20世紀(jì)初的西方國(guó)家，基于企業(yè)內(nèi)部加強(qiáng)內(nèi)部控制的客觀需要而逐漸被構(gòu)建起來(lái)[8-10]。2006年國(guó)家能源局頒布了《關(guān)于印發(fā)千家企業(yè)節(jié)能行動(dòng)實(shí)施方案的通知》，被普遍認(rèn)為是我國(guó)能源審計(jì)的起點(diǎn)；國(guó)家發(fā)改委下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)企業(yè)能源審計(jì)報(bào)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(jì)已經(jīng)成為實(shí)施能源戰(zhàn)略的一項(xiàng)重要手段[11-13]。本文以?xún)?nèi)蒙古黑岱溝露天煤礦為例，通過(guò)能源審計(jì)對(duì)節(jié)能評(píng)估做出有益的探索，建立基于能源審計(jì)的露天煤礦節(jié)能評(píng)估模型，基于實(shí)地調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)露天煤礦各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行能耗分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出露天礦進(jìn)一步節(jié)能的潛在領(lǐng)域與相關(guān)建議，對(duì)于豐富能源審計(jì)在露天煤礦的應(yīng)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(yùn)輸、排土四個(gè)環(huán)節(jié)，以目前主要采用的單斗-卡車(chē)工藝為例，各環(huán)節(jié)中主要以機(jī)械設(shè)備對(duì)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(fèi)主要來(lái)源于穿爆和采裝環(huán)節(jié)的鉆機(jī)和電鏟；柴油消費(fèi)主要來(lái)源于運(yùn)輸和工務(wù)環(huán)節(jié)的自卸卡車(chē)和推土機(jī)；汽油消費(fèi)主要來(lái)源于輔助環(huán)節(jié)的指揮車(chē)。露天礦各環(huán)節(jié)的設(shè)備能耗類(lèi)別見(jiàn)表1。

表1 各環(huán)節(jié)的設(shè)備能耗類(lèi)別

2 能源消費(fèi)流向能耗分析體系

通過(guò)對(duì)的能源使用情況進(jìn)行基礎(chǔ)分析和調(diào)研，基于《綜合能耗計(jì)算通則》(GB/T 2589—2008)[21]，綜合能耗的計(jì)算方法見(jiàn)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(wù)活動(dòng)中消耗的第i種能源實(shí)物量；pi為第i種能源的折算系數(shù)，按能量的當(dāng)量值或能源等價(jià)值折算。

通過(guò)建立三級(jí)能耗指標(biāo)的方法對(duì)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗水平進(jìn)行進(jìn)一步的分析。其中，一級(jí)指標(biāo)為企業(yè)層面的綜合能耗，即原煤生產(chǎn)綜合能耗。二級(jí)指標(biāo)為工序?qū)用娴木C合能耗，包括穿孔設(shè)備綜合能耗、剝采設(shè)備綜合能耗、運(yùn)輸設(shè)備柴油單耗、以及輔助設(shè)備柴油單耗。三級(jí)指標(biāo)為設(shè)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(yùn)輸環(huán)節(jié)。其中采掘環(huán)節(jié)的指標(biāo)主要包括電鏟用電單耗，運(yùn)輸環(huán)節(jié)的指標(biāo)包括自卸卡車(chē)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(shè)備

穿爆環(huán)節(jié)包括穿孔和爆破兩個(gè)過(guò)程，運(yùn)行的主要設(shè)備包括DM-H鉆機(jī)2臺(tái)、DM-H2鉆機(jī)4臺(tái)、DM45鉆機(jī)3臺(tái)、CDM75鉆機(jī)2臺(tái)。

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

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

排土環(huán)節(jié)主要運(yùn)輸設(shè)備包括D11T履帶推土機(jī)14臺(tái)、D10N履帶推土機(jī)2臺(tái)、834B膠輪推土機(jī)3臺(tái)等。

輔助環(huán)節(jié)涵蓋煤炭開(kāi)采的其它輔助生產(chǎn)活動(dòng)，運(yùn)行的主要運(yùn)輸設(shè)備包括16G平路機(jī)8臺(tái)、24M平路機(jī)5臺(tái)、徐工平路機(jī)2臺(tái)、100T灑水車(chē)7臺(tái)、20T灑水車(chē)3臺(tái)等。其它設(shè)備包括壓路機(jī)、清洗車(chē)、清障車(chē)、履帶搬運(yùn)車(chē)、指揮調(diào)度車(chē)等。黑岱溝露天煤礦的設(shè)備清單見(jiàn)表2。

3.2 能耗計(jì)算及能源流向分析

基于《綜合能耗計(jì)算通則》(GB/T 2589—2008)，計(jì)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(wàn)kW·h，折標(biāo)準(zhǔn)煤10194.9t；汽油279.5t，折標(biāo)準(zhǔn)煤411.3t；柴油73154.0t，折標(biāo)準(zhǔn)煤106592.7t。為了更清晰的反映出能源在購(gòu)入、輸送分配和終端消耗之間的流向，運(yùn)用桑基圖繪制了黑岱溝露天煤礦的能源流向如圖1所示。桑基圖中延伸的分支的寬度對(duì)應(yīng)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(yīng)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(shè)備清單

圖1 能源流向

從能源的流向來(lái)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(yùn)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(duì)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(dāng)量值折標(biāo)準(zhǔn)煤量計(jì)算，在露天礦的各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，運(yùn)輸環(huán)節(jié)的能耗量最大，2017年共計(jì)消耗92055.7tce，占總能耗的比例高達(dá)78.5%，其中絕大部分來(lái)自于柴油。采裝環(huán)節(jié)的總能耗量為10356.4tce，其中78.5%來(lái)源于電力、20.9%來(lái)源于柴油。穿爆環(huán)節(jié)的總能耗量為2658.5tce，其中72.5%來(lái)源于電力、26%來(lái)源于柴油。排土及其它各類(lèi)輔助環(huán)節(jié)的總能耗為12128.4tce，其中97%來(lái)源于柴油，汽油及電力的占比僅為1.9%和1.1%。

通過(guò)對(duì)露天煤礦統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，計(jì)算2017年的各類(lèi)指標(biāo)數(shù)值，見(jiàn)表3。

表3 能耗指標(biāo)匯總表

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

1)運(yùn)輸環(huán)節(jié)中自卸卡車(chē)的柴油消費(fèi)是露天礦生產(chǎn)過(guò)程中最主要的耗能環(huán)節(jié)，各種類(lèi)型的卡車(chē)均呈現(xiàn)一個(gè)規(guī)律，即設(shè)備的年運(yùn)輸量越高，其年均柴油單耗越低。

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

3)電鏟并未配備獨(dú)立電表，在生產(chǎn)過(guò)程中就近選擇電站進(jìn)行充電，因此無(wú)法通過(guò)坑下電站的電表數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，因此在進(jìn)行電鏟能耗優(yōu)化模型與實(shí)測(cè)分析。

4 電鏟能耗優(yōu)化模型與實(shí)測(cè)分析

4.1 電鏟能耗優(yōu)化模型及統(tǒng)計(jì)測(cè)算

由于上述電鏟并未配備獨(dú)立電表，在生產(chǎn)過(guò)程中就近選擇電站進(jìn)行充電，因此無(wú)法通過(guò)坑下電站的電表數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，依據(jù)各設(shè)備歷史采剝量及電鏟總電耗數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)籌學(xué)優(yōu)化方法對(duì)各型號(hào)電鏟的電耗進(jìn)行了測(cè)算。

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

上述優(yōu)化模型的目標(biāo)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(lèi)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(lèi)電鏟的采剝量；xi為決策變量，代表各類(lèi)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(cè)算殘差之和為零，保證各類(lèi)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(lèi)電鏟的單耗值大于其理論值Pi。模型通過(guò)專(zhuān)業(yè)優(yōu)化軟件GAMS進(jìn)行求解，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各型號(hào)電鏟單耗測(cè)算值與技術(shù)參數(shù)

395B、PH2800和WK-20、WK-35、WK-55型號(hào)的電鏟單耗測(cè)算值分別為0.4599、0.5188、0.4382、0.3698kWh/m3。由于PH2800和WK-20型號(hào)相近，因此在計(jì)算中將其視為同一型號(hào)。各類(lèi)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(shí)測(cè)分析

在現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)外裝電表方法，分別對(duì)WK-55、WK-35、WK-20、395B電鏟作實(shí)測(cè)分析，礦用電鏟均設(shè)置互感器變比分別為CT：400/5、PT：6000/100，本次測(cè)試在電鏟采掘工作前完成設(shè)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(cè)試期間的電壓電流及功率波形可看出，電鏟在作業(yè)時(shí)部分時(shí)間處于待機(jī)或在推卸石塊和煤炭狀態(tài)，此部分能耗導(dǎo)致電鏟整體能耗有所變化，幾種型號(hào)電鏟實(shí)測(cè)能耗見(jiàn)表5。

由于工況復(fù)雜，設(shè)備工作條件存在較大區(qū)別，電鏟的單耗測(cè)算值與實(shí)測(cè)值存在一定的偏差，但測(cè)算的年平均單耗與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值之間基本吻合。

由此可見(jiàn)，建立的電鏟能耗優(yōu)化模型基本能夠真實(shí)反映露天礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的電鏟能耗情況，對(duì)于沒(méi)有對(duì)電鏟配備獨(dú)立電表的露天煤礦，在沒(méi)有條件進(jìn)行實(shí)測(cè)的情況下，可以使用建立的電鏟能耗優(yōu)化模型來(lái)模擬計(jì)算電鏟能耗。同理，其他用電設(shè)備也可以用此模型進(jìn)行估算，這對(duì)于露天煤礦摸清用電設(shè)備能耗有積極意義。

5 節(jié)能對(duì)策

5.1 建立能源監(jiān)測(cè)體系

露天礦的能源監(jiān)測(cè)控制管理系統(tǒng)普遍較為匱乏。從國(guó)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，露天礦能源監(jiān)測(cè)控制管理系統(tǒng)在節(jié)能降耗方面所起的作用越來(lái)越引起人們的重視。通過(guò)系統(tǒng)分析研究，可及時(shí)掌握露天礦生產(chǎn)過(guò)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(guò)程用能效率，找出高耗能環(huán)節(jié)及系統(tǒng)存在的問(wèn)題并加以改造，其效果要好于事后進(jìn)行能耗診斷。

圖2 WK-55電鏟相電壓、相電流趨勢(shì)圖

表5 電鏟實(shí)測(cè)能耗數(shù)據(jù)表

其次，大型能耗設(shè)備是露天礦能耗的主要組成部分，對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)能耗計(jì)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(shè)備包括電鏟、吊斗鏟、卡車(chē)、推土機(jī)、鉆機(jī)等。由于工況和季節(jié)等因素，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果相對(duì)片面，難以反映設(shè)備運(yùn)行一年的平均水平。相比而言，為大型設(shè)備安裝單獨(dú)的能耗計(jì)量?jī)x器在準(zhǔn)確性方面更具優(yōu)勢(shì)。

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(chē)的柴油單耗。自卸卡車(chē)載重利用系數(shù)越大，效率越高，單位能耗越低。830E和SF33900型號(hào)的卡車(chē)柴油單耗較高，需要對(duì)其使用模式和車(chē)輛狀態(tài)進(jìn)行核查。從2017年的能耗分析結(jié)果中也可看出，卡車(chē)的年運(yùn)輸量越高，年均柴油單耗越低。據(jù)測(cè)算，在其它生產(chǎn)不變的情況下，只要運(yùn)輸卡車(chē)的柴油單耗相比于2017年水平降低9.1%，即達(dá)到0.1454kg/(m3·km)，整體的噸原煤生產(chǎn)綜合能耗便能達(dá)到3.2kgce/t以下。

其次是對(duì)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(yuǎn)低于以柴油為燃料的L1350、992G裝載機(jī)和反鏟。采用電力驅(qū)動(dòng)采剝?cè)O(shè)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(dá)到47gce/m3的國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，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。可以采用“抓重點(diǎn)”的策略對(duì)上述兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行能耗管理，即對(duì)能耗占比最高的重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，例如DM-H2鉆機(jī)、D11T型號(hào)推土機(jī)、100T灑水車(chē)等。

6 結(jié) 論

1)大型能耗設(shè)備是露天礦能耗的主要組成部分，對(duì)其進(jìn)行單機(jī)能耗計(jì)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(duì)于電鏟等設(shè)備沒(méi)有安裝獨(dú)立電表的煤礦，可以采用能耗優(yōu)化模型對(duì)于電耗進(jìn)行估算，估算結(jié)果對(duì)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(yùn)輸環(huán)節(jié)的能耗量最大，占總能耗的比例高達(dá)78.5%，其中絕大部分來(lái)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(lái)源于電力，節(jié)能潛力較大。

3)優(yōu)化卡車(chē)運(yùn)輸路線(xiàn)、減少卡車(chē)等待時(shí)間是露天礦節(jié)能的最主要方式，且各種類(lèi)型的卡車(chē)，其設(shè)備的年運(yùn)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(chē)的柴油單耗。因此，在選擇露天煤礦開(kāi)拓運(yùn)輸方案時(shí)應(yīng)對(duì)其能耗進(jìn)行分析，經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。新能源礦用卡車(chē)具有環(huán)保無(wú)廢氣排放、節(jié)能效果好，值得在露天礦進(jìn)行推廣。

4)采剝工程設(shè)計(jì)應(yīng)把能耗指標(biāo)作為方案綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)必選的主要因素，大型采掘設(shè)備不宜空載行走，需要消耗大量的能源。單斗挖掘機(jī)采用雙面裝車(chē)，可減少移動(dòng)、提高效率。電鏟在提升、推壓、回轉(zhuǎn)、行走各種運(yùn)行工況下，存在部分電能消耗，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電鏟能耗監(jiān)測(cè)，改善作業(yè)不良習(xí)慣。