劉海鋒

（國家能源集團(tuán)神華準(zhǔn)格爾能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

目前在民用領(lǐng)域，“能效”的概念多用于制冷、制熱、家用電器、節(jié)能燈具、電子辦公用品、芯片以及計(jì)算機(jī)等眾多領(lǐng)域，并逐步形成越與人類日常生活息息相關(guān)的能耗領(lǐng)域，越注重能效標(biāo)準(zhǔn)的趨勢[1]。該趨勢不僅體現(xiàn)人民大眾對(duì)節(jié)能意識(shí)的提升，還標(biāo)志著國家對(duì)節(jié)能管理、節(jié)能技術(shù)以及提高能源效率等方面重視程度的提升。而在能源、工業(yè)等領(lǐng)域，國務(wù)院發(fā)布的《新時(shí)代的中國能源發(fā)展》白皮書，明確了“二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的奮斗目標(biāo)[2]。從未來企業(yè)開展智能化建設(shè)、長足性可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃的角度來講，“碳達(dá)峰”將是基礎(chǔ)，“碳中和”必是約束，從長期平衡角度來看，二者又互為制約關(guān)系，而最終的“零排放”才是企業(yè)力爭實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵性硬指標(biāo)。

1 基于“雙碳”行動(dòng)的煤礦智能化建設(shè)

針對(duì)煤礦企業(yè)在未來近10 年的“碳達(dá)峰”發(fā)展進(jìn)程中，企業(yè)能源利用效率高、產(chǎn)出的效益大，即在其綜合能效較高的情形下，就可能在“碳達(dá)峰”改革浪潮中具有充足的市場競爭力，才能積累出后期實(shí)施“碳中和”的雄厚資本；在“碳達(dá)峰”后30 年“碳中和”的進(jìn)程中，一方面是持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)線，進(jìn)一步節(jié)能降耗，另一方面是利用企業(yè)積累的雄厚資本加強(qiáng)探索碳匯聚、碳捕集技術(shù)應(yīng)用，逐步實(shí)現(xiàn)“零排放”目標(biāo)；縱觀企業(yè)未來近40 年“從峰至零”的整體過程，前10 年“碳達(dá)峰”的歷程至關(guān)重要，不但要在追求企業(yè)效益和快速發(fā)展的過程中充分謀劃后期治理的可行性方案，還要充分平衡效益與治理投入之間的關(guān)系，使企業(yè)處于一個(gè)科學(xué)合理、可持續(xù)發(fā)展的態(tài)勢。

當(dāng)下，國內(nèi)眾多工業(yè)領(lǐng)域，包含煤炭企業(yè)均在積極響應(yīng)國家號(hào)召，持續(xù)推進(jìn)智能化建設(shè)新征程。而在智能化發(fā)展過程中，應(yīng)該重點(diǎn)考慮以下幾方面的內(nèi)容：①結(jié)合“碳中和”目標(biāo)綜合形成較低水平“碳達(dá)峰”方案，充分考慮后期治理能力，做到謹(jǐn)慎擴(kuò)大經(jīng)營決策[3]；②要充分開發(fā)好、利用好現(xiàn)有產(chǎn)能，利用企業(yè)智能化升級(jí)的契機(jī)，做好提質(zhì)、降本、增效工程，不斷向安全、科技和管理要效益；③不斷探索前沿技術(shù)，充分評(píng)估做好循環(huán)產(chǎn)業(yè)，減少工業(yè)廢棄物的形成，盡最大限度開發(fā)利用大自然的回饋，進(jìn)一步為企業(yè)創(chuàng)收增效；④充分考慮企業(yè)能效控制的最優(yōu)方案，使得能夠在“碳達(dá)峰”后，利用有限的能源產(chǎn)出更多的效益，為“零排放”的最終目標(biāo)貢獻(xiàn)節(jié)能降耗指標(biāo)，并賺取碳治理的雄厚資本[4]。

2 企業(yè)綜合能效提升治理

在積極響應(yīng)新時(shí)代能源高質(zhì)量發(fā)展、推動(dòng)能源消費(fèi)革命的基礎(chǔ)上，既有規(guī)模型煤礦企業(yè)在面臨智能化升級(jí)改造時(shí)，不但要考慮單臺(tái)套設(shè)備或系統(tǒng)的能效提升，還要充分考慮整個(gè)工藝鏈條的綜合能效提升[5]，從而才能抑制不合理能源消費(fèi)、提升企業(yè)效益、為碳中和貢獻(xiàn)節(jié)能降耗指標(biāo)。

2.1 獨(dú)立生產(chǎn)單元能效及其改進(jìn)分析

獨(dú)立生產(chǎn)單元是指可獨(dú)立完成產(chǎn)品加工過程中某一道特定工序的設(shè)備或設(shè)備機(jī)群。在智能化改造過程中，以定制科研形式使其做到無人工干預(yù)的自主決策運(yùn)行，但自主決策的方向多數(shù)考慮的是其生產(chǎn)工藝控制參數(shù)的精準(zhǔn)自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)、與上下游設(shè)備或物料的可靠匹配銜接、設(shè)備或系統(tǒng)本身的智能運(yùn)維等。而在建設(shè)過程中就缺乏或個(gè)別缺乏了能效管控措施，即使存在也僅限于生產(chǎn)過程參數(shù)波動(dòng)調(diào)節(jié)，或停機(jī)、降速等淺顯措施。究其原因，大多數(shù)工礦企業(yè)均為設(shè)備應(yīng)用型企業(yè)，在原有的社會(huì)大環(huán)境下，均是以抓安全、抓發(fā)展、抓產(chǎn)能來促效益，但在碳達(dá)峰、碳中和的概念提出以后，顯然其站位和意識(shí)就有待于提升，智能化的節(jié)能降耗技術(shù)路線就有待于進(jìn)一步改進(jìn)。在整個(gè)智能化升級(jí)的浪潮中，為了前瞻性的考慮碳中和措施，進(jìn)一步做好節(jié)能降耗，做好獨(dú)立生產(chǎn)單元的效能分析工作，就顯得尤為重要和迫切。

2.1.1 獨(dú)立生產(chǎn)單元的運(yùn)行狀態(tài)及能效分析

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)模擬圖如圖1。

圖1 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)模擬圖

1）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維中，設(shè)備選型是按照運(yùn)行阻力變化等影響因素、帶載故障停機(jī)后的重載啟車能力等情形，來綜合進(jìn)行設(shè)計(jì)選型配套驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致大部分設(shè)備在日常使用過程中存在“大馬拉小車”情形。

2）在實(shí)際生產(chǎn)過程中，受上下游設(shè)備能力及工藝銜接的匹配程度、設(shè)備本身狀態(tài)、上下游設(shè)備狀態(tài)、被動(dòng)受料情況及其它現(xiàn)實(shí)因素的制約，能夠長期保持在額定載荷區(qū)間運(yùn)行的設(shè)備可謂是鳳毛麟角，如圖1 中A 情形，大多數(shù)礦山設(shè)備的實(shí)際產(chǎn)能都低于其額定產(chǎn)能，且其實(shí)際運(yùn)行區(qū)間也有可能并非是其最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行區(qū)間。

3）存在個(gè)別設(shè)備處于額定載荷附近運(yùn)行，但有可能其額定載荷運(yùn)行區(qū)間也并不是其能效比較高的最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間，如圖1 中B 情形。

以上現(xiàn)實(shí)問題，造成了能源利用率的降低或設(shè)備運(yùn)行效率低下，總體衡量即設(shè)備的能效比低、經(jīng)濟(jì)性差，在節(jié)能降耗方面有待提升的空間較大。當(dāng)然既有設(shè)備也不能破壞原有設(shè)計(jì)的初衷，重載啟車的能力依然還需具備，故想在能效管控方面有所建樹，就必須從日常設(shè)備控制方式、使用管理上下功夫，找到設(shè)備能耗和效率之間的曲線關(guān)系、效率與設(shè)備磨損等方面的曲線關(guān)系，綜合設(shè)備整體性能，努力提升其能效。這項(xiàng)工作如若做到實(shí)處，不但能提升設(shè)備的能效，而且也符合科學(xué)決策的整體預(yù)期。因此，礦山企業(yè)針對(duì)類似設(shè)備提前開展能效比研究工作，將會(huì)對(duì)日后碳中和貢獻(xiàn)節(jié)能降耗指標(biāo)奠定一定的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.1.2 獨(dú)立生產(chǎn)單元的能效改進(jìn)分析

1）在分析出設(shè)備能效比最優(yōu)運(yùn)行區(qū)間后，針對(duì)能效比設(shè)計(jì)較為合理的設(shè)備，可通過變更原有慣式調(diào)度運(yùn)營模式的方式，對(duì)原有的等料空載運(yùn)行、邊等料邊生產(chǎn)的欠效率運(yùn)行、滿負(fù)荷集中時(shí)段生產(chǎn)等情形進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)整優(yōu)化，使其運(yùn)行方式回歸至效能比最優(yōu)的合理運(yùn)行區(qū)間。同時(shí)，還可利用該效能比來作為智能決策依據(jù)，為智能調(diào)度提供科學(xué)生產(chǎn)排程的優(yōu)化方案。

2）針對(duì)圖1 中B 情形，即能效比不合理的設(shè)備。該類設(shè)備就要深究其設(shè)備機(jī)理，找到制約其能效比不合理的根本癥結(jié)所在，分析其是否存在設(shè)備的選型或設(shè)計(jì)產(chǎn)能缺陷、淘汰落后產(chǎn)能、老舊設(shè)備性能下降嚴(yán)重等情形。因此效能比研究工作還是一個(gè)設(shè)備體檢的過程，通過設(shè)備體檢達(dá)標(biāo)后，再做相關(guān)智能化升級(jí)更將科學(xué)有效，可避免日后的重復(fù)投資，為企業(yè)科學(xué)決策提供依據(jù)。

3）針對(duì)現(xiàn)場工況所需，對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行范圍要求較寬的特殊設(shè)備或工藝環(huán)節(jié)，若想實(shí)現(xiàn)高能效比，就得有針對(duì)性的對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)進(jìn)行節(jié)能控制改造，如負(fù)責(zé)原煤運(yùn)輸?shù)拈L距離膠帶運(yùn)輸機(jī)群、不存在緩存的實(shí)時(shí)棄料膠帶運(yùn)輸機(jī)等類似設(shè)備，該類型設(shè)備就可利用變頻、永磁等智能調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其任意運(yùn)行區(qū)間能效最優(yōu)。

4）針對(duì)露天離散分布運(yùn)行方式的單機(jī)裝備，如電鏟、卡車、輔助工程設(shè)備等，該類型設(shè)備在整個(gè)生產(chǎn)工藝鏈的實(shí)際生產(chǎn)中，其設(shè)備本身呈現(xiàn)單機(jī)作戰(zhàn)自成系統(tǒng)的現(xiàn)狀。因此，該類設(shè)備的能效比測算工作更具有現(xiàn)實(shí)意義。以卡車為例，綜合車阻、運(yùn)量、運(yùn)距、車速、輪胎及燃油的消耗等指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)其對(duì)應(yīng)現(xiàn)實(shí)工況及載荷的最優(yōu)車速或油耗精準(zhǔn)控制（即找到其能效最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間），至關(guān)重要。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)實(shí)工況也可反向?qū)崟r(shí)測算單車載荷控制、合理編組卡車數(shù)量等，因此這也是合理安排產(chǎn)能和科學(xué)編組的重要依據(jù)。

2.2 全鏈條的能效銜接管理

2.2.1 能效銜接分析

綜合整個(gè)工藝鏈條能效最優(yōu)方案的設(shè)備運(yùn)行方式意圖如圖2。

圖2 綜合整個(gè)工藝鏈條能效最優(yōu)方案的設(shè)備運(yùn)行方式意圖

在單機(jī)能效分析完成以后，即可貫穿整個(gè)生產(chǎn)工藝流程，系統(tǒng)全面、科學(xué)有效的對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工藝進(jìn)行效能評(píng)判[6]。以評(píng)判結(jié)果為依據(jù)，來進(jìn)一步改造設(shè)備性能或消除能效短板、優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度排程及提升管理效能，從而可使得整個(gè)生產(chǎn)工藝鏈條的能效銜接趨近于能效管控的理想狀態(tài)，將用于生產(chǎn)的綜合能效做到最優(yōu)。

2.2.2 全鏈條的能效改進(jìn)分析

在一個(gè)龐大生產(chǎn)體量、工藝環(huán)節(jié)較為復(fù)雜、鏈條較長的生產(chǎn)系統(tǒng)中，因各環(huán)節(jié)的工作量、工作目標(biāo)、工作制式等現(xiàn)實(shí)因素的不同，致使其能效銜接在諸多方面均不同程度的出現(xiàn)了與期望度差異較大的現(xiàn)象。整個(gè)工藝鏈條能效優(yōu)化方案分析示意圖如圖3，現(xiàn)實(shí)中部分工藝或設(shè)備，其能效最優(yōu)區(qū)間有可能呈現(xiàn)出圖中SA、SB、SC、SD區(qū)間狀態(tài)。

圖3 整個(gè)工藝鏈條能效優(yōu)化方案分析示意圖

1）針對(duì)設(shè)備A，在整個(gè)生產(chǎn)工藝中，其經(jīng)過一個(gè)實(shí)際生產(chǎn)緩存區(qū)后到達(dá)下一個(gè)設(shè)備B 進(jìn)行匹配生產(chǎn)，且其能效比較高的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間與生產(chǎn)期望度有部分重疊區(qū)域。首先，可以按照生產(chǎn)實(shí)際工況進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度管制，使其保持在上述“重疊區(qū)域”內(nèi)運(yùn)行，從而以投資小、見效快的改變運(yùn)行組織的方式，即可達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的預(yù)期能效；其次，如果經(jīng)過經(jīng)濟(jì)測算有必要進(jìn)行改造的情形下，也可將其能效最優(yōu)區(qū)間提升至滿負(fù)荷運(yùn)行區(qū)間SA，內(nèi)，以提高其運(yùn)行效率、縮短運(yùn)行時(shí)間、保證足夠物料緩沖為目標(biāo)，一改原來能效比最優(yōu)的長效穩(wěn)定運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)集中時(shí)段、集中生產(chǎn)的高效能運(yùn)行模式。

2）針對(duì)設(shè)備B，其本身的能效比最優(yōu)運(yùn)行區(qū)間，就在期望的工藝鏈條能效區(qū)間內(nèi)，確保其按照工藝鏈條能效期望區(qū)間運(yùn)行即可。

3）針對(duì)設(shè)備C，其屬于能效比不合理的設(shè)備，按照?qǐng)D1 中B 情形所述設(shè)備的單機(jī)能效比提升方案進(jìn)行改造或更新，使其能效比最優(yōu)區(qū)間趨于工藝鏈條能效期望區(qū)間，并確保在此區(qū)間內(nèi)運(yùn)行即可。

4）針對(duì)設(shè)備D，即獨(dú)立生產(chǎn)單元的能效提升方案分析中所述的“生產(chǎn)運(yùn)行范圍要求較寬的特殊設(shè)備或工藝環(huán)節(jié)”，其生產(chǎn)環(huán)節(jié)的上游不存在緩沖區(qū)且來料量的大小較為隨機(jī)，而該類設(shè)備既有工作模式通常又都較為恒定，來料小時(shí)就會(huì)呈現(xiàn)出欠效率生產(chǎn)，來料大時(shí)處于滿負(fù)荷生成。該類設(shè)備能效比最優(yōu)運(yùn)行區(qū)間如若較為固定，就很難實(shí)現(xiàn)其本身的能效控制。必須對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的技改，使其任意運(yùn)行區(qū)間能效最優(yōu)。

通過以上各類型生產(chǎn)設(shè)備的改造及工藝優(yōu)化分析，使整個(gè)生產(chǎn)鏈條處于能效比最優(yōu)的期望區(qū)間內(nèi)，即可做到整個(gè)龐大生產(chǎn)系統(tǒng)的能效比最優(yōu)。

2.3 以能效保障促動(dòng)維修模式變革

隨著設(shè)備的使用，需客觀的面對(duì)其正常磨損及自然老化等不可抗拒的現(xiàn)實(shí)狀況，這些狀況將直接影響著設(shè)備的性能。雖然可通過日常保養(yǎng)、定期大修等形式來不斷恢復(fù)其應(yīng)有性能，但也很難再恢復(fù)至其原有性能。在設(shè)備投入使用起到大修前夕這段時(shí)間內(nèi)，宏觀的講其性能應(yīng)該是呈現(xiàn)一個(gè)整體下降的趨勢，而這也將必定使其能效最優(yōu)區(qū)間相應(yīng)產(chǎn)生一定的偏離。因此，能效驗(yàn)證分析工作，前期不但是一個(gè)系統(tǒng)的工程，而且后期還將是一個(gè)持續(xù)動(dòng)態(tài)跟蹤的過程[7]。

若想使能效控制的精準(zhǔn)，在前期做能效測算的過程中，就需利用好智能化手段，精準(zhǔn)采集現(xiàn)場必要的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)建模分析或邊緣計(jì)算等前沿工具[8－9]，持續(xù)推演設(shè)備的狀態(tài)變化、實(shí)時(shí)更新其能效比最優(yōu)運(yùn)行區(qū)間，再結(jié)合前期測算過程的數(shù)學(xué)模型和專家知識(shí)庫，來不斷復(fù)核系統(tǒng)推演結(jié)果，不斷增強(qiáng)該系統(tǒng)自學(xué)習(xí)能力，使其不斷優(yōu)化完善。通過該系統(tǒng)科學(xué)有效的分析，再為智能管控平臺(tái)定期動(dòng)態(tài)推送各獨(dú)立生產(chǎn)單元的能效最優(yōu)參考運(yùn)行區(qū)間，作為智能決策支持，從而可做到動(dòng)態(tài)合理指導(dǎo)生產(chǎn)排程的最終目的。同時(shí)，通過該系統(tǒng)的計(jì)算、分析及推演，還可以從整個(gè)工藝鏈條的角度，宏觀的、較為科學(xué)的制定設(shè)備性能指標(biāo)臨界值，以此臨界值來推送至設(shè)備健康管理系統(tǒng)，用于制定企業(yè)設(shè)備保養(yǎng)、檢修或中大修等修程的重要依據(jù)，使設(shè)備的使用及管理做到更加精細(xì)化，可以將原來設(shè)備領(lǐng)域傳統(tǒng)的狀態(tài)修、預(yù)防修等模式，升級(jí)為更高端的“性能指標(biāo)臨界修”的維修模式。

3 結(jié)語

1）在國家“雙碳”行動(dòng)中，企業(yè)需在設(shè)備層面需重點(diǎn)考慮降耗、增效等相關(guān)措施，在生產(chǎn)工藝合理的情形下，只有將獨(dú)立生產(chǎn)單元及整個(gè)生產(chǎn)鏈條的能效做到最優(yōu)，才能在“碳達(dá)峰”的實(shí)踐中具有市場競爭力、在“碳中和”過程中具有“零排放”早日達(dá)標(biāo)的優(yōu)勢。

2）在智能礦山建設(shè)領(lǐng)域，通過能效分析這個(gè)系統(tǒng)性工程，不但可有效發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)備或工藝能效短板，還可最終將能效最優(yōu)運(yùn)行區(qū)間作為整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的工藝控制參數(shù)之一，給企業(yè)階段性生產(chǎn)調(diào)度排程提供智能決策依據(jù)。

3）在智能維修領(lǐng)域，通過獨(dú)立生產(chǎn)單元和整個(gè)工藝鏈條能效最優(yōu)運(yùn)行區(qū)間的動(dòng)態(tài)推演測算，可為其提供各獨(dú)立生產(chǎn)單元“性能指標(biāo)臨界修”的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，并且該指標(biāo)能夠科學(xué)有效的指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)維決策，全面提升設(shè)備全壽命周期管理水平。