Проблемы оптимизации энергетических затрат на предприятиях угольной отрасли

Как в настоящее время, так и в перспективе роль угля может быть оценена только в контексте общего энергопотребления (электропотребления), являющегося огромной проблемой. Она охватыва­ет такие вопросы, как источники энергии, способы получения энергоносителей и их использования с учетом его безопасности, экономичности и общего влияния на окружающую среду.

Существующие на сегодняшний день генерирующие мощности Казахстана способны произвести до 80 млрд. кВт-ч электроэнергии. В свете реализации Стратегии индустриально-инновационного развития Республики Казахстан на 2003-2015 гг. [1] рост производства и потребления электроэнер­гии в нашей стране на период до 2015 г. показан в таблице.

Значительный рост потребности в электрической энергии потребует решения вопроса обеспече­ния ею от собственных генерирующих источников.

В целях надежного обеспечения растущих потребностей экономики в электроэнергии, диверси­фикации производства электроэнергии, использования транзитного потенциала страны Правительст­вом проводится работа по строительству и вводу новых генерирующих мощностей и распредели­тельных сетей. Устойчивый рост экономики Казахстана характеризуется существенным увеличением спроса на энергетические ресурсы внутри страны.

Увеличение ВВП на 9-10 % в год и высокие темпы роста потребления электроэнергии в стране — на 5-6 % в год (а на юге и западе страны — на 10-14 %) в условиях износа и дефицита генерирующих мощностей и распределительных сетей представляет реальную угрозу планам развития страны [2, 83].

Как видно из таблицы, в 2010 г. потребление электроэнергии в стране превысит 80 млрд. кВт-ч, что требует безотлагательного принятия мер по реконструкции и расширению действующих электро­станций и строительству новых мощностей в стране.

Таблица

Уже в настоящее время энергетика становится тормозящим фактором развития энергоемких вы­сокотехнологичных производств.

Важной проблемой является большая энергоемкость экономики Казахстана. По данному показа­телю республика уступает развитым странам в 15-17 раз, что является одним из препятствий для по­вышения конкурентоспособности национальной экономики.

Цена на электроэнергию в Казахстане является одной из самых низких в мире — около 4 центов за 1 кВт-ч. Для сравнения: цена на электроэнергию в Корее 8,3 цента, в Японии — более 2 центов за 1 кВт-ч [2, 86].

В этой связи Правительством Республики Казахстан должен быть принят комплекс мер по сни­жению уровня энергоемкости ВВП путем реализации энергосберегающей политики.

Разработка энергосберегающей политики весьма значима для угольной отрасли, поскольку удельный расход электроэнергии на подземную и открытую добычу угля — один из основных пока­зателей технического уровня производства. Динамика данного показателя в последние годы ухудша­ется, что обусловлено главным образом усложнением горно-геологических условий, ростом глубины горных работ и увеличением расходов на вентиляцию, а также увеличением энерговооруженности горно-шахтного оборудования. В общем электропотреблении на долю стационарных установок (вен­тиляция, водоотлив, подъем и др.) приходится до 70 %.

Отечественное рудничное оборудование (трансформаторы, электродвигатели) имеет большие потери электроэнергии, чем зарубежные аналоги, что объясняется меньшим (по удельному объему) использованием активных материалов (мель, электротехническая сталь). Все это отрицательно влияет на уровень потерь в кабелях.

Технический уровень отечественных электродвигателей ниже зарубежных. Наработка на отказ шахтных трансформаторов соответствует техническим условиям, в то же время ресурс комбайновых электродвигателей отстает от них и за последние годы снизился в 1,5 раза (с 15 до 10 тыс. т) из-за не­качественного изготовления и недостаточного использования необходимых материалов [3, 71-72].

Поскольку главным направлением энергетической политики в нашей стране и за рубежом при­знано энергосбережение, регулирование режимов электропотребления на шахтах и разрезах является важнейшим фактором экономии электроэнергии. Оно осуществляется комплексом по регулированию режимов электропотребления на основных производственных процессах за счет отключения мощных энергоемких технологических установок в периоды дефицита мощности в питающей энергосистеме. Составной частью этого комплекса может выступать система регулирования цикла работы шахтного водоотлива на угольных предприятиях АО «Арселор Миттал Темиртау».

На рисунке 1 представлена общая структура автоматизированной подсистемы оптимизации энергопотребления шахты за счет перестройки цикла работы и энергопотребления водоотлива по прогнозу шахтного притока. Система включает: объекты энергопотребления (насосные агрегаты во­доотлива); модули контроля параметров МКП, диагностики состояния оборудования и трубопровода МД, прогнозных моделей шахтного притока и энергопотребления МПМ, идентификации моделей МИМ, прогнозирования и оптимизации энергопотребления шахты МПИО, управления подачей МУП, а также диспетчерский пункт Д.

Модуль МКП обеспечивает входной информацией основные модули МД, МПИО, МПМ и МИМ, вырабатывающие решения по оптимизации режима водоотлива на базе диагностики состояния водоот­лива и прогноза шахтных притоков на интервале оптимизации Т₀. В модуль МПИО поступают сигналы двух типов: статистические — о величинах прошлых притоков воды и энергопотреблений за сутки (предыстория процесса) и сигналы текущих притоков и энергопотребления — для коррекции статисти­ческих графиков по действительным данным. С помощью МПМ и алгоритмов прогнозирования в мо­дуле МПИО формируются выходные графики притока и энергопотреблений, используемые для расчета программы внепикового режима работы водоотлива по расходу электроэнергии. В модуль МПИО по­ступают выходные сигналы модулей МКП о текущем режиме водоотлива, сигналы МД об исправности оборудования, состоянии узлов водоотлива, о КПД насосов, а также критерий оптимизации Ф₀ в виде минимизации времени работы водоотлива в пиковом режиме и при низких значениях КПД.

 На основании прогнозных графиков, диагностики состояния и текущих параметров в модуле МПИО рассчитывается программа работы водоотлива так, чтобы обеспечить его работу во внепико­вом режиме и с оптимальным КПД. Выходные сигналы модуля прогнозирования и оптимизации свя­заны непосредственно с модулем МУП управления подачей водоотлива и с пультом диспетчера Д. Например, при снижении характеристики насоса и восстановлении режима регулирующей задвижкой в случае выхода насосного агрегата из зоны оптимального КПД контур диагностики вырабатывает информацию в модуль МПИО, информацию для диспетчера в целях анализа рациональности даль­нейшего использования насосного агрегата и замены его резервным. Выявление и определение при­чины снижения характеристики насоса, установление степени его износа и ремонтопригодности по­зволяют сформировать в модуле прогнозирования и оптимизации рекомендации по его осмотру, за­мене и ремонту.

В модуль МИМ поступают сигналы с выхода объектов диагностики и управления и с выходов их моделей. При рассогласовании этих выходов МИМ производит идентификацию параметров моделей, подстраивая их под объект так, чтобы они были адекватны объектам в любой момент.

Контур оптимизации и перестройки цикла работы водоотлива с учетом изменения шахтного при­тока содержит в модуле МПМ два типа моделей для прогнозирования шахтного притока по его предыс­тории и суточных графиков энергопотребления шахты. Модель прогнозирования построена по принци­пу обработки ансамбля реализаций суточных графиков притоков, которые накапливаются и хранятся в памяти микро-ЭВМ в дискретной форме. Используя суточные графики за неделю, модуль МПМ фор­мирует прогнозный график притока на текущие сутки. При этом исходными данными являются изме­ренные уровни в водосборнике, в том числе контрольного объема воды, накопившейся за определен­ный период. Измерение одновременно уровня, времени заполнения отсчетных уровней водосборника и подачи водоотлива дает информацию о действительном притоке на текущий момент, что используется для оперативной коррекции прогнозных графиков (адаптации прогнозных моделей). Аналогично по­строена модель прогнозирования суточных графиков энергопотребления по предыстории и показаниям счетчиков. Сформированные прогнозные графики нагрузок и притоков на текущее время передаются

 На рисунке 2 приняты следующие обозначения: t_p, t_y — начало интервалов регулирования Т_р и упреждения (прогнозирования) Т_у; Q_n и Q_H — прогнозный и действительный притоки, м³/ч; Т₀ — ин­тервал оптимизации; h — уровень воды в водосборнике, м; Һ_в и Һ_н — верхний и нижний уровни включения и отключения насосных агрегатов; t_m, t_Qn — моменты принудительного включения и от­ключения водоотлива системой оптимизации во внепиковом режиме; t_fe ^ — моменты естественного включения и отключения водоотлива при достижении уровнем воды верхнего и нижнего уровней включения насосных агрегатов; Т_п — длительность интервала пикового режима водоотлива без сис­темы оптимизации. Кривые Q_H, Wo и h_o соответствуют прогнозному притоку, усредненному на интер­валах Т_р и Т_у, энергопотреблению и изменению уровня воды в водосборнике во внепиковом режиме оптимизации. Кривые Q_n, W и Һ_и описывают приток, энергопотребление и уровень воды в исходном режиме без системы оптимизации.

Из графиков видно, что в исходном режиме при достижении уровнем верхнего значения в мо­мент ^ происходит включение, а в момент ^ (когда уровень достигает нижнего значения Һ_н) — от­ключение водоотлива. На интервале Т_п работа водоотлива совпадает с пиковым энергопотреблением W (t) шахты. В контуре оптимизации в модуле МПИО по специальному алгоритму рассчитывается момент принудительного включения водоотлива, чтобы к моменту t_у начала пикового значения притока Q_n2 уровень h_o (t) достигал минимального значения, освобождая водосборник для приема пи­кового притока Q_n2 на интервале Т_у, без включения водоотлива. Этим самым модуль МПИО включает водоотлив на интервале Т_р, повышая общее энергопотребление шахты, и отключает его в пиковом режиме на интервале T_n, понижая энергопотребление и обеспечивая прием притока Q_n в освобожден­ную на интервале Т_р емкость водосборника.

Сглаженное таким образом за счет водоотлива как потребителя-регулятора энергопотребление приближается к среднесуточному его значению (кривая W₀). В этом случае управляемый водоотлив в комплексной технологической структуре шахты, во-первых, выступает как технологическое звено, выполняющее свои прямые функции по откачке шахтного притока, во-вторых, выполняет роль эф­фективного регулятора-потребителя, сглаживающего общую неравномерность нагрузки энергосис­темы, в-третьих, обеспечивает надежную и гибкую технологию откачки воды с перестраиваемым циклом работы независимо от возмущений, связанных с изменением характеристик насосного обору­дования, регулировочной емкости водосборника и шахтного притока.

Список литературы

1. Указ Президента Республики Казахстан «О Стратегии индустриально-инновационного развития Республики Казахстан на 2003-2015 годы» от 17 мая 2003 г.
2. Муканов Д. Казахстан: прорыв в инновационную экономику. — Алматы: Центрально-Казахстанское представительство Ассоциации «Деловой Совет ЕврАзЭс», 2007. — 272 с.
3. ГринькоН.К., АрхиповН.А. Повышение технического уровня угольной промышленности. — М.: Недра, 1991. — 222 с.