煤礦大型機電設備節能效率優化探討

肖 峰

煤炭生產企業大型機電設備較多，如提升機、通風機、采煤機、各類輸送機等，且功率大，運轉時間長，電力消耗大[1-2]。根據節能降耗及環保工作要求，有必要對機電設備節能效率進行優化，提高其協同運行效率，降低電能消耗，節約電力成本，提高環保效率等。

1 煤礦大型機電設備分類

1.1 按照生產系統分類

為便于機電設備管理，結合煤礦生產系統情況，將井下主要機電設備進行分類，包括通風系統、壓風系統、采掘系統、運輸系統、提升系統、排水系統。各大系統涵蓋的主要設備如表1所示。

系統名稱 包括的主要機電設備運輸系統 刮板輸送機、帶式輸送機、絞車、電機車等提升系統 礦用立井提升機排水系統 礦用離心泵、礦用潛水泵

1.2 各生產系統設備能耗影響因素

通過大量文獻查閱及煤礦企業調研，可對機電設備能耗情況的影響因素進行分類。

一是自然環境因素。如煤層賦存深度影響提升機能耗，礦井涌水量影響水泵能耗，煤質硬度等條件影響采煤機及綜掘機能耗，瓦斯粉塵情況影響通風機能耗，采區延伸距離影響運輸設備能耗等，這些因素對設備的能耗影響主要表現在客觀制約。

二是機電設備投入及管理因素。加大機電設備資金投入，及時淘汰老舊高耗能設備，及時配備新型高效設備，有助于從根本上解決設備能耗高的問題；同時，在機電設備選型設計、設備低負荷或空載管理、從業人員節電意識等方面，對機電設備的能耗情況同樣產生較大影響。

三是新技術新工藝的影響因素。如變頻技術的應用，對機電設備的節能情況產生巨大影響，是節能降耗的重要途徑；同時，其他諸如設備調速、功率平衡、降低運行電壓等技術的開發和應用，同樣對節能降耗工作產生積極影響。

2 機電設備節能效率優化

2.1 機電設備節能效率分析

據統計，井工煤礦能耗最高的系統為采掘系統，占到井下全部機電設備耗電量的25%左右，其次為運輸系統和提升系統，兩者合計占到總耗電量的30%以上，其次為壓風系統、通風系統和排水系統。根據煤礦生產實際過程，以上各大系統的機電設備在一個時期內或處于流水作業的串聯式工作方式，或處于同時作業的并聯式工作方式。假設整個生產系統中有n臺機電設備，結合設備工作效率等因素，推算出大型機電設備的綜合能耗公式[3-4]：

進而可推算出生產系統總荷載：

式中：Pt為綜合能耗；k為系統能耗系數；βi為第i臺設備的負荷；hi為設備運輸的提升高度；φi為第i臺設備能耗因素；ηi為第i臺設備工作效率系數；c為生產系統所負總荷載。

分析公式，ni為本生產系統中第i臺設備的開停狀態，啟動時為1，停止時為0；βi為第i臺設備的工作負荷。根據以上分析可繪制煤礦機電設備運行效率理想曲線見圖1。通過利用理想效率與實際效率誤差最低原理，可以表達出井工煤礦實際生產過程中機電設備的工作效率特征。通過計算推導，排水系統中的潛水泵等設備可以使其按照非額定值工作，以節約電能；通風系統可以根據氣壓狀況和井下實際需風量大小進行調風；運輸系統可以加強煤炭物料的協同運輸，減小設備空載及低負載的運行時間；提升系統盡最大可能進行電能的避峰就谷，降低電價；采掘系統則可加強人工輔助處理，入全巖掘進期間的爆破處理，減少設備損耗及電力消耗；壓風系統則可根據生產實際需要進行作業。

圖1 煤礦機電設備運行效率理想曲線

2.2 加強大型機電設備協同運行效率

煤礦生產過程及各系統的作業配合是一項大的系統工程，對于某項復雜任務如巷道掘進，井下作業首先需要主通風機及局部通風機作業，掘進進尺需要綜掘機作業，巷道錨桿支護需要壓風機作業，運輸煤矸需要運輸設備及提升設備作業，巷道迎頭排水需要排水系統作業。這就需要一個統籌調度機制，監測及協調各個系統及機電設備的工作任務，在各大系統之間選擇合適的資源及時間節點，利用最短工時將某項任務完成。這就需要煤礦企業建立一個完善的生產任務調度，協同控制各大系統的機電設備，讓系統任務保質保量、在最短時間內完成，并確保設備能耗最低，效率最高，以實現節能降耗目的。

3 結語

本文對煤礦機電設備進行系統性分類，分析設備的能耗影響因素，并對設備的節能效率進行分析，強調要加強大型機電設備的協同運行控制及效率，并完善企業的生產任務調度機制及算法，對我國煤礦企業的節能降耗進行了深入研究，但是受限于煤礦傳統能耗思想及工作難度，以及環保工作壓力的不斷增大，節能降耗工作依然任重道遠，需要從業者繼續努力。

〔1〕劉 哲.煤礦機電設備中變頻節能技術的應用[J].機械管理開發，2016，31（6）：111-112+140.

〔2〕劉 鵬.礦井提升機變頻調速控制系統研究與設計[D].太原理工大學，2013.

〔3〕高之翔.節能導向的煤礦大型機電設備協同控制技術[D].安徽理工大學，2017.

〔4〕姚福來.機電設備的效率優化方法及其優化控制的研究[D].河北工業大學，2012.