CC BY
41
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
2005 СЕРИЯ: ГОРНОЕ ДЕЛО Вып. 21
ЭНЕРГЕТИКА ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
УДК 622.684:629.114.4-442:622.75
Ю. И. Лель, Г. А. Ворошилов, Ю. В. Стенин, Н. А. Николаев
МЕТОДИКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ КАРЬЕРОВ В УСЛОВИЯХ РЫНОЧНОЙ ЭКОНОМИКИ
В условиях рыночной экономики и приближающегося энергетического кризиса особую актуальность приобретает энергетическая оценка промышленных технологии. Расход энергии является универсальным показателем, определяющим, в конечном итоге, эффективность производства. Энергетический анализ в промышленно развитых странах Запада стал инструментом исследования. способствующим становлению энергосберегающих гехнолошй и более эффективному использованию энергоресурсов. Еще в 1974 г. Конгресс США принял закон, в соответствии с которым при осуществлении федеральных программ обязателен энергетический анализ различных технологий производства и преобразования энергии. Работы по энергетическому анализу финансируются государственной организацией - Администрацией энергетических исследований и развития (ERDA).
Большое значение имеет энергетический анализ в горной промышленности, характеризующийся значительной удельной энергоемкостью по сравнению с другими отраслями. Энергетический подход при оценке эффект ивности процессов и технологий открытых горных работ нашел отражение в исследованиях Ю. И. Лнистратова, И. А. Тангаева, В. Л. Падукова. Энергоемкость открытого способа добычи полезных ископаемых в значительной степени (50-90 %) определяется энергозатратами на транспортирование горной массы, имеющими тенденцию к увеличению с ростом глубины разработки. Энергетическая оценка видов и средств карьерного транспорт а проводилась М. Г. Потаповым, В. Л. Яковлевым, В. Д. Буткиным. Л. А. Сорокиным и др. Вместе с тем. несовершенство применяемых методик привело к тому, что до настоящего времени в данном вопросе не сложилось единого мнения.
При энергетической оценке транспортных систем глубоких карьеров возникают два ключевых вопроса, требующих решения.
Первый связан с приведением тепловой энергии дизельного топлива, потребляемой автотранспортом, и электрической энергии, расходуемой конвейерным и железнодорожным транспортом, в сопоставимый вид. В этом направлении в отечественной литературе существует несколько подходов. Один из них, предложенный проф. Тангаевым И. А., заключается в переводе расхода дизтоплива автосамосвалами из натуральных единиц (г, кг) в кДж или кВт-ч путем умножения па удельную теплоту сгорания дизтоплива Q, т ((>,. ~ 43,5 кДж/г - 12,08 кВт ч/кг) и сравнении с фактическим расходом электроэнергии электрифицированными видами транспорта [10]. Такой подход нельзя признать методически правильным, так как он приводит к энергетической "дискредитации" автомобильного транспорта. Здесь мы сравниваем дизтопливо - источник энергии, максимально приближенный к первичному (сырой нефти), с электроэнергией, являющейся вторичным источником энергии и вырабатываемой на тепловых и гидроэлектростанциях.
При другом подходе, получившем достаточном широкое распространение в практике, расход электроэнергии приводится к расходу дизтоплива путем умножения на коэффициент, характеризующий удельный расход дизтоплива на выработку 1 кВт-ч электроэнергии на дизельных электростанциях (230-250 г/кВт ч) [6]. Здесь мы явно завышаем энергоемкост ь электрифициро-
ванных видов транспорта, поскольку основной объем электроэнергии горнодобывающие предприятия получают с электростанций, работающих на природном газе, угле и мазуте. Разница в оценках удельной энергоемкости отдельных видов транспорта глубоких карьеров при использовании указанных методик составляет 3.0-3,5 раза.
По нашему мнению, наиболее объективное сопоставление можно получить путем приведения расхода электроэнергии и дизельного топлива к расходу первичных энергоресурсов, т. с. к "условному топливу" (у. т.) с учетом соответствующих затрат энергии на их добычу, переработку и транспортирование. Аналогичный подход получил распространение за рубежом. Так, в США и Англии в качестве критерия энергетической оценки используют британскую теплову ю единицу (НТВ) - количество тепловой энергии, которое необходимо затратить, чтобы поднять температуру 1 фунта воды на 1°Р (1 БТЕ = 0,252 кал/кг).
Второй вопрос связан с выбором и обоснованием критерия оценки энергетической эффективности транспортных систем глубоких карьеров и отдельных видов транспорта. Широко используемые на практике критерии (кВт-ч/т, г/т, кВтч/ткм, г/ткм), учитывающие расход энергии на единицу объема перевезенной горной массы или на единиц)' грузооборота, малоинформатип ны и не отражают специфики глубоких карьеров. Исходя из основных функций транспорта глубоких карьеров, в качестве критерия может быть принята величина удельных затрат энергии на подъем 1 т горной массы из карьера. Тогда коэффициент полезного использования энергии определится из выражения
ц-(!»/£) 100* (1)
где Рх - теоретически необходимая величина расхода энергии на подъем I т горной массы на высоту 1 м = 9,81 кДж/тм); Р • фактические затраты энергии данным видом транспорта, кДж/тм.
Приведем фактические затраты энергии к расходу первичных энергоресурсов (у. т.), используя следующие выражения:
«ЛкрМ/ Лм«)=<0'*АоА, (2)
где />4>, (в) - удельные затраты условного топлива на подъем 1 т горной массы на I м соответственно автомобильным и конвейерным (железнодорожным) транспортом, г у. т. / тм; £ - удельный расход дизтоплива автосамосвалами, г/тм; со' - удельный расход электроэнергии конвейерным (железнодорожным) транспортом, кВтч/тм; к^ - коэффициент, учитывающий затраты энергии на получение дизтоплива из нефти (А^« 1,18+1.20) (9); Аз - коэффициент, учитывающий затраты энергии на добычу и транспортирование топлива (Ад = 1,04+1,10) [ 1 ]; А; - коэффициент, учитывающий разниц}' удельной теплоты сгорания дизельного и условного топлива (А = 1,5); А; - показатель, учитывающий затраты условного топлива на получение I кВт-ч электроэнергии (А ■ 310+330 г/кВтч) (б); к коэффициент, учитывающий потери электроэнергии при передаче и распределении (А. , «1,09).
Используя фактические данные расхода энергии конкретными видами транспорта глубоких карьеров на единицу грузооборота, получим:
со' = ш/Лк(ж), (3)
где со - соответственно удельный расход дизтоплива (г/ткм) автосамосвалами и электроэнергии (кВтч/ткм) конвейерным (железнодорожным) транспортом; Л, Л,., - высота подъема горной массы на I км внутрикарьерной трассы при данном виде транспорта, м /км.
Тогда формулу (1) можно представить в виде
„=^-,00%, (4)
где Рч = 9.81 кДж/тм; Р. - фактические затраты энергии данным видом транспорта, г у. т./ тм; <?у1 - удельная теплота сгорания условного топлива. кДж/г (<?%т = 29,3 кДж/г).
Изложенный методический подход позволяет оценить энергетическую эффективность различных видов транспорта глубоких карьеров.
С использованием предложенной методики и фактических данных глубоких железорудных карьеров установлены показатели энергоемкости различных видов транспорта при работе на подъем горной массы (табл. 1. рис. 1). Энергическая эффективность конвейерного транспорта = 15,4+21,5 %) в 1,9-2,2 раза выше, чем электрифицированного железнодорожного транспорта (г|ж = 8,0+10,0 %) и в 2,4-3,0 раза выше, чем автомобильного (п4 = 6,5+7,5 %). Поэтому при формировании комбинированных транспортных систем особое внимание должно уделяться глубокому вводу конвейерного и железнодорожного транспорта и поддержанию сборочных автоперевозок на минимальном, технологически необходимом уровне.
Высокая энергетическая эффективность конвейерного транспорта объясняется большими углами подъема трасс (сокращением тли перемещения груза) и отсутствием энергозатрат на подъем верхней ветви ленты ввиду равной ее массы с опускающейся нижней ветвью. 11ри движении автосамосвалов и железнодорожных составов по уклону вверх затраты энергии необходимы как на подъем груза, так и собственно подвижного состава. В то же время коэффициент сопротивления движению ленты по роликам на порядок выше, чем коэффициагг сопротивления движению груженого поезда, и сравним с аналогичным показателем автомобильного транспорта.
Таблица I
Энергоемкость различных ни юн {ранснорта при работе на польем горной массы из карьеров
Вид транспорта Удельная энергоемкость
натуральные показатели условное топливо
г/тм кВтч'тм г у. т. / тм
Автомобильный 2.4-2.8 - 4.5-5.2 6,5-7.5
Жел ез \ юдор ож»• ы й - 0.009-0.012 3.4-4,4 8.0-10.0
Конвейерный - 0.0047-0,0064* 0,0043-0,0060 1,7-2.3 1.6-2,2 14,6-19,5 15,4-21,5
•В числителе - с учетом крупного дробления; в знаменателе - собственно конвейерный транспорт.
Энергетические преимущества железнодорожного транспорта перед автомобильным объясняются меньшими значениями коэффициента сопротивления движению груженого поезда (в 8-10 раз) и коэффициента тары. Коэффициент тары современных думпкаров составляет 0,41-0,50, а отечественных автосамосвалов 0,70-0,84. Однако реализация этих преимуществ при работе на подъем горной массы ограничивается сравнительно небольшим уклоном железнодорожных трасс (40-60 %о) и значительным коэффициентом их развития (до 1,5-1,8).
Рис. I. Зависимость удельной энергоемкогти {Р) различных видов карьерного транспорта о~ уклона
трассы (/) (железорудные карьеры): I 1 - области фактических значения удельной энергоемкости: Я. Рл. Рл - средние значения >нергоемкости различных видов транспорта: Р1 теоретически необходимая (миним&пьная) величина расхода энергии на польем I т горной массы: /, ¡к. / -средневзвешенныеуклоны трасс различных видов транспорта
Р. г у.т.'гм,
Структурные формулы удельной работы по подъему горной массы различными видами транспорта имеют следующий вид:
I. АшолпнЪнышй н жыезноморожнын /рансиорг
>1„ = г,(*1+1)^ + 1
(т
(5)
где Ля - работа по подъему 1 т горной массы на 1 м. кДж/тм; /> = 9.81 кДж/тм - теоретически необходимая величина работы; к, - коэффициент тары автосамосвала (железнодорожного состава); ыо- коэффициент соирожвлсиия движению 1ружсного авгосамосва.та (локомогивосоаава): /'- уклон трассы.
2. Конвейерный /-ранепор г
\ = Р,
(6)
где к^ - коэффициент, учитывающий долю сопротивлений на концевых станциях конвейера.
Для наклонных конвейеров к...... = 1,23-: 1,25; (0г - коэффициент сопротивления движению ленты
по роликам: ив - угол наклона конвейера. I рад:
(7)
где </а - погонная масса ленты и вращающихся частей роликов верхней и нижней ветвей, кг/м; q¡ - погонная масса груза на ленте, кг/м.
С помощью формул (5) и (6) можно ориентировочно устанавливать соотношение энергозатрат на подъем горной массы в конкретных горнотехнических условиях.
Энергетические показатели различных видов карьерного транспорта при работе на горизонтальных трассах значительно отличаются от установленных параметров при движении на подъем (табл. 2).
Таблица 2
Энергоемкость, различных видов карьерного транспорта прл р*б01С на 1оринж1а.1ьнм\ трассах
Вил транспорта Удельная »нергоеммкч ь
натуральные показатели условное топливо
г/ткм кВт-Ч'Ткм г у. т. /ткм
Автомобильный 50-70 - 95-130
Железнодорожный - 0.09-0.12 34-45
Конвейерный • 0.15-0.20 57-70
Здесь в полной степени реализуются преимущества железнодорожного транспорта. Энергетическая эффективность железнодорожного транспорта в сопоставимых горнотехнических условиях в 2,8-3,0 раза выше, чем автомобильного, и в 1.5-1,6 раза - чем конвейерного. Вследствие этого железнодорожный транспорт на зарубежных предприятиях получил преимущественное распространение не кок внутрикарьерный, а как магистральный вид транспорта для перевозок руды и вскрыши от борта карьера до оСогатительных фабрик и отвалов.
Важным направлением энергосбережения для всех видов транспорта глубоких карьеров является увеличение уклонов транспортных коммуникаций. В технологическом аспекте применение повышенных уклонов позволяет сократить дополнительный разнос бортов карьеров от размещения транспортных коммуникаций, в энергетическом - увеличение уклонов в определенном
диапазоне позволяет повысить энергетическую эффективность транспорта при работе на подъем горной массы (см. рис. 1). Экстремальный характер зависимости удельной энергоемкости от уклона трассы характерен для всех видов карьерного транспорта [7]. Так. для автомобильного транспорта оптимальный уклон по энергетическому критерию в зависимости от типа покрытия и модели автосамосвала находится в пределах 0.08-0.012, для электрифицированного железнодорожного транспорта при моторвагонной тяге - 0,045-0,051, при электровозной тяге - 0,027-0,031. При эксплуатации ленточных конвейеров большой производительности оптимальный угол их наклона составляет 17-19°. При моторвагонной тяге увеличение уклона железнодорожных путей с 40 до 60 %о приводит к повышению, хотя и незначительному, удельных энергозатрат на подъем горной массы. Это происходит вследствие увеличения коэффициента тары поезда, которое во многих слу чаях не может быть полностью компенсировано сокращением протяженности трассы и упрощением схемы путевого развития. Также актуален этот вопрос для конвейерного транспорта по причине увлечения в последнее время различными конструкциями крутонаклонных конвейеров. Создание таких конвейеров должно сопровожлаться детальным энергетическим анализом
Оптимальный продольный уклон трасс по энергетическому критерию для отдельных видов транспорта и конкретных моделей транспортных средств следует рассматривать как частный оптимум и нижний предел уклона, который рекоменду ется принимать при проектировании транспортных систем. Окончательное решение по руководящим уклонам следует принимать на основе глобального оптимума - удельной энергоемкости всей транспортной системы.
Остановимся на энергетических характеристиках других видов транспорта глубоких карьеров. Среди них наибольший практический интерес представляют дизель-троллейвозы, наклонные скиповые и автомобильно-клетьевыс подъемники.
Фактический удельный расход энергии (г у. т./тм) дизель-троллейвозным транспортом определяется из выражения
лт =---------7--------• (8)
"яг
где со^ - удельный расход электроэнергии при работе дизель-тролейвозов, кВт ч/ткм; ^ - удельный расход дизтоплива дизель-троллейвозным транспортом, т/ткм; - высота подъема горной массы дизелк-троллеййпзами на 1 км антодороги, м/км
Расчетные показатели энергетической эффективности дизель-троллейвозного транспорта (дизель-троллейвозы на базе автосамос валов БслАЗ-7519 грузоподъемностью 110 т) на карьерах черной металлургии приведены в табл. 3 и 4. Установлено, что коэффицненг полезного использования энергии дизель-троллейвозным транспортом изменяется в пределах 6,2-7.6 % при среднем значении 6,7 %.
Таблица 3
Условия эксплуатации дизель-троллейвозного транспорта на карьерах черной металлургии (прелпроекгнме проработки)
Карьер Объем 1 .араиоры трассы
переюэок. или т/год ¿.к* /4,м Ад,, м/км
Костомукшский 22,0 4,0 52 150 37,5
Ингулсцкий 18,0 2,9 76 105 36.2
«Малый Куйбк» (ММК) 15.3 4.7 64 174 37.0
Лг 21 Донскою ГОКа 10.2 4.0 75 180 45.0
Карагайсмш ОАО «Магнсмт» 8.8 3.8 68 165 43.1
Примечание. А - расстояние нсрсюзок. км: к\ - степень электрификации трассы. %: // высота подъема горной массы, м.
Показатели энергетической )ффскпшнос1и ли »ель-троллей во жого транспорта
Таблица 4
Карьер
Удельный расход
11ока кнели энергетической эффек! пыпосм!
Костомукшский Ингулсикий
«Малый Куйбас» (ММК) № 21 Донского ГОКа Карагайский
ОАО «Магнезит»
51.8 0.28 5.29 6.3
29.5 0.29 4.43 7.6
44.5 0.32 5.39 6.2
42.0 0.39 4.90 6.8
40.1
0.40
5.07
Таким образом, энергетические показатели дизель-троллейвозного транспорта только на 3,1 % выше, чем автомобильного (г| = 6.5 % для автосамосвалов БелАЗ-7519). Данный вывод может показаться парадоксальным, поскольку в технической литерату ре распространено мнение о высокой энергетической эффективности данного вида карьерного транспорта. Однако в последние годы полученные результаты подтверждаются и зарубежными исследованиями. Американские ученые Г1. Ревель и И. Ревель на примере автотранспорта общего пользования показывают, что энергетическая эффективность обычных и электрифицированных автомобилей (электромобилей) примерно одинакова [5]. Широкое внедрение дизель-троллейвозного транспорта на карьерах США в 80-х годах было обусловлено не энергетической эффективностью данного вида транспорта, а конъюнктурой цен на дизтопливо и электроэнергию.
Вместе с тем, при создании отечественных дизель-троллейвозов нового поколения, не уступающих лучшим зарубежным образцам, и увеличении руководящего у клона автодорог до 10-12% коэффициент полезного использования энергии может возрасти до 7,6-7,8 %. т. е. приблизиться к показателям электрифицированного железнодорожного транспорта. Это свидетельствуот об определенных перспективах дизель-троллейвозного транспорта на отечественных глубоких карьерах.
Средний удельный расход электроэнергии скиповым подъемником СНК-40, эксплуатировавшимся на Сибайском карьере, составил 0,0077 кВт-ч/тм. Энергетическая эффективность характеризовалась следующими показателями: __ = 2.8 г у. т./тм; п = 12 %. Расчетные показатели энергетической эффективности проектируемых скиповых (СНК-75) и автомобкльно-клетьс-вых (АНК-75) подъемников составлянэт: Рфсв« 2,1+2.2 г у. т./тм; п - 15.2+15.9 % [6]. Энергоемкость различных типов шахтных вертикальных скиповых подъемников (Рф = 1,4* 1,9 г у. т./тм; Л = 17,4+23.4 %) находится на у ровне показателей карьерного конвейерного транспорта [4]. Утверждение ряда авторов о наибольшей энергетической эффективности скипового подъема среди существующих видов карьерного транспорта нельзя считать достаточно обоснованным [8].
В исследованиях по оценке эффективности применения на карьерах аэростатно-канатных транспортных систем (АКТС), выполненных в последние годы, доказывается возможность снижения энергозатрат на подъем горной массы в 1,5-1,6 раза по сравнению с конвейерным транспортом [3]. Исследования носят чисто теоретический характер. Возможности и технологическая целесообразность внедрения подобных систем на карьерах большой глубины и производительности вызывает сомнение. Таким образом, реальной альтернативы рассмотренным видам транспорта для доставки горной массы из глубоких карьеров в настоящее время нет, и надежды на резкое снижение энергозатрат на транспортирование не имеют достаточных оснований.
Энергетическая оценка транспортных систем карьеров в условиях рыночной экономики имеет ряд специфических особенностей, до настоящего времени не нашедших отражения в исследованиях. В перву ю очередь к таким особенностям следует отнести методику расчета показателя к (см. формулу (2)), учитывающего затраты условного топлива на получение 1 кВт-ч электро-
энергии и отражающего технологическу ю и экономическу ю эффективность электроэнергетики. Большинство авторов рекомендуют принимать значение этого показателя в пределах 310-330 г/ кВт-ч. Однако эти цифры отражают реальное состояние отечественной электроэнергетики в 1975-1999 гг., т. е. в советский период (рис. 2). Высокая технологическая эффективность отечественной электроэнергетики в указанный период была достигнута за счет централизации производства, создания Пдиной энергетк ческой сети и переброски энергии вслед за перемещением пиковых нагрузок в часовых поясах. Даже самая эффективная из зарубежных - японская энергетика уступала советской [2]. «Реформы» ЕЭС привели к технологической деградации отрасли.
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
Рис. 2. Динамика показателя технологической эффективности электроэнергетики России
В настоящее время эффективность отечественной электроэнергетики (А; = 397 г у. т./кВтч) в 1,23 раза ниже японской ив 1,11 ниже французской и американской (рис. 3). За 10 лег. с 1990 по 2000 гг., расход условного топлива на производство 1 кВт-ч электроэнергии в России увеличился с 306 до 397 г/кВтч. т. е. в 1.3 раза. В соответствующей пропорции снизилась энергетическая эффективность электрифицированных видов транспорта. Энергоемкость карьерное железнодорожного транспорта пракгически сравнялась с энергоемкостью автомобильного.
Рис. 3. Показатели технологической эффективности электроэнергетики па.уэолее развитых стран
Переход к рыночной экономике отечественных горных предприятий сопровождался резким увеличением энергоемкости оснсвных процессов открытой разработки и, в перву ю очередь, карьерного транспорта. Основными причинами увеличения энергоемкости явилось снижение объемов производства по горной массе и старение парка оборудования. В этом отношения характерен пример карьеров ОАО «Ураласбсст» (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость показателей удельной энергоемкости различных видов транспорта (Р) от объема перевозки горной массы ( V) (ОАО «Ураласбест»): Я, Ря - удельна« энергоемкость соответственно автомобильного и железнодорожного транспорта, г у. т./тм; V- объемы перевозок горной массы, млн т/год
Выявилась лучшая адаптивность энергетических показателей автотранспорта к изменению экономических и горнотехнических условий разработки, в частности, к сокращению объемов перевозок по сравнению с железнодорожным транспортом, что объясняется меньшей долей постоянной составляющей в энергозатратах автомобильного транспорта. Это привело к расширению области применения автотранспорта на глубоких карьерах. Так, доля автотранспорта в объемах перевозок вскрышных пород на разрезах ОАО «Концерн Кузбассразрезуголь» за период 1990-2004 гг. увеличилась с 45 до 69 %. На рудных карьерах расширение области применения автотранспорта наблюдается при расконсервации уступов и бортов в зоне работы железнодорожного транспорта, отработке карьеров зонами концентрации, отработке нагорной части месторождений.
Разработанные методические положения и отмеченные тенденции в изменении энергоемкости транспортных систем глубоких карьеров требуют дальнейшего изучения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бссчннский А. А.. Коган Ю. М. Экономические проблемы хпектрификании. М.: Энергия, 1976.
424 с.
2. Валентинов Б. Триединый передел //Советская Россия. 13.02.2003. Хз 27 [12360].
3. Морин А. С. Изыскание э4фективных аэростатно-канатных систем для открытых горных работ: Автореф. дне.... канд. техн. наук. Иркутск, 1993. 32 с.
4. Иравиикнй Н К. Рудничные подъемные установки. М.: Госгортехиздат. 1963.416 с.
5. Ревслль П., Ревслль И. Среда нашего обитания: В 4-х кн. Кн. 3. Энергетические проблемы человечества / Пер. с англ. М.: Мир, 1995. 291 с.
6. СисииА. Г., Лукин Ю. Г. Основные резервы экономии дизельного топлива на карьерном транспорте// Разработка рациональных технологий добычи руд цветных металлов: Сб. научн. тр. / Ин-т «Унии-ромедь». Свердловск, 1988. С. 39-45.
7. Смирнов В. П., Лель Ю. И. Теория карьерного большегрузного автотранспорта. Екатеринбург: УрО РАН. 2002. 355 с.
8. Сорокин Л. А. Энергетическая оценка средств карьерного транспорта // Проблемы разработки месторождений глубокими карьерами: Тез. докл. Между нар. конф. Челябинск: НИИОГР, 1996. С. 89-90.
9. Ставров О. А. Перспективы создают эффективного электромобиля. М.: Наука, 1984. 88 с.
10. Тангаев И. А. Энергоемкость процессов добычи и переработки полезных ископаемых. М.: Недра. 1986. 231 с.
