Содержание к диссертации
Введение
1. Характеристика энергопотребления и ресурсов энергосбережения на угольных шахтах Кузбасса 10
1.1. Обзор исследований, посвященных расчету и анализу электропотребления угольных шахт 10
1.2. Оценка факторов, влияющих на электропотребление угольных шахт 19
1.3. Характеристики электропотребления горношахтного оборудования 25
1.4. Состояние вопроса в области исследования электропотребления на угольных шахтах Кузбасса 28
1.5. Перспективы развития угольной промышленности
и цель региональной программы энергосбережения 30
1.6. Нормативно-правовая база энергосбережения 33
Выводы 38
2. Методические основы исследования электропотребления 40
2.1. Методика обработки экспериментальных данных... 40
2.2. Парный регрессионный и корреляционный анализ.. 44
2.3. Моделирование процесса электропотребления угольного предприятия «восходящим потоком» 48
2.4. Вероятностное описание эволюции системы 51
2.4.1. Модель дискретных переходов 51
2.4.2. Модели с непрерывными переходами 55
2.4.3. Время пребывания системы в заданных состояниях 58
2.5. Численное моделирование эволюции стохастиче ской системы 61
2.6. Апробация программного решения 67
Выводы 72
3. Исследование факторов, определяющих электропотребление угольных шахт и характеристики электропотребления горно шахтного оборудования 73
3.1. Статистические характеристики угольных шахт Кузбасса 73
3.2. Статистические характеристики электропотребления угольных шахт Кузбасса 81
3.3. Статистические модели изменения горно-геологических и горно-технических факторов во времени 94
3.4. Влияние горно-геологических и горно-технических факторов на электропотребление 101
Выводы 111
4. Марковская модель формирования электропотребления горно-шахтного оборудования 112
4.1. Общие положения 112
4.2. Моделирование электропотребления ГШО 114
4.3. Моделирование электропотребления очистным
комбайном 115
4.3.1. Режимы работы комбайнов 115
4.3.2. Моделирование рабочего цикла очистного
комбайна 123
4.4. Моделирование электропотребления конвейеров 130
4.4.1. Ленточный конвейер 130
4.4.2. Скребковый конвейер в очистном забое (с односкоростным двигателем) 135
4.4.3. Скребковый конвейер в очистном забое (с
двухскоростным двигателем) 136
4 4.4.4. Скребковый конвейер с гидромуфтой между двигателем и редуктором 137
4.5. Моделирование электропотребления перегружателя 138
4.6. Моделирование электропотребления электровоза 139
4.7. Зарядное устройство аккумуляторных батарей
электровозов 140
Выводы 141
5. Марковская модель формирования электропотребления угольных предприятий 142
5.1. Электропотребление добычного участка 144
Выводы 150
Заключение 151
Список литературы 153
Приложение 166
- Обзор исследований, посвященных расчету и анализу электропотребления угольных шахт
- Моделирование процесса электропотребления угольного предприятия «восходящим потоком»
- Статистические характеристики угольных шахт Кузбасса
- Моделирование электропотребления ГШО
Введение к работе
Актуальность работы. Функционирование энергетического хозяйства угледобывающего предприятия определяется характером взаимосвязей между его элементами, а также внешними и внутренними факторами, часть которых носит случайный характер. Для разработки мероприятий по энергосбережению необходимо располагать результатами анализа закономерностей формирования энергетических затрат и получения на их основе надежных прогнозных оценок. Адекватная оценка объемов электропотребления и добычи угля требует использования соответствующей теоретической базы. Однако общая методика, позволяющая решать проблему повышения эффективности электропотребления, в настоящее время отсутствует. Это приводит к тому, что решение вопросов о рациональном использовании электроэнергии оказывается в значительной степени субъективным и слабо связанным со спецификой предприятия и теми изменениями, которые происходят в угольной промышленности Кузбасса в связи с ее реструктуризацией и реформированием.
При определении путей повышения эффективности использования электроэнергии необходимо знать закономерности формирования электропотребления. Решение этого вопроса возможно на основе математической модели объекта, которая бы учитывала все взаимодействия происходящие в системе между элементами, и отражала бы основные факторы, влияющие на исследуемый объект. Как правило, при расчетах показателей электропотребления, не учитывается тот факт, что угольная шахта, как объект управления, не является суммой входящих в нее отдельных звеньев технологической цепи, а в значительной степени определяется характером их взаимодей- ствия. Это приводит к тому, что закономерности электропотребления угольной шахты существенно отличаются от закономерностей электропотребления отдельных технологических звеньев, входящих в нее.
Таким образом, актуальной задачей при решении проблемы энергосбережения на угольных шахтах Кузбасса является установление закономерностей формирования затрат электрической энергии, представленных в виде математических моделей, которые могут быть использованы для анализа режимов потребления электроэнергии как отдельными звеньями технологической цепи, так и угольной шахтой в целом, при реализации этих моделей в виде конкретных программных решений.
Актуальность работы также определяется необходимостью практической реализации Федерального закона «Об энергосбережении в Российской федерации» от 03.04.96 г., основными положениями энергетической стратегии развития России до 2020 года, постановлением Правительства РФ № 80 «О федеральной целевой программе «Энергосбережение России на 1998-2005 годы» от 24.01.98 г.
Целью работы является разработка вероятностных моделей электропотребления угольных шахт и их технологических звеньев для анализа и планирования их электропотребления.
Идея работы состоит в применении теории марковских процессов для установления закономерностей формирования электропотребления как отдельными звеньями, так и угледобывающим предприятием в целом.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи: - исследовать факторы, определяющие электропотребление на угольных шахтах Кузбасса; провести анализ особенностей электропотребления для ряда угольных шахт Кузбасса и установить количественные оценки степени влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на электропотребление угольных шахт; разработать математическую модель электропотребления отдельных звеньев технологического процесса подземного способа добычи угля на основе теории марковских процессов; разработать математическую модель электропотребления угольного предприятия «восходящим потоком» с учетом случайных воздействий на отдельные звенья технологической цепи; # - разработать программное обеспечение и методику пла- нирования электропотребления на угольных шахтах.
Основные положения, выносимые на защиту, и научная новизна работы:
1. Зависимости изменения на шахтах Кузбасса горногеологических и горно-технических факторов, определяющих уровень электропотребления во времени.
4г 2. Установлена степень влияния горно-геологических и горно-технических факторов на уровень электропотребления для угольных шахт Кузбасса.
3. Математическая модель электропотребления отдельных звеньев технологического процесса подземного способа добы чи угля на основе вероятностно-статистического подхода с использованием теории марковских процессов.
4. Математическая модель электропотребления угольного щ предприятия «восходящим потоком», учитывающая случайные воздействия на звенья технологической цепи.
8 Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты могут быть использованы: для расчета энергозатрат как по отдельным участкам, так и для угольного предприятия в целом; при планировании электропотребления предприятия на основе использования полученных математических моделей электропотребления в зависимости от горно-геологических и горно-технических факторов; при разработке прогнозных моделей электропотребления для среднесрочного планирования.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются представительным объемом наблюдений в течение 12 лет на 25 угольных шахтах Кузбасса и применением апробированных научных методов на основе теории вероятностей, математической статистики, марковских процессов, математического анализа и компьютерного моделирования, а так же результатами проверки предложенных в работе решений на ОАО «Шахта Полысаевская».
Реализация результатов работы. На основе предложенных в диссертационной работе методов разработана методика планирования электропотребления на угольных шахтах, которая принята к практическому использованию для анализа электропотребления на ОАО «Шахта Полысаевская».
А п р о б а ц и я__р а бот ы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на третьей Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (г. Благовещенск, 2003 г.), на Международной научно- практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию уголь-
9 ной промышленности» (г. Кемерово, 2003 г.), на Международной научно- практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2004 г), на Х-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» («Сибресурс 2004», г. Кемерово 2004 г.), на ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 2003-2005 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и содержит 165 страниц текста, 40 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 102 наименований.
Обзор исследований, посвященных расчету и анализу электропотребления угольных шахт
Современные угольные шахты представляют собой круп ные комплексно-механизированные и автоматизированные предприятия, которые оснащены разнообразными машинами, ф облегчающими труд шахтеров и создающими необходимые ус ловия для безопасного ведения работ в подземных выработ ках. Подземное горное оборудование насчитывает многие де сятки различных типов машин и автоматизированных систем управления и связи. Горные машины используют для разруше ния горных пород, погрузки и доставки разрушенной горной массы. Объем выполняемой ими работы составляет несколько ft миллиардов тонн горной массы [1, 2].
Для предприятий угольной промышленности характерной особенностью является постоянное увеличение объемов электропотребления, которое вызвано не только абсолютным ростом добычи угля, но и техническим перевооружением предприятий отрасли. На смену малопроизводительной и устаревшей технике и электрооборудованию приходит более мощное, надежное, высокопроизводительное и, как правило, более энергоемкое оборудование. Увеличение электропотребления связано также с постоянным усложнением и ухудшением горно-геологических условий (отработка более глубоких горизонтов, увеличивающееся выделение метана, повышенная опас 11 ность взрывов, пожаров; увеличение притока воды и протяженности транспортных выработок и т.д.), отработкой более тонких пластов и добычей менее качественных углей [3, 4].
Постоянно растущие масштабы электропотребления в связи с расширением области применения электроэнергии в условиях угольных шахт ставят перед специалистами отрасли задачи поиска и широкого внедрения новых перспективных направлений в электроснабжении.
Решение актуального вопроса рационального использования электрической энергии на предприятиях угольной промышленности, и в первую очередь на угольных шахтах, — это, прежде всего, оптимальное потребление энергоресурсов и недопущение их необоснованных потерь, соблюдение установленных планов электропотребления, снижение нагрузок в часы максимума энергосистемы, приведение в действие всех резервов экономии энергии [1-5].
В повышении эффективности электропотребления важную роль играет нормирование электропотребления, вызванное необходимостью установления его плановой меры и обеспечения при планировании и производстве технически и экономически обоснованных, прогрессивных норм расхода электрической энергии. Это необходимо для последующей реализации режима экономии электроэнергии, ее рационального распределения и наиболее эффективного использования [5, 6]. При этом в процессе нормирования должны учитываться как штатный ход производства, так и отклонения от него [7, 8]. Нормирование потребления электроэнергии производится согласно инструкции по расчету норм расхода электроэнергии в угольной промышленности ВН 12.25.007-81 [9]. Между тем, существующие в настоящее время методы нормирования и планирования электропотребления в горной промышленности не могут считаться достаточно научно обоснованными, так они слабо связаны с изменениями, которые происходят в процессе реализации этих методик [5, 10-12].
В горной промышленности, безусловно, имеются резервы снижения потребления электроэнергии, но использование этих резервов в значительной мере тормозится применением формально-статистических методов планирования потребления электроэнергии.
В соответствии с общепринятыми в настоящее время принципами формирования систем планирования предшествующими этапами разработки любого вида планов (долгосрочных, среднесрочных, краткосрочных) являются соответствующие прогнозы социально-экономического и научно-технического развития [6, 13].
В угольной промышленности имеется определенный опыт в решении задач прогнозирования [14 - 18]. Необходимость развития и дальнейшего совершенствования прогнозирования в угольной промышленности обусловлена рядом объективных причин, порождаемых особенностями производства. Среди них, прежде всего, нужно указать на существенное проявление фактора неопределенности из-за зависимости процессов добычи угля от изменчивости горно-геологических условий.
Моделирование процесса электропотребления угольного предприятия «восходящим потоком»
Прогнозная схема моделирования электропотребления предприятия может быть построена по принципу «восходящего потока моделей», суть которого сводится к следующему: вначале моделируется поведение объектов самого нижнего уровня иерархии — «звеньев» (к ним можно отнести, например, некоторые виды горно-шахтного оборудования (ГШО): очистные комбайны, конвейеры, перегружатели, насосы главного водоотлива и т.д.) при заданных входных характеристиках случайных воздействий. Выходные характеристики «звеньев» являются входными характеристиками для состояний следующего уровня иерархии: подсистем (к ним относится совокупность ГШО, объединенного по определенному признаку, например, ГШО отдельных участков, оборудование капитальных выработок, технологической системы поверхности и т.п.) и так далее вверх по иерархии, до объекта «предприятие» - объ екта наивысшего уровня иерархии (рис. 2.3). На высшем уров не иерархии объектов описываемого построения находится «система» (предприятие)[83].
Каждое состояние объекта «система» описывается набором характеристик, задающих допустимые состояния каждой «подсистемы». В свою очередь, каждый объект «подсистемы» образован объектами еще более низкого уровня иерархии, а состояния каждой «подсистемы» описываются набором харак теристик, задающих состояние объектов нижнего уровня ие рархии.
Нижний уровень объектов характеризуется тем, что его элементы являются самыми элементарными составляющими системы и не могут быть разбиты на меньшие составляющие.
Именно объекты нижнего уровня - «звенья» - и подвержены случайным воздействиям. Разброс выходных параметров работы «звеньев» влияет на разброс выходных параметров объектов следующего по иерархии уровня. Таким образом, статистический разброс выходных значений параметров распространяется вверх по иерархии, пока не достигает самого верхнего уровня - «системы».
Для построения описанной выше прогнозной схемы необходимо установление закономерностей формирования энергетических затрат в виде математических моделей, включающих влияние случайных воздействий, что требует привлечения математической теории случайных процессов, а также реализации этих моделей в виде программных решений. Теория случайных процессов описывает переходы системы между ее состояниями под влиянием случайных воздействий. Для построения математической модели случайного процесса необходимо определить число состояний системы и вероятности переходов системы между ее состояниями. Далее можно промоделировать траектории случайного процесса - последовательность переходов системы между ее состояниями (рис. 2.4).
Среди всех случайных процессов эволюции простейшими являются марковские процессы, для которых состояние системы в будущем определяется только ее состоянием в исходный момент времени, но не состояниями в прошлом. Однако, даже в этом простейшем случае «случайных процессов без памяти», эффективное применение точных аналитических методов возможно только для ограниченного класса достаточно специальных моделей, что заставляет в реальных ситуациях обращаться к численному моделированию.
В последнее время одним из наиболее перспективных методов численного моделирования случайных процессов счита 50 ется прямая генерация реализаций исследуемого случайного процесса при помощи методов Монте-Карло [70], основанных на генерации случайных чисел. Для системы с конечным числом состояний отдельную реализацию процесса ее эволюции наиболее просто осуществить при помощи метода «вероятностных автоматов», генерирующих переходы между состояниями системы по некоторому заранее заданному правилу.
Фундаментальным понятием математических моделей эволюции является понятие состояния системы. Определение понятия состояния системы в каждом конкретном случае является наиболее сложным вопросом при формулировке модели. Главное требование к определению состояния заключается в том, что оно должно описывать систему с требуемой в рассматриваемой задаче степенью детализации.
Когда понятие состояния определено, набор состояний системы может образовывать дискретное или непрерывное множество - пространство состояний системы. Если переходы между состояниями системы носят случайный характер, то ее эволюция является случайным процессом. Реализациями этого случайного процесса являются упорядоченные во времени последовательности состояний, пройденных системой. Переход системы между парой ее состояний характеризуется условной вероятностью, называемой вероятностью перехода.
Для математического описания таких переходов может быть использована теория марковских процессов. Их подразделяют на дискретные и непрерывные [71].
Статистические характеристики угольных шахт Кузбасса
Получение данных осуществлялось на 25 шахтах с различными горно-геологическими и горно-техническими условиями, принадлежащих Кузбасскому угольному бассейну.
Для выявления общих тенденций в развитии угольных шахт бассейна была обработана информация, полученная с использованием разработанной общей для всех шахт формы сбора исходных материалов. Она включает в себя сведения о добыче угля за 2002 и 2003 гг., об основных горнотехнических характеристиках: глубине ведения горных работ, относительной газообильности, притоке воды, количестве подаваемого в шахты воздуха и др.
Обработка этой информации производилась на персо нальном компьютере (ПК) методами математической стати стики, изложенными в п.2.1, с использованием программного обеспечения Microsoft Excel и ее результаты приводятся ни же. Подробная блочная диаграмма распределение шахт по уровню добычи представлена на рис. 3.1,а. На рисунке ис пользуются обозначения, описанные в п.2.1. Для более детального рассмотрения на диаграмме введены дополнительные обозначения: пунктиром обозначено среднее значение, звездочкой ( ) обозначены выбросы, превышающие нижние и верхние границы, значения которых определяются по форму лам (2.1) и (2.2). Основные показатели, используемые для по - строения подробных блочных диаграмм, сведены в табл. 3.1.
Из диаграммы на рис. 3.1,а следует, что в 2003г. по сравнению с предыдущим годом средняя годовая добыча (пунктирная линия) осталась практически на том же уровне (1096 тыс,т/год и 1089 тыс.т/год), но при этом на шахтах, добывающих более 2000тыс.т угля в год добыча возросла в среднем на 15% (отмечено верхним выбросом), а при сравнении нижних границ можно сделать вывод что, на шахтах с годовой добычей до 1500 тыс.т угля в год добыча снизилась на 5-10%. Минутная производительность шахт (рис. 3.1,6), также возросла для шахт с большой годовой добычей, и несколько снизилась для шахт, где годовая добыча составляет менее 1500 тыс.т угля в год. Почти 50% шахт работает с производительностью, изменяющейся в диапазоне от 1,2 до 3,6 т/мин, а около 25 % шахт работают с производительностью выше 4 т/мин. Эти данные являются подтверждением факта проводи мой на шахтах политики концентрации горных работ и повы шения производительности труда посредством роста добычи.
На рис. 3.1,в показано распределение шахт по глубине разработки. Видно, что горные работы на 60% шахт ведутся на глубине от 260 до 460 м при среднем значении 343 м. Средняя глубина разработки в бассейне несколько уменьшилась за счет закрытия глубоких шахт в городах Анжеро Судженск, Ленинск-Кузнецкий, Кемерово и в Прокопьевско Киселевском районе.
Газоносность угольных пластов является одним из важных факторов, влияющих не только на безопасность ведения горных работ, но и на потребление электрической энергии для функционирования шахты.
По данным [84] относительная газообильность на шахтах бассейна варьируется в пределах 0,8 - 146,6 м /т, а абсолют-ная - 0,8 - 126 м /мин. На рис. 3.2,а приведена подробная блочная диаграмма распределения шахт по относительной газообильности в 2002 и 2003 гг., откуда видно, что 5-7% шахт относятся к первой категории, 16-18% - ко второй и третьей и около 75% шахт — сверхкатигорийным. При этом среднее зна-чение относительной газообильности равно 22 м /т
С каждым годом увеличивается относительная газообильность при высоких уровнях производительности очистных забоев. Высокая газообильность шахт приводит к необходимости подачи в горные выработки большого количества воздуха. Распределение шахт по объему фактически подаваемого в подземные выработки воздуха приведено на рис. 3.2,6. Эти данные получены суммированием фактических дебитов вентиляторов.
Моделирование электропотребления ГШО
Другая тенденция состоит в том, что вне зависимости от общеэкономических факторов, влияющих на общее состояние угольной отрасли и народного хозяйства страны в целом, имеет место устойчивое повышение УРЭЭ в размере 4,4 - 9,1 % в год по отношению к прошедшему году. Эта тенденция сохраняется на всех оставшихся в эксплуатации шахтах после проведенной в последние годы реструктуризации угольной промышленности.
Причины складывающихся тенденций в развитии процесса электропотребления удобно исследовать с помощью статистических методов, позволяющих получить обобщенную картину для шахт бассейна в целом. Обобщающим признаком для шахт Кузбасса является угол падения разрабатываемых пластов, который при относительно небольшом изменении их мощности в пределах одного месторождения в существенной мере определяет технологию и технику, применяемую для выемки полезного ископаемого.
Имеющиеся статистические данные позволили получить уравнения регрессии, связывающие уровень электропотребления с длительностью эксплуатации шахт при условии, что в последующие годы на них произойдут определенные технологические изменения, а структура электропотребления останется прежней.
Для шахт угольной компании (УК) «Кузбассуголь», в том числе филиала «СУЭК» и УК «Кузнецкуголь» эти уравнения приведены в табл.3.5. Здесь w — удельный расход электроэнергии, кВт-ч /т; К - номер года, для которого определяется УРЭЭ, начиная с 1997 г. (для 1997 г. К=0 и т.д.)
Необходимо отметить, что за пределы статистических рядов, имеющих высокие значения коэффициентов корреляции, выпадают несколько шахт, где рост УРЭЭ выходит за пределы установленных закономерностей. В частности, сюда относится шахта «Чертинская», на которой удельное электропотребление в 1999 г. возросло на 18% по сравнению с 1998 г., а в конце 2000 г. оно увеличилось в два раза по сравнению с первым кварталом 1999 г. и составило 210 кВт-ч/т. Высокие темпы прироста УРЭЭ в год также имеют шахты «Колмого-ровская» (29%) и «Инская» (до 1 1,3%).
Полученные статистическим путем зависимости, приведенные в табл. 3.7 и выполненные на их основе расчеты, отражают общие для шахт Кузбасса тенденции изменения основных горно-технических характеристик, приведенных выше.
Поле корреляции между УРЭЭ и уровнем добычи для шахт Кузбасса, работающих в приближенно одинаковых условиях, представлено на рис. ЗЛО. Для него справедливо уравнение регрессии вида где D - годовая добыча, млн.т; R - коэффициент детерминации, который можно трактовать как часть дисперсии, «объясненную» уравнением регрессии [89]. Это означает, что или 71% УРЭЭ формируется за счет затрат электроэнергии на добычу угля. То есть, из уравнения (3.1) следует, что увеличение добычи на шахтах, где она не достигает 1 млн.т/год и где имеются резервные производственные мощности подземного транспорта, подъемов и поверхностных комплексов, способные принять возрастающий поток угля, является одним из путей энергосбережения.
