39

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Методи підвищення ефективності електропостачання і енерговикористання підземних гірничих машин та установок вугільних шахт

Заїка Володимир Терентійович

АНОТАЦІЯ

електропостачання вугільний шахта

Заїка В.Т. Методи підвищення ефективності електропостачання і енерговикористання підземних гірничих машин та установок вугільних шахт. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - “Електротехнічні комплекси та системи”. - Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2001.

В дисертації вирішена науково-практична проблема розвитку наукових та методологічних основ електропостачання і енергозбереження для об'єктів електроенергетичного комплексу вугільної шахти.

У результаті її рішення обгрунтовані принципи декомпозиції систем електропостачання за рівнем узагальнення електричних навантажень, розкриті нові властивості і характер залежностей техніко-економічних показників шахтних різнорідних електричних мереж стосовно точності визначення розрахункових електричних навантажень, виявлені зв'язки і співвідношення між енергетичними і технологічними параметрами гірничих машин, потенціал електрозбереження на виробничих ділянках і границі регулювальної спроможності енергоємних установок, обгрунтовані нові підходи до енергоконтролю гірничої техніки на підземних роботах.

Дослідження дозволили удосконалити методи розрахунку електричних навантажень і управління електроспоживанням, розробити моделі та засоби енергетичного моніторингу нового технічного рівня.

У сукупності наукові і практичні результати створюють умови для підвищення ефективності електропостачання і рівня енерговикористання гірничих машин і установок вугільних шахт.

Ключові слова: електричні навантаження, електропостачання, методи, моделі, гірничі машини, енергозбереження, засоби енергомоніторингу.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Стан і актуальність проблеми. Вугільні шахти - це складні виробничі системи, порушення ефективної роботи яких знижує енергетичну безпеку України. Таких об'єктів на Україні біля 200. Їх виробнича потужність дорівнює приблизно 100 млн. тонн вугілля в рік, а добувається в даний час біля 70.

Не останню роль у забезпеченні стійкої роботи шахт відіграють системи електропостачання (СЕП), їх надійність, безпека, економічна ефективність [16]. Залежать ці показники від багатьох факторів, але в основному від розрахункових навантажень, що використовуються для вибору параметрів елементів СЕП. У той же час для умов вугільних шахт вони продовжують визначатися зі значною погрішністю: до 27 % - для ПУПП видобувних і підготовчих дільниць; до 92,5 % - для центральних підземних підстанцій (ЦПП) і до 135 % - для ГЗП у бік завищення (при узвичаєному її значенні 10 %). Причому не зовсім ясний механізм формування такого явища і причини непорушності нормативу погрішності, що рекомендується, рівного 10 %, і однакового для всіх рівнів розподілу електроенергії (ЕЕ). І це, незважаючи на різноманіття конструктивного виконання елементів СЕП і неоднакові економічні наслідки при завищенні розрахункових навантажень.

У галузі зберігається тенденція зростання питомої витрати електроенергії на тонну добутого вугілля, незважаючи на використання потужної і високопродуктивної техніки. У к. СРСР, за даними ІГС ім. А.А. Скочинського, він по українських шахтах у середньому був удвічі вище, чим по вугільній промисловості в цілому, при динаміці зростання з 1975 по 90 роки в середньому на 50 %. У період спаду виробництва він ще збільшився і склав у середньому по галузі 135 кВт.г/т (1997 р), а частка ЕЕ в собівартості видобутку вугілля, у залежності від вуглевидобувного регіону України, досягла 7 - 21 % (2000 р).

Таким чином, енергозбереження стає для галузі безальтернативним джерелом зниження собівартості видобутку вугілля на найближчу перспективу. І хоча цій проблемі приділялась раніше значна увага, із методологічної і наукової точки зору невирішеними для підземних робіт залишаються такі питання як визначення фактичного потенціалу електрозбереження, виявлення взаємозв'язків технологічних і енергетичних параметрів гірничої техніки, виділення об'єктів і видів енергоконтролю для них, без чого неможливо проводити реальну роботу ні по ресурсо-, ні по електрозбереженню.

Вирішити ці задачі можна тільки при наявності приладового обліку ЕЕ. Проте саме на підземних виробничих дільницях і технологічних ланках такий облік відсутній. Пояснюється це важкими кліматичними умовами, у яких повинна експлуатуватися апаратура контролю, вимогами по вибухозахисту, іскробезпеці, а також непридатністю розподільних пристроїв систем підземного електропостачання до виконання функцій обліку ЕЕ, що перетворює задачу розроблення засобів енергоконтролю для підземних робіт у додаткову достатньо складну науково-технічну проблему.

Тому розвиток наукових і методологічних основ електропостачання і електрозбереження для об'єктів електроенергетичного комплексу вугільної шахти з метою удосконалення і розробки методів, моделей і технічних засобів енергетичного моніторингу, що спроможні створити умови для підвищення ефективності систем електропостачання і рівня енерговикористання підземних гірничих машин і установок, є актуальною науково-прикладною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати, викладені в роботі, отримані в процесі досліджень по планах НДР Національної гірничої академії України (НГАУ) на 1984 рік (тема “ТЗ на створення методики визначення розрахункових електричних навантажень вугільних шахт” - відповідальний виконавець) у рамках виконання етапу 2500404225 “Розробити остаточну редакцію техноробочого проекту підсистеми “Електропостачання вугільних підприємств САПР-вугілля” ЦК НТП 0.Ц.027; по планах НДР НГАУ на 1987-1990 р, тема № ДР 01870019454 - науковий керівник) у рамках виконання ОЦКП “Енергокомплекс” (м. Дніпропетровськ) і комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики”, розділ 1.9.2.6.; по планах НДР НГАУ на 1992-1997 р і наказам Міносвіти України й у рамках комплексної Державної програми “Енергозбереження” на 1996-2005 р, (теми: ГП-64 № ДР UA01000835P, 1992-93 р; ГП-153 № 0194 015951, 1994-95 р; ГП-188 № 0196 021842, 1996-97 р - науковий керівник по всім темам).

Мета і задачі досліджень. Основна мета досліджень складається в підвищенні ефективності електропостачання і енерговикористання гірничих машин і установок на основі оперативного контролю завантаження елементів СЕП і формування за допомогою системи моделей і технічних засобів енергозберігаючих режимів при видобутку вугілля підземним способом.

Для досягнення мети поставлені і вирішені такі задачі:

1. Виявити причини завищення розрахункових електричних навантажень основних груп електроприймачів на вугільних шахтах і розробити рекомендації по удосконаленню методу їх розрахунку.

2. Оцінити фактичний потенціал електро- і ресурсозбереження в електротехнічних комплексах і системах на підземних гірничих роботах і визначити напрямки по удосконалюванню СЕП і електрозбереженню.

3. Розробити моделі для контролю енерговикористання і методи ресурсо- і електрозбереження для гірничих машин та енергоємних установок.

4. Розробити метод оцінки і визначити фактичні межі регулювальної спроможності енергоємних установок, а також обгрунтувати принципи і критерії їх використання в якості споживачів-регуляторів при обмеженнях на потужність і електроспоживання.

5. Розробити метод і сучасні технічні засоби контролю режимів електроспоживання і енерговикористання гірничих машин і установок для реалізації задач оперативного і довгострокового управління електрозбереженням на підземних гірничих роботах.

Об'єктом дослідження в роботі виступають процеси електропостачання і енерговикористання гірничих машин і установок на підземних роботах вугільної шахти.

Предметом дослідження є показники точності визначення електричних навантажень, що використовуються для вибору устаткування і кабельних ліній систем підземного електропостачання, зв'язки і співвідношення між енергетичними і технологічними параметрами електротехнічних комплексів і установок, їх регулювальна спроможність і резерви електрозбереження, а також умови і чинники, що визначають вимоги до моделей і засобів енергетичного контролю, методів і технічних рішень, які забезпечують підвищення ефективності процесів електропостачання і енерговикористання.

Методи дослідження. При проведенні досліджень використані теоретичні й експериментальні методи, зокрема, методи економіко-математичного моделювання - при розробці техніко-економічних моделей елементів СЕП і аналізі впливу завищення розрахункових електричних навантажень на їхні характеристики; удосконалювання методу розрахунку електричних навантажень грунтується на застосуванні теоретико-ймовірного підходу; методи теорії планування експерименту використані при дослідженні питомого електроспоживання і побудові моделей для енергетичного контролю й управління рівнем енерговикористання гірничих машин і комплексів; прийоми і методи теорії управління і функціонального аналізу використані при обгрунтуванні критеріїв управління електроспоживанням енергоємних установок; елементи теорії випадкових процесів виявилися корисними при оцінці інтервалів квантування і дискретизації електроенергетичних параметрів як функцій часу; методи теорії іскробезпеки електричних ланцюгів і цифрового опрацювання інформації використані при розробці технічних засобів енергетичного контролю нового рівня.

У основу рішення наукової проблеми покладені роботи і результати досліджень відомих учених:

- по теорії електричних навантажень - Шидловського А.К., Гнеденко Б.В., Каялова Г.М., Жежеленко І.В., Кудріна Б.І., Курінного Е.Г.;

- по управлінню електроспоживанням, електричним навантаженням і енергозберігаючим режимам - Праховника А.В.;

- по економії електроенергії і нормуванню - Тонкаля В.Е., Авілова-Карнаухова Б.В., Міновського Ю.П., Фокіна Ю.А.;

- із проблем гірничо-металургійної електроенергетики - Півняка Г.Г., Волотковського С.А.

Ідея роботи полягає в застосуванні енергетичного моніторингу, що засновується на системі методів, моделей і інтелектуальних технічних засобах, які забезпечують достовірність інформації про завантаження елементів СЕП і режими роботи гірничих машин і комплексів, що дозволяє проводити на підземних дільницях ефективну оперативну і довгострокову роботу з ресурсо- і енергозбереження.

Основні наукові положення і їх новизна

1. Завищення розрахункових електричних навантажень при виборі параметрів елементів неоднорідних шахтних електричних мереж призводить до неоднакового збитку для підземних електричних мереж (провідниковий

матеріал елементів - мідь) і електричних мереж поверхні (матеріал елементів - алюміній). Тому на відміну від відомого постулату про сталість нормативу погрішності, рівного 10%, точність визначення електричних навантажень для основних рівнів їх узагальнення в СЕП шахти теж повинна бути різною і диференціюватися в залежності від приросту витрат в елементи СЕП кожного характерного ступеня розподілу електроенергії, обумовленого погрішністю представлення розрахункових навантажень.

2. Для досягнення максимального рівня енерговикористання підземних машин і установок із приблизно лінійними енергетичними характеристиками, оперативний енергетичний контроль необхідно орієнтувати не на усереднені, як це прийнято, а на індивідуальні показники їхньої роботи в складі конкретних комплексів і виробничих установок із завершеним циклом випуску продукції, що випливає з суттєвих і не випадкових розходжень електроспоживання таких об'єктів усередині свого класу і достатньо високої чутливості і точності моделей у виді дрібно-лінійних функцій гіперболічного типу, які описують закономірності формування їх електроспоживання.

3. При оперативному управлінні електроспоживанням для організації роботи системи споживачів-регуляторів (СР) у режимі багатократних обмежень додатково до граничних оцінок по електричній потужності і тривалості обмежень, що характеризують разову регулювальну спроможність окремих СР, необхідно використовувати інтегральний критерій, який представляє собою кількість енергії пропорційне запасу продуктивності, що необхідний кожному СР для компенсації в межах розрахункового періоду ймовірного недовипуску продукції, що виключає виникнення невизначеності при виборі глибини і тривалості чергової управляючої дії для ПР і ризик, пов'язаний із невиконанням шахтою виробничого завдання.

4. Для здійснення контролю енергетичних потоків у характерних вузлах підключення електроприймачів при обмеженій кількості первинних перетворювачів струму і напруги в електромережному устаткуванні систем підземного електропостачання, графіки зміни параметрів електроспоживання гірничих машин і комплексів, що мають вид кусочно-безперервних функцій, необхідно представляти їх дискретними аналогами з кроком квантування за часом, який залежить від тривалості інтервалів безперервної роботи установок і заданої точності відновлення характеристик процесу електроспоживання , що у комплексі з застосуванням імітаційних процедур, складають основу нового підходу до виміру базових для енергоконтролю електричних величин.

Практичне значення результатів роботи полягає в тому, що вони використані для постановки і виконання наукових досліджень, створення зразків нової техніки, розробки методичних і інструктивних матеріалів, електроенергетичних частин проектів розкриття і підготовки горизонтів діючих шахт, передані у виді рекомендацій Мінвуглепрому України і діючим шахтам, увійшли складовими частинами в монографії, підручники і навчальні посібники, зокрема:

- основні наукові положення по обгрунтуванню меж погрішності і моделі розрахункових електричних навантажень використані при розробці ТЗ на створення методики визначення електричних навантажень вугільних шахт, затвердженого головною організацією по проектуванню шахт ВО “Союзшахтопроект” МУП СРСР 27 грудня 1984 р, яке використане інститутом “Дніпродіпрошахт” для удосконалювання методів визначення електричних навантажень;

- принципи і методологічні підходи до енергетичного контролю використані при створенні комплексу технічних засобів нового технічного рівня (КТЗ СОЕ). Комплекс випробуваний і атестований за рівнем іскробезпеки, ізоляції і вибухозахисту в МакНДІ, витримав промислові іспити на шахті ім. М.І. Сташкова ВО Павлоградвугілля;

- принципи і критерії управління споживачами-регуляторами (СР), а також висновки про резерви електрозбереження використані для удосконалення електрогосподарства шахти ім. М.І. Сташкова і показали економічну ефективність застосування КТЗ СОЕ на підземних гірничих роботах;

- результати оцінки резервів електрозбереження на типовій шахті Західного Донбасу і висновки про перспективи застосування КТЗ СОЕ використовуються Мінвуглепромом України для координації робіт із раціонального використання електроенергії в галузі і формування технічної політики в області електрозбереження;

- система статистичних моделей, рекомендації по застосуванню ефективних заходів електрозбереження і управлінню електроспоживанням використані при розробці проекту розкриття і підготовки горизонту 830 м шахти “Білозірська” ДХК “Добропіллявугіль” і коригуванню проекту реконструкції шахти “Новодонецька” на етапах дослідження, розробки і впровадження технологічних рішень по ущільненню графіків електричних навантажень і зниженню електроспоживання шахт.

Наукові положення і результати дисертації ввійшли в монографії “Електропостачання вугільних шахт” (1984); “Ефективне використання електроенергії і палива у вугільній промисловості” (1990), підручник “Електрифікація гірничих робіт” (1992), навчальний посібник “Моделювання систем електропостачання” (1988).

Загальна економічна ефективність від впровадження розробок склала більше 600 тис. грн.

Особистий внесок автора складається в рішенні науково-практичної проблеми розвитку наукових і методологічних основ підвищення ефективності електропостачання і рівня енерговикористання підземних гірничих машин і комплексів на вугільних шахтах. У роботах написаних у співавторстві, особистий внесок полягає в такому:

[1, 2, 4, 5, 13, 16, 24] - здійснено теоретичне і техніко-економічне обгрунтування напрямків і принципів удосконалювання методу визначення розрахункових електричних навантажень, запропоновано принцип формування методичного та інформаційного забезпечення задач енергозбереження, оцінені резерви ресурсозбереження в основних елементах СЕП;

[6, 25] - встановлено зв'язки і співвідношення між енергетичними і технологічними параметрами гірничих машин і установок, запропоновано систему моделей для оцінки резервів електрозбереження і управління їх енерговикористанням;

[8, 9, 18] - запропоновано метод оцінювання регулювальної спроможності енергоємних установок, обгрунтовані принципи і критерії управління СР;

[1, 6, 12, 22, 23, 20, 25] - запропоновано імітаційний метод, ідея повороту векторів і дискретні обчислювальні моделі, рішення, які забезпечують інваріантність алгоритмів до складу споживачів-регуляторів і технічні засоби енергетичного контролю нового технічного рівня, призначені для організації оперативного і довгострокового управління ресурсо- і електрозбереженням на підземному видобутку вугілля.

Апробація результатів дисертації. Результати докладені й обговорені на II Всесоюзної наукової конференції “Шляхи економії і підвищення ефективності використання електроенергії в системах електропостачання промисловості і транспорту”, Смоленськ, 1987; на Всесоюзній науково-технічній конференції “Розробка методів і засобів економії електроенергії в електричних системах і системах електропостачання промислових підприємств і транспорту”, Дніпропетровськ, 1990; на III Міжнародної наукової конференції “Ефективність і якість електропостачання промислових підприємств”, Маріуполь, 1994; на XII Міжнародної конференції “ICAMC-95 ”, Гливице, Польща, 1995; на V міжнародній науковій конференції “ Mine planning and equipment selection”, Cан-Пауло, Бразилія, 1996; на 31st Universities Power Engineering Conference (UPEC'95), Іракліо, Греція, 1996; на II Міжнародній конференції “Управління енерговикористанням”, Львів, 1997; на Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні технології економічного і безпечного виробництва і використання електроенергії”, Дніпропетровськ, 1997; на Регіональному Європейському енергетичному форумі ВЕР - “Київ-2000”. - “Ринкові перетворення в енергетиці. Перспективи на початок ІІІ-го тисячоліття ”, Київ, 2000; на розширеному засіданні НТР ДВАТ Інститут “Дніпродіпрошахт” у складі науково-практичної роботи “Розробка і впровадження способів та технологій збереження геологічного середовища і забезпечення повноти ефективної енергозберігаючої виїмки запасів вугілля в Західному Донбасі”, що у 1998 році відзначена Державною премією України в області науки і техніки.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в монографії, 20 статтях у наукових журналах і збірниках (із них 9 самостійних), авторському свідоцтві і патенті, 16 доповідях і тезах конференцій (із них 6 самостійних) - усього в 39 наукових працях, у тому числі 15 самостійних.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, семи розділів, висновків, списку літературних джерел із 116 найменувань на 12 сторінках, восьми додатків на 57 сторінках. Загальний обсяг дисертації - 350 сторінок, із них основний текст - 281 сторінка, рисунків - 39 (із них 8 на 8 повних сторінках), таблиць - 33 (із них 8 на 8 повних сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В вступі розкритий стан проблеми й обгрунтована актуальність досліджень по обраній темі, сформульовані наукова проблема, мета і задачі досліджень, викладена загальна характеристика дисертації.

У першому розділі проаналізований стан проблеми електропостачання і електрозбереження на шахтах, оцінений технічний рівень шахтних засобів обліку і контролю електроспоживання, розглянута існуюча інформаційно-методична база для рішення задач вибору параметрів СЕП і електрозбереження і встановлено таке:

питання обгрунтування погрішності визначення розрахункових електричних навантажень для вибору параметрів елементів СЕП потребує подальшого розгляду і розвитку, тому що продовжує існувати стійке явище їх суттєвого завищення на всіх рівнях розподілу ЕЕ.

ефективно управляти енерговикористанням на основі інформації, що формується офіційно на шахті, неможливо, тому що вона передбачає місячну циклічність обліку споживання ЕЕ й епізодичний контроль тарифного максимуму електричної потужності;

відсутні дані про ймовірні резерви електрозбереження по основних енергоємних установках підземних гірничих робіт;

існуюче для вугільних шахт методичне забезпечення електроенергетичних розрахунків і електрозбереження призначене, в основному, для “ручного” рахування і тому мало ефективно, у тому числі і через те, що достовірні вихідні дані або відсутні, або визначені для середніх умов;

вибухозахищене електроустаткування систем підземного електропостачання практично не пристосовано для організації контролю й обліку ЕЕ, а відповідні технічні засоби або відсутні, або не відповідають сучасним вимогам по надійності, функціональним можливостям, сервісному забезпеченню, власному електроспоживанню і ряду других показників;

відсутній оперативний контроль завантаження електроустаткування і електроспоживання, що не дозволяє удосконалювати електрогосподарство шахти й організувати оперативне і довгострокове управління електрозбереженням на підземному видобутку вугілля.

Виконаний аналіз і приведені вище висновки дозволили виявити сутність наукової проблеми, визначити напрямки, мету і конкретні задачі досліджень.

В другому розділі виконаний аналіз причин завищення розрахункових електричних навантажень, обгрунтовані вимоги до точності їх визначення й удосконалені розрахункові моделі.

Для виділених у СЕП шахти рівнів узагальнення навантажень (рис. 1) зіставлена точність розрахункових значень 30-хвилинних максимумів із фактичними. Встановлено, що метод коефіцієнта попиту дає завищені результати для всіх рівнів декомпозиції СЕП [2] - від пересувної дільничної підземної підстанції (ПУПП), до головної знижувальної підстанції (ГЗП).

Так, дослідження, проведені на шахтах Західного Донбасу показали, що 30-хвилинний максимум відрізняється від фактичного для ГЗП (рівень 5) у середньому на 55% (максимальна погрішність 135%). Погрішність для споживачів ЦПП (рівень 4а) досягає 93%, для поверхневих трансформаторних підстанцій напругою 6/0,4 к (рівень 2б) - 129%. Верхня границя погрішності для розрахункових навантажень споживачів видобувних дільниць (рівень 2а) склав 27%.

Запропоновані для споживачів шахт нові методи розрахунку вдвічі і більш (моделі КПІ для ГЗП, ЦПП і видобувних дільниць) і в 1,2 рази (моделі ІГС ім. А.А. Скочинського для видобувних дільниць) підвищили точність, але цього виявилося недостатньо, щоб у цілому досягти узвичаєного нормативу.

З огляду на стійкість такого явища, висунута гіпотеза про те, що причини порушення нормативу криються не тільки в недосконалості методів і точності вихідних даних, а пов'язані зі спрощеним підходом до нормування допустимої погрішності.

У роботі ця гіпотеза розкрита на основі економіко-математичного моделювання і застосування визнаного в електроенергетиці принципу рівноекономічності, тобто, за економічно обгрунтовану прийнята така погрішність при котрої витрати в будь-яку аналізовану сукупність елементів СЕП, що належать одному ступеню розподілу ЕЕ, відрізняються від витрат у ті ж елементи, але з параметрами, вибраними по точних значеннях електричних навантажень, на достатньо малу величину , рівну 5 %.

Повна модель затрат у сукупності елементів СЕП будь-якого виділеного ступеня розподілу ЕЕ має вид (1), де - параметр, що характеризує відмінність розрахункового значення максимуму навантаження від його точного значення; і - коефіцієнти, відповідно, ефективності капітальних вкладень і відрахувань на амортизацію і поточний ремонт; , - капіталовкладення і затрати на відшкодування втрат ЕЕ при =0, що відповідають затратам , які прийняті за базисні одиниці при розрахунку затрат на спорудження й експлуатацію електромережного обладнання СЕП;

, - відносні капіталовкладення і відносної затрати на відшкодування втрат ЕЕ як функції погрішності .

У свою чергу, моделі виду (1) отримані за допомогою часткових техніко-економічних моделей елементів виду , розроблених для проводів, кабелів і трансформаторів. Останні відрізняються від моделей, запропонованих академіком Б.В. Гнеденко, тому що крім капітальних вкладень, включають затрати на відшкодування втрат ЕЕ і забезпечують розгляд випадків вибору перетинів проводів і жил кабелів не тільки по нагріванню, але і по економічній щільності струму, а також втратам напруги - методам, що реально використовуються при розрахунку шахтних електричних мереж.

Конкретний вид модель (1) набуває в залежності від того, який метод використовується для вибору параметрів елементів СЕП на даному ступені розподілу ЕЕ.

Так, при виборі елементів СЕП по нагріванню і допущенні, що в масових розрахунках точні значення розрахункових навантажень рівномірно заповнюють кожний півінтервал виду , а також для , що лежить у границях , = 1, 2, 3…, вони будуть мати вид, де - ймовірність вибору із суміжних меншого перетину або потужності трансформатора;

- відношення капіталовкладень в елементи мережі із суміжними перетинами або потужностями;

- відношення суміжних у ряду перетинів проводів і кабелів;

- відносний приріст тривалого допустимого струму для стандартизованих рядів перетинів проводів або потужностей трансформаторів.

Аналогічно будуються моделі, коли розрахунок перетинів провідників ведеться по допустимій втраті напруги й економічної щільності струму за умови, що замість ймовірності в ці вираження підставляються відповідні величини [2].

Зіставлення ймовірностей показує, що при однаковій погрішності їх значення відрізняються[2]. Тому побудовані моделі, крім конструктивних особливостей елементів, враховують також вплив методів вибору їх параметрів на техніко-економічні показники СЕП. За допомогою таких уточнених моделей для типової структури СЕП (рис. 1) установлені граничні економічні значення погрішностей для усіх основних виділених ступенів розподілу ЕЕ (табл. 1).

З графіків на рис.2 видно той вплив, що надає неоднорідність шахтних електричних мереж на характер зміни техніко-економічних моделей кабельних ліній (матеріал алюміній) напругою 6 кВ при прокладці їх на поверхні шахти (рис.2, а, ступінь IIб), і підземних елементів (матеріал мідь) того ж призначення (рис.2, б, ступінь IIa).

Таблиця 1. Економічні границі погрішності для виділених ступенів розподілу ЕЕ

Ступень розподілу ЕЕ	э, %	ф, %(середня)	Э, тис.руб
Iа	34,0	-	-
Iб	80,0	-	-
IIа	9,1	18,3	4,5
IIб	14,8	129,0	3,4
IIIа	7,5	51,6	12,8
IVа	5,0	89,4	8,9
V	8,5	54,6	4,4

Потенціал ресурсозбереження від можливого уточнення розрахункових електричних навантажень для виділених ступенів розподілу ЕЕ приведений у табл. 1. У формулі (4) величини - це приведені затрати в елементи СЕП відповідно при фактичній й економічно допустимій погрішностях.

Розкриття економічного характеру механізму формування погрішності й урахування реальних можливостей забезпечення точності вихідних даних для розрахунку навантажень, дозволили встановити її технічно досяжні границі. Для споживачів видобувних дільниць вона складає 10%, для ЦПП - (-10…+15%), для ЛЕП поверхні і ГЗП - (-10…+20%). Звідси також випливає висновок, що в першу чергу необхідно удосконалювати інформаційну базу і моделі для вибору параметрів підземних високовольтних електричних мереж і трансформаторних підстанцій.

З цією метою, у рамках удосконалювання статистичного методу, активне середньозмінне навантаження як основну вихідну складову розрахункового максимуму запропоновано визначати по питомій витраті (нормі)

ЕЕ або енергетичним характеристикам, а ймовірне i-те значення реактивної потужності , що відповідає заданому значенню активної потужності , а також і розрахунковому максимуму , - по кореляційному рівнянню зв'язку з активним навантаженням [3], де - коефіцієнт кореляції, що характеризує тісноту зв'язку між активними і реактивними навантаженнями даної групи електроприймачів; , - середньоквадратичні відхилення півгодинних реактивних і активних навантажень.

При цьому для контролю достовірності розрахункових величин на етапі проектування запропонований критерій якості функціонування методики [3] у виді, міри близькості (у імовірнісному трактуванні) відповідних норм витрат ЕЕ wp, розрахованих для проектованого об'єкта, і відповідних фактичних питомих показників wc по шахтах-аналогах, де і - відповідно, ймовірність появи відносного відхилення , вираженого в долях середньоквадратичного відхилення питомої витрати енергії w, і встановлений заздалегідь критичний поріг ймовірності (у техніці звичайно = 0,05).

Гідністю критерію є ясність і простота обчислення (для виконання розрахунку достатньо знати фактичні дані усього лише по двох шахтах-аналогах).

У третьому розділі на основі результатів промислового експерименту виконана оцінка потенціалу електро- і ресурсозбереження в системах електропостачання й енергоємних гірничих машинах і установках.

У загальному випадку рівень енерговикористання гірничої техніки характеризується питомою витратою ЕЕ. Як показав аналіз, існуючі аналітичні моделі, які використовують для його визначення, навіть при точних показниках продуктивності, мають низьку точність. Так, похибка при визначенні питомої витрати ЕЕ на виїмку вугілля може досягати 67…77%, а на доставку вугілля конвеєрами - 57…+133%... Таке ж приблизно положення складається з електричними навантаженнями для систем підземного електропостачання (див. розділ 2).

Тому, для дослідження характеристик електроспоживання, енерговикористання і регулювальної спроможності гірничих машин і установок був використаний експериментально-дослідницький підхід. Виробничий експеримент був спланований і проведений на типовій для Західного Донбасу шахті. Під спостереженням одночасно знаходилося від 30 до 100% одиниць однотипного устаткування й установок шахти. У такому режимі експеримент проводився більш чотирьох місяців (із 28.12.93 р. по 30.04.94 г). По кожному комплексу, установці, технологічній ланці були отримані й оброблені, зокрема в реальному часі, дані про електроспоживання і завантаження елементів СЕП за 20…30 і більш діб.

За результатами обробки й аналізу експериментальних даних встановлено таке:

- через завищення розрахункових навантажень приблизно в 60 % пересувних підстанцій (ПУПП) видобувних і підготовчих дільниць коефіцієнти завантаження не перевищують 50%, перетини живлючих їх кабелів по нагріванню завищені на 2…4 ступеня, по економічній щільності струму і термічної дії токів к.з. - на 1…4 ступеня, а по механічній міцності - на 1…3 ступеня. Тому перетин кабельних ліній до ПУПП, із числом їх до двох на лінію, можна приймати рівним мінімально допустимому по механічній міцності - 16 мм², а приблизно в 60 % комплексно-механізованих лав потужність підстанцій знизити в середньому на 120…150 кВА [5].

- при застосуванні вузькозахватних комбайнів із шнековими виконавчими органами збільшення швидкості подачі на один відсоток призводить до зниження питомої витрати, у середньому на 0,44-0,67 %, а реальні для досліджуваних умов резерви електрозбереження складають 13-19% на комплексно-механізовану лаву;

- робота прохідницьких комплексів на добовому інтервалі носить в основному нерегулярний характер. При цьому на провітрювання і холосту ходу доставляючих конвеєрів витрачається в 3,5…6 разів більше ЕЕ, чим на виконання основних операцій - руйнацію гірського масиву комбайном і доставку гірської маси до навантажувального пункту;

- питома витрата ЕЕ на транспортування вугілля дільничними конвеєрами зі спарених лав на 25…30% менше, ніж з одиночних, тому що в них вище погонне навантаження і практично відсутня робота вхолосту, у той час як конвеєри одиночних лав через це нераціонально витрачають біля 10…15% ЕЕ в добу;

- потужність магістральних конвеєрних установок при роботі їх вхолосту обумовлює до 75…90% загального споживання ЕЕ на транспортування, а резерви підвищення їх енергоефективності лежать у межах 12…57% стосовно мінімально досягнутого рівня енерговитрат, що в перерахунку на річні її витрати для типової шахти складає приблизно 3...4%;

- при сумісній роботі електронасосів із різнотипними характеристиками питома витрата ЕЕ на водовідлив збільшується на 2,5…3% і на 8…10% - через перевищення напору над необхідним;

- реально на вугільних шахтах Західного Донбасу в якості СР можуть бути використані водовідливні установки ВУ (резерв регулювальної спроможності 5…15% розрахункового максимуму шахти), вугільні підйомні двохскіпові установки (0,9…4,4%- при вирівнюванні графіка навантажень і до 7,5% - при відключенні), порідні підйомні односкіпові установки (0,6…1,8%- при вирівнюванні і до 3,5% - при відключенні), а також одиночні магістральні конвеєри (0,5…1,5%) або транспортні лінії (6…9%) при наявності акумулюючих бункерів. При нормальних умовах роботи шахт використання в якості СР інших гірничих машин і установок неприйнятно, тому що пов'язано з прямим збитком виробництву.

У цілому, отримані результати і діапазон їх зміни показує, що однакові по призначенню гірничі машини і комплекси при роботі навіть у подібних умовах різняться за рівнем енерговикористання так, що кожний комплекс і установку, із погляду електроспоживання, необхідно розглядати не як усереднений, а як унікальний об'єкт і для нього адаптувати відповідні моделі й енергозберігаючі заходи. У четвертому розділі викладені принципи побудови системи моделей для оперативного контролю рівня енерговикористання гірничих машин і установок і засоби підвищення їх енергоефективності. Питома витрата, як комплексний показник використання ЕЕ може бути розрахований практично для будь-якої гірничої машини й установки по відомих аналітичних залежностях. Основний їх недолік - низька точність через невизначеність у виборі значень дослідних коефіцієнтів, параметрів моделей, що не є постійними, не контролюються і важко вимірюються в умовах експлуатації. Тому для оперативного енергоконтролю запропоновано використовувати регресійні моделі, що забезпечують простоту урахування основних чинників, що впливають, і можливість систематичного уточнення коефіцієнтів моделей при зміні умов експлуатації.

Для їх побудови використані результати промислового експерименту. Аналіз вибіркових даних показав, що до них застосовні всі процедури регресійного аналізу, проте доведено, що вибірки навіть однотипних машин не належать одній статистичній сукупності. Тому їх обробка й аналіз велися по кожній гірничій машині й установці як по унікальних об'єктах.

З огляду на вид теоретичної залежності між питомою витратою ЕЕ (залежна перемінна w) і швидкістю подачі комбайна (незалежна перемінна v), а також дійсне розташування дослідних точок у координатних осях “w - v” (рис. 3, а), регресійна модель побудована як дрібно-лінійна функція гіперболічного типу (рис. 3, а, масна крива) (6)

де , , - коефіцієнти моделі, визначувані по експериментальним даним.

Аналогічний підхід прийнятий при побудові залежності питомої витрати ЕЕ на транспортування вугілля від вантажопотоку для магістральних конвеєрних установок (рис. 3, б, масна крива) (7)

де і - оцінки істинних коефіцієнтів регресійної моделі.

Теж саме зроблено і при побудові залежностей між повними питомими витратами ЕЕ w і добовим просуванням забою dL, а також між умовно перемінною частиною повних питомих витрат w_var і годинною швидкістю проходки V_к для прохідницьких комплексів, які описуються, як і для вуглевидобувних машин, дрібно-лінійними функціями гіперболічного типу (рис. 3, в, г, масні криві): де і , і - коефіцієнти, визначувані по дослідним даним.

Побудовані моделі універсальні, тому що різними є лише їх коефіцієнти, що залежать від типу гірничої машини і конкретних умов її експлуатації. При цьому тіснота зв'язку між перемінними моделей змінюється від помірковано сильної - для вуглевидобувних комплексів (кореляційне відношення знаходиться в межах 0,7…0,8), до дуже сильної - у магістральних конвеєрних установок (кореляційне відношення дорівнює 0,7…0,98). Перевірка значимості коефіцієнтів моделей показала, що для прохідницьких комбайнів і магістральних конвеєрів моделі ближче до чисто гіперболічного типу (вільні коефіцієнти в них не є вагомими) і їх можна, при необхідності, спростити.

Підтверджено також положення, що підібрані моделі адекватно (із рівнем довірчої ймовірності 0,95 і вище) відбивають ті закономірності, які реально існують і виявлені в процесі аналізу дослідних даних, а також дають результати з прийнятною для цілей електрозбереження точністю. Так, для середніх значень швидкості подачі, погрішність визначення питомої витрати ЕЕ, при прийнятої довірчої ймовірності , лежить у межах 2,9…4,6%. Для прохідницьких комплексів ці цифри складають 10,2…12,2%, а для моделей конвеєрних установок рівні 2,9…5,8%. Для крайніх значень діапазону досліджуваних параметрів (гірший випадок) межі погрішності збільшуються приблизно вдвічі.

Таким чином, розроблені моделі в комплексі з технічними засобами енергетичного контролю, технічними і технологічними рішеннями, що стосуються корекції уставок у задатчиків швидкості локальних систем автоматичного управління гірничих машин, регулювання швидкості руху стрічки у магістральних конвеєрів і спорудження проміжних автоматизованих бункерів, в змозі забезпечити управління енергетичною ефективністю гірничих машин і установок, задіяних на видобутку і транспортуванні вугілля, а також проходці гірських виробіток.

У розділі 5 розглянуті недоліки існуючого підходу до оцінки регулюючої спроможності споживачів-регуляторів і проаналізовані механізми впливу умов енергоринку на критерії і методи підвищення ефективності їх енерговикористання і електроспоживання.

Після запровадження в дію зонного тарифу задача регулювання 30-хвилинного максимуму втратила свою гостроту, тому що споживачам стало вигідніше знижувати не потужність, а споживання ЕЕ в часи максимуму навантажень енергосистеми. У той же час для шахт паралельно діє одноставочний тариф, який хоча і диференційований по класах напруги, але не стимулює шахти здійснювати регулювальні заходи. Проте, незважаючи на це, енергосистеми на період максимуму навантажень продовжують установлювати для них граничні значення потужності, а шахти, виконуючи вимоги енергосистеми, змушені регулювати графік свого електроспоживання.

У цих умовах виникає задача мінімізації витрат (збитку), пов'язаних із короткочасними, але кількаразовими оперативними обмеженнями потужності СР, які можуть викликати зниження випуску продукції і зміну енергетичних показників установок, включених на шахті в систему СР.

Щоб виключити можливий збиток, що викликається багатократним відключенням СР, запропонований метод оцінки їх поточної (на момент накладення чергового обмеження) регулювальної спроможності. Для цього, на додаток до відомих показників: потужності і критичної тривалості обмеження, що характеризують разову регулювальну спроможність СР, введений новий, інтегральний критерій , що зв'язує електроспоживання і продуктивність СР, що усуває невизначеність у виборі глибини багатократних оперативних обмежень і їх тривалості [8]. Значення додаткового критерію , по суті, характеризує той запас продуктивності, що необхідний для компенсації ймовірного недовипуску продукції, викликаного обмеженнями.

Інтегральні оцінки окремих СР дозволяють визначити також загальну регулювальну спроможність шахти, тобто оцінити запас її продуктивності по енергії , який необхідний, щоб не припустити збитку при оперативному управлінні електроспоживанням.

Крім регулювання навантаження шахти в критичні для енергосистеми періоди максимумів, важливим чинником енергозбереження є забезпечення раціонального рівня енерговикористання конкретно виділених на шахтах СР, тому що робота в такій якості звичайно супроводжується погіршенням енергетичних показників.

Так, доведено, що використання багатоагрегатних ВУ в режимі СР призводить до збільшення питомих енерговитрат на 10-30 % у порівнянні з поодиноко працюючими на трубопровід електронасосами, що випливає з формули , при одночасному зниженні подачі у кожного з n спільно працюючих агрегатів на 10-35 % відповідно до вираження . У приведених формулах і - це, відповідно, питома витрата ЕЕ і подача одиничного відособлено працюючого на трубопровід електронасоса; = 1,1 і = 0,87 - знаменники прогресій, чисельні значення яких відповідають геодезичній висоті підйому води на 200…300 м.

З урахуванням установлених закономірностей і вимог Правил безпеки до водовідливних установок, отримане вираження для визначення ефекту і роздільної оцінки вигод і збитку, що викликаються регулюванням електроспоживання багатоагрегатних ВУ [19]

де q - максимальний приплив води в шахту, м³/год;

t_м.у, t_м.в, t_нч - тривалість відповідно ранкового і вечірнього максимумів і нічного спаду навантаження енергосистеми;

w_c - питома витрата ЕЕ при рівномірній відкачці води протягом доби;

- ставки диференційованого тарифу відповідно в години максимумів, напівпікового періоду і нічного спаду навантажень;

, - тривалість частин напівпікового періоду відповідно між ранковим і вечірнім, вечірнім і ранковим максимумами навантаження енергосистеми;

w(n) - питома витрата ЕЕ на відкачку води в залежності від кількості насосів, що паралельно працюють на один трубопровід;

, - перевищення загальної подачі n електронасосів відповідно в напівпіковій і в нічній зоні, над подачею насосів, що забезпечують рівномірну відкачку добового водоприпливу.

У формулі (10) вміст перших квадратних дужок у кожній із фігурних дужок - це вигоди від виключення роботи електронасосів відповідно в години ранкового і вечірнього максимумів, а вміст других квадратних дужок у кожній із фігурних дужок - додаткові витрати, пов'язані з погіршенням енергетичних показників при роботі електронасосів в других зонах доби.

З практичної точки зору вираження (10) дозволяє досліджувати вплив технічних і кон'юнктурних чинників на ефективність роботи електронасосних установок.

Встановлено, що при зонному тарифі зневага цим явищем призводить до завищення на 18…96%( у середньому на 30%) вигод від регулювальних заходів. При одноставочному тарифі максимальна енергетична й економічна ефективність ВУ досягається одночасно, якщо при відкачці шахтних вод підтримується рівномірний графік електроспоживання. При всіх других законах регулювання шахта буде зазнавати збитків через підвищення питомої витрати ЕЕ.

Таким чином, теоретичний аналіз і практичні результати показують, що при існуючій ціновій політиці і видах тарифів на ЕЕ основними напрямками удосконалення роботи багатоагрегатних ВУ на шахтах є підвищення енергоефективності кожного агрегату (локальний рівень управління) і мінімізація плати за ЕЕ при виконанні обмежень, що накладаються енергосистемою (глобальна стосовно ВУ ефективність).

З метою реалізації першого напрямку розроблений метод контролю й управління енергоефективності електронасосних агрегатів. Відрізняється він від відомих тим, що обчислення перемінних стана агрегатів і вироблення управляючих дій виконується по контрольованим із достатньо високою точністю електроенергетичним параметрам (гранична погрішність їх визначення складає не більш 2…2,8%),

За критерій якості управління (оптимальності) прийнятий мінімум відхилення фактичної питомої витрати ЕЕ w від норми w_Е, що відповідає робочій точці насоса з подачею Q_E і напором H_E, при яких енерговитрати для конкретної гідравлічної схеми насосної установки мінімальні. Рішення цієї однокрокової оптимізаційної задачі складається в знаходженні такого керуючого впливу u = H, u U, який перетворює в нуль цільову функцію (11), тобто, .

При відомих об'ємній щільності шахтної води , к.к.д. насоса й електродвигуна і значенню , обчисленому по контрольованих параметрах [18], кількісне значення перевищення напору ,м, визначається по формулі, у циклі розрахунків, що забезпечують оперативне управління. Другий напрямок розкривається в рішенні задачі вибору стратегії управління електронасосними установками і водовідливним комплексом шахти в цілому.

Позначимо через плату за спожиту протягом доби ЕЕ. У загальному випадку вона буде залежати від характеру графіка споживання w(t). Тоді можна записати (13)

Функціонал виступає тут як критерій якості графіка електроспоживання w(t), реалізованого на добовому інтервалі (0, t].

Щоб забезпечити оптимальне управління, достатньо відшукати такий графік w(t), при якому плата за ЕЕ буде мінімальна. Цьому випадку відповідає умова. Функціонал виступає тут як критерій якості графіка електроспоживання w(t), реалізованого на добовому інтервалі (0, t].

Щоб забезпечити оптимальне управління, достатньо відшукати такий графік w(t), при якому плата за ЕЕ буде мінімальна. Цьому випадку відповідає умова (14)

Для конкретної електронасосної установки функціонал (14) може бути поданий таким вираженням (15)

де - порядковий номер тарифної зони;

- тарифна ставка для i-й тарифної зони, коп/кВтг;

n_і - кількість паралельно працюючих насосів на задану трубопровідну мережу в i-й тарифній зоні;

- питома витрата ЕЕ на відкачку води при n_i насосах, що паралельно працюють на задану трубопровідну мережу;

- подача кожного з n_i паралельно працюючих на задану трубопровідну мережу насосів, м³/год;

- тривалість сумісної роботи n_i насосів із подачею кожного насоса, рівної , у i-й тарифній зоні.

При відомих параметрах електронасосних установок, ставках тарифу й обмеженнях на графік w(t), рішення (15) дає кількість і тривалість включення електронасосних агрегатів ВУ в кожній тарифній зоні доби.

У порівнянні з застосовуваним двохпозіційним управлінням перевага запропонованого підходу до регулювання графіка електроспоживання ВУ складається в тому, що він відбиває енергетичну й економічну сутність регулювання, побудований на достовірних закономірностях, наочний, критерії оперативно і просто обчислюються, а процес управління може бути реалізований як у диспетчерському, так і автоматизованому режимі за допомогою сучасних систем контролю і регулювання.

У роботі удосконалений метод управління шахтними підйомними установками (ПУ) як споживачами-регуляторами. Суть його полягає в тому, що вирівнюється графік електричних навантажень (ГЕН) власне ПУ, причому як на періоді системних максимумів, так і за їх межами. У першому випадку - із метою забезпечення встановленого для шахти рівня граничного максимуму навантаження, у другому - для зменшення нерівномірності ГЕН з метою зниження потужності ЕП аварійної броні, виключення перевантаження і зниження втрат ЕЕ в елементах СЕП. У практичному плані метод реалізується шляхом мінімізації перевищення півгодинних значень електричних навантажень ПУ над прогнозним значенням середньої потужності на необхідному розрахунковому інтервалі доби за умови, що установки забезпечують виконання добової програми видобутку вугілля і дотримуються всі технічні обмеження.

Відрізняється метод від відомих тим, що практично виключає можливість простоїв видобувних і прохідницьких дільниць при нормальних умовах електропостачання і сприяє мінімізації потужності ГЕН електроприймачів аварійної броні в надзвичайних ситуаціях [16].

Такий підхід до управління дозволяє знизити граничну для шахт електричну потужність у середньому на 15% номінальної потужності електродвигунів ПУ.

У розділі 6 викладені результати досліджень і розробки технічних засобів енергоконтролю для підземних гірничих машин і установок (далі КТЗ СОЕ).

Складність рішення задачі полягала в тому, що рудникове устаткування систем підземного електропостачання через жорсткі вимоги до виконання за рівнем вибухозахисту й обмежень на розміри не містить необхідної кількості первинних датчиків (трансформаторів току (ТА) і напруги (ТV)). У той же час вносити зміни в конструкцію й електричні схеми устаткування заборонено правилами безпеки. Додаткові трудності пов'язані з тим, що в устаткуванні підземних СЕП практично відсутня можливість прямого підключення і живлення сучасних пристроїв і ініціативних розробок для контролю електроспоживання.

Все це, а також аналіз умов застосування, територіальне розташування розподільних споруд та обладнання СЕП (ЦПП, РПП, ПУПП) і енергоємних споживачів у гірських виробітках, необхідність обробки великих масивів первинної вимірювальної інформації, високі вимоги до надійності і безпеки функціонування системи енергетичного контролю, а також виражена компактність розміщення точок контролю, кількість яких у групах коливається від 3…7 до 12…16 ( при загальній їх кількості на шахті від 50 до 120 і більш), обумовили ієрархічну структуру побудови КТЗ СОЕ, рис 4.

На нижньому її рівні використовуються мікро ЕОМ або мікроконтролери (далі ПВУ), що здійснюють інструментальну обробку базових даних і діагностику обладнання. Вимірювальна інформація до них надходить від вторинних датчиків (блоки БДВ), що сполучаються з високовольтним комплектним розподільним устаткуванням (КРУ), і низьковольтних приєднань за допомогою теж датчиків (блоки БДН). Верхній рівень утворює ПЕОМ, що виконує проблемну обробку даних і загальне управління . Усі пристрої КТЗ СОЕ за допомогою ліній зв'язку (ЛЗ, РЛЗ) і адаптеру зв'язку (АЗ), а також програмного забезпечення об'єднуються в гнучку територіально розподілену децентралізовану, по функції обробки даних, систему.

...