Применение методов обоснования мероприятий по энергосбережению в системах электроснабжения горнодобывающих предприятий

А.С. Семёнов1, , Ю.В. Бебихов1, , А.Н. Егоров2, , А.С. Сарваров3, , О.В. Федоров4, ,

В настоящее время одним из основных направлений как технологического, так и научного развития всех промышленных стран стало энергосбережение. Несмотря на снижение энергоемкости развитых стран, к 2030 г. прогнозируется рост мирового спроса на электроэнергию на 30 % по отношению к 2014 г. Это связано с тем, что устойчивое развитие экономики любой страны требует увеличения производства и, как следствие, потребления топливно-энергетических ресурсов [1]. Страны Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) значительно сократили темпы роста спроса на энергию за счет реализованных мероприятий по энергоэффективности и энергосбережению, прежде всего домохозяйствами и промышленностью, а также благодаря развитию бережливого природопользования. Эти страны также заменили значительную долю угля природным газом [2].

Достаточное обилие ископаемых энергетических ресурсов России (2-е место по совокупным доказанным запасам угля и природного газа, 6-е место по сырой нефти) обеспечивает краткосрочную экономическую и энергетическую безопасность страны [3]. Однако при выборе источников энергии должны приниматься во внимание не только экономические аспекты, но и влияние на долгосрочную энергетическую безопасность. В связи с этим мероприятия по энергоэффективности и энергосбережению должны стать приоритетными при управлении энергоемким производством горнодобывающей промышленности [4, 5].

Эффективность внедрения методов энергосбережения оценим на примере Северо-Востока России и мировой алмазодобывающей компании АЛРОСА. В статье [6] показан опыт по добыче алмазосодержащего сырья предприятиями АЛРОСА, который может быть интерес и полезен другим зарубежным компаниям. В настоящее время в России

АЛРОСА сосредоточила свою деятельность в Республике Саха (Якутия) и Архангельской области. В свою очередь крупнейшими месторождениями компании остаются кимберлитовые трубки «Мир», «Юбилейная», «Удачная» и «Интернациональная», которые расположены на территории Западной Якутии. На трубках «Интернациональная» и «Удачная» добыча полезных ископаемых идет подземным способом при помощи рудников, что является очень энергоемким процессом.

В работах [7, 8] приведены исследования технического состояния электрических сетей региона и систем электроснабжения (СЭС) горнодобывающих предприятий, рассчитан и показан потенциал энергосбережения в промышленности в целом и на горнодобывающих предприятиях в частности. В [9] показано, что в структуре потребления электрической энергии (ЭЭ) основная её доля расходуется на добычу полезных ископаемых и достигает 40 %. Там же были проанализированы: динамика потерь электроэнергии в сетях общего пользования, удельное электропотребление на освещение и бытовые нужды, удельный расход электроэнергии на подъем и подачу воды, а также на очистку сточных вод. Суммарный потенциал энергосбережения в рассмотренных направлениях оценивается примерно в 350 млн кВт·ч/год.

В работах [10–12] проведена оценка показателей качества электроэнергии (ПКЭ) на алмазодобывающем руднике и обогатительной фабрике. В результате инструментального контроля их внутренних СЭС было выявлено полное соответствие ПКЭ требуемым нормам на обогатительной фабрике и несоответствие по отдельным ПКЭ на подземном руднике. В качестве причин такого несоответствия были определены потребители с большой номинальной мощностью (более 1 МВт), имеющие в составе системы электропривода (ЭП) преобразователи частоты (ПЧ) с разной пульсно-стью выпрямления. На руднике к таким потребителям относятся главная вентиляторная установка, шахтные подъемные установки, насосные установки.

В работе [13] были проанализированы наиболее распространенные системы электропривода, применяемые на предприятиях АЛРОСА для приведения в движение технологических установок горного производства. В [14] проанализированы результаты измерений показателей электромагнитной совместимости (ЭМС) с питающей сетью ПЧ Power Flex 7000 и ACS5000. Установлено влияние систем частотно-регулируемых приводов на качество электрической энергии.

Учитывая все проведенные ранее исследования, в том числе и авторами настоящей работы, можно говорить, что применение методов энергосбережения на горнодобывающих предприятиях, реализуемых с использованием математического моделирования и инструментального контроля, является актуальной задачей и может дать мультипликативный экономический эффект при правильном подходе к внедрению и последующей эксплуатации в технологических процессах горнодобывающих предприятий.

Цель, задачи, объекты и методы исследования

Цель настоящего исследования заключается в оценке потенциала внедрения энергосберегающих технологий на объектах горнодобывающих предприятий на примере компании АЛРОСА для оптимизации электроэнергетических систем. Для достижения поставленной цели будут рассмотрены мероприятия по энергосбережению в СЭС, системах контроля и учета ЭЭ, системах ЭП горнодобывающих предприятий.

Объектами исследования являются алмазодобывающий рудник и обогатительная фабрика по переработке кимберлитового сырья, расположенные на территории Республики Саха (Якутия). На обозначенных предприятиях ведется целенаправленная планомерная работа по повышению энергоэффективности.

К основным методам исследования в области энергосбережения отнесем математическое моделирование и инструментальный контроль в системах электроснабжения и электропривода.

Математическое моделирование реализовано при помощи пакета программ MatLab, хорошо зарекомендовавшего себя в инженерных расчетах по всему миру. В его состав входит библиотека Simulink, имеющая подкаталог SimPowerSystems, который содержит необходимый набор силовых блоков для разработки электроэнергетических и электромеханических моделей.

Современная методика инструментального контроля ПКЭ реализована в соответствии с ГОСТ РФ 32144–2013, согласно которому определяется соответствие или несоответствие определенных показателей. Основным показателем для оценки в настоящей работе выбран суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения, обуславливающий несинусоидальность, т. е. искажение формы кривой напряжения, которое возникает при работе высоковольтных ПЧ.

Результаты и обсуждения

Мероприятия по оптимизации электроэнергетических систем (ЭЭС) на горнодобывающих предприятиях условно разделим на несколько направлений: СЭС, системы ЭП, системы контроля и учета ЭЭ.

Системы электроснабжения

С помощью универсальной математической модели СЭС, разработанной и описанной в работе [15], произвели оценку такого энергосберегающего мероприятия, как компенсация реактивной мощности.

Универсальная математическая модель была разработана с учетом особенностей ЭС горнодобывающих предприятий. Было проведено: описание основных силовых блоков модели, представлены их технические параметры; определение исходных данных для моделирования; получение результатов моделирования при нормальной работе СЭС. Для дальнейшего исследования модель была адаптирована под СЭС конкретного участка, а именно компрессорной станции алмазодобывающего рудника (рис. 1).

Электропитание на основное высоковольтное оборудование (компрессоры) поступает от закрытого распределительного устройства (ЗРУ) 6 кВ. Также от ЗРУ запитана участковая трансформаторная подстанция, которая обеспечивает электроснабжение низковольтного оборудования участка. Перечень и основные технические характеристики электрооборудования компрессорной станции представлены в табл. 1.

Поскольку система электроснабжения компрессорной станции – это неотъемлемая часть об-

Рис. 1. Математическая модель системы электроснабжения компрессорной станции

Fig. 1. Mathematical model of the power supply system of the compressor station

Таблица 1

Перечень и основные технические характеристики электропотребителей

Table 1

List and main technical characteristics of electrical consumers

№	Потребитель	Позиция на рис. 1	Кол-во	U , кВ	P , кВт	Q , кВАр
1	Компрессор	Load1-4	4	6	750	562
2	Вентилятор	Load5	4	0,4	20	15
3	Электронагреватель	Load6	4	0,4	6,5	4,8
4	Насос	Load7	4	0,4	6,5	4,8
5	Мостовой кран	Load8	2	0,4	10,5	7,8
6	Освещение	Load9	20	0,4	0,5	–

Рис. 2. График активной и реактивной мощности до и после компенсации Fig. 2. Graph of active and reactive power before and after compensation

щей системы электроснабжения рудника, электрооборудование других участков также вносит вклад в распределение мощностей.

На математической модели провели исследования по внедрению энергосберегающих мероприятий путем компенсации реактивной мощности, которая увеличивает затраты на холостой ход и не совершает полезной работы [16].

Компенсировать реактивную мощность, как известно, можно двумя основными способами: установкой статических компенсаторов на основе конденсаторных батарей либо использованием синхронного двигателя в качестве компенсатора. В нашем случае более подходит второй вариант, так как в составе электропривода компрессоров используются синхронные двигатели. Этот способ практически не потребует дополнительных финансовых затрат.

Графики активной и реактивной мощности до (зона 1) и после (зона 2) компенсации показаны на рис. 2. Из графиков видно, что реактивная мощность с 1,495 МВАр снижается до уровня 0,849 МВАр. Это происходит за счёт включения в работу без нагрузки одного из синхронных двигателей компрессора, находящегося в резерве.

Полная мощность в системе электроснабжения компрессорной станции определяется по формуле

5= + Q², (1) где P и Q – активная и реактивная мощности соответственно.

Коэффициент мощности для двух вариантов определяется по формуле cοsφ = . (2)

В результате моделирования получили снижение реактивной мощности на 43 %, и тем самым достигнуто повышение коэффициента мощности на 14 % (с 0,83 до 0,97 о. е.).

Расчет экономического эффекта от использования компенсации реактивной мощности проведен следующим образом. Как уже отмечалось ранее, капитальные вложения при использовании СД в качестве компенсатора отсутствуют. В расчетах были учтены только дополнительные затраты на техобслуживание и ремонт двигателя.

Стоимость годовой потребляемой электроэнергии для компрессорной станции до и после компенсации реактивной мощности рассчитана по формуле

W_ct = _{∙      ∙} T ∙w,

φ

где S – полная мощность всего установленного оборудования, кВА; cosφ – коэффициент мощности; Т – время работы за год в часах (при непрерывной работе компрессорной станции Т = 8760 ч/год); w – стоимость одного кВт·ч электроэнергии (по тарифу ЗЭС ПАО «Якутскэнерго» для рудника «Интернациональный» в 2020 г. w = 4,95 руб.).

Экономический эффект от внедрения компенсации реактивной мощности с учетом затрат на ежегодное техобслуживание и ремонт на одной только компрессорной станции подземного рудника составил, тыс. руб.:

w = - w_C2 - ^^rep =165 771,7 -

-141 845,9 - 4801,3 = 19 124,5, (4) где W _{C 1} – стоимость потребляемой электроэнергии до компенсации; W _{C 2} – стоимость потребляемой электроэнергии после компенсации; W rep – стоимость годового технического обслуживания и ремонта, всё в тыс. руб.

Таким образом, на примере математической модели было проведено внедрение энергосберегающего мероприятия (компенсация реактивной мощности), ожидаемый экономический эффект от которого составил более 19 млн руб. в год за счет экономии электроэнергии.

Системы контроля и учета электроэнергии

В работе [17] авторами была разработана система контроля качества ЭЭ с непрерывной фиксацией ПКЭ, которая была апробирована на алмазодобывающем руднике (рис. 3). Разработанная система была внедрена в состав двух участковых СЭС рудника: участок шахтного подъема (подъемная установка) и участок закладочного комплекса (ша-

Рис. 3. Фрагмент структуры системы непрерывного мониторинга ПКЭ

Fig. 3. Fragment of the structure of the system for continuous monitoring of the power quality indicators

Voltage deviation,%                                                                                                             Coefficient, %

Рис. 4. Графики медленных изменений и гармонических составляющих напряжения Fig. 4. Graphs of slow changes and voltage harmonics

ровая мельница). Анализ измеренных и обработанных показателей качества электроэнергии проведен в [18]. Ниже описаны только показатели, не соответствующие нормам.

На участке шахтного подъема величина положительного отклонения напряжения в точке пе- редачи ЭЭ превышает допустимое значение 10 % от номинального в течение 100 % времени интервала измерений (рис. 4a); по коэффициентам нечетных высших гармонических составляющих напряжения, не кратных трем (23, 25, 35 и 37), суммарное превышение достигает 7,8 % (рис. 4b).

На участке закладочного комплекса отклонение напряжения не выявлено, но наблюдается большое отрицательное снижение от номинала (рис. 4c); коэффициенты нечетных высших гармонических составляющих напряжения, не кратных трем (35 и 37), превышают предельно допустимые значения на 1,25 % (рис. 4d).

В результате анализа ПКЭ на объектах алмазодобывающего рудника удалось определить «проблемный» участок СЭС, а именно работу СД шаровой мельницы мощностью 350 кВт от трансформаторной подстанции (ТП) с двумя трансформаторами ТМ-1000. Расчет по полученным данным от системы контроля качества ЭЭ с непрерывной фиксацией ПКЭ показал низкий коэффициент загрузки ТП и, как следствие, большие потери ЭЭ на холостой ход, которые определяются из выражения

∆ Ptd =∆ Pn ․ V +∆ Pn ․ I ^∙ kif , (5) где Δ P_n.v – активные потери на холостой ход при номинальном напряжении, кВт; Δ P_n.l – активные нагрузочные потери при номинальной нагрузке, кВт; k_lf = P_n / S_n – коэффициент загрузки трансформатора; P_n – фактическая мощность нагрузки, кВт; Sn –номинальная мощность трансформатора, кВА.

Для выявленного «проблемного» участка определили потери на холостой ход трансформаторов и построили их зависимость от коэффициента загрузки (рис. 5).

Исходя из того, что с увеличением коэффициента загрузки трансформатора потери на холостой ход уменьшаются, было принято решение о планомерном увеличении количества и мощности потребителей, подключенных к данной ТП. Взяв за основу показатели электропотребления 2020 г., подсчитали будущую экономию по оплате электроэнергии с горизонтом планирования на 5 лет (табл. 2).

Из табл. 2 видно, что в результате оптимизации работы СЭС на выявленном «проблемном» участке закладочного комплекса алмазодобывающего рудника будущая экономия по оплате ЭЭ за 5 лет достигнет значения 2419,6 тыс. руб.

Таким образом, в результате внедрения системы контроля качества ЭЭ с непрерывной фиксацией ПКЭ на участках алмазодобывающего рудника была определена необходимость оптимизации работы их СЭС, которая в результате её реализации за первый год дала экономический эффект более 1 млн руб., что в 3 раза превышает средства, затраченные на внедрение такой системы [19, 20].

Рис. 5. Зависимость потерь на холостой ход от коэффициента загрузки трансформаторов Fig. 5. Dependence of no-load losses on the load factor of transformers

Таблица 2

Расчет ежегодной экономии на оплату электроэнергии

Table 2

Calculation of annual savings on electricity bills

Параметр	Горизонт планирования, годы
	2020	2021	2022	2023	2024
S n , кВА	2000	2000	2000	2000	2000
Р n , кВт	640	800	960	1200	1440
k lf	0,32	0,4	0,48	0,6	0,72
Т , ч	5400	5400	5400	5400	5400
Δ P id , кВт	119,1	76,3	52,9	33,8	23,5
w , руб./кВт·ч	4,95	5,20	5,45	5,73	6,02
W , тыс. руб.	3183,5	2142,5	1556,8	1045,8	763,9

Системы электропривода

Ранее в работе [21] был произведен анализ энергоэффективности замены вентиляторной установки главного проветривания алмазодобывающего рудника в связи с её неудовлетворительным техническим состоянием. Ещё годом ранее в работе [22] авторы рассмотрели положительный опыт практической эксплуатации ПЧ Power Flex 7000 в горнодобывающей промышленности, которые хорошо зарекомендовали себя, несмотря на вызываемые ими ухудшения показателей электромагнитной совместимости питающей сети, подтвержденные авторами в работах [23–25]. В работах [26, 27] проведена оценка резуль- татов математического моделирования системы ЭП главной вентиляторной установки (ГВУ), в результате которой был определен экономический эффект от внедрения современных ПЧ.

Разработанная модель, которая изображена на рис. 6а, позволяет получить параметры ГВУ при разных скоростях вращения двигателя и построить графические зависимости основных характеристик от угловой скорости [28, 29]. К этим характеристикам относятся давление, подача и мощность ГВУ. Полученные результаты моделирования представлены на рис. 6b и методически связаны с исследованиями, описанными в [30].

Inputspeed

Conslanl

Motor nominal angular speed

7T 362

Cootiart!

Fan nominal volumetric flowrate '

Cons Ian 12

Fan nominal pressure

ConstarUJ

Fan nominal effie-iency

ConsianK

Combined efficiency |motor and converter)

0.9T

Fin angular

Constants

Trailer Pent

Fan pressure

Displays

Fan power demand

Display

Fan volumetrc flowrate

Frequency converter

DlO18M

Tran$fer Fon

3 75 94 3

Q06S-1

nleg'alor

t>spay1

Dispiay3

Static resistance moment

Рис. 6. Математическая модель (а) и результаты моделирования (b) главной вентиляторной установки Fig. 6. Mathematical model (a) and simulation results (b) of the main fan unit

При оценке экономической эффективности были рассмотрены старая система ГВУ с вентилятором ВОД-50; новая систему ГВУ с вентилятором TAF-36/21,5-1 и ПЧ Power Flex 7000. Базовая величина потребляемой мощности для рассматриваемых систем определялась по формуле

Pb

______On ^∙ Pn _____ 1000∙η ∙η ∙η fc ^,

где Q n и P n – номинальные подача и давление вентилятора соответственно; η fan,m,fc – коэффициент полезного действия (КПД) вентилятора, двигателя и преобразователя частоты соответственно.

Из рис. 6b видно, что для обеспечения требуемого статического давления 2105 Па потребляемая мощность новой системы с вентилятором TAF-36/21,5-1 составляет 620 кВт, что на 23 % меньше, чем для старой системы с вентилятором ВОД-50. Учитывая, что время работы вентиляторной установки составляет 8760 ч/год, ориентировочное годовое потребление электроэнергии по обоим вентиляторам определили по формулам, кВт∙ч/год:

W_yod ⁼     ∙ T =800∙8760=7 008 000; (7)

W_taf ⁼ ∙ T =620∙8760=5 431 200. (8)

Экономия электроэнергии при применении вентилятора TAF-36/21,5-1 с ЧРП составила 1 576 800 кВт∙ч/год. При переводе в денежный эквивалент, учитывая текущую стоимость тарифа на электроэнергию, получена расчетная экономия от сделанных внедрений в объеме, тыс. руб./год:

w =∆ w ∙w = 1576,8 ∙ 4,95 = 7805,1, (9) где w = 4,95 – стоимость 1 кВт∙ч электроэнергии по тарифу ЗЭС ПАО «Якутскэнерго» для рудника «Интернациональный» на 2020 г., руб.

Таким образом, в результате математического моделирования двух рассмотренных систем ГВУ установлена ожидаемая экономическая эффективность внедрения новой системы ЧРП на базе ПЧ Power Flex 7000 в размере 7,8 млн руб. в год по сравнению со старой системой на базе ВОД-50.

Заключение

Отметим, что для внедрения энергосберегающих мероприятий и технологий в электрических сетях горнодобывающих предприятий СевероВосточного региона России был определен потенциал энергосбережения, который составил примерно 350 млн кВт·ч/год.

В результате мероприятий по оптимизации электроэнергетических систем на горнодобывающих предприятиях получили следующее.

• 1.    Компенсация реактивной мощности, выполненная с помощью математического моделирования в пакете программ MatLab, на компрессорной станции алмазодобывающего рудника дала ожидаемый экономический эффект за счет экономии электроэнергии в размере более 19 млн руб. в год.

• 2.    В результате инструментального контроля ПКЭ в электрических сетях подземного рудника выявлены серьезные несоответствия требованиям ГОСТ РФ 32144–2013. Разработана и апробирована система контроля качества электроэнергии с непрерывной фиксацией показателей, которая за первый год работы дала экономический эффект более 1 млн руб., что в 3 раза превышает средства, затраченные на её внедрение.

• 3.    Проанализированы результаты измерений показателей ЭМС с питающей сетью высоковольтных ПЧ, а также разработаны соответствующие математические модели. Проведена оценка и подсчитан экономический эффект от внедрения новой взамен старой морально устаревшей системы ЧРП на базе ПЧ Power Flex 7000 на вентиляторную установку главного проветривания алмазодобывающего рудника, который в денежном эквиваленте составил 7,8 млн руб. в год.

Таким образом, суммарный мультипликативный экономический эффект при правильном подходе к внедрению и последующей эксплуатации энергосберегающих мероприятий на горном производстве только при точечных исследованиях приближается к 28 млн руб. в год.