基于低碳达峰方案的矿山智能化建设
时间：2022-12-06 08:55:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
刘海锋
（国家能源集团神华准格尔能源集团有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300）
目前在民用领域，“能效”的概念多用于制冷、制热、家用电器、节能灯具、电子办公用品、芯片以及计算机等众多领域，并逐步形成越与人类日常生活息息相关的能耗领域，越注重能效标准的趋势[1]。该趋势不仅体现人民大众对节能意识的提升，还标志着国家对节能管理、节能技术以及提高能源效率等方面重视程度的提升。而在能源、工业等领域，国务院发布的《新时代的中国能源发展》白皮书，明确了“二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和”的奋斗目标[2]。从未来企业开展智能化建设、长足性可持续发展规划的角度来讲，“碳达峰”将是基础，“碳中和”必是约束，从长期平衡角度来看，二者又互为制约关系，而最终的“零排放”才是企业力争实现的关键性硬指标。
针对煤矿企业在未来近10 年的“碳达峰”发展进程中，企业能源利用效率高、产出的效益大，即在其综合能效较高的情形下，就可能在“碳达峰”改革浪潮中具有充足的市场竞争力，才能积累出后期实施“碳中和”的雄厚资本；
在“碳达峰”后30 年“碳中和”的进程中，一方面是持续优化改进企业生产线，进一步节能降耗，另一方面是利用企业积累的雄厚资本加强探索碳汇聚、碳捕集技术应用，逐步实现“零排放”目标；
纵观企业未来近40 年“从峰至零”的整体过程，前10 年“碳达峰”的历程至关重要，不但要在追求企业效益和快速发展的过程中充分谋划后期治理的可行性方案，还要充分平衡效益与治理投入之间的关系，使企业处于一个科学合理、可持续发展的态势。
当下，国内众多工业领域，包含煤炭企业均在积极响应国家号召，持续推进智能化建设新征程。而在智能化发展过程中，应该重点考虑以下几方面的内容：①结合“碳中和”目标综合形成较低水平“碳达峰”方案，充分考虑后期治理能力，做到谨慎扩大经营决策[3]；
②要充分开发好、利用好现有产能，利用企业智能化升级的契机，做好提质、降本、增效工程，不断向安全、科技和管理要效益；
③不断探索前沿技术，充分评估做好循环产业，减少工业废弃物的形成，尽最大限度开发利用大自然的回馈，进一步为企业创收增效；
④充分考虑企业能效控制的最优方案，使得能够在“碳达峰”后，利用有限的能源产出更多的效益，为“零排放”的最终目标贡献节能降耗指标，并赚取碳治理的雄厚资本[4]。
在积极响应新时代能源高质量发展、推动能源消费革命的基础上，既有规模型煤矿企业在面临智能化升级改造时，不但要考虑单台套设备或系统的能效提升，还要充分考虑整个工艺链条的综合能效提升[5]，从而才能抑制不合理能源消费、提升企业效益、为碳中和贡献节能降耗指标。
2.1 独立生产单元能效及其改进分析
独立生产单元是指可独立完成产品加工过程中某一道特定工序的设备或设备机群。在智能化改造过程中，以定制科研形式使其做到无人工干预的自主决策运行，但自主决策的方向多数考虑的是其生产工艺控制参数的精准自动闭环调节、与上下游设备或物料的可靠匹配衔接、设备或系统本身的智能运维等。而在建设过程中就缺乏或个别缺乏了能效管控措施，即使存在也仅限于生产过程参数波动调节，或停机、降速等浅显措施。究其原因，大多数工矿企业均为设备应用型企业，在原有的社会大环境下，均是以抓安全、抓发展、抓产能来促效益，但在碳达峰、碳中和的概念提出以后，显然其站位和意识就有待于提升，智能化的节能降耗技术路线就有待于进一步改进。在整个智能化升级的浪潮中，为了前瞻性的考虑碳中和措施，进一步做好节能降耗，做好独立生产单元的效能分析工作，就显得尤为重要和迫切。
2.1.1 独立生产单元的运行状态及能效分析
设备运行状态模拟图如图1。
图1 设备运行状态模拟图
1）传统设计思维中，设备选型是按照运行阻力变化等影响因素、带载故障停机后的重载启车能力等情形，来综合进行设计选型配套驱动导致大部分设备在日常使用过程中存在“大马拉小车”情形。
2）在实际生产过程中，受上下游设备能力及工艺衔接的匹配程度、设备本身状态、上下游设备状态、被动受料情况及其它现实因素的制约，能够长期保持在额定载荷区间运行的设备可谓是凤毛麟角，如图1 中A 情形，大多数矿山设备的实际产能都低于其额定产能，且其实际运行区间也有可能并非是其最经济的运行区间。
3）存在个别设备处于额定载荷附近运行，但有可能其额定载荷运行区间也并不是其能效比较高的最经济运行区间，如图1 中B 情形。
以上现实问题，造成了能源利用率的降低或设备运行效率低下，总体衡量即设备的能效比低、经济性差，在节能降耗方面有待提升的空间较大。当然既有设备也不能破坏原有设计的初衷，重载启车的能力依然还需具备，故想在能效管控方面有所建树，就必须从日常设备控制方式、使用管理上下功夫，找到设备能耗和效率之间的曲线关系、效率与设备磨损等方面的曲线关系，综合设备整体性能，努力提升其能效。这项工作如若做到实处，不但能提升设备的能效，而且也符合科学决策的整体预期。因此，矿山企业针对类似设备提前开展能效比研究工作，将会对日后碳中和贡献节能降耗指标奠定一定的坚实基础。
2.1.2 独立生产单元的能效改进分析
1）在分析出设备能效比最优运行区间后，针对能效比设计较为合理的设备，可通过变更原有惯式调度运营模式的方式，对原有的等料空载运行、边等料边生产的欠效率运行、满负荷集中时段生产等情形进行系统的调整优化，使其运行方式回归至效能比最优的合理运行区间。同时，还可利用该效能比来作为智能决策依据，为智能调度提供科学生产排程的优化方案。
2）针对图1 中B 情形，即能效比不合理的设备。该类设备就要深究其设备机理，找到制约其能效比不合理的根本症结所在，分析其是否存在设备的选型或设计产能缺陷、淘汰落后产能、老旧设备性能下降严重等情形。因此效能比研究工作还是一个设备体检的过程，通过设备体检达标后，再做相关智能化升级更将科学有效，可避免日后的重复投资，为企业科学决策提供依据。
3）针对现场工况所需，对生产运行范围要求较宽的特殊设备或工艺环节，若想实现高能效比，就得有针对性的对设备驱动环节进行节能控制改造，如负责原煤运输的长距离胶带运输机群、不存在缓存的实时弃料胶带运输机等类似设备，该类型设备就可利用变频、永磁等智能调速技术，实现其任意运行区间能效最优。
4）针对露天离散分布运行方式的单机装备，如电铲、卡车、辅助工程设备等，该类型设备在整个生产工艺链的实际生产中，其设备本身呈现单机作战自成系统的现状。因此，该类设备的能效比测算工作更具有现实意义。以卡车为例，综合车阻、运量、运距、车速、轮胎及燃油的消耗等指标，实现其对应现实工况及载荷的最优车速或油耗精准控制（即找到其能效最优的经济运行区间），至关重要。同时，根据现实工况也可反向实时测算单车载荷控制、合理编组卡车数量等，因此这也是合理安排产能和科学编组的重要依据。
2.2 全链条的能效衔接管理
2.2.1 能效衔接分析
综合整个工艺链条能效最优方案的设备运行方式意图如图2。
图2 综合整个工艺链条能效最优方案的设备运行方式意图
在单机能效分析完成以后，即可贯穿整个生产工艺流程，系统全面、科学有效的对整个生产工艺进行效能评判[6]。以评判结果为依据，来进一步改造设备性能或消除能效短板、优化生产调度排程及提升管理效能，从而可使得整个生产工艺链条的能效衔接趋近于能效管控的理想状态，将用于生产的综合能效做到最优。
2.2.2 全链条的能效改进分析
在一个庞大生产体量、工艺环节较为复杂、链条较长的生产系统中，因各环节的工作量、工作目标、工作制式等现实因素的不同，致使其能效衔接在诸多方面均不同程度的出现了与期望度差异较大的现象。整个工艺链条能效优化方案分析示意图如图3，现实中部分工艺或设备，其能效最优区间有可能呈现出图中SA、SB、SC、SD区间状态。
图3 整个工艺链条能效优化方案分析示意图
1）针对设备A，在整个生产工艺中，其经过一个实际生产缓存区后到达下一个设备B 进行匹配生产，且其能效比较高的经济运行区间与生产期望度有部分重叠区域。首先，可以按照生产实际工况进行生产调度管制，使其保持在上述“重叠区域”内运行，从而以投资小、见效快的改变运行组织的方式，即可达到整个系统的预期能效；
其次，如果经过经济测算有必要进行改造的情形下，也可将其能效最优区间提升至满负荷运行区间SA，内，以提高其运行效率、缩短运行时间、保证足够物料缓冲为目标，一改原来能效比最优的长效稳定运行模式，实现集中时段、集中生产的高效能运行模式。
2）针对设备B，其本身的能效比最优运行区间，就在期望的工艺链条能效区间内，确保其按照工艺链条能效期望区间运行即可。
3）针对设备C，其属于能效比不合理的设备，按照图1 中B 情形所述设备的单机能效比提升方案进行改造或更新，使其能效比最优区间趋于工艺链条能效期望区间，并确保在此区间内运行即可。
4）针对设备D，即独立生产单元的能效提升方案分析中所述的“生产运行范围要求较宽的特殊设备或工艺环节”，其生产环节的上游不存在缓冲区且来料量的大小较为随机，而该类设备既有工作模式通常又都较为恒定，来料小时就会呈现出欠效率生产，来料大时处于满负荷生成。该类设备能效比最优运行区间如若较为固定，就很难实现其本身的能效控制。必须对其进行针对性的技改，使其任意运行区间能效最优。
通过以上各类型生产设备的改造及工艺优化分析，使整个生产链条处于能效比最优的期望区间内，即可做到整个庞大生产系统的能效比最优。
2.3 以能效保障促动维修模式变革
随着设备的使用，需客观的面对其正常磨损及自然老化等不可抗拒的现实状况，这些状况将直接影响着设备的性能。虽然可通过日常保养、定期大修等形式来不断恢复其应有性能，但也很难再恢复至其原有性能。在设备投入使用起到大修前夕这段时间内，宏观的讲其性能应该是呈现一个整体下降的趋势，而这也将必定使其能效最优区间相应产生一定的偏离。因此，能效验证分析工作，前期不但是一个系统的工程，而且后期还将是一个持续动态跟踪的过程[7]。
若想使能效控制的精准，在前期做能效测算的过程中，就需利用好智能化手段，精准采集现场必要的实时动态数据，采用大数据建模分析或边缘计算等前沿工具[8－9]，持续推演设备的状态变化、实时更新其能效比最优运行区间，再结合前期测算过程的数学模型和专家知识库，来不断复核系统推演结果，不断增强该系统自学习能力，使其不断优化完善。通过该系统科学有效的分析，再为智能管控平台定期动态推送各独立生产单元的能效最优参考运行区间，作为智能决策支持，从而可做到动态合理指导生产排程的最终目的。同时，通过该系统的计算、分析及推演，还可以从整个工艺链条的角度，宏观的、较为科学的制定设备性能指标临界值，以此临界值来推送至设备健康管理系统，用于制定企业设备保养、检修或中大修等修程的重要依据，使设备的使用及管理做到更加精细化，可以将原来设备领域传统的状态修、预防修等模式，升级为更高端的“性能指标临界修”的维修模式。
1）在国家“双碳”行动中，企业需在设备层面需重点考虑降耗、增效等相关措施，在生产工艺合理的情形下，只有将独立生产单元及整个生产链条的能效做到最优，才能在“碳达峰”的实践中具有市场竞争力、在“碳中和”过程中具有“零排放”早日达标的优势。
2）在智能矿山建设领域，通过能效分析这个系统性工程，不但可有效发现并解决设备或工艺能效短板，还可最终将能效最优运行区间作为整个生产系统的工艺控制参数之一，给企业阶段性生产调度排程提供智能决策依据。
3）在智能维修领域，通过独立生产单元和整个工艺链条能效最优运行区间的动态推演测算，可为其提供各独立生产单元“性能指标临界修”的关键技术指标，并且该指标能够科学有效的指导设备运维决策，全面提升设备全寿命周期管理水平。
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