Расчет энергоемкости продукции

ЭНЕРГОЕМКОСТЬ ПРОДУКЦИИ (национального дохода) — показатель, характеризующий расход энергии на единицу продукции или национального дохода. В целом по народному хозяйству рассчитывается как отношение затрат (обычно за год) первичных топливно-энергетических ресурсов к объему произведенного национального дохода или валового общественного продукта, а по министерствам, объединениям, предприятиям — по отношению к объему товарной.

В расчет включаются все виды топлива и энергии, потребленных на производственно эксплуатационные нужды,— электрической, тепловой энергии, израсходованной на технологические нужды, пересчитанной в тонны условного топлива (или гигаджоули) по единым в стране эквивалентам (коэффициентам пересчета), устанавливаемым Госпланом СССР.

При определении энергоемкости учитывается потребление всех видов топлива и энергии по всем направлениям расхода, включая отопление, вентиляцию, водоснабжение, потери в сетях, независимо от источников энергоснабжения. При расчете энергоемкости продукции в стоимостном выражении топливо и энергия оцениваются по действующим ценам и тарифам. Снижение энергоемкости продукции — важное направление интенсификации производства, ресурсосбережения; достигается осуществлением системы технических, технологических, организационных, экономических и воспитательных мер, направленных на всемерное совершенствование процессов производства и потребления энергии.

Решающее значение для снижения энергоемкости продукции имеет коренная реконструкция топливно-энергетического комплекса, широкое применение энергосберегающих технологий. Выпуск экономичных двигателей с меньшим потреблением топлива и горючего, дизелизация транспорта, совершенствование нагревательной и осветительной техники, стимулирование экономии и санкции за перерасход энергии позволяют систематически снижать энергоемкость общественного продукта и национального дохода. Усиление внимания к улучшению использования топлива и энергии положительно сказалось на динамике энергоемкости национального дохода: в 1985 г. она была ниже, чем в 1980 г. , на 5,5 %. К 2000 г. энергоемкость национального дохода должна снизиться не менее чем в 1,4 раза.

В современных условиях роста стоимости и даже дефицита топливно-энергетических ресурсов особую актуальность приобретает оценка энергетической эффективности промышленных технологий. Расход энергии является универсальным показателем, определяющим, в конечном итоге, эффективность всего производства. В промышленно развитых странах Запада энергетический анализ перестал быть прерогативой только исследователей, превратившись в действенный механизм, способствующий становлению энергосберегающих технологий, стимулирующий более эффективное использование энергоресурсов. Еще в 1974 г. Конгресс США принял закон, в соответствии с которым при осуществлении федеральных программ обязателен энергетический анализ различных технологий производства и процессов преобразования энергии. Работы по энергетическому анализу финансируются государственной организацией – Администрацией энергетических исследований и развития (ERDA).

Особое значение энергетический анализ имеет для горной промышленности, характеризующейся значительной удельной энергоемкостью по сравнению с другими отраслями. Энергетический подход при оценке эффективности процессов и технологий открытых горных работ нашел отражение в исследованиях многих ученых [1–3, 5, 9, 13]. Вместе с тем, несовершенство применяемых методик привело к тому, что до настоящего времени у специалистов не сформировалось единого мнения по данной проблеме.

При энергетической оценке транспортных систем глубоких карьеров возникают два ключевых вопроса, требующих решения.

Первый связан с приведением тепловой энергии дизельного топлива, потребляемой автотранспортом, и электрической энергии, расходуемой конвейерным и железнодорожным транспортом, в сопоставимый вид. В этом направлении в отечественной литературе существует несколько подходов.

Один из них, предложенный проф. Тангаевым И. А. , заключается в переводе расхода дизтоплива автосамосвалами из натуральных единиц (г, кг) в кДж или кВт·ч путем умножения на удельную теплоту сгорания дизтоплива Q_{д. т.} (Q_{д. т.} =43,5кДж/г=12,08 кВт·ч/кг) и сравнении с фактическим расходом электроэнергии электрифицированными видами транспорта [1]. Такой подход нельзя признать методически правильным, так как он приводит к энергетической «дискредитации» автомобильного транспорта. Здесь мы сравниваем дизтопливо – источник энергии, максимально приближенный к первичному (сырой нефти), с электроэнергией, являющейся вторичным источником энергии и вырабатываемой на тепловых и гидроэлектростанциях.

При другом подходе, получившем достаточно широкое распространение в практике, расход электроэнергии приводится к расходу дизтоплива путем умножения на коэффициент, характеризующий удельный расход дизтоплива на выработку 1 кВт·ч электроэнергии на дизельных электростанциях (230–250 г/кВт·ч) [2].

Здесь мы явно завышаем энергоемкость электрифицированных видов транспорта, поскольку основной объем электроэнергии горнодобывающие предприятия получают с электростанций, работающих на природном газе, угле и мазуте. Разница в оценках удельной энергоемкости отдельных видов транспорта глубоких карьеров при использовании указанных методик составляет 3,0–3,5 раза.

По нашему мнению, наиболее объективное сопоставление можно получить путем приведения расхода электроэнергии и дизельного топлива к расходу первичных энергоресурсов, т. е. к «условному топливу» (у. т. ), с учетом соответствующих затрат энергии на их добычу, переработку и транспортирование. В отечественной практике в качестве «условного топлива» используется так называемый угольный эквивалент – 7000 ккал (29,3 мДж) – теплота, которая выделяется при сжигании 1 т высококачественного угля. Аналогичный подход получил распространение за рубежом. Так, в США и Англии в качестве критерия энергетической оценки используют британскую тепловую единицу (БТЕ) – количество тепловой энергии, которое необходимо затратить, чтобы поднять температуру 1 фунта воды на 1°F (1 БТЕ = 0,252 кал/кг).

Второй вопрос связан с выбором и обоснованием критерия оценки энергетической эффективности транспортных систем глубоких карьеров и отдельных видов транспорта. Широко используемые на практике критерии (кВт·ч/т, г/т, кВт·ч/т·км, г/тк·м), учитывающие расход энергии на единицу объема перевезенной горной массы или на единицу грузооборота, малоинформативны и не отражают специфики глубоких карьеров. Исходя из основных функций транспорта глубоких карьеров, в качестве критерия может быть принята величина удельных затрат энергии на подъем 1 т горной массы из карьера. Тогда коэффициент полезного использования энергии (η) определится из выражения

(1)

где Р_т – теоретически необходимая величина расхода энергии на подъем 1 т горной массы на высоту 1 м (Р_т=9,81 кДж/т·м); Р_ф – фактические затраты энергии данным видом транспорта, кДж/т·м.

Приведение фактических затрат энергии к расходу первичных энергоресурсов (у. т. ) осуществляется с использованием следующих выражений:

(2)

где Р_{ф. а.} , P_{ф. к. (ж)} – удельные затраты условного топлива на подъем 1 т горной массы на 1 м, соответственно, автомобильным и конвейерным (железнодорожным) транспортом, г у. т. /т·м; g′ – удельный расход дизтоплива автосамосвалами, г/т·м; ω′ – удельный расход электроэнергии конвейерным (железнодорожным) транспортом, кВт·ч/т·м; k_пер – коэффициент, учитывающий затраты энергии на получение дизтоплива из нефти (k_пер=1,18÷1,20) [3]; k_д – коэффициент, учитывающий затраты энергии на добычу и транспортирование топлива (k_д=1,04÷1,10) [4]; k_т – коэффициент, учитывающий разницу удельной теплоты сгорания дизельного и условного топлива (k_т=1,5); k_э – показатель, учитывающий затраты условного топлива на получение 1 кВт·ч электроэнергии (k_э=310÷330 г/кВт·ч); k_пот – коэффициент, учитывающий потери электроэнергии при передаче и распределении (k_пот ≈1,09).

Используя фактические данные расхода энергии конкретными видами транспорта глубоких карьеров на единицу грузооборота, получим

(3)

где g, ω – соответственно, удельный расход дизтоплива (г/т·км) автосамосвалами и электроэнергии (кВт·ч/т·км) конвейерным (железнодорожным) транспортом; h_а, h_к(ж) – высота подъема горной массы на 1 км внутрикарьерной трассы (уклон трассы) при данном виде транспорта, м/км.

Тогда формулу (1) можно представить в виде

(4)

где P_т=9,81 кДж/т·м; P_ф – фактические затраты энергии данным видом транспорта, г у. т. /т·м; Q_{у. т.} – удельная теплота сгорания условного топлива, кДж/г (Q_{у. т.} = 29,3 кДж/г).

С использованием предложенной методики и фактических данных глубоких железорудных карьеров установлены показатели энергоемкости различных видов транспорта при работе на подъем горной массы (табл. 1, рис. 1). Энергетическая эффективность конвейерного транспорта (η_к = 15,4÷21,5%) в 1,9–2,2 раза выше, чем электрифицированного железнодорожного транспорта (η_ж = 8,0÷10,0%) и в 2,4–3,0 раза выше, чем автомобильного (η_а = 6,5÷7,5%).

Рис. 1. Зависимость удельной энергоемкости (Р) различных видов карьерного транспорта от уклона трассы (i):P_A, P_Ж, Р_К – средние значения энергоемкости различных видов транспорта; P_Т – теоретически необходимая (минимальная) величина расхода энергии на подъем 1 т горной массы на 1 м; i_A, i_Ж, i_К – средневзвешенные уклоны трасс различных видов транспорта; – области фактических значений удельной энергоемкости различных видов транспорта глубоких железорудных карьеров.
Таблица 1. Энергоемкость различных видов транспорта при работе на подъем горной массы из карьеров

Вид транспорта Удельная энергоемкость η,% натуральные показатели условное топливо г/т·м кВт·ч/т·м г у. т. /т·м Автомобильный 2,4–2,8 – 4,5–5,2 6,5–7,5 Железнодорожный – 0,009–0,012 3,4–4,4 8,0–10,0 Конвейерный – 0,0047–0,0064* 0,0043–0,0060 1,7–2,3 1,6–2,2 14,6–19,5 15,4–21,5

В числителе – с учетом крупного дробления; в знаменателе – собственно конвейерный траспорт.

Поэтому при формировании комбинированных транспортных систем особое внимание должно уделяться глубокому вводу конвейерного и железнодорожного транспорта и поддержанию сборочных автоперевозок на минимальном, технологически необходимом уровне. Это обеспечивается внедрением мобильных комплексов ЦПТ, крутонаклонных конвейеров, повышенных уклонов (до 60‰) и тоннельного вскрытия при железнодорожном транспорте.

При эксплуатации автотранспорта в рабочей зоне карьеров важным направлением снижения энергопотребления является оптимизация схем вскрытия временными съездами. Метод оптимизации основан на разделении грузооборота на две составляющие: минимально необходимую вертикальную часть грузооборота по подъему горной массы до перегрузочных пунктов и технологически необходимую горизонтальную часть, которая минимизируется за счет выбора количества, месторасположения вскрывающих выработок и порядка отработки карьерного поля. Этот вопрос особенно актуален для сборочного автотранспорта железорудных карьеров, где горизонтальная составляющая достигает 35–50% от общей величины грузооборота.

Высокая энергетическая эффективность конвейерного транспорта объясняется большими углами подъема трасс (сокращением пути перемещения груза) и отсутствием энергозатрат на подъем верхней ветви ленты ввиду равной ее массы с опускающейся нижней ветвью. При движении автосамосвалов и железнодорожных составов по уклону вверх затраты энергии необходимы как на подъем груза, так и собственно подвижного состава. В то же время коэффициент сопротивления движению ленты по роликам на порядок выше, чем коэффициент сопротивления движению груженого поезда, и сравним с аналогичным показателем автомобильного транспорта.

Энергетические преимущества железнодорожного транспорта перед автомобильным объясняются меньшими значениями коэффициента сопротивления движению груженого поезда (в 8–10 раз) и коэффициента тары. Коэффициент тары современных думпкаров составляет 0,41–0,50, а отечественных автосамосвалов 0,70–0,84. Однако реализация этих преимуществ при работе на подъем горной массы ограничивается сравнительно небольшим уклоном железнодорожных трасс (40–60‰) и значительным коэффициентом их развития (до 1,5–1,8).

Структурные формулы удельной работы по подъему горной массы различными видами транспорта имеют следующий вид: