Автомобильный и железнодорожный транспорт

1. Автомобильный и железнодорожный транспорт

(5)

где А_П – работа по подъему 1 т горной массы на 1 м, кДж/т·м; Р_т = 9,81 кДж/т·м – теоретически необходимая величина работы; k_т – коэффициент тары автосамосвала (железнодорожного состава); ω_о – коэффициент сопротивления движению груженого автосамосвала (локомотивосостава); i – уклон трассы.

2. Конвейерный транспорт

(6)

где k_сопр – коэффициент, учитывающий долю сопротивлений на концевых станциях конвейера. Для наклонных конвейеров k_сопр≈ 1,23÷1,25; ω_к – коэффициент сопротивления движению ленты по роликам; α_к – угол наклона конвейера, град.;

(7)

где q_к – погонная масса ленты и вращающихся частей роликов верхней и нижней ветвей, кг/м; q_г – погонная масса груза на ленте, кг/м.

С помощью формул (5) и (6) можно ориентировочно устанавливать соотношение энергозатрат на подъем горной массы в конкретных горно-технических условиях.

Энергетические показатели различных видов карьерного транспорта при работе на горизонтальных трассах значительно отличаются от установленных параметров при движении на подъем. К сожалению, обоснование общего показателя энергетической эффективности различных видов карьерного транспорта в указанных условиях, аналогичного работе на подъем (η), проблематично. Поэтому воспользуемся сравнительными показателями энергоемкости, полученными в типичных условиях железорудных карьеров (табл. 2).

Таблица 2. Энергоемкость различных видов карьерного транспорта при работе на горизонтальных трассах

Вид транспорта Удельная энергоемкость натуральные показатели условное топливо г/т·км кВт·ч/т·км г у. т. /т·км Автомобильный 50–70 – 95–130 Железнодорожный – 0,09–0,12 34–45 Конвейерный – 0,15–0,20 57–70

Как видно, при работе на горизонтальных трассах в полной степени реализуются преимущества железнодорожного транспорта. Энергетическая эффективность железнодорожного транспорта в сопоставимых горно-технических условиях в 2,8–3,0 раза выше, чем автомобильного, и в 1,5–1,6 раза выше, чем конвейерного. Вследствие этого железнодорожный транспорт на зарубежных предприятиях получил преимущественное распространение не как внутрикарьерный, а как магистральный вид транспорта для перевозок руды и вскрыши от борта карьера до обогатительных фабрик и отвалов. По данным зарубежных исследований энергетическая эффективность железнодорожных перевозок промышленных грузов в 4,2 раза выше, чем автомобильных [5].

Важным направлением энергосбережения для всех видов транспорта глубоких карьеров является увеличение уклонов транспортных коммуникаций. В технологическом аспекте применение повышенных уклонов позволяет сократить дополнительный разнос бортов карьеров от размещения транспортных коммуникаций, в энергетическом – увеличение уклонов в определенном диапазоне позволяет повысить энергетическую эффективность транспорта при работе на подъем горной массы. Для всех видов транспорта зависимости удельной энергоемкости на подъем горной массы от уклона трассы имеют экстремальный характер [6]. Так, для автомобильного транспорта оптимальный уклон по энергетическому критерию в зависимости от типа покрытия и модели автосамосвала находится в пределах 0,08–0,012 (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость удельного расхода дизтоплива БелАЗ-7519 (110 т) при движении на подъем (Р) от уклона (i) и сопротивления качению (ω₀); – область оптимальных значений уклонов.

Установленные закономерности смещения i_опт от качества дорожного покрытия подтверждаются экспериментально и полностью согласуются с одним из важнейших принципов физики – принципом Ле Шателье – Брауна, описывающего поведение термодинамических систем, находящихся в устойчивом равновесии.

Для электрифицированного железнодорожного транспорта при мотор-вагонной тяге оптимальный уклон составляет 0,045–0,051, при электровозной тяге – 0,027–0,031. При эксплуатации ленточных конвейеров большой производительности оптимальный угол их наклона составляет 17–19°. При мотор-вагонной тяге увеличение уклона железнодорожных путей с 40 до 60‰ приводит к повышению, хотя и незначительному, удельных энергозатрат на подъем горной массы. Это происходит вследствие увеличения коэффициента тары поезда, которое во многих случаях не может быть полностью компенсировано сокращением протяженности трассы и упрощением схемы путевого развития. Весьма актуален этот вопрос для конвейерного транспорта по причине разработки в последнее время различных конструкций крутонаклонных конвейеров. Создание таких конвейеров должно сопровождаться детальным энергетическим анализом.

Оптимальный продольный уклон трасс по энергетическому критерию для отдельных видов транспорта и конкретных моделей транспортных средств следует рассматривать как частный оптимум и нижний предел уклона, который рекомендуется принимать при проектировании транспортных систем. Окончательное решение по руководящим уклонам следует принимать на основе глобального оптимума – удельной энергоемкости всей транспортной системы.

Остановимся на энергетических характеристиках других видов транспорта глубоких карьеров. Среди них наибольший практический интерес представляют дизель-троллейвозы, наклонные скиповые и автомобильно-клетьевые подъемники.

Фактический удельный расход энергии (г у. т. /т·м) дизель-троллейвозным транспортом определяется из выражения

(8)

где ω_дт – удельный расход электроэнергии при работе дизель-троллейвозов, кВт·ч/т·км; g_дт – удельный расход дизтоплива дизель-троллейвозным транспортом, г/т·км; h_дт – высота подъема горной массы дизель-троллейвозами на 1 км автодороги, м/км.

Расчетные показатели энергетической эффективности дизель-троллейвозного транспорта (опытные образцы на базе автосамосвалов БелАЗ-7519 грузоподъемностью 110 т) на карьерах черной металлургии приведены в табл. 3 и 4. Установлено, что коэффициент полезного использования энергии дизель-троллейвозным транспортом изменяется в пределах 6,2–7,6% при среднем значении 6,7%. Таким образом, энергетические показатели дизель-троллейвозного транспорта только на 3,1% выше, чем автомобильного (η =6,5% для автосамосвалов БелАЗ-7519).

Таблица 3. Условия эксплуатации дизель-троллейвозного транспорта на карьерах черной металлургии (предпроектные проработки).

Карьер Объем перевозок, млн т/год Параметры трассы L, км Кэ , % Нп , м hдт , м/км Костомукшский 22,0 4,0 52 150 37,5 Ингулецкий 18,0 2,9 76 105 36,2 «Малый Куйбас» (ММК) 15,3 4,7 64 174 37,0 № 21 Донского ГОКа 10,2 4,0 75 180 45,0 Карагайский ОАО «Магнезит» 8,8 3,8 68 165 43,4

Примечание. L – расстояние перевозок, км; К_э – степень электрификации трассы, %; Н_п – высота подъема горной массы, м.

Таблица 4. Показатели энергетической эффективности дизель-троллейвозного транспорта.

Карьер Удельный расход Показатели энергетической эффективности gдт, г/т·км ωдт, кВт/т·км Рф. дт, г у. т. /т·м η, % Костомукшский 51,8 0,28 5,29 6,3 Ингулецкий 29,5 0,29 4,43 7,6 «Малый Куйбас» (ММК) 44,5 0,32 5,39 6,2 № 21 Донского ГОКа 42,0 0,39 4,90 6,8 Карагайский ОАО «Магнезит» 40,1 0,40 5,07 6,6

Данный вывод может показаться парадоксальным, поскольку в технической литературе распространено мнение о высокой энергетической эффективности данного вида карьерного транспорта. Однако в последние годы полученные результаты подтверждаются и зарубежными исследованиями. Американские ученые П. Реввель и И. Реввель на примере автотранспорта общего пользования показывают, что энергетическая эффективность обычных и электрифицированных автомобилей (электромобилей) примерно одинакова [7]. Широкое внедрение дизель-троллейвозного транспорта на карьерах США в 1980-х годах было обусловлено не энергетической эффективностью данного вида транспорта, а конъюнктурой цен на дизтопливо и электроэнергию.

Вместе с тем, при создании отечественных дизель-троллейвозов нового поколения, не уступающих лучшим зарубежным образцам, и увеличении руководящего уклона автодорог до 10–12% коэффициент полезного использования энергии может возрасти до 7,6–7,8%, т. е. приблизится к показателям электрифицированного железнодорожного транспорта. Это свидетельствует об определенных перспективах дизель-троллейвозного транспорта на отечественных глубоких карьерах.

Средний удельный расход электроэнергии скиповым подъемником СНК-40, эксплуатировавшимся на Сибайском карьере, составил 0,0077 кВт·ч/т·м. Энергетическая эффективность характеризовалась следующими показателями: Р_{ф. ск}=2,8 г у. т. /т·м; η=12%. Расчетные показатели энергетической эффективности проектируемых скиповых (СНК-75) и автомобильно-клетьевых подъемников (АНК-75) составляют: Р_{ф. ск}=2,1÷2,2 г у. т. /т·м; η=15,2÷15,9% [2]. Энергоемкость различных типов шахтных вертикальных скиповых подъемников (Р_{ф. ск}=1,4÷1,9 г у. т. /т·м; η=17,4÷23,4%) находится на уровне показателей карьерного конвейерного транспорта [8]. Утверждение ряда авторов о наибольшей энергетической эффективности скипового подъема среди существующих видов карьерного транспорта нельзя считать достаточно обоснованным [9].

В исследованиях по оценке эффективности применения на карьерах аэростатно-канатных транспортных систем (АКТС), выполненных в последние годы, доказывается возможность снижения энергозатрат на подъем горной массы в 1,5–1,6 раза по сравнению с конвейерным транспортом [10]. Исследования носят чисто теоретический характер. Возможность и технологическая целесообразность внедрения подобных систем на карьерах большой глубины и производительности вызывают сомнение. Таким образом, реальной альтернативы рассмотренным видам транспорта для доставки горной массы из глубоких карьеров в настоящее время нет, и надежды на резкое снижение энергозатрат на транспортирование не имеют достаточных оснований.

Энергетическая оценка транспортных систем карьеров в условиях рыночной экономики имеет ряд специфических особенностей, до настоящего времени не нашедших отражения в исследованиях. В первую очередь к таким особенностям следует отнести методику расчета показателя k_э (см. формулу (2)), учитывающего затраты условного топлива на получение 1 кВт·ч электроэнергии и отражающего технологическую и экономическую эффективность электроэнергетики. Большинство авторов рекомендуют принимать значение этого показателя в пределах 310–330 г/кВт·ч. Однако эти цифры отражают реальное состояние отечественной электроэнергетики в 1975–1990 гг. , т. е. в советский период (рис. 3).

Рис. 3. Динамика показателя технологической эффективности электроэнергетики России.

Высокая технологическая эффективность отечественной электроэнергетики в указанный период была достигнута за счет централизации производства, создания Единой энергетической сети и переброски энергии вслед за перемещением пиковых нагрузок в часовых поясах. Даже самая эффективная из зарубежных – японская энергетика уступала советской [11].

В настоящее время эффективность отечественной электроэнергетики (k_э = 397 г у. т. /кВт·ч) в 1,23 раза ниже японской и в 1,11 ниже французской и американской (рис. 4). За 10 лет, с 1990 по 2000 г. , расход условного топлива на производство 1 кВт·ч электроэнергии в России увеличился с 306 до 397 г/кВт·ч, т. е. в 1,3 раза. В соответствующей пропорции снизилась энергетическая эффективность электрифицированных видов транспорта. Энергоемкость карьерного железнодорожного транспорта практически сравнялась с энергоемкостью автомобильного.

Рис. 4. Показатели технологической эффективности электроэнергетики наиболее развитых стран.

Переход к рыночной экономике отечественных горных предприятий сопровождался резким увеличением энергоемкости основных процессов открытой разработки и, в первую очередь, карьерного транспорта. Основными причинами увеличения энергоемкости явилось снижение объемов производства по горной массе и старение парка оборудования. В этом отношении характерен пример карьеров ОАО «Ураласбест» (рис. 5)

Рис. 5. Зависимость показателей удельной энергоемкости различных видов транспорта (Р) от объема перевозки горной массы (V) (ОАО «Ураласбест»): Р_а, Р_ж – удельная энергоемкость соответственно автомобильного и железнодорожного транспорта, г у. т. /т·м; V – объемы перевозок горной массы, млн т/год

Выявилась лучшая адаптивность энергетических показателей автотранспорта к изменению экономических и горно-технических условий разработки, в частности, к сокращению объемов перевозок, по сравнению с железнодорожным транспортом, что объясняется меньшей долей постоянной составляющей в энергозатратах автомобильного транспорта. Это привело к расширению области применения автотранспорта на глубоких карьерах. Так, доля автотранспорта в объемах перевозок вскрышных пород на разрезах ОАО «Концерн Кузбассразрезуголь» за период 1990–2004 гг. увеличилась с 45 до 69%. На рудных карьерах расширение области применения автотранспорта наблюдается при расконсервации уступов и бортов в зоне работы железнодорожного транспорта, отработке карьеров зонами концентрации, отработке нагорной части месторождений.

Для рыночной экономики развитых стран характерно постепенное сближение энергетических и экономических оценок промышленных технологий. В России до этого пока далеко в силу неправильного соотношения цен «уголь – газ – мазут», рассчитанного по паритету покупательной способности валют. В РФ это соотношение составляет 1:0,8:1,3, в США 1:2,3:2,1, в Великобритании 1:1,8:1,6, в Германии 1:2,4:1,7. Во всех странах, кроме России, газ дороже угля [12]. С вступлением в ВТО Россия будет вынуждена изменить указанное соотношение. Согласно прогнозным оценкам, к 2010 г. по сравнению с 1998 г. цены на уголь (руб. /т у. т. ) увеличатся в 2,5 раза, на газ в 9 раз, на мазут в 2,5 раза и на электроэнергию (коп. /кВт·ч) в 4,8 раза. Таким образом, оптимизм по поводу высокой экономической эффективности перевода карьерного автотранспорта на газ может не оправдаться, хотя экологическая эффективность такого перехода неоспорима.

Удельная энергоемкость может успешно использоваться при технико-экономической оценке транспортных систем карьеров в качестве основного или дополнительного критерия.

По аналогии с экономической оценкой при сравнении вариантов транспортных систем затраты энергии прошлых и будущих периодов можно приводить к текущему моменту с помощью коэффициента приведения, рассчитываемого по выражению

(9)

где В – коэффициент приведения; s – норматив для приведения разновременных затрат энергии (норма дисконта); t_n – год, к которому приводятся энергозатраты; t_j – год осуществления энергозатрат.

В этом случае норма дисконта (s) отражает технический прогресс, т. е. среднегодовой процент снижения удельной энергоемкости различных видов и средств горно-транспортной техники. По данным зарубежных исследований, s=0,005÷0,015. Такой подход имеет определенные преимущества перед денежной оценкой. В отличие от денежной энергетическая оценка имеет прямое, объективное, «физическое» основание, является более стабильной, не подверженной инфляции и волюнтаристскому вмешательству. В целом, энергетическая оценка не подменяет, а дополняет денежную оценку. Денежная оценка дает основание для выработки производственной тактики, энергетический анализ – для выработки стратегии формирования транспортных систем на весь период отработки карьера.

Метод энергетической оценки был реализован при обосновании глубины перехода к вскрытию внутрикарьерными железнодорожными тоннелями Костомукшского карьера [13]. Был рассмотрен период отработки карьера с 1998 до 2031 г. включительно. Оценивалось три варианта, характеризующихся различными глубинами перехода с траншейного на тоннельное вскрытие: 170, 230 и 310 м. К детальной оценке принят 2-й вариант тоннельного вскрытия (глубина перехода 230 м) как наиболее энергетически эффективной. Суммарные дисконтированные затраты энергии по указанному варианту на 12,1% ниже, чем при вскрытии с траншейным вводом железнодорожного транспорта на глубину 310 м, и на 10–16% ниже, чем при 1 м и 3 м вариантах тоннельного вскрытия. Энергетическая эффективность обеспечивается за счет глубокого ввода железнодорожного транспорта, снижения высоты подъема горной массы автотранспортом и сокращения разноса бортов карьера. Вместе с тем, экономические расчеты (ЧДД) не позволяют сделать обоснованный вывод о рациональной глубине перехода на тоннельное вскрытие ввиду незначительного различия вариантов по затратам. Это подтверждает перспективность энергетического анализа при обосновании стратегии формирования транспортных систем глубоких карьеров.