Инновационная модель шахтного технолого-энергетического комплекса (ШАТЭК)

Изложена суть инновационной модели энергообеспечения угольной шахты необходимыми видами энергии на основе создания шахтного технолого-энергетического комплекса (ШАТЭК), который использует собственные энергетические ресурсы....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2011
Автори: Гого, В.Б., Булгаков, Ю.Ф., Данильчук, О.Н.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут фізики гірничих процесів НАН України 2011
Назва видання:Физико-технические проблемы горного производства
Теми:
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108185
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Инновационная модель шахтного технолого-энергетического комплекса (ШАТЭК) / В.Б. Гого, Ю.Ф. Булгаков, О.Н. Данильчук // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2011. — Вип. 14. — С. 156-165. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-108185
record_format dspace
spelling irk-123456789-1081852016-10-31T03:03:00Z Инновационная модель шахтного технолого-энергетического комплекса (ШАТЭК) Гого, В.Б. Булгаков, Ю.Ф. Данильчук, О.Н. Технико-экономические проблемы горного производства Изложена суть инновационной модели энергообеспечения угольной шахты необходимыми видами энергии на основе создания шахтного технолого-энергетического комплекса (ШАТЭК), который использует собственные энергетические ресурсы. Викладено суть інноваційної моделі енергозабезпечення вугільної шахти необхідними видами енергії на основі створення шахтного технолого-енергетичного комплексу (ШАТЕК), який використовує власні енергетичні ресурси. The essence of innovative model of a coal mine power supply with the required types of power based on the construction of mine production & power complex (MPPC) consuming the mine’s own power resources is presented. 2011 Article Инновационная модель шахтного технолого-энергетического комплекса (ШАТЭК) / В.Б. Гого, Ю.Ф. Булгаков, О.Н. Данильчук // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2011. — Вип. 14. — С. 156-165. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. XXXX-0016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108185 621.629 ru Физико-технические проблемы горного производства Інститут фізики гірничих процесів НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Технико-экономические проблемы горного производства
Технико-экономические проблемы горного производства
spellingShingle Технико-экономические проблемы горного производства
Технико-экономические проблемы горного производства
Гого, В.Б.
Булгаков, Ю.Ф.
Данильчук, О.Н.
Инновационная модель шахтного технолого-энергетического комплекса (ШАТЭК)
Физико-технические проблемы горного производства
description Изложена суть инновационной модели энергообеспечения угольной шахты необходимыми видами энергии на основе создания шахтного технолого-энергетического комплекса (ШАТЭК), который использует собственные энергетические ресурсы.
format Article
author Гого, В.Б.
Булгаков, Ю.Ф.
Данильчук, О.Н.
author_facet Гого, В.Б.
Булгаков, Ю.Ф.
Данильчук, О.Н.
author_sort Гого, В.Б.
title Инновационная модель шахтного технолого-энергетического комплекса (ШАТЭК)
title_short Инновационная модель шахтного технолого-энергетического комплекса (ШАТЭК)
title_full Инновационная модель шахтного технолого-энергетического комплекса (ШАТЭК)
title_fullStr Инновационная модель шахтного технолого-энергетического комплекса (ШАТЭК)
title_full_unstemmed Инновационная модель шахтного технолого-энергетического комплекса (ШАТЭК)
title_sort инновационная модель шахтного технолого-энергетического комплекса (шатэк)
publisher Інститут фізики гірничих процесів НАН України
publishDate 2011
topic_facet Технико-экономические проблемы горного производства
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108185
citation_txt Инновационная модель шахтного технолого-энергетического комплекса (ШАТЭК) / В.Б. Гого, Ю.Ф. Булгаков, О.Н. Данильчук // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2011. — Вип. 14. — С. 156-165. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
series Физико-технические проблемы горного производства
work_keys_str_mv AT gogovb innovacionnaâmodelʹšahtnogotehnologoénergetičeskogokompleksašaték
AT bulgakovûf innovacionnaâmodelʹšahtnogotehnologoénergetičeskogokompleksašaték
AT danilʹčukon innovacionnaâmodelʹšahtnogotehnologoénergetičeskogokompleksašaték
first_indexed 2025-07-07T21:05:37Z
last_indexed 2025-07-07T21:05:37Z
_version_ 1837023717678383104
fulltext Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 156 Раздел 4. Технико-экономические проблемы горного производства УДК 621.629 В.Б. Гого, Ю.Ф. Булгаков, О.Н. Данильчук ИННОВАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ШАХТНОГО ТЕХНОЛОГО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА (ШАТЭК) Донецкий Национальный технический университет Изложена суть инновационной модели энергообеспечения угольной шахты необхо- димыми видами энергии на основе создания шахтного технолого-энергетического комплекса (ШАТЭК), который использует собственные энергетические ресурсы. Развитие национальной угольной отрасли невозможно без поиска путей модернизации шахт, всех звеньев технологической цепи энергопроизводства с целью решения задач минимизации экономических затрат, максимализа- ции экологической безопасности и охраны труда. Как важный шаг в этой работе следует рассматривать этап создания моделей для аргументирован- ного анализа новых решений. Для работы шахты необходимы основные виды энергии: электриче- ская, тепловая, пневматическая и гидравлическая. Разумеется, что пер- вичными являются электрическая и тепловая. В существующей системе энергоснабжения шахты электрическая энергия покупается во внешней энергосистеме, а тепловая вырабатывается котельной шахты. При этом как внешняя энергосистема, так и внутренняя теплосистема работают на различных видах источников энергии, в том числе на угле, добываемом шахтой. Возникает актуальная проблема комбинированного производства тепловой и электрической энергии для потребностей шахты в модернизи- рованных условиях шахтной котельной. Решить эту проблему возможно путем создания шахты-миниТЭЦ. Рациональной с технических, экономи- ческих, социальных и экологических позиций является организация шахтных автономных технолого-энергетических комплексов (ШАТЭК) [1, 2] в их сочетании с имеющимися централизованными тепловыми элек- трическими станциями. Сущность предлагаемой модели энергообеспечения угольной шахты со- стоит в том, что необходимую энергию, как электрическую, так и тепловую, шахта производит на собственном объекте – энергетической котельной (ЭК), работающей как миниТЭЦ. Такого рода организация энергоснабжения по- требует разработки модели и оптимизации процесса. Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 157 Прежде чем разрабатывать структуру модели автономного энергоснабже- ния шахты, нужно ответить на следующие вопросы: 1) Где нужно строить ЭК, или миниТЭЦ? 2) Каких потребителей должна обеспечивать ЭК, на каком топливе и обо- рудовании она будет работать? 3) Каковы оптимальные параметры ЭК, или миниТЭЦ? 4) Какие технологические процессы будут новыми и как они будут соче- таться с существующими шахтными технологиями? 5) Как реструктуризация энергоснабжения шахты повлияет на экономи- ческие, экологические, социальные и др. сферы? 6) Каково сочетание циклов производства и потребления энергии в раз- личных объединенных технологиях? Исследуем этот блок вопросов на основе предлагаемой структуры ШАТЭК, схема которой представлена на рис. 1. Рис. 1. Схема структуры ШАТЭК Для формирования целевой функции необходимо минимизировать общие затраты ШАТЭК по экономическому критерию «стоимость», а именно в по- казателях: 1) стоимость угля, добываемого шахтой; 2) стоимость переработки угля; 3) стоимость транспортных затрат на перемещение первичного энергоно- сителя, электрической и тепловой энергий; 4) стоимость затрат на связь с внешней энергосистемой, т.е. ТЭЦ. Известно, что механизм образования тарифов железнодорожных пере- возок очень сложен, поскольку различные тарифы зависят от объемов пе- ревозок, владельцев вагонов и т.д. Постоянные транспортные издержки учитывают расширение существующей транспортной системы, к приме- ру, затраты на приобретение новых вагонов, ремонт и строительство же- лезных дорог и т.д. Поэтому расходы на перевозку будем считать посто- янными. Исходя из изложенного, формируем целевую функцию для поиска мини- мальных затрат ШАТЭК в виде: Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 158       min , , , , , ij j j j ij i i j j j ij ij ij ij jk jk jk jk i i j j k i f v u w x y D v c y B v S w T v F X G U R                              (1) где ijv – масса отправленного шахтой угля на обогатительную фабрику; jku – масса отправленного с ОФ угля на ЭК и ТЭЦ; , ,w x y – булевы пере- менные; D – стоимость добычи угля; S – постоянные расходы на перевозку угля; ijT – стоимость перевозки тонны угля; ijC – ежегодные затраты на пе- реработку тонны угля на ОФ; jB – переменные затраты на подготовку тон- ны угля на ОФ; jkF – постоянные расходы на перевозку угля с ОФ на ТЭЦ; jkG – стоимость перевозки тонны угля с ОФ на ТЭЦ; iR – расходы на пере- дачу электроэнергии от ТЭЦ до шахты и ОФ. Для моделируемой системы ШАТЭК примем следующие ограничения: 1. Масса отправляемого шахтой угля на ОФ не может превысить добычу этой шахты, т.е. ij i i v M , (2) где iM – мощность шахты по добыче угля. 2. Объем поставок угля с ОФ на электростанцию (ТЭЦ) должен быть рас- четным: jk k i U N . (3) 3. Объем поставок угля с ОФ не может превысить ее мощность: jk j k U P , (4) ij jk i k E v U  , (5) где Е – показатель эффективности обогащения угля. 4. Экологические ограничения должны соответствовать специальным требованиям по содержанию в угле примесей, в частности серы, золы и др. Если обогатительная фабрика обеспечивает энергетическую котельную и ТЭЦ, то введем ограничение: i ij k ij i i H v L v  , (6) где iH – содержание серы (в массовых долях); kL – максимально допусти- мая для сжигания норма содержания серы в угле. Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 159 Тогда экологическое ограничение по компоненту «сера» можно предста- вить в виде:  1i ij k ij jk i i H v L v M x    , (7) где M – некоторое большое положительное число. Аналогично формируются ограничения по другим компонентам угля. 5. Издержки на транспортировку угля и передачу электрической энергии можно представить в следующем виде: 0jk jkU MX  , (8) 0ij ijV MW  . (9) Для минимизации стоимости ШАТЭК сначала опишем содержание зада- чи, затем формализуем ее и рассмотрим решение с использованием алго- ритма обобщения приведенных градиентов. На рис. 1 изображено техниче- ское содержание модели ШАТЭК. Последовательность технологического процесса объединяет такие объекты, как шахта, обогатительная фабрика (ОФ), энергетическая котельная (ЭК), которая имеет установки топливопо- дачи, парокотельные агрегаты, системы очистки отходящих дымовых газов, удаления золошлаковых отходов, паровые турбины, электрогенераторы и т.д. В структуру ШАТЭК должны входить и сопутствующие производства: деминерализации шахтных вод, извлечения редких химических компонен- тов из отвальных пород, кооптации шахтного метана, производства строи- тельных материалов и др. Однако основное предназначение энергокомплекса состоит в когенерации двух видов энергии – электрической и тепловой. Целесообразно выдвинуть основное требование к их производству – полное удовлетворение своих энергетических потребностей с обеспечением экологической безопасности и охраны труда. Пусть ШАТЭК в течение года должен произвести необходимые объемы: – электрической энергии – Х, (кВт·ч); – тепловой энергии – Y, (Дж). Для этого необходимо выбрать параметры оборудования ШАТЭК с це- лью минимизации капиталовложений. Все установки ШАТЭК можно разделить по участию в технологическом процессе на группы: 1) установки периодического действия (УПД); 2) установки полунепрерывного действия (УПНД); 3) установки непрерывного действия (УНД). Капиталовложения для этих групп будут соответственно равны: – для УПД: 1 i i i iС a V   , (10) Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 160 где V – производительность установки; ,i ia  – эмпирические константы, выступающие как стоимостные коэффициенты оборудования. – для УПНД: 2 k k kС b R , (11) где kR – производительность k -й установки; ,k kb  – эмпирические кон- станты, определяющие стоимостные коэффициенты оборудования. Для процедуры оптимизации рассмотрим содержание технологических процессов ШАТЭК по группам установок. Для УПД периодические операции сводятся к загрузке угля (топливопо- дача, топливоподготовка и т.д.), его переработке и выгрузке. В установках группы УПНД происходит вход-выход материалов, но они работают так же непрерывно, как и УНД. Оборудования группы УПД и УПНД работают наиболее эффективно в режиме совмещения циклов. Для ШАТЭК, использующего установки трех групп, представим диа- грамму времени работы оборудования (рис. 2). В общем для энергетического суточного цикла ШАТЭК имеем:  1max ... nT t t . (12) При выбранном фиксированном времени энергетического цикла, равном 24 часам, все его составляющие должны порционно в него входить. Очевидно, что определяющим является объем конечной энергопродук- ции. Тогда для ШАТЭК будем иметь: 1 n n n n Q T T B  , (13) где T – время энергоцикла; nB – объем произведенной энергии; nQ – объем потребленной энергии; nT – время составляющих циклов. Время в технологических процессах УПНД и УПД определяет составляю- щие периодов энергоцикла и не может превышать 24 часа. Если работе УПД по технологическому процессу предшествует работа установки УПНД, а за ней в цепочке следует повторение, то полное время для УПД можно считать равным: Рис. 2. Диаграмма време- ни работы оборудования ШАТЭК Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 161 ip lp ip kpt    , (14) где , ,lp ip kpt  – периоды соответствующих производств, в которых рабо- тают рассматриваемые установки ШАТЭК. Продолжительность цикла может быть определена соотношением:     max max , maxipp kp i T    . (15) Предполагаем, что объем энергетического сырья или произведенного ви- да энергии на некоторой стадии процесса получения определенного количе- ства и вида энергии в цикле задан, следовательно, необходимо выбрать та- кую установку (систему), чтобы она обеспечила необходимый выход по объему сырья или энергии, т.е.  maxi ip p p V S B . (16) Функция затрат для предприятия представляет собой сумму капитальных вложений на сооружение УПД и УПНД, образующих ШАТЭК. Таким образом, ki i i k k i k С a V b R    . (17) Результатом изложенного является формулировка задачи оптимального про- ектирования ШАТЭК: минимизировать функцию (17) при условиях (13–16). Ограничения можно представить в виде неравенств: ippT  ; (18) kppT  ; (19) i ip pV S B . (20) Тогда задача оптимального проектирования по критерию минимальной стоимости проекта ШАТЭК будет иметь следующий вид:  3 3 51 2 1 2 4 1 2 3 1 2 3 4 5 51 2 3 1 2 3 4min a V a V a V b R b R b R b R b R               , (21) где , , ,i i i ia b   – коэффициенты, заданные при следующих ограничениях: для неравенства (13) на общее время технологического энергоцикла: 1 2 3 1 2 3 365 x y z T T T T B B B    ; (22) ограничение (20) на объем производства электрической энергии: 1 1 1 1 2 2 1 3 3; ;V B V B V B   ; (23) ограничение (20) на объем производства тепловой энергии: Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 162 2 1 1 2 2 2 2 3 3; ;V B V B V B      ; (24) ограничение (13) на продолжительность циклов: 3 31 1 2 2 1 1 1 1 2 3 ; ; ; BB B T T T R R R      (25) 3 31 1 2 2 2 2 2 1 2 3 ; ; . BB B T T T R R R      (26) Ограничения, накладываемые на производство электрической и тепловой энергии в условиях ШАТЭК, могут быть записаны в виде: 3 32 2 2 3 3 32 2 2 3 электрической энергии – тепловой энергии – BB R R BB R R          , (27) т.е. имеем, что 3 2R R . Продолжительность цикла производства электрической энергии: 3 31 1 2 2 1 1 2 3 ; BB B T R R R      (28) тепловой: 3 31 1 2 2 2 1 2 3 . BB B T R R R      (29) Следовательно, рассматриваемая задача имеет переменные: Тi, Bi, Vi для каждого вида производимой ШАТЭК энергии и три переменные R, характе- ризующие производительность. Поскольку производство электроэнергии ШАТЭК совмещается с получе- нием тепловой энергии, то Э TW W W X Y    , (30) где W – общее энергопроизводство ШАТЭК в год. Без снижения точности решения задачи можно положить, что:   ; ; 1 , Y W W X W X W         (31) где  – доля тепловой энергии. Поэтому задача приобретает формулировку в виде равенств и неравенств, которые и определяют общее число переменных, т.е. для нее можно приме- нить оптимизационные методы по критериям эффективности с рядом неза- висимых переменных и указанным ограничениям. Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 163 Все это в совокупности образует математическую модель ШАТЭК. Одна- ко техническое описание этой модели, отражающее с принятой достоверно- стью реальное производство, является чрезвычайно важным . Процесс оптимизации ШАТЭК по предложенной математической модели будем рассматривать как путь отыскания оптимального решения для реаль- ной шахты. Прямой аналитический путь, ведущий к решению, заменим обходным, включающим оптимизацию модели ШАТЭК, а также трансформацию полу- ченных результатов в практическую форму. При таком подходе надо ис- пользовать упрощения, учитывая характеристики ШАТЭК. Опорным крите- рием для этого является принятая достоверность результатов, прогнозов по- казателей реального ШАТЭК по известным аналогам, использующим такие же агрегаты и оборудование. Разумеется, что адекватность модели и реальности в таком случае невоз- можно строго оценить, поэтому излагаемое далее в некоторой степени креа- тивно, но подчинено техническим принципам, лежащим в основе компонен- тов модели, что, безусловно, необходимо для оптимального варианта ШАТЭК. Применим к ШАТЭК известный способ разработки модели с «плановым» уровнем неточностей, а именно метод постепенного совершен- ствования модели. Рассмотрим оптимизацию процесса «производства – по- требления» энергии шахтным энергетическим комплексом. Технологическая схема ШАТЭК объединяет ряд последовательных и па- раллельных стадий подготовки, переработки энергетического сырья - угля как рабочего тела, а также трансформации и передачи нескольких видов энергии. Можно выделить конечные стадии производства электрической, тепловой энергии и др., но они являются началами других стадий. В связи с этим ШАТЭК – это непрерывное производство-потребление энерго- материальных ресурсов. Для того, чтобы иметь возможность обслуживать и ремонтировать оборудование, следует предусмотреть организацию незави- симых модулей-блоков, отключение которых в отдельности не вызовет остановку всего производства. Кроме того, при совмещении стадий необхо- димо обеспечить их управляемость и контроль. Все это в совокупности тре- бует моделирования и оптимизации управления, поскольку фактическое со- стояние производства существенно отличается от его модели, а эту возмож- ность упускать нельзя, поскольку в ней заключается повышение прибыльно- сти производства. Предварительную линейную модель ШАТЭК построим по типу «затраты: производство энергии – потребление». Линейная модель позволяет основы- ваться на средних нормах производительности и среднем времени производ- ства, в результате чего проводится окончательный выбор номенклатуры производства по материальным и энергетическим составляющим. Следует ожидать, что при этом будут выявлены очевидные ограничения по макси- мальным и минимальным показателям работы отдельных систем, установок, Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 164 агрегатов, которые в совокупности определяют производственные мощности ШАТЭК. Модифицированная модель имеет широкую область применения и позволяет использовать методы линейного программирования, которые наиболее целесообразны на этапе предварительного исследования. Для получения оптимальных значений показателей капиталовложений в ШАТЭК принятую модель следует усложнить путем учета расходов, свя- занных с дополнительным оборудованием и его эксплуатацией. Эти допол- нительные расходы несложно учесть в системе линейных ограничений. Од- нако в результате введения указанных стоимостных членов целевая функция становится нелинейной. Таким образом, предложенная модель ШАТЭК яв- ляется нелинейно-программируемой с линейными ограничениями и ее мож- но решать с использованием известных сценариев [3]. Это в первую очередь касается технологий сжигания угля (возможно, шахтного метана), систем очистки дымовых газов, паровых (газовых) тур- бин и др. Необходимо уточнить имитационную модель (к примеру, время выхода на рабочий режим агрегатов) посредством введения значений слу- чайных переменных (в частности по методу Монте-Карло). В этом случае необходимо располагать статистической информацией о наблюдаемых от- клонениях, определить вид влияющих функций распределения и внести их в разработанную модель. Непосредственная оптимизация требует значитель- ных затрат на расчетный процесс [3], поэтому целесообразно выполнять оп- тимизацию, исследуя конкретную модель ШАТЭК. Выводы Таким образом, исходя из общего стратегического подхода к оптимиза- ции структуры ШАТЭК, возможны две инновационные модели: 1) аналити- ческая; 2) имитационная. Аналитическая модель включает уравнения материального и энергетиче- ского баланса, соотношения между проектными техническими характери- стиками и математическими связями, уравнениями, отражающими физиче- ские свойства объектов ШАТЭК. Поскольку в такой модели ШАТЭК опи- сывается работа всего комплекса на уровне заложенных технических прин- ципов, следует принять определенную достоверность для расширения усло- вий работы комплекса. В имитационной модели ШАТЭК основные уравнения, описывающие по- ведение комплекса, группируются в модули и подпрограммы. Они описы- вают работу отдельных частей оборудования и агрегатов или реакцию их на изменения условий. Предполагается, что каждый из этих модулей не зависит от других и содержит собственные вычислительные процедуры в виде ре- шений уравнений или операций логического разветвления. Разумеется, что при использовании имитационной модели ШАТЭК нужно иметь расширен- ное программно-компьютерное обеспечение. Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 165 1. Пак В.В. Стратегическое направление эколого-энергетической реструктуриза- ции шахт [Текст] / В.В. Пак, В.Б. Гого // Уголь Украины. - 1997. - № 10. 2. Гого В.Б. Концептуальные положения автономного энергоснабжения угольных шахт и экологической безопасности [Текст] / В.Б. Гого // Известия Донецкого горного института. - 2000. - № 2. 3. Реклейтис Г. Оптимизация в технике [Текст] / Г. Реклейтис. - М.: Мир. -1986. - 346 с. В.Б. Гого, Ю.Ф. Булгаков, О.М. Данильчук ІННОВАЦІЙНА МОДЕЛЬ ШАХТНОГО ТЕХНОЛОГО-ЕНЕРГЕТИЧНОГО КОМПЛЕКСУ (ШАТЕК) Викладено суть інноваційної моделі енергозабезпечення вугільної шахти необхід- ними видами енергії на основі створення шахтного технолого-енергетичного ком- плексу (ШАТЕК), який використовує власні енергетичні ресурси. V.B. Gogo, Yu.F. Bulgakov, O.N. Danilchuk INNOVATIVE MODEL OF MINE PRODUCTION & POWER COMPLEX (MPPC) The essence of innovative model of a coal mine power supply with the required types of power based on the construction of mine production & power complex (MPPC) consuming the mine’s own power resources is presented.