煤炭矿区能源时空配置研究

赵友宝，袁芳芳，李学武，任一鑫

(1.山东科技大学经济管理学院，山东 青岛266590;2.陕西未来能源化工有限公司金鸡滩煤矿，陕西榆林719000)

一、引言

十八届三中全会对我国的能源现状与环境问题进行了全面分析，对各行各业提出了新的要求与目标。煤炭矿区高污染、高耗能现状，严重制约着矿区在当前能源紧张、环境日益恶化形势下的可持续发展。煤炭行业的高污染、高耗能已成为不争的事实，但是由于我国以煤炭为主的经济结构严重依赖煤炭行业，很难实际操作、控制、减少煤炭的消耗量。为实现我国经济发展与环境保护的“双赢”目标，急需研究降低矿区能源消耗的新方法与新思路。循环经济理论对煤炭矿区实现节能降耗环保具有重要的指导作用，也为煤炭行业未来的可持续发展开创了新途径。

能源管理理论在煤炭矿区的深入研究及实践活动，在很大程度上降低了能源消耗量，提高了能源利用效率，但仍然存在诸如能源共享利用程度低、综合利用程度低、利用效率低等现象。目前，煤炭矿区普遍存在两方面的问题:一方面，能源供给紧张、节能任务难以完成。我国正处在经济建设的高速发展阶段，对煤炭资源的需求量较大。矿区为满足能源的需求量，忽略了节约能源、提高资源利用效率等方面的问题。另一方面，太阳能、风能、地热等再生资源，余热、乏风等闲置能源没有得到合理开发利用，能源浪费严重［1］。许多矿区处在日照时间较长，风能资源丰富的地区，但是受到技术水平、利用成本等因素的制约，未对再生资源加以利用。煤炭矿区存在问题的表面原因是没有从系统的角度统筹安排能源的开发与利用，而实质是能源配置理论与方法不完善，优化配置方法主要从宏观方面进行研究，线性规划主要在资源约束条件下研究如何安排产出，做到效益最大，它们研究的侧重点都不是资源配置。矿区要提高能源管理水平，完成节能任务，建设低碳矿区，需要站在系统的角度从整体上考虑矿区能源分布与利用，依据不同领域能源获取与使用的特点，创新能源优化配置方法，设计符合矿区特色的能源配置方案。

二、能源时空配置概况

1.能源时空配置原则

由于煤炭行业生产的特殊性，决定了在对矿区能源重新配置时，要遵循以下原则:

(1)统筹兼顾、保证重点原则。统筹兼顾是指要站在矿区整体角度，从全局考虑能源时空配置方案。煤炭矿区生产、生活的各个方面都与能源存在密不可分的关系。煤炭主生产系统对能源的要求比较高，也是煤炭企业能够正常运行的根本环节，因此，在进行煤炭矿区资源配置时，需要首先考虑并满足该领域对能源的需求量。时空配置要求对能源进行有计划的分配及利用，做到因时、因地、因事制宜，既要保证重点耗能领域，又要兼顾辅助与生活领域，做到全面合理的配置与安排。

(2)注重效益、择优分配原则。煤炭矿区主要消耗煤、电力、水、石油等能源，每种能源在不同的生产环节均发挥着重要的作用。但是，随着科学技术的发展与进步，许多能源均可被其他新能源、可再生能源、闲置资源替代。如煤矸石可以替代煤炭进行发电，被处理后的矿井水可以替代新鲜水进行洗煤，粉煤灰、炉渣等可以替代水泥制砖等。煤炭矿区应充分考虑到能源利用成本，结合经济效益、环境效益，择优配置能源。

(3)产需均衡，留有余地原则。煤炭矿区不同的生产环节对能源的需求量存在较大差异，能源配置均衡，并不是按照部门平均分配，而是根据部门实际需求，做到相对均衡。留有余地则是为了保障重点耗能领域不会因为能源紧缺问题，而影响矿区的正常生产。在进行能源配置过程中，每个领域都应该赋存一定的能源以应对突发状况，需要做好资源储备工作。

(4)新能源、可再生能源优先配置原则。一方面，煤炭、石油等不可再生资源的稀缺性，导致了对新能源、可再生资源的研究与利用。另一方面，这些化石燃料燃烧产生的气体、固体均对环境造成严重污染。能源供给紧张、环境恶化形式要求我们需要加大对新能源及可再生能源的开发与利用。

2.能源时空配置原理

矿区能源的利用及分配，均由能源配置系统内部控制完成。能源配置系统中包含多种配置方法，其中最有效的方法是能源时空配置。由于能源生产与能源利用在时间和空间上不存在统一性，能够存储的能源(如煤炭)可以利用库存来进行调节降低能源浪费(虽然使用成本高)，对于不能够存储的能源(如电力、风能、太阳能等)如果不及时利用，就会造成浪费，因此，需要研究能源峰谷错时利用;不同耗能领域所使用能源种类和数量不同，同种能源投入不同使用领域，所产生的综合效益亦不同，因此需要研究能源空间分布问题。

能源时空配置是以能源管理、管理集成及优化配置理论等研究成果为基础，以科学分工、合理设置功能、确定统一目标为原则，依据能源供给系统的能源供应情况及耗能领域的不同用能规律，运用所创建的能源时空配置模型，合理地、有计划地安排和组织各个耗能领域的用能时间、用能种类及数量，尽可能错开用能的高峰期，而在低谷期利用不能存储的多余能源，解决能源生产与利用峰谷不协调、能源种类和数量分布不匹配的问题。

3.能源时空配置的意义

煤炭矿区能源的时空配置从根本上解决了能源结构不合理、利用效率低的问题，错时用能缓解了用能高峰期造成的能源供给紧张、供不应求的问题。时空配置在一定程度上有助于煤炭矿区的稳定发展，不会出现大幅度的能源变动。在进行能源配置时，充分考虑到新能源、可再生能源、闲置资源的价值及利用空间，最大限度地应用于煤炭矿区的各个方面，这很大程度上缓解了对一次能源的需求量，有效保护了环境，降低了污染环境的程度。

三、矿区能源及能耗领域的特征

煤炭矿区以煤炭生产为核心，向周围辐射，与农村、城市融合为一体。同时，矿区兼有能源生产与消耗的双重身份，对我国经济的发展具有至关重要的作用。煤炭矿区的能耗领域主要包括生产、生活及社会活动等多个领域，多种能源之间在开发利用上关联性强、关系复杂，每种能源不仅能够实现层级利用、梯级利用，而且与其他能源之间还可以通过合理的配置组合，实现综合利用。

1.能源特征

通过对多个矿区的实地调研与考察而获得的数据分析，可将煤炭矿区能源的特征归纳为3个方面:能源种类多、能源间关联性强、能源用途多样化。

(1)能源种类多。煤炭矿区涉及到的能源种类不仅包括一次能源，而且包括新能源、可再生能源、闲置资源以及废弃资源。为保障矿区正常的生产、生活，需要投入大量的一次能源诸如煤炭、石油等，但是，随着我国科学技术水平的提高，越来越多的能源可以应用到矿区的生产生活环节。在投入大量能源进行生产的过程中，一方面，产生了大量可以再次利用的闲置能源，比如煤矸石、煤泥、电厂余热资源、煤层气等，而且产生了诸如报废设备设施等废气资源。

(2)能源间关联性强。矿区内不同种类能源之间并不是孤立存在，而是彼此之间相互关联。目前，能源之间较为常见的两种关系是能源替代与能源互补。如，风能可以发电补充矿区对电能的需求，太阳能也可以发电来补充矿区对电能的需求，因此风能与太阳能之间就存在了一种互补关系，没风时，采用太阳能发电，阴雨天，就可以借助风能发电，二者互相补充;煤矸石、煤泥替代煤炭发电，现在建设了很多矸石热电厂，不仅消耗了大量的固废资源，而且减少了固废资源对环境的破坏。

(3)能源用途多样化。煤炭矿区能源种类丰富，自身特性多样。常规能源性能比较稳定，易于控制与利用，但是该类能源储量有限，短期内不能再生，燃烧后对环境造成严重破坏;可再生能源相对于常规能源而言，分布范围较广，但是集中度不高，同时供应不稳定、受不可控因素影响较大，利用起来成本相对较高，难度较大。可再生能源的优点是可以无限获取，属于清洁能源，对环境污染较小。闲置资源在矿区普遍存在，煤矸石、煤泥、粉煤灰、余热、余压等资源，像煤矸石、煤泥的利用成本较低，运用领域较为广泛，利用潜力比较大;但是像余热、余压等资源的收集与处理对技术要求比较高，利用难度大，且属于低质能源，利用难度较大［2］。

2.耗能领域特征

矿区主要能耗领域按耗能位置划分可分为5个方面:井下耗能领域、地面生产耗能领域、地面辅助能耗领域、生活耗能领域、矿区服务行业耗能领域。各个领域耗能特征具体如下:

(1)井下耗能领域。井下耗能领域，又可以进一步分为:基本生产耗能、辅助生产耗能。基本生产耗能主要是指掘进与回采耗能，辅助生产耗能主要是指运输、提升、排水、通风、压气等工作耗能，这些领域以消耗电能为主，同时消耗少量的油类。掘进机、皮带输送机、刮板输送机、水泵、风机等都是靠电能带动工作的;掘进设备、回采设备、运输设备不仅消耗电能，而且需要少量的机油、汽油，特别是运输设备更需要消耗汽油、柴油等油类资源。由于安全生产与稳定生产的需要，对能源种类及供给要求极其严格，较难使用其它能源替代，更不能出现能源停供的现象。

(2)地面生产耗能领域。地面生产能耗领域，主要包括煤炭洗选与加工、机械制造、矿用设施设备维修、矿用物资生产、电力、建材、煤炭转化及其它非煤产业，该领域主要耗费电能、煤炭、油类及加工后产生热气与冷气等资源。地面生产系统是地下生产的延续，是煤炭矿区最主要的生产环节。地面耗能领域与地下耗能领域相比，对能源的要求相对较低，可以考虑用其他能源进行替代。考虑到资源合理配置的要求，可以对地面耗能环节采取错时利用方式，避开用能高峰期，使能源应用到最需要的工作环节。

(3)地面辅助耗能领域。地面辅助耗能领域主要包括固废处理、生活污水与工业废水处理、地面运输、办公区域等，这些领域能耗种类比较多，能量使用量所占比例较小，其中以消耗电能为主。办公区域的照明、空调等多数耗能设备均可以使用太阳能发电来维持其工作。固体废弃物、生活污水、工业废水处理后，均可产生大量可循环再利用的资源，可将这些资源重新投入到生产环节进行再利用。地面辅助耗能领域是能够使用新能源能源、可再生能源、闲置资源替代的，同时也是矿区资源实现循环利用的重点领域。

(4)生活耗能领域。生活耗能领域，主要包括职工公寓、浴池、家属区、工业广场、食堂、景观等。该领域以消耗电能为主，由于对电的要求相对较低，可以借助太阳能、风能发电来替代煤炭发电。职工公寓、浴池、家属区的供暖可以采取矿区内部电厂余热资源来保障。景观区域的树木浇灌、工业广场的地面喷洒、厕所冲水用水均可以采用被处理后的矿进水来替代新鲜水。生活耗能领域虽然耗能种类较多，但耗能量较小，对能源的稳定性要求不高，均可采用其他能源来替代，是能源时空配置的最主要领域。

(5)矿区生活服务耗能领域。矿区生活服务耗能领域，主要有通信、宾馆、商店、酒店、学校、医院、银行及邮政等单位及部门，主要消耗水资源、电能、煤炭，汽油、柴油等能源，该耗能领域的厕所冲水均可以使用处理的矿井水替代新鲜水，以节约水资源。耗能最多的另一种能源是电能，由于这些耗能单位对能源的要求较低，可以使用太阳能、风能发电来满足日常需要。该领域是资源综合利用、提高能源利用效率的重点领域，同时也是矿区能源时空配置的重要领域［3］。

四、矿区能源时空配置模型

1.矿区能源时空配置可行性分析

通过对能源种类及能源消耗领域的分析，对煤炭矿区的用能状况有了初步了解。井下耗能领域作为矿区所有生产工作的根本，其对能源的要求较高，在考虑能源时空配置时，仅能考虑时间配置，即通过错时用能来达到将能源应用到最需要的领域中以保障井下工作的正常运行。井下各项用能还不适合采用其他能源替代，随着对各项能源技术的掌握，在后期应该能够实现井下能源的时空配置。

地面生产耗能领域相对地下耗能领域对能源的要求较低，但是地面生产系统作为地下生产的延续，需要保持连续稳定运行，才能与井下生产系统配套，从而能够实现矿区的经济效益。因此，对地面生产系统进行能源配置需要考虑到上述因素。油类资源，即柴油、汽油无法使用其他能源进行替代。洗煤厂用到的水资源可以使用矿井水替代，矿区可以加大对矿井水的处理与利用强度。电力是该领域消耗最多的能源，目前电能主要来自于矿区内部电厂或者附近电厂的供应。电厂通常以煤炭发电为主，目前煤矸石、煤泥等发电效果也很好，煤矸石、煤泥可以替代煤炭发电，这样不仅可以充分利用煤炭生产过程中产生的这些固废资源，而且减少了它们的占地面积，保护了环境，同时，也降低了发电成本。煤炭洗选与加工、建材、煤炭转化及其它非煤产业与机械制造、矿用设施设备维修、矿用物资生产之间可以实现错时利用，在用能高峰期，矿用设施设备维修、矿用物资的生产可以先暂停，先满足煤炭洗选加工、煤炭转化等领域。综上，地面生产系统在很大程度上能够实现能源时空配置。

地面辅助生产耗能领域，是实现固废资源再利用的重要领域，也是能源时空配置较好的领域。处理后的矿井水可以应用到矿区多个耗水的环节，大大减少了新鲜水的用水量。矿区产生的大量煤矸石、煤泥等固体资源，可以用于电厂发电。煤矸石还可以用于井下充填，防止地表塌陷;用于制砖，增加了砖块的坚固性;生产水泥，增加了水泥的牢固性，煤矸石的用途还可以应用到其他建材的生产中。固废处理、生活污水与工业废水处理、办公区域等在使用电能时，完全可以错时用能，避开矿区用能的高峰期，先满足井下生产系统及地面主生产系统对能源的需求。地面辅助生产领域可以实现能源的时空配置，通过重新配置，在很大程度上能够提高矿区能源的利用效率。

生活耗能领域及矿区生活服务领域以消耗电能、水为主。电能的消耗量较小，所以完全可以通过太阳能、风能发电来满足，太阳能和风能发的电在短时间内都能储存，因此该方案是可行的。居民生活饮用水必须由新鲜水来满足，但是冲厕用水完全可以使用处理后的矿井水，即使用矿井水替代新鲜水。景观区绿化用水、工业场地除尘用水也均可以采用矿井水替代新鲜水。公寓、家属区的供给供暖，完全可以采用电厂的余热资源来满足，最大限度地减少对电能的消耗。生活耗能领域及矿区生活服务领域进行能源时空配置的空间较大，潜力较大。

2.能源时空配置模型的建立

矿区用能可分为基本用能和发展用能，基本用能是指矿区各单位维持生产及居民维持生活的用能量，这一部分用能对矿区来讲是必须满足的，除基本用能之外的用能为经济发展用能。矿区能源时空配置主要是以经济发展用能为配置对象。

为研究能源消费的边际效益与污染排放水平之间的关系，本文借鉴微观经济学中的边际产出理论。设E表示t时刻能源总量，在时空配置模型中以i表示区域［4］;Qi0表示矿区在发展经济的过程使用的能源总量;Ei表示获得的能源量，各用能领域能源消费的边际效益记为fij，j=1，2，…，N;zij为用能领域 j的污染排放水平，j=1，2，…，N;设各用能领域接受能源量为Eij，则各用能领域产生的污染量为Pij=zij×Eij，由以上假设可得

其中，Ui表示矿区总用能量，Qij表示矿区用于经济发展能源Qi0在各用能领域之间的分配量，在模型中不考虑当地能源的配置问题，但其大小会影响各用能领域能源消费的边际效益，从而影响矿区能源的配置。Pi表示接受输入能源量为Ei时，第i区域引起的污染总量。为研究能源消费的边际效益与污染排放水平之间的关系，可以将上述公式转化为在公式(6)、(7)、(8)的约束下，进行求解，即

构造拉格朗日乘数函数

由公式(7)式可得

且

由公式(8)得

由上述公式可知，当各用能领域能源消费的边际效益与污染排放水平之差均衡时，矿区总的社会效益最大。显然，某耗能领域能源消费的边际效益越高，污染排放水平越小，该耗能领域就可分到更多的能源，就可以更好的发展。

由公式(10)有

公式(11)确定了各耗能领域分配到的能源量，gij是将记录的数据经过二次拟合得到的结果。因此，当用能领域的能源消费边际效益与能源消费的污染排放水平差值达到均衡时，矿区能源消费效益达到最大值。该模型还有许多未考虑的因素，后期将会收集更多的数据进行验证分析。

五、矿区能源时空配置方案设计

1.时空配置分析

在进行能源配置时，不仅要考虑到各个领域对能源的需求量，更要将能源消耗后对环境的污染情况放在首位。矿区在倡导低碳发展的同时，要将建设绿色生态矿山作为矿区实现可持续发展的新途径，应该从节能降耗、减排等多个方面展开能源配置工作。矿区的高污染、高消耗虽然在短时期内难以解决，但是污染是可以控制的，一次能源的消耗量也可以采用能源优化配置的方法，达到消耗量最低。控制污染排放量对矿区而言是投入多，几乎没有产出的工作，没有经济利益很难带动企业主动控制。国家需要采取一定的措施，比如征税、法律法规等强制手段来迫使矿区对污染进行控制及治理。近几年随着科学技术的发展，越来越多的新能源、可再生能源、闲置资源可以替代一次能源，在每个耗能领域，均可以引入适当的其他能源来维持正常的生产活动。

2.能源时空配置方案设计思路

矿区能源时空配置必须考虑保障煤炭生产及其安全、保障生产设施设备、安全设施设备及职工必需生活需要，根据各分区耗能领域的特点，拟定能源分配的布局和顺序。

电能优先用于生产领域，尤其是在井下基本生产工序和辅助生产领域只能使用电及少量油;煤炭加工与转化利用领域主要使用煤炭、电力、油类资源;电厂用煤矸石、煤泥等替代煤炭资源进行发电，并且大力发展太阳能、风能及核能发电;错时用能主要针对机修、洗选产业及非煤产业;井下降温、井口防冻、家属区采暖等可以利用太阳能、地热、余热等能源;地面辅助领域，除固废资源、生活污水及工业废水等处理必须用电外，其它领域应尽量采用太阳能、风能、余热、地热、余压、生物质能、煤炭使用或深加工中产生的气体、液体、固体等可燃物质等来替代能源;人们生活等耗能应该尽量减少电能、煤炭、石油等的使用，尽可能采用煤层气、生物质能、太阳能、风能、余热及加工过程中产生可燃固体、气体与液体等新能源或替代能源，以废弃能源利用为主;景观与工业广场应该尽可能采用风能、太阳能及矿井水，大力发展互补能源;围绕矿区生活服务的产业应该尽量减少对煤炭、电力、天然气等能源的利用，尽可能利用太阳能、余热、地热等能源，以替代、互补为主［5］。

六、结论

煤炭矿区开展能源时空配置不仅可以缓解用能高峰期、能源供给紧张问题，而且通过新能源、闲置能源的使用，有效降低了对常规能源的需求量，在一定程度上缓解了煤炭矿区用能紧张局势。根据边际效益相关理论建立的时空配置模型，有助于分析矿区能源消费效益与污染水平之间的关系，只有二者之差趋于平衡时，才能使矿区整体社会效益达到最大，才有利于矿区的可持续发展。在进行能源时空配置的过程中，矿区仍需根据自身实际情况，将新能源、闲置资源最大限度地应用到各个用能领域中。能源时空配置不仅为矿区缓解能源紧张局势提供了新思路，而且有利于保护环境，减轻环境污染问题，是矿区实现经济环保发展的必经之路。

［1］任一鑫，钟举.矿区水资源集成利用途径设计［J］.矿冶工程，2011，(3):122－126.

［2］任一鑫，郭庆春，张 翼，等.循环经济学［M］.北京:九州出版社，2011.

［3］谢科范，董芹芹，陈云.基于资源集成的自主创新模式辨析［J］.科学学研究，2007，4(S1):110－113.

［4］Silva，cetinkaya，Halite Usher.Gopalakrishnan Easwaran，and Burch Baric Kerstin An Integrated Outbound Logistics Model for Frito － Lay［J］.Coordinating Aggregate － Level Production and Distribution Decisions Interfaces September/October，2009，3(9):460－475.

［5］任一鑫，曾宪迪，张士强.煤炭矿区能源集成利用方式研究［J］.矿业工程，2013，23(4):123－126.