基建矿山施工用电节电技术研究与实践

陈海军

（河钢集团矿业公司常峪铁矿）

在矿山建设初期，施工用电多由临时供电系统供电，通常供电设施简易，仅满足基本用电需求，往往忽略供电品质，造成施工供电品质较差，供电损耗较大［1-4］。另外，矿山建设单位为了控制成本，设备更新换代较慢，通常采用一些老旧施工设备，能耗较高，用电效率较低。还有，在井建施工管理上，往往对细节不够重视，通常忽视通过优化施工组织产生的节电效益。针对这种状况，研究基建矿山施工用电节电技术很有必要。

本文以常峪铁矿井建施工建设为例，介绍了具体的井建施工节电技术措施及取得的经济效益。

1 供电路径及设备选型优化

1.1 原临时供电系统

（1）地表供电系统。施工阶段供电电源引自司家营铁矿110 kV变电站，双路供电，互为备用，供电电压等级为6 kV，两路电源采用高压架空线路沿钢联路两侧敷设至主井区现场，供电距离1 600 m，设有1个主副井高压配电室和3个低压变电所，负责主井、副井、进风井和回风井的施工供电。

（2）井下供电系统。①斜坡道供电系统：第一部分，斜坡道施工现场从研山铁矿N3箱变引取一路6 kV电源作为主电源，从司家营铁矿采场西环线引取一路6 kV电源作为备用电源，地表可以实现电源切换，供电电缆沿斜坡道下井，负责斜坡道-60 m变电所（变压器800 kVA）、-185 m变电所（变压器1 000 kVA）、-315 m变电所（变压器1 000 kVA）和-400 m变电所（变压器1 000 kVA）供电任务。从研山铁矿N3箱变至井下-400 m变电所供电距离为4 410 m。斜坡道供电系统的第二部分，6 kV双路供电电源分别引自钢联路两侧高压架空线路T接，地表设有双路电源切换柜，供电主电缆沿进风井下井，负责斜坡道-300 m变电所（变压器1 000 kVA）和-325水泵房的供电任务。从司家营110 kV变电站至井下-325水泵房的供电距离为2 700 m。②进风井供电系统：6 kV双路供电电源分别引自钢联路两侧高压架空线路T接，双路供电主电缆沿进风井下井，负责进风井-425 m2个变电所（变压器500 kVA和630 kVA）和-425 m水泵房的供电任务。从司家营110 kV变电站至井下-425 m水泵房的供电距离为1 850 m。

1.2 优化后的供电系统

经过认真研究，对供电距离较长的斜坡道供电系统进行了优化，但进风井供电系统不变。6 kV双路供电电源分别引自钢联路两侧高压架空线路起始终端杆处T接，在回风井地表设有双路电源切换柜，供电主电缆沿回风井下井，负责斜坡道-315 m变电所（变压器1 000 kVA）、-325 m水泵房和-400 m变电所（变压器1 000 kVA）的供电任务。从司家营110 kV变电站至井下-325 m水泵站的供电距离为1 100 m；从司家营110 kV变电站至井下-400 m变电所的供电距离为1 860 m。因工程已经完工，取消斜坡道第一部分供电任务，包括取消-60 m变电所（变压器800 kVA）、-185 m变电所（变压器1 000 kVA）供电任务。

1.3 供电系统优化后的效果

供电系统优化后，供电距离明显减小，从司家营110 kV变电站至井下-325 m水泵站的供电距离从2 700 m优化至1 100 m，减少了1 600 m；从地表变电站至井下-400 m变电所的供电距离从4 410 m优化至1 860 m，减少了2 550 m。

（1）终端电压变化。原供电系统终端电压斜坡道-325 m水泵站供电电压为5 810 V、斜坡道-400 m变电所供电电压为5 720 V，优化后斜坡道-325 m水泵站供电电压为6 100 V，斜坡道-400 m变电所供电电压为6 050伏，供电电压明显提高。

（2）供电设备投资变化。优化供电方案后，选择电力电缆型号为ZRYJV22-8.7/15-3×120，电缆单价185元/m。①斜坡道从地表变电站到-325 m水泵站供电电缆减少1 600 m，减少电缆投资185元/m×1 600 m=29.6万元。②斜坡道从地表变电站到-400 m变电所供电电缆减少2 550 m，减少电缆投资为185元/m×2 550 m=47.175万元。

总之，通过有效减小供电距离，达到了减小终端电压损失与供电损耗、提高设备效率与供电品质的效果，同时减少了供电设备投资，降低了建设期施工成本。

2 施工设备选型优化

在矿山井下开采过程中，矿井主提升机作为矿山生产的关键设备，肩负着矿石提升的任务，对矿山安全稳定起着至关重要的作用。由于工艺的要求，矿井主提升机多为大功率用电设备，对安全性、可靠性和调速性有着严格的要求，其中提升机电控系统的选择发挥着重要作用。合理选择电控系统，既可以保证主提升系统安全稳定运行，还可以有效降低用电成本支出。

2.1 主提升机电控方式

通过比较常峪铁矿2个施工单位的不同主提升机电控方式的差异，选出节能型设备，提高施工用电效率。

（1）进风井施工用主提升机电控系统采用转子串电阻调速系统，其主要特点：提升机电控系统采用交流异步电动机拖动，转子串电阻调速系统，此种电气传动系统调速性能差，调速时大量能量消耗在电阻上，控制精度低，安全可靠性差，电能消耗大，运行不经济；电气传动系统设备控制简单、体积大，属于有级调速，机械特性较软，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差。因此，上述提升机电阻调速系统较落后。

（2）回风井施工用主提升机电控系统采用直流调速系统，其主要特点：提升机电控系统采用直流电动机拖动，采用直流调速器实现调速，相比转子串电阻调速系统，直流调速器体积小、重量轻，便于现场安装使用。直流调速调速性能好，可以实现均匀、平滑的无级调速，调速范围较宽，机械特性较硬，低速启动转矩大，动态响应迅速。直流调速系统优点明显，安全可靠性高，节约电能，运行经济稳定，应用广泛。

2.2 设备投资和耗电

在进风井和回风井2个竖井都施工到相同标高（-300 m水平）的情况下，保证2条竖井提升工况相同。通过比较提升工程量和用电量，得出提升每立方米岩石耗电量，从而得出提升机2种电控系统下的不同能耗情况。

（1）进风井主提升机。进风井主提升机型号2JK3.0×1.5，三相交流电动机功率650 kW，额定电压6 kV，单价45万元。进风井从2014年5月开始施工，到2014年12月底到-300 m水平，竖井施工期间累计提升岩石量14 176.27 m3，主提升用电342 464 kWh。

（2）回风井主提升机。回风井主提升机型号2JK3.0×1.5，直流电动机功率500 kW，额定电压400 V，单价65万元。回风井从2014年1月开始施工，到2014年12月底到-300 m水平，竖井施工期间累计提升岩石量23 455.2 m3，主提升用电145 184.5 kWh。

（3）提升岩石电力单耗。因进风井和回风井的提升机主电机功率不同，需要归算到相同电机功率下进行比较，将进风井提升机耗电量除以系数1.3，得到提升岩石电力单耗18.58 kWh/m3；回风井提升岩石电力单耗6.19 kWh/m3。

通过对2个提升系统耗电量比较得知，回风井提升机采用直流调速电控系统提升，单位耗电量是进风井提升机采用串电阻调速电控系统提升单位耗电量的1/3。因此，提升机采用直流调速电控系统节能效果显著，在以后的矿山建设期值得推广使用。

3 矿山建设施工组织优化

重点优化排水系统，以降低排水电耗。

3.1 原排水系统

施工建设期原排水系统为分散排水，包括斜坡道排水系统、进风井排水系统、主副井排水系统和回风井排水系统，在项目建设过程中，各自承担自己的排水任务，相互独立、互不影响，井下总涌水量190 m3/h。其中，主副井排水系统与其他排水系统相对独立，不能有效整合，这里不做优化研究。

3.2 优化后的排水系统

2018年6月暂停施工期间，将原分散的排水系统优化为集中排水系统，重点对斜坡道排水系统和进风井排水系统进行优化。因进风井与斜坡道在最低水平-425 m水平已经贯通，停止了斜坡道排水系统，回风井因完工而拆除原排水设施，井下涌水全部由进风井-425 m泵站集中排出。

3.3 优化效果

（1）节电。井下排水系统成本支出包括设备维修费、人工费和电费等，其中电费占比最大。针对井下排水系统优化前后进行经济性分析，以2018年6月为界，前后各取12个月为样本，分散排水系统的斜坡道排水系统用电量4 254 011 kWh、进风井排水系统用电量747 839 kWh，合计5 001 850 kWh；集中排水系统总用电量3 215 605 kWh。综合比较节电1 786 245 kWh。

（2）节省设备维修费。斜坡道排水系统每年需要设备维修费用20万元，进风井排水系统每年需要设备维修费用25万元，总计45万元；排水系统优化后，斜坡道排水系统停用，每年可以减少设备维修费用20万元。

（3）节省人工费。斜坡道排水系统每年需要支付人工费用33.6万元，包含6名排水工和2名维修工；进风井排水系统每年需要支付人工费用33.6万元，包含6名排水工和2名维修工。排水系统优化后，斜坡道排水系统停用，每年可以减少人工费用33.6万元。

4 避峰就谷，充分利用电价优惠

（1）分时电价原则。根据供电部门实行分时电价原则，充分利用尖、峰、平、谷4个电价区间，尽可能避峰填谷，以降低排水用电费用。尖峰时段为每年6—8月，每天10∶00—12∶00和17∶00—18∶00，工业电价0.828 2元/kWh；高峰时段为每天10∶00—12∶00和13∶00—19∶00，工业电价0.729 6元/kWh；平段时段为每天6∶00—10∶00、12∶00—13∶00和19∶00—22∶00，工业电价为0.532 6元/kWh；低谷时段为每天22∶00—次日6∶00，工业电价0.335 6元/kWh。

（2）每天排水费用。施工建设期每天排水量为：190 m3/h×24 h/d=4 560 m3/d。主要排水设备为进风井-425 m排水泵站水泵，水泵型号MD155-67×9，配套电动机型号YB2-4004-2，功率450 kW，额定电压6 kV。按每天正常排水4 560 m3计算电费，-425 m水泵站2台主排水泵需同时排水14.7 h，每天排水电费：①不执行避峰填谷用电方案，交接班前半小时将水排空。按照每天3班排水，每班按4.9 h计，6—8月份每天排水电费7 228.584元/d，其他月份每天排水电费7 183.728元/d。②执行避峰填谷用电方案，每天10—19点不排水，从19点开始排水直至次日10点前排空。每天排水电费5 627.898元/d。优化后每年节约排水电费572 004.7元/a。

5 经济效益

（1）通过对常峪铁矿施工阶段供电路径进行优化，重点对供电距离较长的斜坡道供电系统进行优化，供电距离明显减小，优化后至井下-325 m泵站的供电距离减少了1 600 m、至井下-400 m变电所的供电距离减少了2 550 m。通过有效减小供电距离，达到了减小终端电压损失与供电损耗、提高设备效率与供电品质的效果，同时减少了供电设备投资76.775万元。

（2）合理选择矿井主提升机电控系统，既可以保证主提升系统的安全稳定运行，还可以有效降低用电成本。生产实践表明，直流调速系统具有安全、节能、稳定等优点，回风井提升机采用直流调速电控系统提升单位电耗仅为进风井提升机采用串电阻调速电控系统提升单位电耗的1/3。

（3）将现场原分散排水系统优化为集中排水系统，实现对斜坡道排水系统和进风井排水系统的优化整合，每年排水节电1 786 245 kWh；每年可以减少设备维修费用20万元；每年可减少人工费用33.6万元。

（4）根据供电部门实行的分时电价原则，充分利用尖、峰、平、谷4个电价区间，尽可能避峰填谷，施工建设期正常排水每年可以节省排水电费57.2万元。

6 结语

结合常峪铁矿井建施工项目实际情况，深入挖掘井建施工过程中节约电力成本支出潜力，摸索出一系列节电技术措施，取得了较好的经济效益。这些节电技术的实施提高了施工设备用电效率，降低了矿山建设期用电费用支出，实现了矿山建设用电经济合理，值得其他类似矿山推广应用。