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矿区能源集成关系研究 ① 李学武1, 任一鑫2, 孟繁利2, 曾宪迪2 (1.陕西未来能源化工有限公司金鸡滩煤矿,陕西 榆林 719000; 2.山东科技大学 经济管理学院, 山东 青岛 266590) 摘 要 为了解决矿区能源关系不清、孤立开发与利用、无法合理配置等问题,利用集成理论对矿区能源集成关系问题进行了研 究。 在研究矿区能源种类、能源集成互动关系的基础上,建立了能源关系、主要能耗领域与能源种类关系、能耗领域用能方式分析 矩阵,对能源之间替代、互补和集成关系进行了研究。 可为研究优化能源结构、提高能源尤其是再生能源、废弃能源的利用率,实现 能源与用能领域的优化配置奠定基础。 关键词 能源; 替代; 互补; 集成关系 中图分类号 F404文献标识码 Bdoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2015.01.034 文章编号 0253-6099(2015)01-0126-04 Research on Energy Resources Integration in Mine LI Xue⁃wu1, REN Yi⁃xin2, MENG Fan⁃li2, ZENG Xian⁃di2 (1.Jinjitan Coal Mine, Shaanxi Future Energy Chemical Corp, Yulin 719000, Shaanxi, China; 2.College of Economics and Management, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, Shandong, China) Abstract In view of the problems of unclear relationship among energies, isolated development and utilization, as well as irrational allocation of energy resources in mine, the integration theory was used in the study of the relationship for energy integration in mine. On the basis of the investigation of types of energy and energy integration, the relationship matrix was established indicating the correlations between energies, between main work sections of energy consumption and types of energy, as well as between work section of energy consumption and energy utilization mode, so as to study the substitution, complementation and integration of energies. This study result can lay the foundation for the optimization of energy structure, improvement of energy utilization, especially renewable and wasted energy, and the realization of optimized allocation of energy resources for each work section of energy consumption. Key words energy; substitution; complementation; relationship in integration 煤炭行业是重点能耗领域之一,多年来煤炭行业 结合自身实际对能源管理开展了深入研究,使能耗大 幅度降低、能效大幅度提高,但仍存在着能源消费结构 不合理、能源浪费严重、综合利用程度低、利用效率差 等现象,主要表现为废弃能源没有得到充分利用,新能 源用量少,而煤、电用量较多。 出现这些问题的原因是 矿区能源种类多、能耗领域复杂,致使能源之间关系不 清,无法进行能源的优化配置[1-9]。 就研究现状来看, 国内外对能源优化配置和能源结构调整的研究较多, 而对能源关系的研究较少,尤其是把能源之间的替代 和互补关系应用到矿区的更少。 而要实现能源结构优 化、配置合理,首先要弄清楚能源的属性、功能、应用领 域以及能源与能耗领域之间的关系[10-16]。 为此,本文 根据能源的特性和用途,以价格和需求弹性理论和关 联矩阵分析方法为工具,研究能源之间、能源与应用领 域之间的集成关系,为能源的合理配置与结构优化奠 定基础。 1 矿区能源供给和能耗特征 能源供给和能耗特征是矿区能源集成的出发点, 也是研究能源集成关系,进行能源结构优化的基础。 1.1 矿区能源供给特征 矿区能够提供的能源种类,尤其是废弃能源种类较 多,如热能、煤层气、煤泥、煤矸石、油页岩、乏风、水能、 煤焦化与煤化工等产生可燃资源等。 矿区能源种类不 同,特点和用途各异,能源之间关系复杂,能源之间既可 替代,又可互补,这为能源种类集成奠定了基础。 1) 能源之间存在替代性。 对于同种需求可由不 ①收稿日期 2014-07-15 基金项目 教育部人文社科(12YJA790108) 作者简介 李学武(1962-),男,山东单县人,高级工程师,研究方向为采矿工程。 通讯作者 任一鑫(1962-),男,山东莱西人,教授,博士,博士研究生导师,主要研究循环经济、能源管理、生态经济等。 第 35 卷第 1 期 2015 年 02 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.35 №1 February 2015 同的能源来满足,但能源存量、流量、再生速度不同,能 源稀缺程度不同,其应用时产生的效益不同,对生态环 境影响程度也不同,因此应尽可能用存量大、流量多、 再生速度快的能源代替存量小、流量少、再生速度慢的 能源,用效益好的能源来代替效益差的能源。 例如矿 井水热能可以替代燃烧煤炭供暖,煤泥、煤矸石、太阳 能等可以替代煤炭发电等。 2) 能源之间存在互补性。 对于某种需求可由不同 的能源组合来满足,但能源品质不同,组合时产生的效 果不同,对生态环境影响程度也不同。 常规能源很难突 破储量和环境污染的瓶颈,风能、太阳能不可控因素又 较多,利用过程经常出现能源供给的不稳定性和不连续 性,废弃能源中又有很多属于低质能源,很难利用。 但 可以利用能源之间的互补性,采用并联和串联等集成利 用手段,扬长避短,实现矿区能源的优势互补。 1.2 矿区能耗特征 矿区用能环节、用能领域多且复杂,这些领域与环 节存在各种联系,能够进行集成利用。 1) 矿区主要能耗领域按重要程度可分为重点、次 要及一般 3 个层面,重点能耗领域包括回采、掘进、通 风、排水等;次要能耗领域主要是辅助生产、地面工业 广场、非煤产业、办公及生活、为生活服务产业等用能; 一般能耗领域是可以根据实际进行调控与替代的能耗 领域,如景观耗能。 因此,首先应满足重点能耗领域, 依此类推。 2) 煤炭开采受地质构造、开采深度、涌水量、瓦斯 程度、地热、自燃、粉尘爆炸等自然因素影响较大,也受 开采工艺与技术的影响。 因此,矿区进行能源集成利 用时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。 3) 矿区不同能耗领域能耗种类不同,集成方式不 同,可根据其重要程度和能源需求种类进行错时、替 代、互补利用在井下基本和辅助生产领域,主要以消 耗电、油为主,这部分能源供给必须保证,不能使用替 代能源;地面生产领域以消耗电为主,煤加工与转化利 用等领域主要消耗煤、电、油;电厂应用煤矸石、煤泥等 替代煤炭,并大力发展太阳能、风能等发电;对于洗选、 机修、非煤产业等领域应尽量考虑错时用能;降温与采 暖领域应尽量利用地热、太阳能、余热等能源替代常规 能源;地面辅助和生活、服务领域,除固废、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新能 源和废弃能源替代常规能源;景观与工业广场应尽可能 采用风能、太阳能及矿井水能,大力发展互补能源。 2 研究分析方法 微观经济学中用弹性理论对两种商品之间的替代 和互补关系进行了分析。 能源也是一种特殊的商品, 这里借鉴这一方法,利用能源需求的交叉弹性模型对 两种能源之间的关系进行分析,研究矿区能源之间的 互补和替代性。 能源需求的交叉弹性是指一种能源的价格变化而 引发另一种能源的需求量变化的程度。 弹性理论只分析了两种能源之间的互补关系,而 现实中多种能源之间可能存在替代、互补关系,并且在 同一互补领域可能存在多种替代能源,这同样是弹性 模型无法解决的。 关联矩阵法是常用的系统综合评价 法,它主要是用矩阵形式来表示多个替代方案有关评 价指标及其重要度和方案关于具体指标的价值评定量 之间的关系。 本文借鉴关联矩阵分析方法,通过建立 能源关系分析矩阵,用矩阵对能源之间替代、互补关系 进行分析。 表的纵向列出所有用于互补、替代的能源 名称,在各种用于互补、替代能源右方列出用于替代、 互补能源的用途,在表的上方横向列出各种已用能源, 在各种已用能源的下方列出已用能源的用途,然后用 一一对应方法寻找用于替代能源与被替代能源相同的 用途,并在相应方格中用 T 表示用途相同,能替代,H 表示在这一应用领域,两种能源可以互补,N 表示既不 可以替代,也不可以互补。 由此得出,多种能源有一部 分能源存在替代或互补关系,而这些能源与其他能源 不存在这种关系。 具体见表 1。 表 1 能源关系分析表 项目 能源 1能源 2 用途 1 用途 2 用途 1 用途 2 能源 n 用途 1 用途 2 用途 1TTHTHN 能 源 1 用途 2NTNTNH ︙ ︙ 用途 1TNHNTN 能 源 n 用途 2NHNHNT ︙ 在能源替代条件下,满足同一需要(或替代用途) 的替代性能源之间又可能存在互补关系;同样,在能源 互补条件下,满足同一需要(或互补用途)又可以使用 不同能源来满足,这些能源又可能存在替代性。 而实 际上能源的互补与替代关系是交叉进行的,当以能源 互补为主时,那么互补分析为主,替代分析为辅,就是 先分析能源之间的互补关系,再分析能源之间的替代 关系;如果以能源替代为主时,那就先分析能源之间的 替代关系,然后分析能源之间的互补关系,甚至为了分 析问题方便起见,对能源的这两种关系进行交叉分析, 能源之间这种复杂关系为能源优化配置提供了空间。 721第 1 期李学武等 矿区能源集成关系研究 3 矿区能源关系 3.1 矿区能源种类及用能领域 矿区能够提供的能源种类繁多,可分为 3 大类 ① 常规能源,如电、煤、油、气,其中电、煤等能源是矿 区生产、生活与安全正常进行的保障,是必须使用的, 也是需要节约的;② 新能源,如核能、氢能、太阳能、风 能、生物质能等,这些能源由于受技术、管理、认识等因 素影响,还没被正常的开发利用。 随着技术逐步成熟, 它们将被大规模开发,并替代常规能源;③ 废弃能源, 是在生产过程中产生但没有被开发利用的能源,被排 放到自然界会对生态环境造成污染,这类能源是综合 利用的重点,主要包括电厂、矸石砖厂、水泥厂、金属冶 炼与加工、焦化厂等产生的热能,矿井水携带的热能、 动能和势能,乏风携带的热能,煤炭开采、加工及利用 产生的瓦斯、油母页岩、一氧化碳、煤泥、煤矸石,煤炭 转化及利用过程中产生的可燃气体、液体、固体(如一 氧化碳、煤焦油、焦渣等)等。 矿区主要能耗领域按能耗领域划分可分为 5 个方 面一是井下能耗领域,进一步分为基本生产用能与辅 助生产用能两个领域。 基本生产能耗领域主要是回采 与掘进,辅助生产能耗领域主要包括运输、提升、排水、 通风、压气等,这些领域主要耗费电力以及少量油品。 二是地面生产能耗领域,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,主要耗费电、煤、油及加 工后热气与冷气。 三是地面辅助能耗领域,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。 四是生活能耗领域,主要包括职工公寓、家属 区、食堂、浴池、工业广场、景观等。 五是为矿区生活提 供服务的能耗领域,主要有通信、商店、宾馆、酒店、医 院、学校、银行及邮政等,主要消耗电与煤。 3.2 矿区能源之间关系分析 为使能源得到优化配置需要研究能源之间的关 系,利用交叉弹性理论对矿区能源之间的关系进行分 析,建立能源关系分析表,具体见表 2。 表中纵向为用 于替代的能源,横向为被替代的能源,利用能源交叉弹 性系数判断能源之间的关系,并将结果填入相应方格 中。 其中 T 表示能完全替代,BT 表示能够部分替代, HT 表示能替代,也能互补,N 表示完全不能替代。 3.3 矿区主要能耗领域与能源种类关系分析 同种能源有多种用途、多个应用领域,同一应用领 域用能需求能用不同的能源或能源组合来满足,根据 矿区能源属性和能耗领域分析能源与应用领域的关系 是合理配置能源的基础,为此构建矿区能源利用领域 关系分析,见表 3。 表中纵向为所有能源名称,横向为 矿区所有能耗领域,在相应方格中用 Y 表示某种能源 在相应领域能利用,N 表示该能源在该领域不能利用。 横向表格用来分析每一种能源的应用领域,纵向用来 分析每一应用领域所能使用的能源品种。 表 2 矿区能源之间的关系分析表 项目 常规能源新能源废弃能源 煤电油气太阳能 风能 生物质 地热 余热 余压 煤层气 燃固 燃液 燃气 矿井水 油页岩 煤泥 煤矸石 乏风垃圾 煤0BTBTBTBTBTBTBTBTBTBTTTTBTBTBTBTBTBT 电T0BTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBT 油BTBT0BTBTBTBTBTNBTBTBTBTBTNBTBTBTBTBT 气BTBTBT0BTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBT 太阳能BTBTBTBT0BTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBT 风能BTBTBTBTBT0BTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBTBT 生物质TBTBTBTBTBT0BTBTBTBTTTTBTBTBTBTBTBT 地热BTBTNNBTBTBT0HTNNBTBTBTHTNBTBTNBT 余热BTBTNNBTBTBTHT0NNBTBTBTHTNBTBTNBT 余压BTNBTTBTBTBTBTBT0TTTTBTTBTBTTBT 煤层气BTNBTTBTBTBTBTBTT0TTTBTTBTBTTBT 燃固BTNNTBTBTBTBTBTTT0TTBTTBTBTTBT 燃液BTNNTBTBTBTBTBTTTT0TBTTBTBTTBT 燃气BTNNTBTBTBTBTBTTTTT0BTTBTBTTBT 矿井水BTBTNNBTBTBTHTHTNNBTBTBT0NBTBTNBT 油页岩BTNBTBTBTBTBTBTBTBTBTTTTBT0BTBTBTBT 煤泥BTNNBTBTBTBTBTBTBTBTTTTBTBT0BTBTBT 煤矸石BTNNBTBTBTBTBTBTBTBTTTTBTBTBT0BTBT 乏风BTNBTBTBTBTBTBTBTBTBTTTTBTBTBTBT0BT 垃圾BTNNBTBTBTBTBTBTBTBTTTTBTBTBTBTBT0 821矿 冶 工 程第 35 卷 表 3 矿区能源利用领域分析表 项目 常规能源新能源废弃能源 煤 电 油 气 太阳能 风能 生物 质能 地热 余热 余压 煤层气 可燃 固体 可燃 液体 可燃 气体 矿井水 油页岩 煤泥煤矸石 乏风 有机 垃圾 井下能耗领域NYYNNNNNNNNNNNNNNNNN 生产加工维修YYYYNNNYYYYYYYYNNNNN 电力YNYNYYYNNNNNNNNNYYNN 建材YYYYNNYNNNNYYYNNYYNN 煤炭转化YYYNNNNNNNNNNNNNNNNN 非煤产业NYYYYYYYYYYYYYYYNNYY 废物处理NYYNNNNNNNNNNNNNNNNN 地面运输NYYYNNNNNNNNNNNNNNNN 办公区域YYNNYNNYYNNNNNYYNNNN 职工公寓YYYYYNNYYYYYYYYYYYYY 家属区YYYYYNYYYYYYYYYYYYYY 食堂YYNYYNYYYYYYYYYYYYYY 浴池YYNNYNYYYNNYYYYYYYNY 工业广场NYNNYYNYYNNNNNYYNNNN 景观NYNNYYNYYNNNNNYYNNNN 通信NYNNNNNNNNNNNNNNNNNN 学校宾馆等服务YYYYYNYYYYYYYYYYYYYY 3.4 矿区能耗领域用能方式 矿区能源利用方式包括单一品种、互补、替代、互 补与替代共存、组合等 5 种情况,据此建立矿区能耗领 域用能方式矩阵表纵向为所有能耗领域,横向为用能 方式,然后将分析结果填入相应方格中,具体见表 4。 表 4 矿区能耗领域的用能方式分析表 用能方式 单一 品种 互 补 替 代 互补与替 代共存 组 合 井 下 能 耗 领 域 基本生 产用能 回采YNNNN 掘进YNNNN 辅助生 产用能 运输YNNNN 提升YNNNN 排水YNNNN 通风YNNNN 压气YNNNN 地 面 生 产 能 耗 领 域 生产能 耗领域 洗选与加工NNNYY 机械制造NNNYY 矿用设施设备维修NNNYY 矿用物资生产NNNYY 电力NNYNY 建材YNYNY 煤炭转化YYNNN 其它非煤产业NYNNY 辅助生 产能耗 领域 固废与污水处理YNNNN 地面运输NYYYY 办公区域NNYNY 地 面 生 活 能 耗 领 域 生活能 耗领域 职工公寓NNYNY 家属区NNNNY 食堂NNNYY 浴池NNNNY 工业广场NNYNY 景观NNNNY 生活辅 助能耗 领域 通信YNNNY 商店NNNNY 宾馆NNNNY 酒店NNNNY 学校NNNNY 银行及邮政NNNNY 4 矿区能源集成关系应用 矿区应充分考虑自身能源供给状况和特点,结合 所在地区的地理位置、生态环境,研究其能源和能耗领 域的集成关系,主要用于 1) 通过能源替代关系研究,能够分析清楚能源之 间的合理替代关系,为研究能源替代奠定了基础。 通 过利用再生能源、废弃能源替代不可再生能源,一方面 可以减缓不可再生能源的耗竭速度,实现能源结构优 化和可持续发展;另一方面,可以减少能源消费过程中 产生的大量污染,有利于生态环境的保护。 2) 能源替代关系研究为能源替代排序研究奠定 了基础,为能源顺序利用、层级利用乃至集成利用提供 分析方法,从而减少和避免实践中能源浪费现象出现, 并有助于提高能源利用率,将能源配置在能够发挥最 大效益的领域。 3) 能源互补关系研究为设计多能源联合互补利 用方案,形成多能源相结合的能源互补配合结构奠定 了基础,不仅能够解决低质能源无法利用的问题,又能 解决能源供给不稳定的问题,同时又最大限度地降低 了常规能源的消耗,从而方便安全地解决了能源孤立 利用带来的难题,在为矿区用能单位提供电、热、气等 需求的同时,提高了整个能源配置结构的效率,促进了 能源结构的优化调整,实现了能效、经济和环境的共赢。 5 结 论 本文提出的矿区能源集成关系研究就是根据能源 的特性和用途,将矿区常规能源、再生能源、废弃能源 作为一个整体能源供给系统来考虑,分析了能源与能 (下转第 133 页) 921第 1 期李学武等 矿区能源集成关系研究 图 4 OA 系统应该的积极作用 3) 提高了办公效率。 引入 OA 办公系统后,办公 流程有所优化,办理便捷,以前一些因领导出差、单位 地域限制等原因无法进行审核、批办的公文,现在可以 在很短时间内得到解决,为公司深入开展各项工作节 约了宝贵时间。 4) 节约了大量资源。 公司自使用系统以来,办公 用纸耗材费用下降 20%;在交通方面,克服了地域分 布广来回奔波的交通成本,车辆使用及交通成本降低 30%左右。 5) 建立了协同管理工作平台和集中的信息整合 呈现平台,健全了组织文化,形成了各部门信息共享、 和谐互助的良好氛围,实现了以人为本。 5 结 语 现代企业为了提高市场竞争地位,就必须加强办 公自动化建设,完善工作机制。 办公自动化建设是一 项基础性、长期性的复杂系统工程,在整个建设过程中 不可能一帆风顺,这就需要在使用过程中不断发现问 题并解决问题,使企业的信息化建设快速发展。 综上所述,OA 系统建设对于企业实现办公先进 性、快捷高效性、资源使用合理性、决策依据准确性、办 公模式标准化、资源配置最优化、行政管理统一化等方 面都具有极其重要的意义。 参考文献 [1] 杨巨龙, 周永利. 新一代软件需求工程指南[M]. 北京电子工业 出版,2013. [2] 费 晶. 基于 Lotus Domindnotes 平台的办公自动化系统开发[J]. 电子设计工程,2010(7)85-87. [3] 李 宾. 浅谈企业信息化建设 办公自动化[J]. 中小企业管 理与科技,2011(7)277-278. [4] 李海卉. 办公自动化应用探讨[J]. 价值工程,2010(23)151- 152. (上接第 129 页) 耗领域的集成关系,解决了矿区能源关系不清、无法合 理配置的问题,为研究优化能源结构、提高能源尤其是 再生能源、废弃能源的利用率,实现能源与用能领域的 优化配置奠定了基础。 参考文献 [1] 曾 胜,郑贤贵,饶呈祥. 我国能源消费结构与经济增长的关联关 系分析[J]. 软科学,2009(8)65-68. [2] 曹 新. 中国能源结构调整探讨[J]. 中国国情国力,2009(4)21 -22. [3] Theodoros Evgeniou.Information Integration and Information Strtategies for Adpative Enterprises[J]. EuroPean Mangaement Journal,2002,20 (5)486-494. [4] 韩 巍. 多能源互补的多功能能源系统及其集成机理[D]. 北京 中国科学院工程热物理研究所研究生院,2006. [5] Abdel⁃Karim, Sameer. Energy Saving and Power Factor Correction for Industrial Plants in Hebron District[J]. Journal of Energy & Power Engineering,2010(4)1-11. [6] 谢科范,董芹芹,陈 云. 基于能源集成的自主创新模式辨析[J]. 科学学研究,2007(S1)110-113. [7] Sila cetinkaya,Halit Uster, Gopalakrishnan Easwaran.An Integrated Outbound Logistics Model for Frito⁃LayCoordinating Aggregate⁃Level Production and Distribution Decisions[J]. Interfaces,2009,39(5) 460-475. [8] 任一鑫,钟 举. 矿区水能源集成利用途径设计[J]. 矿冶工程, 2011(3)122-126. [9] 邱 东. 基于节能目标的钢铁企业能源集成管理系统的研究与实 现[D]. 长春吉林大学机械科学与工程学院,2009. [10] 张兴安. 滨湖煤矿矿井水生态化利用[J]. 环境保护,2010(5) 64-65. [11] 任一鑫,曾宪迪,张士强. 煤炭矿区能源集成利用方式研究[J]. 矿冶工程,2013(4)123-126. [12] 唐晓城,张伟,任一鑫,等. 煤炭矿区能源集成利用体系研究[J]. 矿冶工程,2014(1)110-114. [13] 任一鑫,曾宪迪,张士强,等. 滨湖煤矿能源集成利用研究[J]. 中国煤炭,2013(2)111-115. [14] 任一鑫. 循环经济集成原理的初探[J]. 荆楚学刊,2013(1)85- 88. [15] 曾宪迪,任一鑫,何瑞卿. 循环经济集成方法的初探[J]. 荆楚学 刊,2013(3)79-83. [16] 陈捷娜,吴秋明. 集成管理研究综述[J]. 科技进步与对策,2011 (8)156-160. 331第 1 期南佳佳 矿山 OA 系统建设探讨