摘要：排水系統是鈾礦山生產(chǎn)過(guò)程中的四大系統之一, 耗電量大。鈾礦山開(kāi)拓中段多, 服務(wù)年限長(cháng), 控制排水耗電量來(lái)降低企業(yè)成本尤為重要。通過(guò)運用可視化程序語(yǔ)言Visual Basic, 對鈾礦山服務(wù)年限內的排水系統進(jìn)行優(yōu)化計算, 找出最優(yōu)的水泵房的布置中段和配置方案。結果表明, 該方案簡(jiǎn)化了計算過(guò)程, 得到了最優(yōu)的排水方案。

　　關(guān)鍵詞：優(yōu)化研究; 排水系統; 避峰就谷;

　　Abstract：The drainage system is one of the four major systems during production of the uranium mine with huge power consumption. There were multiple middle mining levels in the uranium mine, and the uranium mine has operated for many years, thus it was important for the enterprise to reduce the cost via controlling power consumption for drainage. With the aid of visual programming language VISUAL BASIC, the drainage system in the uranium mine within service life was optimized and calculated, and the optimal layout of middle levels and the configuration scheme of the pump station were identified. The results showed the calculation process was simplified via the scheme, and the optimal drainage scheme was obtained.

　　Keyword：research on optimization; drainage system; avoid power peak;

　　排水系統是礦山生產(chǎn)過(guò)程中的四大系統之一, 耗電量大, 一般占礦山耗電量的20%~40%。鈾礦開(kāi)拓中段多, 服務(wù)年限長(cháng), 若所有的井下中段涌水都匯到最下中段再排出地表, 勢必造成排水費用增加。設計中, 一般會(huì )根據工程安排, 選擇兩段或三段排水方案, 水泵房位置也主要憑經(jīng)驗和生產(chǎn)需要來(lái)規劃位置。而在水泵選型上, 為了滿(mǎn)足“避峰就谷”的原則[1], 選擇大流量排水泵集中排水, 無(wú)形中也增加了企業(yè)的用電容量費用。這種設計方案雖能降低一部分的企業(yè)運行成本, 但不是最優(yōu)規劃方案, 主觀(guān)性影響較大。而且, 不同的礦山, 由于現有水泵性能的原因, 使得正常選擇的水泵比避峰就谷選出的水泵, 在經(jīng)濟上不具有優(yōu)勢, 甚至增加企業(yè)的運行成本。筆者利用可視化程序語(yǔ)言VISUAL BASIC, 建立排水系統優(yōu)化程序, 根據計算結果, 選出最優(yōu)的排水方案。

　　1、排水系統的影響因素

　　礦山排水系統主要考慮基建費用、排水電費、維修費用、人員工資以及工人的勞動(dòng)強度幾方面的因素[2]。

　　1.1、基建費用

　　基建費用主要包括井巷工程費、設備材料費和安裝工程費。井巷工程費主要包括水泵房、管路通道、水泵房通道、水倉等基建工程費用, 設備材料費包括水泵、管路、電氣設備等購置費用, 安裝工程費包括水泵、管路及電氣設備等安裝費用。多級排水系統每增加1個(gè)水泵房, 井巷工程費和安裝工程費增加1倍, 設備材料費則差異不大。

　　1.2、排水電費

　　排水電費主要由水泵功率、排水工作時(shí)間以及電價(jià)決定。礦井水從井下排出地表所需功率

　　式中:t為排水時(shí)間, h。

　　由式 (1) 、 (2) 可得

　　式 (3) 中的Qt就是礦井的每天排水量, 包含礦井每天的井下涌水和生產(chǎn)廢水, 鈾礦山生產(chǎn)廢水量較小, 為簡(jiǎn)化計算, 這里忽略不計。所以, Qt就簡(jiǎn)化成礦井的每天涌水量, 即24 Q。

　　對于第i個(gè)的中段, 其在服務(wù)期內的礦井涌水總耗電量

　　式中:Wi為第i個(gè)中段服務(wù)期內排水每天耗電量;Ti為第i個(gè)中段服務(wù)時(shí)間。

　　由公式 (3) 、 (4) 可得

　　式中:Qi為第i個(gè)中段涌水量, m3/h;Hi為第i個(gè)中段排水高度, m。

　　當水泵房設在礦山井下的第x中段, 井下總中段數為n時(shí), 該水泵房在礦山服務(wù)期內的排水耗電量[3]

　　由式 (5) 、 (6) 可得

　　對于一個(gè)確定的礦山, 其井下涌水量是確定的。若通過(guò)設立多級泵房, 接力排水, 截流上部中段的涌水, 控制排水高度, 從而可以減少耗電量。

　　工業(yè)用電電價(jià)受?chē)�家和地區政策影響, 實(shí)行“峰-谷-平”分時(shí)段計價(jià)收費, 一般是高峰時(shí)段 (6 h) 用電電價(jià)是在基礎電價(jià)的基礎上上浮50%, 低谷時(shí)段 (6 h) 用電電價(jià)是在基礎電價(jià)的基礎上下浮50%, 平時(shí) (12h) 用電電價(jià)執行基礎電價(jià)。排水時(shí), 應遵循“避峰就谷”原則開(kāi)啟水泵排水。根據GB 50521—2009《核工業(yè)鈾礦冶工程設計規范》規定, “工作水泵總能力應能在20 h內排出礦井24 h的正常涌水量”[4], 水泵選型時(shí), 再考慮預留排水能力, 可以控制水泵在18 h, 即“谷-平”時(shí)段內工作, 排完礦井水, 所以, 不考慮高峰時(shí)段排水電價(jià)。

　　水泵在“谷-平”時(shí)段內工作, 可以考慮只在低谷時(shí)段 (6 h內) 將礦井水全部排完與在低谷加平時(shí)時(shí)段將礦井水全部排完2種方案。這2種方案總的排水耗電量相差不大, 但因為電費單價(jià)的差異, 使得低谷時(shí)段排水方案的排水電費變少。而低谷時(shí)段將礦井水全部排完, 就需要選擇流量大的水泵, 這樣就加大了水泵的電動(dòng)機功率, 增大了礦山變壓器的裝機容量, 增加了企業(yè)的容量費用。同時(shí), 為了能在6 h內排完24 h內的礦井水, 也需要加大水倉的容積, 增大基建工程費用。

　　1.3、維修費用

　　工程上, 年維修費用一般按照設備費用的2‰計算。由于多級排水系統與單級排水系統的設備費用相差不多, 所以維修費用相差不大, 在進(jìn)行經(jīng)濟性比較時(shí), 可以不予考慮。

　　1.4、人員工資

　　現階段鈾礦山井下排水主要采用人工控制方式排水, 手動(dòng)啟泵, 自動(dòng)停泵, 每班1名工人控制多個(gè)泵房的水泵。所以排水系統級數的變化不會(huì )對人員工資產(chǎn)生大的影響, 在進(jìn)行經(jīng)濟比較時(shí), 可以不予考慮。而低谷加平時(shí)時(shí)段的排水方案比低谷時(shí)段的排水方案需要增加1個(gè)班的工人, 造成人員工資增加。

　　1.5、工人的勞動(dòng)強度

　　排水系統級數越多, 維修工人和泵房值班人員的勞動(dòng)強度越大。

　　2、建立排水系統優(yōu)化程序

　　通過(guò)上面的分析, 最優(yōu)的排水方案主要由基建費用和排水費用決定。多一級排水, 基建費用增加, 排水費用減少;低谷時(shí)段排水, 基建費用增加, 變壓器容量費用增加, 排水費用減少, 人員工資較少。通過(guò)比較礦山服務(wù)年限內的排水總費用, 選出最優(yōu)的排水方案。

　　排水系統的優(yōu)化過(guò)程涉及到排水級數的確定和是否采用“避峰就谷”排水方案兩方面。從邏輯上來(lái)考慮, 應先確定排水系統最優(yōu)的排水級數, 再根據確定好的排水級數選擇2套水泵配置方案, 即低谷時(shí)段 (6h內) 將礦井水全部排完與在低谷加平時(shí)時(shí)段將礦井水全部排完2種方案。

　　采用1級泵站排水, 水泵房設在最下中段。當礦床沒(méi)有開(kāi)拓到最下中段時(shí), 用開(kāi)拓中的最下中段水量計算排水耗電量;當開(kāi)拓到最下中段時(shí), 用最下中段水量計算耗電量, 計算出總的耗電量,

　　采用2級泵站接力排水, 最下中段設1個(gè)水泵房, 然后考慮上部第1級水泵房的位置。首先將第1級水泵設在井下的第1個(gè)中段, 計算出礦山服務(wù)期內的耗電總量, 然后將第1級水泵設在井下的第2個(gè)中段, 計算出礦山服務(wù)期內的耗電總量, 依此類(lèi)推, 從中選出耗電總量最低的排水方案。當礦床沒(méi)有開(kāi)拓到第1級水泵房所設中段時(shí), 用開(kāi)拓的最下中段水量計算排水耗電量, 當超過(guò)第1級泵站后, 考慮第1級泵站截流該中段30%的涌水量, 下面中段的涌水量計算時(shí), 減去這部分水量, 最后計算出礦床服務(wù)年限內排水總耗電量。

　　設第1級水泵房設在第x中段, 第2級水泵房設在最下中段, 即第n中段, 則礦床服務(wù)年限內排水總耗電量

　　采用3級泵站接力排水, 水泵房的設置位置和耗電量計算類(lèi)似2級泵站接力排水。

　　設第1級水泵房設在第x中段, 第2級水泵房設在第y中段, 第3級水泵房設在最下中段, 即第n中段, 則礦床服務(wù)年限內排水總耗電量

　　現階段鈾礦山4級泵站接力排水用不到, 在此不進(jìn)行分析比較。

　　分別將各種排水方案得到的排水總耗電量存入數據庫中, 然后從其中比選出3種排水方案各自總耗電量最少的排水方案, 同時(shí), 把得到的所有結果存入到Word文檔中供后期查閱使用。最后, 從選出的3個(gè)排水方案中, 考慮基建等因素進(jìn)行綜合經(jīng)濟性比較, 得出最優(yōu)的排水級數和水泵房布置中段位置方案。

　　根據確定好的排水級數和水泵房布置中段位置選擇2套水泵配置方案, 配置各自方案的水泵。根據選好的水泵的流量和功率, 得到礦山在服務(wù)期內這2種水泵配置方案的電費和人工費。然后, 再考慮基建等因素進(jìn)行綜合經(jīng)濟性比較, 得出是否采用錯峰排水方案。

　　利用Visual Basic程序設計語(yǔ)言, 編制一套礦井排水系統分析程序, 通過(guò)輸入服務(wù)年限、排水標高、各中段涌水量, 計算出最佳的水泵房布置方案, 然后對每個(gè)中段的水泵房配置2套排水泵, 即滿(mǎn)足正常排水能力的水泵配置方案和滿(mǎn)足錯峰排水能力的水泵配置方案。選定水泵后, 進(jìn)行錯峰排水經(jīng)濟性分析, 確定是否采用錯峰排水。主要程序界面如圖1所示。

　　輸入工程名稱(chēng)、排水標高、服務(wù)年限等基本信息, 然后在中段文本框、水量文本框和中段服務(wù)時(shí)間文本框中錄入中段和對應的水量、服務(wù)時(shí)間, 一個(gè)中段點(diǎn)一次錄入水量按鈕, 將信息錄入到程序中, 并在下面的列表框中顯示, 供檢查。當發(fā)現數據錄入錯誤, 可選中錯誤的數據, 然后通過(guò)錄入框進(jìn)行修改。當中段服務(wù)時(shí)間沒(méi)有具體數值時(shí), 程序可以根據服務(wù)年限和井下中段數, 自動(dòng)計算出每個(gè)中段的近似服務(wù)時(shí)間, 完成數據分析任務(wù)。

　　當中段和水量錄入結束后, 根據需要點(diǎn)“一段排水”、“兩段排水”、“三段排水”, 進(jìn)行排水耗電量計算, 然后點(diǎn)“排水方案”按鈕, 將計算結果保存到“水泵.doc”文件中。參考采礦專(zhuān)業(yè)設計的開(kāi)拓方案, 若不需要更改, 可直接根據圖片區顯示的信息, 直接選定多級排水方案, 進(jìn)行錯峰排水分析;若最優(yōu)結果與采礦專(zhuān)業(yè)規劃方案不符, 可點(diǎn)開(kāi)“水泵.doc”文件, 進(jìn)行人工分析, 然后選定排水方案, 再進(jìn)行錯峰分析。最后, 將主要信息保存到文檔中, 供查閱使用。

圖1 排水系統優(yōu)化程序界面

　　3、排水優(yōu)化實(shí)例計算

　　某鈾礦床采用豎井開(kāi)拓, 服務(wù)年限為23 a。礦井水通過(guò)豎井排到215 m井口礦井水沉淀池。井下涌水量如表1所列。

表1 涌水量預測

　　將表1參數輸入程序, 結果如表2所列。

表2 排水方案功率比較

　　從表2可以看出, 三段排水的優(yōu)勢最大, 兩段排水次之, 一段排水最差。考慮到多1段排水, 就需多設1個(gè)水泵房, 需增加約40萬(wàn)的投資費用, 三段排水比兩段排水的優(yōu)勢就不大了。同時(shí), 增加1個(gè)水泵房, 就增大管理維護費用和工作量, 所以不推薦該礦床采用三段排水方案, 推薦采用兩段排水方案, 在-33 m和-233 m中段設水泵房。

　　按照上面的參數和規劃配置水泵房, 正常排水與錯峰排水費用如表3所列。

表3 正常排水與錯峰排水費用比較

　　從表3可以看出, 考慮變壓器容量費用后, 錯峰排水配置水泵方案所花費的總費用要高于正常排水配置水泵方案所花費的總費用, 因此該礦不采用錯峰排水方案。該礦具體排水方案如表4所列。

表4 礦床排水方案

　　4、結語(yǔ)

　　使用Visual Basic編的排水方案優(yōu)化程序后, 僅需輸入基本的參數后, 就可以得到供選擇的排水方案, 簡(jiǎn)化了排水方案計算過(guò)程, 提高了計算結果的準確性。而且, 量化后的排水方案比憑經(jīng)驗確定的排水方案更具有科學(xué)性, 為后面的項目評審等環(huán)節提供可信的依據, 為礦山的運行節能降耗, 減少運行成本, 提高礦山的市場(chǎng)競爭力。

　　參考文獻
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