Osnovni cilj eksploatacije uglja na površinskim kopovima Elektroprivrede je da za potrebe termoelektrana obezbedi dovoljne količine uglja, potrebnog kvaliteta uz minimalne troškove eksploatacije. Kako se uslovi eksploatacije lignita stalno pogoršavaju (veća raslojenost, veća promena kvaliteta uglja itd.), a zahtevi elektrana i ekologa postaju sve stroži, neophodno je uvesti sistem upravljanja kvalitetom uglja koji će omogućiti operativno planiranje i nadzor nad procesom eksploatacije uz održavanje eksploatacionog kvaliteta lignita u zadanim (potrebnim) granicama.
Homogenizacija je tehničko-tehnološki i organizacioni proces mešanja ugljeva otkopanih različitom opremom sa različitih, međusobno bliskih, lokacija i transportovanih u integrisanom sistemu koji omogućava da se pre usmeravanja ka termoelektranama izvrši ujednačavanje kvaliteta uglja, prema zadanom ili usvojenom parametru. Uspešno sprovedena homogenizacija omogućiće povećanje količina uglja čija eksploatacija je opravdana, smanjiće troškove sagorevanja uglja, transporta i deponovanja pepela, unaprediće sistem zaštite okruženja od zagađenja, u prvom redu, u fazi sagorevanja i, saglasno tome, doprineće efikasnijem i profitabilnijem korišćenju raspoloživih prirodnih resursa.
Specifičnosti vezane za razvoj sistema ujednačavanja kvaliteta uglja sa površinskog kopa Tamnava i Polje G (kasnije i Radljevo) vezane su za veliku varijaciju kvaliteta. Prema geološkim sagledavanjima do kraja veka eksploatacije na kopu Tamnava-Zapadno Polje ima oko 50 miliona tona uglja slabijeg kvaliteta koji se može iskoristiti mešanjem sa ugljem koji je kvalitetniji od zahtevanog. Poseban problem će predstavljati i kop Radljevo sa kojeg se može otkopati oko 94,5 miliona tona uglja niske toplotne vrednosti (prosečno 5.936 kJ/kg).
Osnovni koncept upravljanja kvalitetom uglja
Upravljanje kvalitetom uglja vršiće se mešanjem ugljeva različitog kvaliteta otkopanih na različitim pozicijama unutar površinskih kopova Tamnava i Polje G. Pri tome sistem ima tri ograničenja:
– Smenski i dnevni kapacitet iskopanog uglja, koji se upućuje ka termoelektranama, je zadan i treba da ostane stabilan, 5.000 t/h,
– Kvalitet uglja treba da bude 6700 kJ/kg +/- 10%,
– Kontinuirani rad kopa i termoelektrane ne sme da se remeti.
Homogenizaciju uglja treba vršiti na svim pozicijama gde je moguće. Moguće pozicije i opcije toka uglja u sistemu homogenizacije su:
1.Svaki raspoloživi bager radi optimalnim kapacitetom i pojedinačni kvalitet uglja je u zahtevanim granicama (praktično nema potrebe za homogenizacijom):
a.Ukoliko transport nije raspoloživ raspoložive količine uglja se usmeravaju na deponiju.
b.Ne dobija se ugalj zahtevanog kvaliteta (neuspešna homogenizacija) pa se otkopani ugalj usmerava ka deponiji sitnog uglja, a nedostajuće količine uglja se nadomeštaju zahvatanjem prethodno deponovanog uglja sa deponije.
4.Svaki raspoloživi bager vrši otkopavanje uglja različitog kvaliteta unapred zadanim kapacitetom, deponija sitnog uglja je popunjena i nema otpreme uglja prema termoelektranama, pa:
a.Ukoliko je kvalitet u zadanim granicama ugalj se deponuje na staroj deponiji u delu gde se deponuje homogenizovani ugalj,
b.ukoliko je kvalitet iznad zahtevanog ugalj se deponuje na staroj deponiji u delu gde se deponuje kvalitetni ugalj,
c.ukoliko je kvalitet ispod zahtevanog ugalj se deponuje na staroj deponiji u delu gde se deponuje ugalj slabijeg kvaliteta,
5.Nema raspoloživih bagera za otkopavanje uglja, a transport je raspoloživ ili bageri su raspoloživi ali zbirni transporter nije, pa se:
a.Snabdevanje termoelektrane obavlja homogenizovanim ugljem sa deponije sitnog uglja (dok postoje raspoložive količine),
b.Snabdevanje termoelektrane obavlja ugljem sa stare deponije uglja (dok postoje raspoložive količine uglja potrebnog kvaliteta).
Dakle, radi se o kompleksnom, ali fleksibilnom sistemu koji može da ispuni polazne zahteve (kapacitet, kvalitet, nesmetan rad kopa i termoelektrane). Da bi se ovo i praktično ostvarilo celi sistem upravljanja se deli u dve segmenta (Slika 1):
– sistem planiranja, i
– sistem kontrole količine i kvaliteta uglja.
Sistem planiranja, za izabrani vremenski period, obuhvata simulaciju buduće proizvodnje sa mašinama poznatih karakteristika, na poznatom položaju radne etaže, gde otkopavaju ugalj prema unapred zadanim radnim elementima i u delu ležišta poznatih karakteristika. Cilj je automatsko ili ručno iznalaženje optimalnih uslova rada svake mašine tako da se zajedničkim istovremenim radom više mašina dobije potrebna količina uglja zahtevanog kvaliteta. Posle više iteracija dobija se
a.Direktno se upućuje ka termoelektranama,
b.Ukoliko transport nije raspoloživ sav ugalj se usmerava na deponiju.
2.Svaki raspoloživi bager otkopava ugalj različitog kvaliteta sa različitim (unapred zadanim) kapacitetom, koji je ukupno jednak zahtevanom, a mešanje se vrši na zbirnom transporteru:
a. Dobija se ugalj zahtevanog kvaliteta (uspešno obavljena homogenizacija):
i.Ugalj se direktno transportuje ka termoelektranama,
ii.Ukoliko transport nije raspoloživ sav ugalj se usmerava na deponiju,
b.Ne dobija se ugalj zahtevanog kvaliteta (neuspešna homogenizacija) pa se otkopani ugalj usmerava ka deponiji sitnog uglja, a nedostajuće količine uglja se nadomeštaju zahvatanjem prethodno deponovanog uglja sa deponije.
3.Svaki raspoloživi bager otkopava ugalj različitog kvaliteta sa različitim (unapred zadanim) kapacitetom, koji je ukupno manji od zahtevanog, a mešanje se vrši na zbirnom transporteru:
a. Dobija se ugalj zahtevanog kvaliteta (uspešno obavljena homogenizacija):
i.Ugalj se direktno transportuje ka termoelektranama, a nedostajuće količine se nadomeštaju sa deponije,
ii. Ukoliko transport nije raspoloživ raspoložive količine uglja se usmeravaju na deponiju.
b.Ne dobija se ugalj zahtevanog kvaliteta (neuspešna homogenizacija) pa se otkopani ugalj usmerava ka deponiji sitnog uglja, a nedostajuće količine uglja se nadomeštaju zahvatanjem prethodno deponovanog uglja sa deponije.
4.Svaki raspoloživi bager vrši otkopavanje uglja različitog kvaliteta unapred zadanim kapacitetom, deponija sitnog uglja je popunjena i nema otpreme uglja prema termoelektranama, pa:
a.Ukoliko je kvalitet u zadanim granicama ugalj se deponuje na staroj deponiji u delu gde se deponuje homogenizovani ugalj,
b.ukoliko je kvalitet iznad zahtevanog ugalj se deponuje na staroj deponiji u delu gde se deponuje kvalitetni ugalj,
c.ukoliko je kvalitet ispod zahtevanog ugalj se deponuje na staroj deponiji u delu gde se deponuje ugalj slabijeg kvaliteta,
5.Nema raspoloživih bagera za otkopavanje uglja, a transport je raspoloživ ili bageri su raspoloživi ali zbirni transporter nije, pa se:
a.Snabdevanje termoelektrane obavlja homogenizovanim ugljem sa deponije sitnog uglja (dok postoje raspoložive količine),
b.Snabdevanje termoelektrane obavlja ugljem sa stare deponije uglja (dok postoje raspoložive količine uglja potrebnog kvaliteta).
Dakle, radi se o kompleksnom, ali fleksibilnom sistemu koji može da ispuni polazne zahteve (kapacitet, kvalitet, nesmetan rad kopa i termoelektrane). Da bi se ovo i praktično ostvarilo celi sistem upravljanja se deli u dve segmenta • sistem planiranja, i • sistem kontrole količine i kvaliteta uglja.
Sistem planiranja, za izabrani vremenski period, obuhvata simulaciju buduće proizvodnje sa mašinama poznatih karakteristika, na poznatom položaju radne etaže, gde otkopavaju ugalj prema unapred zadanim radnim elementima i u delu ležišta poznatih karakteristika. Cilj je automatsko ili ručno iznalaženje optimalnih uslova rada svake mašine tako da se zajedničkim istovremenim radom više mašina dobije potrebna količina uglja zahtevanog kvaliteta. Posle više iteracija dobija se optimalna procedura koja postaje radni zadatak operaterima, za simulirani period.
Sistem kontrole obuhvata realna (onlajn) merenja količine i kvaliteta uglja i upravljanje realnom proizvodnjom u zavisnosti od ostvarenih rezultata, a saglasno prethodno opisanim opcijama. U zavisnosti od podudarnosti rezultata simulacije i realno izmerenih rezultata vrši se dodatno korigovanje radnih zadataka.
Da bi usvojeni sistem radio potrebno je obaviti niz aktivnosti. U segmentu planiranja to su:
– Napraviti geološki model ležišta na bazi prethodnih detaljnih istraživanja i formirati bazu korišćenjem softvera Minex za modeliranje ugljenih slojeva,
– Napraviti tehnološki model ležišta, koji podrazumeva vertikalnu podelu otkopnog bloka i definisanje radnih parametara svake otkopne mašine,
– Napraviti model transporta koji podrazumeva preračunavanje ponderisanih vrednosti radi utvrđivanja mogućnosti ostvarivanja zadane funkcije cilja i određivanja transportnog puta utovarenog uglja (ka termoelektrani ili ka deponiji) saglasno ostvaren
– Napraviti model deponije (broj slojeva pri odlaganju i izuzimanju, lokacija odlagališne kasete i kasete sa koje se ugalj izuzima) uz definisanje radnih parametara mašina (kapacitet, brzina kretanja) kako bi se ostvario cilj.
U segmentu kontrole potrebno je uraditi sledeće:
– Operativna kontrola rada bagera u realnom vremenu, korišćenjem tračnih vaga i onlajn analizatora,
– Kontinuirano poređenje očekivanih (rezultati simulacije) i rezultata dobijenih u realnom vremena i preduzimanje potrebnih korektivnih mera unutar tehnološkog modela ili na instalisanoj opremi i usmeravanje uglja ka termoelektrani ili deponiji, saglasno potrebama,
– Isporuka uglja, potrebnog kvaliteta i količine, termoelektranama sa automatskim izveštavanjem (slanjem sertifikata za svaki voz) odmah po utovaru.
Geološki model ležišta
Prema usvojenom rešenju geološki model je urađen korišćenjem specijalizovanog softverskog paketa Minex. Osnovna namena Minex-a je podrška planiranju rudarskih radova za slojevita ležišta. Bazu podataka istražnih radova Minex prevodi u svoju strukturu podataka koja obuhvata četiri celine: osnovne podatke o lokacijama i geometriji bušotina, podatke o litologiji kartiranih intervala, podatke o analizama uzoraka i podatke o stratigrafiji, odnosno podatke o definisanim slojevima.
Sve aktivnosti su povezane sa geološkim modelom, tako da u svakom momentu omogućava prilagođavanje razvoja kopa prema geološkom modelu, u skladu sa ekonomskim i geološkim parametrima koji mogu biti promenljivi tokom veka eksploatacije. Podaci o rezervama i kvalitetu uglja su pohranjeni u bazi i moguć im je brz pristup, editovanje, i bilo koji vid manipulacije, kao i izrada raznih izveštaja.
Tehnološki model ležišta
Osnovu za izradu tehnološkog modela ležišta čini razvijeni geološki model ležišta (strukturni model i model kvaliteta ugljenih slojeva). Izrada ovog modela odvija se u dva koraka. Prvo se radi vertikalna podela ugljenog sloja van radne etaže saglasno raspoloživoj otkopnoj mehanizaciji i geološkim uslovima u ležištu. U narednom koraku sledi podela tehnološkog bloka na podetaže/rezove shodno prethodno definisanoj metodologiji.
Otkopavanje uglja na PK Tamnava-Zapadno Polje vršiće se sa tri rotorna bagera i jednim bagerom vedričarem, a na Polju G sa jednim rotornim bagerom. Tehnološki otkopni blokovi su širine 50 metara i dužine 25 metara. Veličina blokova je određena konstruktivnim karakteristikama bagera kao i veličinom mreže po kojoj je rađen geološki model (25*25 metara). Veličina bagerskog bloka zavisi od konstruktivnih karakteristika bagera, što će reći da blokovi na različitim etažama, u kojima rade različiti tipovi bagera mogu imati različite veličine. Pri radu rotornog bagera homogenizacija uglja u okviru otkopnog bloka se u suštini svodi na princip vertikalne podele bloka na podetaže, tako da se u okviru same podetaže vrši ujednačavanje kvaliteta.
Otkopani ugalj se meša sa ugljem, koji se otkopava nekim drugim bagerom kako bi se dobio ugalj potrebnog kvaliteta. Znači u ovom slučaju se proces homogenizacije obavlja u dva koraka, prvo na bageru, a zatim na zbirnom transporteru. Kvalitet ovako dobijene mešavine (DTEpond) predstavlja ponderisanu sredinju vrednost kvaliteta uglja i zbirni kapaciteta bagera koji se nalaze u radu.
Dimenzionisanje kapaciteta bagera
Kada se kreiraju konačni tehnološki blokovi stvaraju se uslovi za preračunavanje kapaciteta rotornog bagera za napravljene tehnološke podele u modelu za eksploatacionu konturu površinskog kopa. Kapacitet bagera se u finalnoj – operativnoj fazi planiranja računa prema parametrima tehnološkog bloka (saglasno podeli na podetaže) i selektivnosti rada datog bagera na određenoj etaži.
Operativni plan rada (simulacija rada više bagera)
Ovaj model optimizira kapacitet sa kojim pojedini bageri rade, obično određen kao funkciju cilja za koju važi skup ograničenja koja definišu izvodljivost rešenja. Funkcija cilja i prateća ograničenja su matematičke funkcije i relacije promenljivih i parametara odlučivanja. Promenljive odlučivanja su aspekti sistema koji mogu biti kontrolisani, dok parametri ne mogu biti kontrolisani od strane donosioca odluke.
Prilikom formiranja modela, posebno se vodilo računa o sledećim faktorima:
– Operativno planiranje treba da bude u skladu sa kratkoročnim, srednjeročnim i dugoročnim planovima. Ovo ograničenje sprečava otkopavanje samo uglja visokog kvaliteta ili niskog kvaliteta i isto tako usaglašava razvoj rudnika sa dugoročnim ekonomskim optimumom,
– Model treba da je dovoljno fleksibilan kako bi verodostojno predstavljao stanje rudarskih radova i u periodu u kojima se javljaju tehnološki problemi,
– Za svaki planski period, npr. smenu, sve raspoložive otkopne mašine i posade radnika treba da su angažovane kako bi operativni troškovi bili što niži.
Operativno planiranje rada na deponiji
Ugalj se deponuje u četiri odvojene kasete, koje se tretiraju kao jedinstveni paket (4*90.000 tona), a zatim izuzima sa deponije. Punjenje svake kasete traje oko 20 h, pri punom kapacitetu, a izuzimanje traje oko 40 h jednom mašinom, odnosno oko 20 sa obe mašine.
Softverski modul modelira funkciju mešanja uglja na deponiji tako da se varijacija parametra kvaliteta uglja za definisanu količinu nalazi u ciljnom opsegu vrednosti. Softver omogućava konfigurisanje simulacije, što uključuje izbor tipa deponije, zadavanje većeg broja parametara kojima se preciziraju karakteristike i način rada deponije, tip korišćenih podataka, kao i zadavanje radnih direktorijuma i imena fajlova koji će biti korišćeni u simulaciji. Izvršavanje simulacije i generisanje izlaznih datoteka u kojima su sadržane informacije o svakom odlaganju na deponiju i svakom uzimanju sa deponije koje je izvršeno u toku simulacije. Za izvršavanje simulacije, potrebni su ulazni podaci o materijalu koji se odlaže na deponiju.
Kontrola proizvodnje korišćenjem vaga i alizatora
Poslednja predviđena faza je faza kontrole proizvodnje koja se vrši na osnovi prethodno urađenih planova na tehnološkom modelu. Na osnovu rezultata planiranja rukovalac bagera dobija informacije o podeli otkopnog bloka na podetaže, uz informaciju o predviđenom kvalitetu u podetaži i potrebnom kapacitetu.
Razvijeno softversko rešenje omogućava brzu simulaciju radi sagledavanja u kojoj meri se planirani i zahtevani uslovi ispunjavaju (Slika 2). Na osnovu dobijenih rezultata, inženjer zadužen za kontrolu i vođenje procesa izdaje konkretne operativne zadatke svakom rukovaocu i nastavlja da prati ostvarene rezultate. Kao deo tehnološkog modela pojavljuje se i model rada deponije uglja tako da dispečar može da donosi odluku o korišćenju deponije. Isporuka uglja može ići kompletno sa nove deponije uglja, sa stare deponije rovnog uglja ili direktno u protoku ako je ostvarena homogenizacija na samom kopu.
Da bi se moglo upravljati procesom otkopavanja uglja i odrediti parametri kvaliteta otkopavanog uglja potrebno je prikupiti i izvršiti akviziciju određenih podataka (lokacija, kapacitet, trenutni kvalitet, itd). Kapacitet otkopavanja se proverava na tračnim vagama koje se postavljene na odložnim transporterima a kvalitet se proverava na onlajn analizatorima.
Sistem praćenja kvaliteta uglja permanentno (svakih 10 sekundi do 1 min) obrađuje dobijene operativne podatke. Kvalitet isporučenog uglja termoelektrani može da se nadgleda i kontroliše pomoću podataka memorisanih u sistem praćenja kvaliteta uglja. Operativni podaci se konzistentno uvoze preko jednog gateway računara i prenose se do centralnog servera koji izvršava procese modelovanja.
Za integralnu realizaciju procesa kontrole kvaliteta otkopavanog uglja potrebno je razviti određene softverske modele:
Model transporta simulira transport uglja uzimajući u obzir trenutne operativne podatke sa rotornih bagera i transportera sa trakom. U ovom procesu, očekivana distribucija mase/kvaliteta se izračunava za sistem sabirnog transportera, za brzinu transportera i trenutnih učinaka bagera i kvaliteta uglja na pojedinačnim tačkama otkopavanja. Uređaji za merenje mase trebaju biti locirani na mestima otkopavanja, sabirnom transporteru SU2, deponijskim sabirnim transporterima (T27) i trakama za kojima se izdrobljeni ugalj transportuje do objekta utovara (T7, T8 i T9). Određena kompenzacija očitavanja se može postići permanentnim poređenjem vrednosti dobijenih sa rotornih bagera i vaga duž sabirnih transportera. U slučaju otkaza (gubitka) jednog mernog mesta, to očitavanje se može izračunati oduzimanjem.
Model deponije uglja se koristi za praćenje odlaganja i uzimanja uglja, proračunavanje distribucije masa i kvaliteta na deponiji u realnom vremenu. Operativni podaci koje koristi ovaj model su: trenutna pozicija deponijskih mašina, uglovi dizanja/spuštanja strele bagere, trenutni stepen popunjenosti deponije itd. Dovoljno precizna distribucija kvaliteta na deponiji se garantuje procesom odlaganja na mreži od 1 m³. Svaka kocka uglja sadrži informacije o: kvalitetima, pozicijama i vremenu odlaganja.
Simulacija izuzimanja uglja, uz uzimanje u obzir popunjenosti deponije i trenutne lokacije skrepera omogućava davanje podatka o očekivanom kvalitetu uglja, koji se zatim koristi kao ulazni podatak za model transporta zajedno sa trenutnim učinkom (proizvodnjom).
Isporuka uglja termoelektranama
Isporuka uglja može ići kompletno sa nove deponije sitnog uglja, sa stare deponije rovnog uglja ili direktno u protoku ako je ostvarena homogenizaciji tokom rada bagera ili transporta uglja na samom kopu. Mogu se koristiti direktni utovar sa kopa preko utovarnih transportera (T8 i T9) ili sa deponije sitnog uglja preko transportera (T7 i T8) ili kombinovano (sa transportera T7, T8 i T9).
Model utovara voza prati procesa utovara železničke kompozicije i olakšava procenu o napredovanju utovara, uzimajući u obzir ukupan kvalitet koji se očekuje za datu kompoziciju. Takođe, daje se i prikaz kvaliteta uglja za narednu železničku kompoziciju, koji uzima u obzir trenutnu situaciju rudarskih radova ili na deponijama u odnosu na utovar rovnog uglja pomoću transportera, kao što je određeno u transportnom modelu. Ovaj prikaz očekivanog kvaliteta uglja za železničku kompoziciju, na utovaru, daje operativnom inženjeru (dispečeru) dovoljno vremena za pravovremenu akciju i intervenisanje u procesu utovara. Podaci modela se sakupljaju tokom transporta otkopanog uglja sa kopa ili otkopavanja uglja sa deponije. U istom prikazu će se nalaziti i količine isporučenog uglja i rezultati o kvalitetu isporučenog uglja.
Hardver
Za pravilno i pouzdano funkcionisanje sistema za upravljanje kvalitetom uglja neophodno je ugraditi najsavremeniju elektrotehničku opremu. Pod tim se podrazumevaju, savremeni onlajn analizatori sadržaja pepela i vlage, enkoderi i davači, uređaji za globalno pozicioniranje (GPS), industrijska komunikaciona oprema, programabilni logički kontroleri (PLC), paneli za vizuelizaciju (HMI), oprema za video nadzor kao i sva ostala neophodna oprema za rad sistema.
Softver
Softversko rešenje za kontrolu i upravljanje kvalitetom uglja sastoji se iz više celina koje će kroz jedinstvenu bazu podataka biti integrisane u sistem za upravljanje i kontrolu kvaliteta uglja na Tamnavskim kopovima:
1.Softverska aplikacija za upravljanje geološkim podacima, korisnik: geološka služba.
2.Informacioni sistem za operativno planiranje rada (Tehnološki model sa optimizacijom proizvodnje), korisnici: inženjer za planiranje rudarskih radova i operativni inženjeri – Dispečeri.
3.Industrijski sistem za upravljanje i akviziciju podataka (SCADA), korisnici: operativni inženjeri – dispečeri i elektro inženjer za održavanje sistema.
4.Softverska aplikacija za deponije uglja, korisnici: operativni inženjeri – dispečeri i inženjer za planiranje rudarskih radova
5.Softverska aplikacija za laboratoriju za analizu kvaliteta uglja, korisnici: laboranti i tehnolozi.
6.Web aplikacija – dostupna klijentima menadžment RB Kolubare i EPS-a.
Sistem upravljanja kvalitetom uglja na kopovima Tamnava i Polje G ulazi u svoju završnu fazu jer je potrebna rudarska oprema ugovorena, a u toku je izbor ponuđača za izvođenje građevinskih radova i isporuku potrebnog hardvera i softvera za vođenje procesa. Time će i eksploatacija i korišćenja uglja u Srbiji zakoračiti u novu fazu kontrolisanog rada. Očekuje se puštanje sistema u rad krajem 2017. godine.
Autori: Prof. Dr Kolonja Božo, Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet, Prof. Dr Ignjatović Dragan, Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet, Prof. Dr Knežević Dinko, Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet , Prof. Dr Stanković Ranka, Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet, publikacija Rudarstvo 2015 strucno savetovanje oktobar 2015
