Обоснование ресурса энергосбережения и мер по его реализации на предприятиях агропромышленного комплекса методом конечных отношений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Обоснование ресурса энергосбережения и мер по его реализации на предприятиях агропромышленного комплекса методом конечных отношений

Иванникова Наталья Юрьевна

Санкт-Петербург - 2008



Работа выполнена в ФГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный аграрный университет"

Научный руководитель доктор технических наук, профессор КАРПОВ Валерий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Косоухов Федор Дмитриевич

доктор технических наук, профессор Касаткин Владимир Вениаминович

Ведущая организация: Центр физико-техническх проблем энергетики Севера Учреждения Российской академии наук Кольского научного центра РАН (г. Апатиты, мурманская область)

Ученый секретарь диссертационного совета В.А. Смелик



1. Общая характеристика работы

энергосбережение потребительский измерительный нагрузка

Актуальность работы. Энергосбережение как направление деятельности существует сравнительно непродолжительное время, многогранно по содержанию (правовые, организационные, научные, производственные, технические и экономические меры) и имеет цель - повышение эффективности использования энергии. Возрастающая востребованность энергосбережения диктует необходимость конкретизации возможностей достижения указанной цели применительно к определенному объекту путем разработки метода реализации этих возможностей и их предельного уровня. В качестве объектов приняты потребительские установки предприятий и сети, обеспечивающие их электроснабжение. Ограничение принято в виде технически и технологически достижимого уровня повышения эффективности использования энергии в производстве, образующего при сравнении с существующим ресурс энергосбережения. Предварительный анализ состояния вопроса был посвящен поиску методики энергосбережения, соответствующей указанной задаче. Прежде всего анализу подверглись стандарты по энергосбережению. Кроме терминологического содержания ими определены методические требования к методической стандартизации энергосбережения в виде соблюдения восьми принципов, основные из которых - энергетическая системность, функциональная взаимосвязанность, рыночная конъюнктурность. Только использование этих принципов при анализе многочисленных научных и методических публикаций сделало возможным обобщение достижимого ресурса энергосбережения применительно к теме настоящего исследования. В диссертации показано, что в публикациях даже последних лет как по промышленным предприятиям, так и по агропромышленным далеко не в полной мере и не комплексно учтены принципы стандартизации энергосбережения. Для диссертационного исследования выбран разработанный в СПбГАУ метод конечных отношений (МКО) как в большей степени соответствующий принципам стандартизации.

Цель и задачи исследования. С целью разработки методов определения технически достижимого ресурса энергосбережения необходимо решить следующие задачи.

1. Обосновать положения теории, соответствующие анализу получаемой по показаниям счетчика энергии, связывающему интегральный и дифференциальный (мощность) параметры в функциональном (для элемента) процессе при отсутствии заданной функции.

Ввести понятие ресурса энергосбережения для потребительских энергетических систем, составленных из единиц оборудования, выбранного по максимальной нагрузке, как максимально достижимого результата при энергосбережении.

На основе теоретических положений МКО сформулировать требования к информационно-измерительной системе и испытать ее опытный образец на оборудовании производственного объекта АПК.

Обобщить по литературным источникам возможность и эффективность использования МКО в характерных для АПК энерготехнологических процессах и их режимах.

Провести экспериментальную проверку эффективности применения МКО на предприятиях АПК Крайнего Севера и сопоставить их результаты с результатами и методами ранее проведенных исследований энергосбережения в сетевых объектах промышленного предприятия.

Обосновать метод оценки экономической эффективности энергосбережения по экспериментальным данным МКО.

Объект исследования - процессы в энергетической структуре предприятия и интегративный параметр, идентифицирующий структуру как систему, унифицированный относительный параметр энергоемкости, определяющий энергоемкость продукции и ресурс энергосбережения.

Предмет исследования - энергетические и энерготехнологические процессы, теория линейных и нелинейных интегральных и функциональных приращений и ограничений, накладываемых на них техническими характеристиками энергетического и технологического оборудования, определяющие ресурс энергосбережения.

Методика исследования - интегральное и дифференцированное исчисление, теоремы о приращениях применительно к функциям и их первообразным, полученных с помощью измерительных приборов в энергетических системах производственного потребителя.

Научная новизна:

- использование теоретических положений математического анализа (теоремы приращений) к процессам в энергетической системе потребителя;

- обоснование ресурса энергосбережения для конкретных случаев использования энергии;

- учет в ресурсе энергосбережения не только технических характеристик оборудования, но и энергетических характеристик технологического процесса;

- содержание понятия "структура ресурса энергосбережения", учитывающего специфику каждого конкретного производства;

- обобщение и анализ нереализованных инновационных энергосберегающих решений для типичных электротехнологических процессов в АПК как существенной составляющей ресурса;

- данные практического мониторинга энергетических систем предприятий АПК Мурманской области (в приложении к диссертации) и практическое построение и использование "паспортной" энергетической характеристики оборудования для контроля динамики ресурса энергосбережения;

- математическое доказательство правомерности введения и использования понятия частной доходности энергии при энергосбережении на предприятии.

Достоверность основных результатов по методике определения ресурса энергосбережения обеспечена применением теорем о приращениях математического анализа к кривым измеряемых энергетических процессов, подтверждена использованием имеющейся энергетической информации по электродвигателям.

Внедрение результатов исследования осуществлено в учебном процессе Мурманского государственного технического университета, на фермах КРС ГОУСП "Тулома" (19 регистраций) и на "Свинокомплексе Пригородный" (24 регистрации) Мурманской области.

Положения, выносимые на защиту:

- теоретическое обоснование пригодности метода конечных отношений для анализа приборных данных по процессам в потребительских системах;

- методика определения ресурса энергосбережения в потребительских системах АПК;

- методика обработки данных ИИС для определения ресурса энергосбережения;

- методика анализа объемной энергетики технологических процессов для обоснования инновационных энергосберегающих решений.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на секции НСАНСССР, г.Апатиты в 1989 г., г.Норильск, в 1989 г.; на отраслевой научно-технической конференции, г.Москва в 1990 г., на 9-1 научно-технической конференции МГТУ, г.Мурманск, в 1998 г., на международной научно-технической конференции МГТУ, г.Мурманск, в 2004 г., на международной научно-технической конференции Бел.ГАТУ, г.Минск, в 2007 г., на международной конференции, г.Харьков, в 2007 г.

Публикации. Результаты исследований отражены в 15 научных публикациях в ведущих журналах и сборниках научных трудов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, библиографического списка 77 наименований) и приложений, изложена на 161 странице, содержит 49 рисунков и 13 таблиц.

2. Содержание работы

Во введении на основе анализа требований государственных стандартов по энергосбережению определены критерии оценки существующих методов и принят для обоснования ресурса энергосбережения метод конечных отношений, позволяющий определять ресурс количественно относительно технического или технологического минимума.

Первый раздел диссертации "Состояние вопроса и задачи исследования" посвящен изучению применяемых методов энергосбережения. Цель анализа - определение требований к методическому обеспечению энергосбережения, особенности методов, используемых в электрических сетях, в производственных электроустановках, в том числе и в агропромышленном комплексе (АПК), оценка этих методов и обоснование на их основе совершенствования практического энергосбережения на предприятиях АПК.

Из большого числа ученых, работающих на обеспечение энергосбережения, следует выделить труды тех, кто занимался разработкой методов: Стребков Д.С., Тихомиров А.В., Расстригин В.Н., Лямцов А.К., Амерханов Р.А., Косоухов Ф.Д., Некрасов А.И., Делягин В.Н., Свентицкий И.И., Касаткин В.В., Беззубцева М.М. и др.

Требования к методическому обеспечению обобщены по содержанию государственных стандартов России (ГОСТ Р), имеющих прямое отношение к энергосбережению. Указанные документы обязательного исполнения отражают три основных методических аспекта: термины и понятия энергосбережения, принципы стандартизации энергосбережения и показатели (индикаторы) реализации энергосбережения.

Важно отметить, что полезная энергия в соответствии со стандартом должна, как правило, оцениваться по теоретическому значению для определенных процессов, для заданных или создающихся условий (например, температуры окружающей среды). Это означает, что методика должна учитывать не только содержание процессов, но условия их осуществления. ГОСТ Р 51387-99 содержит восемь принципов стандартизации энергосбережения. Важнейший и первый из них - принцип энергетической системности, гласящий, что "все виды энергетических объектов имеют тенденцию к объединению во взаимосвязанные системы, …, способные выступать как единое и сложное целое, результат функционирования которого не равен сумме результатов функционирования отдельных объектов системы". Такой подход к стандартизации энергосбережения обязывает к более глубокому рассмотрению системы по сравнению с простой совокупностью элементов (объектов). К двум другим важным для методических исследований следует отнести принципы рыночной конъюнктурности (ориентирует на учет стратегических (целеполагающих (таргетинговых), продуктопродвигающих (маркетинговых)) и директивных решений, прямо или косвенно стимулирующих процессы энергосбережения в рыночных условиях хозяйствования) и принцип паритетности (исключающий односторонние преимущества в требованиях и показателях энергосбережения для каких-либо объектов или субъектов). Для показателей (индикаторов) энергетической эффективности предусматривается три группы. Эффективность деятельности в энергосбережении, научной в том числе, может характеризоваться следующими показателями:

- фактической экономии ТЭР, в т.ч. за счет распорядительного нормирования энергопотребления,

- снижения потерь ТЭР,

- снижения энергоемкости продукции (на предприятии и валового внутреннего продукта (в регионе, в стране), в т.ч. за счет внедрения элементов структурной перестройки энергопотребления, связанной с освоением менее энергоемких схем энергообеспечения, вовлечением в энергетический баланс нетрадиционных возобновляемых источников энергии, местных видов топлива, вторичных энергоресурсов; реализации проектов и программ энергосбережения, энергосберегающих технологий, оборудования, отвечающего мировому уровню, и т.п.

Устанавливаемые в документах (рекомендациях, методиках и т.п.) значения показателей экономичности энергопотребления, как правило, должны охватывать весь рабочий диапазон нагрузок оборудования.

Обобщая изложенное, можно сказать, что разрабатываемые методы энергосбережения в производственных системах должны удовлетворять следующим требованиям:

- сложный объект, потребляющий энергию, должен рассматриваться как структурно-процессовая система, характеризуемая интегративным параметром,

- метод должен быть универсальным, т.е. подходить ко всем элементам в любых режимах, способным учитывать рыночную конъюнктуру и позволять сопоставлять энергосберегающие мероприятия со значением энергоемкости продукции,

- оценки метода должны базироваться на теоретических или экспериментальных удельных параметрах для основных процессов системы, определяющих целевое энергопотребление. Эти выводы дают возможность объективно оценивать и сравнивать методики энергосбережения в разных объектах и отраслях.

В диссертации дан анализ состояния методики оценки энергосбережения в электрических сетях. Основным параметром оценки являются потери. Они имеют сложную структуру, объединяемую условно понятием "отчетные потери". Резерв энергосбережения может определяться путем телеизмерений, но практически оценивается расчетным методом, основанным на формуле

(1)



сводимой к выражениям для метода наибольших потерь или метода средних нагрузок. Оценки основываются на нормировании потерь, однако четкое определение нормы потерь отсутствует. Рекомендуется, в частности, укрупненная структура отчетных потерь, включающая четыре составляющие (технические, собственные нужды, инструментальные погрешности и коммерческие потери). Очевидно, такая методика не может быть адаптирована к энергосбережению на предприятиях АПК.

Методическое обеспечение энергосбережения в производственных потребительских системах проанализировано в диссертации по материалам более 20 источников. Приведены негативные тенденции в эффективности производственного энергопотребления. Приведены выводы по оптимизации потерь, которые могут быть использованы при разработке отраслевой методики.

В качестве возмущающего воздействия на нагрузку элемента должен быть принят технологический параметр, определяющий нагрузку.

Управление энергетической эффективностью элемента при изменении нагрузки должно основываться на параметре, связывающем подводимую энергию с энергией на выходе.

Целесообразно обеспечить приоритетность относительных (перед абсолютными) потерь.

Для количественных оценок энергосбережения должны использоваться паспортные данные оборудования.

Отраслевая практика энергосбережения обеспечена документом "Методика энергетического мониторинга сельскохозяйственных объектов, выявление резервов и потенциала экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР)" (год введения 2001, изменения в 2007 г.). Методика вводит ряд собственных понятий (например, процесса и объекта) и математических выражений (например, для расчета ресурса и потенциала). Несмотря на то, что для практического применения методика вполне добротна, служить основой для научных исследований и развития энергосбережения она может только после устранения расхождений с требованиями стандартов в вопросах структурно-процессовой системности, рыночной конъюнктуры, теоретических удельных величин и др. В части нормативных значений расхода ТЭР, алгоритмов расчета основных энергетических параметров для специфических сельскохозяйственных объектов базовое значение методики безоговорочно.

В целом обзор приводит к следующим выводам. Имеет место разрозненность в подходах к энергосбережению, т.е. обосновываются методы для отдельных объектов, а не для системы в целом. По этой причине отсутствует в решениях выход на энергоемкость продукции. Не прослеживается связь существующей методики выбора оборудования как инженерного решения по энергообеспечению производства с энергосбережением. Не анализируется эффективность (итоговых для потребителя) энергетических воздействий на различные среды с целью получения определенного результата. Недостаточно используется научная физико-химическая подготовленность энергетической оценки таких процессов, в частности, в виде различных констант и удельных величин. Богатый научный опыт автоматического управления также используется только для отдельных видов оборудования или процессов и не доводится до масштабов всей системы потребления. Анализ применения в коммерческих целях автоматизированных систем АСКУЭ показывает, что они не могут быть использованы для энергосбережения, несмотря на их высокий технический уровень. Применительно к энергосбережению АПК отмеченные недостатки усугубляются некоторыми особенностями сельскохозяйственного производства, прежде всего наличием животных и растений в производственном цикле. Даже эти два биообъекта являются несопоставимыми по прямым и регуляторным воздействиям на них энергии. В большей мере для целей энергосбережения как системного объекта подходит метод конечных отношений (МКО), разработанный в СПбГАУ, учитывающий двойную рыночную зависимость энергетической системы, основанный на ее представлении в виде энергетической схемы, включающей энерготехнологические процессы трех видов, охватывающих все потребности (производство продукции, вспомогательные и обеспечение условий) и имеющие единый системный параметр - относительную энергоемкость, прямо связанную с энергоемкостью продукции (см. рис. 1). Метод защищен патентом РФ. На основании сделанных выводов были сформулированы задачи исследования, приведенные во введении.

В разделе 2 "Теоретические положения, определяющие ресурс энергосбережения" на основе объемного представления элементов, закона сохранения энергии в элементе и представления ее как сложной функции (времени и координаты) с учетом известных (по измерениям) конечных значений энергии на элементе дано обоснование использования относительных конечных параметров, положенных в основу МКО. В качестве теоретической основы принята теорема об интегральных приращениях.

Рис. 1

В энергетике используются два основных энергетических параметра - энергия Q и мощность Р. Они связаны математическим выражением Q=?P(t)dt, т.е. энергия должна рассматриваться как первообразная функция мощности. Следует отметить, что оба эти параметра измеряемы, следовательно, информация, необходимая для вычисления и анализа энергоемкости в производственной энергетической системе потребителя доступна. Поскольку Q за определенный промежуток времени есть приращение первообразной (для P(t)), то необходимо рассмотреть особенности применительно к энергосбережению.

В интегральном исчислении существует теорема о приращениях, иллюстрация к которой приведена на рис. 1. Математическое выражение теоремы:

Q₂ - Q₁ = Q?(T)(t₂ - t₁) (2)

где Т - точка (момент), производная Q? в которой соответствует выражению (2).

Рис. 2

По содержанию производная Q?(T) является средней и постоянной, поэтому на рисунке представлена наряду с фактической функцией Q_ф(t) линейная функция Q_ср(t). Отметим, что значение приращения в интервале времени (t₂ - t₁) для обоих вариантов функции одинаково. На нижнем рисунке показаны обе производные в том же интервале времени. Площади под соответствующими линиями одинаковы.

Энергетическая схема потребителя представляет собой совокупность элементов (технических устройств), процесс прохождения энергии через каждый из которых если и может быть выражен какой-либо функцией, то наверняка разной для каждого из них. Поэтому применение математического анализа в его классическом представлении для обоснования методов энергосбережения будет существенно затруднено. Анализ теоремы приращений позволит обосновать некоторые упрощения. Как уже указывалось, значение приращения энергии может быть в общем случае измерено счетчиком без формульной аппроксимации. Эта информация, являющаяся исходной, может определить всю логику практического анализа энергетических процессов. По значению приращения, в частности, можно определить среднюю мощность, т.е. перейти к линеаризации процесса, что соответствует теореме о независимости конечного приращения в интервале от вида функции (при условии монотонности). Из наиболее важных особенностей линеаризации отметим по рис. 2, что равные отношения фактической энергии к линейной и фактической производной к средней (линейной) не совпадают по времени. В частности, из рисунка следует, что Q_ф2/Q_ср2=1 соответствует моменту t₂, а отношение Q?_ф/Q?_ср=1 соответствует моменту Т. Важно также отметить, что точка Т делит весь интервал (t₂ - t₁) на части (Т - t₁) и (t₂ - Т), каждая из которых может быть представлена своей средней производной. Легко представить себе, что первая будет больше общей средней, а вторая - меньше. Однако, общее приращение равно сумме линейных приращений.

Расхождение приращений к моменту Т между фактической кривой и линейным процессом на рис. 2 показано вертикальным отрезком ?Q. Эта разница определяется через линейные приращения фактического процесса и по средней производной



Q?_срф^.(Т - t₁) - Q?_ср^. (Т - t₁) = ?Q (3)

Приняв для упрощения выводов t₁=0 и введя интервал ?t, в течение которого приращение линейного процесса станет равным приращению фактического в момент Т, получим равенство относительных величин

(4)

Отметим, что выражение применимо к двум любым линейным процессам или к нелинейным, но с известным приращением каждого из них. Важно отметить возможность выражения отношения производных энергии через обратнопропорциональную зависимость временных интервалов. Важно отметить также и то, что развитие этого метода анализа процессов путем построения последующих интервалов ?t будет приводить к разным результатам в зависимости от того, какое в начале каждого последующего интервала ?t будет расхождение приращений по отношению к предыдущему расхождению. Если оно будет оставаться постоянным, то интервалы ?t будут равны, а фактическая производная будет (для условий рисунка) равна средней производной, то есть можем иметь случаи проявления неопределенности интеграла, когда его значения отличаются на постоянную величину. Но в данном примере неопределенность снимается линеаризацией, т.к. каждой точке на линии фактического процесса соответствует определенное значение средней производной даже на участке, параллельном линейному процессу.

Если расхождение приращений ?Q на каждом интервале ?t будет уменьшаться, то сам интервал также будет уменьшаться и отношение производных в выражении (4) будет приближаться к единице. Наоборот, при росте расхождения ?Q интервал будет расти быстрее, чем исходный интервал (Т - t₁), и отношение производных также будет расти.

Таким образом, при построении линейного процесса (средняя мощность) и при условии, что производная фактического процесса только уменьшается, расхождение интегральных значений в каждый момент времени сначала растет от нуля до максимального значения в момент Т, затем уменьшается опять до нуля в конечный момент интервала. Это говорит о том, что введение средней производной сопровождается возникновением некоего механизма саморегулирования, действие которого приводит к тому, что расхождение процессов по производным не создает расхождения по интегральным значениям в конце интервала времени. На рис.3 представлены зависимости от времени производных Q?_ф(t) и Q?_ср(t), разности интегральных значений ?Q(t) и разности производных ?Q?(t). Анализ кривых раскрывает причину проявления указанного механизма. Она кроется в том, что дифференциальная связь (т.е. разность) производных Q?_ф и Q?_ср после точки Лагранжа Т становится отрицательной, что и приводит к сбалансированному схождению процессов к общему интегральному значению к концу интервала. Можно сделать заключение о том, что получено теоретическое подтверждение правомерности применения МКО в энергосбережении в сочетании с обычными измерениями энергетических параметров на элементах.

Рис. 3



Линеаризация может рассматриваться как упрощающий анализ методический прием именно в оценках относительных параметров, позволяющий анализировать одновременно энергетические процессы на концах элементов, связанные законом сохранения. Связь относительной энергоемкости процессов с энергоемкостью продукции оказалась очевидной и показана в более ранних публикациях по МКО и основные положения приведены в диссертации (раздел 2.3). Эта связь определяется выражением

(5)

где Q_потр - потребленная энергия, П - объем произведенной продукции, Q^уд - теоретический минимальный расход энергии на единицу продукции, Q_элин - относительная энергоемкость процесса передачи энергии по линии к ЭТП (параметр МКО).

В этом выражении при известном значении Q_п только Q_э влияет на значение энергоемкости. Однако Q_э является также и функцией состояния (свойств) элементов, составляющих линию передачи энергии. Это следует из закона сохранения энергии для каждого из них

(6)

То есть МКО, введя конечный энергетический параметр в отношение, привел выражение закона сохранения к тождественному равенству относительных параметров, учитывающих длину линии (Q_к) и ее свойство (интегральное, поскольку потери ?Q складываются) передавать энергию. Поэтому для численной относительной оценки Q_п нужно знать минимальное значение потерь (кроме значения Q^уд) в оборудовании линий. Оно соответствует, в общем случае, номинальному режиму нагрузки с наименьшими потерями. В диссертации обосновано несколько выражений для ресурса энергосбережения. В параметрах потерь ресурс энергосбережения ?Q_р имеет вид

?Q_р = ?Q_ф - ?Q_ном, (7)

где ?Q_ф - фактические потери, ?Q_ном - потери в номинальном режиме (технический минимум потерь). Экспериментальные исследования были посвящены именно этому параметру, поскольку он позволяет считать задачу энергосбережения оптимизационной с известным значением параметра оптимизации.

Третий раздел диссертации "Информационно-измерительная система (ИИС)" посвящена описанию состава использованной в эксперименте ИИС и включает описание тех требований, которые диктуются не только МКО, но и спецификой сельскохозяйственного производства, дополнительно налагаемой на энергетическую схему производства. Отмечается, что широко известные системы АСКУЭ не в полной мере удовлетворяют требованиям энергосбережения. Созданная в СПбГАУ специальная ИИС имеет в своей основе электронный регистратор Ф 1771, выпускаемый заводом "Вибратор" (СПб). Он предназначен для приема, хранения, обработки и визуализации информации на ЖК-дисплее. Имеет 16 входных каналов, собственную энергонезависимую память объемом до 10 млн. измерений, журнал событий, программу для простой логической обработки событий, ММС-порт. Для возможности переноса архивной информации из прибора в ПК используется FLASH-накопитель. Имеются также встроенные интерфейсы: RS-232, RS-485. В соответствии с требованиями регистратора в состав ИИС включены преобразователи измеряемого сигнала ФЕ1870-АД. Они предназначены для линейного преобразования действующего значения переменного тока и напряжения сигнала в унифицированные значения постоянного тока и напряжения.

В преобразователях переменного тока и напряжения исключена гальваническая связь между входными и выходными цепями и цепями питания. Это свойство преобразователей дает возможность оперативно подключаться к элементам объекта без учета качества заземления, к энергетическим сетям, питающимся от разных подстанций.

В качестве датчиков тока применялись токовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования и измерения значений переменного тока с помощью милливольтметра. Трансформаторы выполнены в виде клещей для того, чтобы иметь возможность охватывать магнитопроводом интересующую токопроводящую линию без ее разрыва. Это дает большие преимущества для мобильной и оперативной работы.

Высокая точность проводимых измерений обеспечивалась предварительным согласованием работы токовых датчиков и преобразователей.

Таким образом, использование в качестве базового устройства электронного регистратора, разработанного для серийного выпуска, позволило для начальной стадии испытаний МКО не создавать специальную ИИС, а ограничиться только компоновкой каналов для ввода информации в регистратор. Требования МКО к виду, содержанию и режиму ввода информации вполне совместимы с техническими возможностями регистратора. Использование в качестве датчиков энергетических параметров измерителей тока и напряжения предопределяет проведение экспериментов на электрическом оборудовании. В качестве устройства для вычислений и обработки данных был использован компьютер.

В разделе 4 "Технические и организационные меры по снижению ресурса энергосбережения в энерготехнологических процессах (ЭТП)" на примере широко применяемых в сельском хозяйстве ЭТП показано, что только специальные методы в каждом процессе могут приблизить ресурс энергосбережения к нулю. Содержание этого раздела подчеркивает важность отдельного изучения энергетики каждого ЭТП и тщетность упования на универсальную методику. Следует также отметить, что приведенные различные примеры решений объединены тем, что применен объемный подход к энергии в тесной связи со структурой этого объема и способами подвода и отвода энергии, влияющими на вид выражения закона сохранения. Важно также отметить, что ЭТП отличается от любого передающего энергию элемента тем, что в нем создается новый носитель энергии, для которого задано Q^уд (т.к. Q^уд обеспечивает ожидаемый результат). То есть, удельное количество принятой технологической средой энергии может определяться не только ее физической энергоемкостью, но и другими факторами, влияющими на результат процесса.

В электротехнологиях электромагнитного облучения слоя поглощающей среды поток (мощность) уменьшается по глубине h в соответствии с законом Бугера

Ф = Ф_о?^-ah (8)

Для приближении ресурса энергосбережения к нулю необходимо h>0, что делает технологию бессмысленной ввиду ее приближения к нулевой производительности. На практике широко применяют эту технологию как компромисс между производительностью и перерасходом энергии, соответствующим существенному значению ресурса энергосбережения. Опубликованное инновационное энергосберегающее решение (ссылка в диссертации) предлагает придать слою такую толщину, при которой поток поглощается полностью, но перемещать среду следует коллинеарно навстречу потоку с постоянной скоростью v. В этом случае для каждого сечения среды переменная координата среды h_i может быть переведена к временной переменной t_i=h_i/v, а энергия должна определяться интегральным выражением



(9)

Если задано технологией Ф^уд, то это значение мощности достигается при h=0. Затраты энергии будут равны Q=Ф^уд.t. Ясно, что Ф^уд в этом случае рассматривается как средняя производная, а фактический поток как текущая производная, только растущая (от нуля), поэтому к моменту выравнивания Q (как приращение функции Ф_факт(t)) и произведения Ф^уд.t значение Ф_ф должно быть больше Ф^уд. Такой процесс для обеззараживания воды УФИ показан на рис. 3, и он соответствует теореме Лагранжа и теореме о независимости интегрального приращения от функции. Если задана энергетическая удельная доза Q^уд, то ее контроль и обеспечение возможны только для определенной толщины слоя, но и она должна быть минимально допустимой (для снижения вынужденного превышения дозы).

Рис. 4. Расчетные кривые обеззараживания воды ультрафиолетовым облучением при трех вариантах ее перемещения. (Общая глубина 15 см, толщина i-го слоя 1,1 см, время облучения при горизонтальном перемещении 3 с, при вертикальном - 3 с на каждый удаляемый слой)



В диссертации рассмотрены еще несколько примеров энерготехнологических процессов, потребовавших специальных технических решений для снижения ресурса энергосбережения.

При многоярусном (по высоте) размещении растений в теплицах возникает специфическое требование к распределению потока лампы в пространстве для обеспечения одинаковой облученности по ярусам. С учетом того, что на верхних ярусах используется значительная часть прямого потока лампы, решить возникшую задачу без увеличения потерь невозможно. Сделан вывод, убедительный без расчетов, что целесообразнее использовать источники света на каждом ярусе, т.е. осуществить необходимое пространственное распределение не световой, а электрической энергии. Это решение обеспечивает минимальный ресурс, определяемый только световой отдачей ламп.

При обогреве помещений выражение сохранения содержит две составляющие

(10)

где Р^уд - удельные потери, А - площадь ограждения.

Переход к выражению МКО дает следующее:

(11)

Это выражение показывает, что удельный фактический подвод энергии Р_н^уд полностью определяется значением Т_н. При абсолютной изоляции, когда потери через ограждение равны нулю (что равносильно равенству Т_н=Т_вн) Р_н^уд=0. Из этого выражения следует вывод о том, что при Т_н>Т_вн правая часть приобретает знак минус, что означает необходимость отвода тепла из помещения в количестве, определяемом Р^уд. Более приемлемый вариант в энергетическом смысле - использовать избыточное тепло. Тогда наряду с отопительным сезоном существовал бы сезон избыточного тепла, энергетическая система пополнилась бы энерготехнологическим процессом без покупной энергии, что улучшило бы энергетический баланс предприятия. Значение Р^уд нормируется, поэтому разница Р_ф^уд - Р^уд_норм= ?Р^уд должна рассматриваться как ресурс энергосбережения, реализуется который путем усиления теплоизоляции здания.

Рассмотрен также вариант снижения энергоемкости на примере объема нагретой воды (результат ЭТП2). По окончании процесса нагрева потери тепловой энергии продолжают иметь место. При определенном значении Р^уд (зависит от теплоизоляции емкости) емкость с горячей водой становится генератором потерь как функции температуры воды Т_в (при постоянной температуре Т_н в помещении).

(12)

В этом случае ?Р^уд - удельный ресурс энергосбережения. Это общее выражение видоизменяется, не теряя принципиальное указание на повышение энергоемкости в случаях, когда

- происходит частичный отбор горячей воды с замещение ее холодной и включением нагрева;

- предусмотрено автоматическое включение нагрева при снижении температуры воды.

В обоих случаях мощности на дополнительный нагрев должны быть отнесены к потерям, вызванным несогласованностью режимов нагрева и использования результата ЭТП.

В диссертации проанализированы еще два примера использования электромагнитной энергии в производстве продукции в технологиях, создающих условия для повышения потерь: комбинированное облучение биологических объектов (например, ИК + УФ) и эксплуатация металлогалогенных газоразрядных ламп в теплицах при отклонении напряжения от номинального. Для этих случаев также приведены энергосберегающие решения, но они не используются в практике.

Сопоставление энергоемких технологических процессов с имеющимися (хотя и нереализованными) мерами по энергосбережению позволяет с помощью МКО и объемного представления энергии обосновать общий методический прием анализа энергетических процессов по параметру ресурса энергосбережения. Он основан на законе сохранения в конечных параметрах Q_н - Q_к =?Q. При изменении режима параметры примут значения бQ_н - вQ_к=г?Q. Выражение в МКО примет вид

(13)

Отсюда следует, что если б= в, то и г= в и если б> в, то г> б. Использование ИИС позволяет определять конечные параметры, минуя промежуточные б, в и г. В рассмотренных примерах видоизменяется выражение закона сохранения, поэтому будет меняться и количество учитываемых параметров. Второй вывод относится к объемному представлению энергии. Описание процессов в этом аспекте во многом определяется носителем энергии. В рассмотренных примерах волновой носитель определяет прямолинейность распространения, пространственное распределение в виде, как правило, конуса с неравномерной концентрацией в объеме, распределение по длинам волн спектра, что практически, никогда не соответствует объемным характеристикам объекта и создает технологические потери энергии.

Очевидно, дальнейшее развитие практического энергосбережения потребует создания более совершенной научной и методической базы на основе МКО и измерительных исследований для повышения энергосбережения в технологических процессах.

В пятом разделе "Практическое определение ресурса энергосбережения на действующем производстве и оценка экономической эффективности энергопотребления" приведены методика обработки данных ИИС и результаты исследований в виде значения относительной энергоемкости. Исследования проводились на 23 объектах двух предприятий АПК Мурманской области. Данные регистрации измерений занимают значительный объем, поэтому в диссертации приведены примеры обработки данных для электродвигателей. Этот преобразователь энергии наиболее подготовлен к использованию мер по энергосбережению тем, что имеет справочные данные по параметрам з и cos при различных нагрузках на валу Р₂. По ним может быть построена характеристика зависимости начальной полной мощности S₁ от Р₂. Базовым является номинальный режим с наименьшими потерями, поэтому целесообразен переход к относительным координатам S₁/S_ном и Р₂/Р_ном. Это определяет общую методику.

Рассчитывается активная мощность электродвигателя Р₁, потребляемая им из сети по табличным значениям Р₂ и з, то есть Р₁=Р₂/з, полная мощность S₁=P₁/cosц, включая их номинальные значения.

Далее рассчитывается отношение S₁/S_ном для каждого значения загрузки электродвигателя Р₂/Р_ном.

Определяется относительная энергоемкость Q_э работы электродвигателя по паспортной характеристике

(14)



Рис. 5

По справочным данным и результатам расчета строятся характеристики S₁/S_ном= f (Р₂) и Q_э=f (Р₂) (пример построения на рис. 6 и рис. 7). Первая из них является энергетической характеристикой (паспортной). Для каждого исследуемого двигателя для контроля мощности во времени строится система координат S*=f(t), на которую заносятся экспериментальные данные с регистратора (рис. 5) и по которой для заданного момента времени t_i из опытной характеристики S₁/S_ном= f(t) определяется S₁/S_ном и по рис.6 определяют Р_2i, а затем Q_э по рис. 7. Результатом регистрации становится зависимость Q_э=f(t), по которой принимаются энергосберегающие решения.

Рис. 6



Рис. 7

В этом же разделе приведено математическое обоснование правомерности применения стоимостного баланса для энергетической системы в виде равенства К_эЦП=бQС_т, где Ц, С_т - цена продукции и тариф, П и Q - объемы произведенной продукции и потребленной энергии, К_э - доля энергии в себестоимости, б - доходность производства. Обоснование построено на предположении об одинаковой эффективности всех денежных вложений в производство. В соответствии с этим предположением суммы левой и правой частей балансов для всех статей расходов на производство дадут, очевидно, выражение ЦП= б?З_i (где ?З_i - суммарные затраты). Отсюда следует, что после преобразования баланса для энергии в вид К_эЦ=бQ_п^.С_т можно сделать вывод о том, что снижение энергоемкости Q_п приводит к росту б, т.е. к появлению частной энергетической доходности, значение которой обратнопропорционально снижению Q_п (при Ц и С_т постоянных). Как показано в ранее опубликованных работах СПбГАУ эта зависимость для устойчивого рынка гиперболическая, что говорит о повышении эффективности энергосбережения по мере приближения к нулевому ресурсу и о возможности создания финансового ресурса для энергосбережения.



Выводы по работе

Анализ требования стандартов к методическому обеспечению энергосбережения и публикаций по разработанным и используемым методикам для электрических сетей, производственных потребительских установок и для предприятий АПК показал, что наибольшим соответствием требованиям обладает разработанный в СПбГАУ метод конечных отношений,

- рассматривающий потребительскую систему как совокупность технических элементов (единиц оборудования) и происходящих в них идентичных энергетических и энерготехнологических процессов, базирующийся на универсальном параметре - относительной энергоемкости, прямо связанном с энергоемкостью продукции (целевым минимизируемым параметром при энергосбережении);

- содержащий системный параметр (?Q/Q_к), превышающий сумму значений, определяемых свойствами каждого элемента, что и позволяет потребительскую техническую структуру считать системой;

- позволяющий сопоставить энергетические параметры с экономическими всего производства, т.е. учитывающий рыночную конъюнктуру.

На основе теоремы Лагранжа о приращениях применительно к регистрируемым кривым счетчиков энергии установлено, что при отсутствии функции для регистрационной линии после построения линейной функции в определенном интервале времени величина расхождения приращений в любой точке этого интервала полностью определяется отношением соответствующих производных, что позволяет использовать такое отношение, соответствующее относительной энергоемкости МКО, для анализа любых энергетических процессов, связанных законом сохранения и описываемых двумя интегральными линиями (то есть доказана правомерность МКО для регистрационных кривых счетчиков энергии).

Обоснованное понятие ресурса энергосбережения представлено в исследовании как разность между энергетическим параметром оборудования или процесса в фактическом режиме и этим же параметром в оптимальном (номинальном, теоретическом, расчетном для определенных условий) режиме, что позволяет при проведении энергосберегающих мероприятий иметь численное значение результата в виде отклонения от технического (т.е. реального) оптимума.

Использование созданной под требования МКО в СПбГАУ информационно-измерительной системы (ИИС) на двух предприятиях АПК Мурманской области заложило основу продолжительного эксперимента на наиболее подготовленном к энергосбережению оборудовании - асинхронных электродвигателях, обеспеченных необходимой для определения ресурса энергосбережения информацией в виде энергетических характеристик з=f(Р₂). По результатам регистрационных измерений, расчетов и табличным данным определены паспортные значения относительной энергоемкости, по которым при последующих измерениях за весь срок эксплуатации периодически будет определяться изменение ресурса энергосбережения в различных режимах, включая режим автоматического управления мощностью. Целью продолжения эксперимента является новое направление использования МКО - контроль технического состояния оборудования.

Исследование по литературным источникам позволило установить, что применяемые энерготехнологические процессы в АПК, особенно с использованием потока электромагнитной энергии, создают потери, сопоставимые с суммарными потерями в электроприводах и электронагревательных установках и не заменяются более эффективными, несмотря на то, что научные разработки по ним есть, и они могут быть признаны инновационными. Основная причина сдерживания внедрения - отсутствие методического обобщения по способам оптимального (по потерям) сочетания объемных характеристик электромагнитного потока с объемными характеристиками движущейся или неподвижной технологической среды. Это должно стать задачей расширения возможностей МКО в энергосбережении.

Сравнение результатов экспериментального исследования потерь энергии в электрических сетях предприятия и в потребительской системе сельскохозяйственного производства с использованием ИИС показало, что методическое и инструментальное обеспечение во втором случае более совершенное, так как включает в анализ эффективность процессов использования энергии (а не только передачи и преобразования) и ориентировано на снижение обобщающего для производства энергетического параметра - энергоемкость продукции, при этом результат приближения к объективному минимальному значению имеет численное выражение.

Сопоставление цены реализации продукции и ее энергоемкости в виде гиперболической функции роста частной доходности энергии является не только методическим расширением МКО на экономические параметры производства, но и свидетельствует о существенном расширении сферы влияния энергетического менеджмента.



Список публикаций

1. Иванникова, Н.Ю. Энергосбережение. Энергоемкость продукции как обобщающий параметр эффективности использования энергии / Н.Ю. Иванникова, В.Н. Карпов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. № 5. 2008.

2. Иванникова, Н.Ю. Расчет потерь активной мощности в системах электроснабжения промышленных предприятий / Н.Ю. Иванникова, Н.Н. Максименко, А.Н. Клян // Известия вузов МВ ССО СССР - Энергетика. 1989.

3. Иванникова, Н.Ю. Основные направления оптимизации электропотребления на промышленных предприятиях НГМК / Н.Ю. Иванникова, Н.Н. Максименко, А.Н. Клян, С.Н. Масленников // IV секция НС АН СССР (сборник докладов по материалам конференции). - Апатиты, 1989.

4. Иванникова, Н.Ю. Анализ баланса потерь активной мощности в сети постоянного тока при электролизе никеля / Н.Ю. Иванникова, Н.Н. Максименко, А.Н. Клян // IV секция НС АН СССР (сборник докладов по материалам конференции). - Норильск, 1989.

5. Иванникова, Н.Ю. Оптимизация режима потребления реактивной мощности в узлах нагрузки Никелевого завода / Н.Ю. Иванникова, Н.Н. Максименко, А.Н. Клян // IV секциия НС АН СССР (сборник докладов по материалам конференции). - Норильск, 1989.

6. Иванникова, Н.Ю. Анализ состава потерь активной мощности на промышленных предприятиях цветной металлургии / Н.Ю. Иванникова, Н.Н. Максименко, А.Н. Клян, Е.Н. Масалова // IV секция НС АН СССР (сборник докладов по материалам конференции). - Норильск, 1989.

7. Иванникова, Н.Ю. Анализ показателей качества электроэнергии в схемах электроснабжения Никелевого и Медного заводов НГМК / Н.Ю. Иванникова, Н.Н. Максименко, А.Н. Клян // Промышленная энергетика. № 8. 1990.

8. Иванникова, Н.Ю. Рациональная нагрузка трансформаторов ГПП на промышленных предприятиях с электролизным производством / Н.Ю. Иванникова, Н.Н. Максименко, А.Н. Клян // Научно - техническая конференция (тезисы докладов по материалам конференции). - Москва, 1990.

9. Иванникова, Н.Ю. Анализ состава потерь активной мощности на промышленных предприятиях цветной металлургии / Н.Ю. Иванникова, Н.Н. Максименко, А.Н. Клян // Промышленная энергетика. № 3. 1992.

10. Иванникова, Н.Ю. Реконструкция внешнего электроснабжения ОАО "МСВ - СДП" / Н.Ю. Иванникова, А.В. Красных // Международная научно - техническая конференция "Наука и образование - 2004" (сборник докладов по материалам конференции). - Мурманск: МГТУ, 2004.

11. Иванникова, Н.Ю. Энергосбережение как результат оптимизации системы энергообеспечения производства по энергоемкости продукции / Н.Ю. Иванникова, В.Н. Карпов // Перспективы и направления развития энергетики АПК. Международная научно-техническая конференция (сборник докладов по материалам конференции). - Минск: БГАТУ, 2007.

12. Иванникова, Н.Ю. Современные методы и функции энергетического менеджмента в потребительских системах / Н.Ю. Иванникова, В.Н. Карпов // Вестник Харьковского национального технического университета сельского хозяйства им. П.Василенко. Выпуск 57, том 2 "Проблемы энергообеспечения и энергосбережения в АПК Украины". - Харьков, 2008.

13. Иванникова, Н.Ю. Оценка энергоемкости выпускаемой продукции, как обобщающего параметра энергосбережения / Н.Ю. Иванникова // Международная научно-техническая конференция "Наука и образование - 2008" (сборник докладов по материалам конференции). - Мурманск: МГТУ, 2008.

14. Иванникова, Н.Ю. Проблемы энергосбережения в АПК / Н.Ю. Иванникова, В.Н. Карпов // Международная научно - техническая конференция "Наука и образование - 2008" (Сборник докладов по материалам). - Мурманск: МГТУ, 2008.

15. V. Karpov, N. Ivannikova. Modern preparation of the power - engineers for the development of rural territories. ENGINEERING FORRURAI DEVELOPMENT. Proceedings of the 7^th International Scientific Conference. - Jelgava, 2008. - 6-10 p.

Размещено на Allbest.ru

...