ОБОСНОВАНИЕ РЕСУРСА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И МЕР ПО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ АПК МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ

На правах рукописи

Иванникова Наталья Юрьевна

ОБОСНОВАНИЕ РЕСУРСА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И МЕР ПО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ АПК МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ОТНОШЕНИЙ

Специальность 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

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)

Защита состоится 05 февраля 2009 года в 13 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 при ФГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный аграрный университет", 196601, Санкт-Петербург, Пушкин, Петербургское шоссе, д.2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный аграрный университет".

Автореферат разослан и расположен на сайте СПбГАУ 26 декабря 2008 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.А.Смелик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

2. Ввести понятие ресурса энергосбережения для потребительских энергетических систем, составленных из единиц оборудования, выбранного по максимальной нагрузке, как максимально достижимого результата при энергосбережении.
3. На основе теоретических положений МКО сформулировать требования к информационно-измерительной системе и испытать ее опытный образец на оборудовании производственного объекта АПК.
4. Обобщить по литературным источникам возможность и эффективность использования МКО в характерных для АПК энерготехнологических процессах и их режимах.
5. 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.
6. 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..

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.

1. В качестве возмущающего воздействия на нагрузку элемента должен быть принят технологический параметр, определяющий нагрузку.
2. Управление энергетической эффективностью элемента при изменении нагрузки должно основываться на параметре, связывающем подводимую энергию с энергией на выходе.
3. Целесообразно обеспечить приоритетность относительных (перед абсолютными) потерь.
4. 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.