Нормирование и экономия расходов электрической энергии на машиностроительных предприятиях

На правах рукописи

Петрицкий Сергей Александрович

НОРМИРОВАНИЕ И ЭКОНОМИЯ РАСХОДОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ЭНЕРГИИ НА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород- 2010

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) на кафедре "Электроэнергетика и электроснабжение".

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Вагин Геннадий Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Степанов Валентин Павлович

кандидат технических наук

Шалаев Сергей Алексеевич

Ведущая организация: Московский энергетический институт. Научно-технический инновационный центр энергосберегающих технологий и техники

Защита диссертации состоится "9" апреля 2010 г. в 14 часов, в аудитории № 1258 на заседании диссертационного совета Д 212.165.02 при Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603950 г. Н. Новгород, ул. Минина, д. 24, корпус 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации просим направлять по адресу: 603600, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, Ученый совет НГТУ им. Р.Е. Алексеева.

Тел./факс: (831)419-82-07

E-mail: sa540@mail.ru

Автореферат разослан "25" февраля 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.165.02

кандидат технических наук, доцент В.В. Соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы. В 2000-2008 гг. энергоемкость внутреннего валового продукта (ВВП) в России снизилась на 35%. Однако несмотря на это снижение, в 2006 г. она была в 2,5 раза выше среднемировой и в 2,5-3,5 раза выше чем в США, Японии и ряде стран Евросоюза. В указе президента РФ от 04.06.2008 г. №889 "О некоторых мерах по повышению энергетической эффективности Российской экономики" поставлена задача снизить энергоемкость ВВП в 2020 г. на 40% от уровня 2007 г. и получить экономию топливно-энгергетических ресурсов (ТЭР) в объеме 700-980 млн. тонн условного топлива (т у.т.). Повышение энергоэффективности экономики страны должно стать основным ресурсом экономического роста до 2030 г.

Почти треть потенциала экономии ТЭР сосредоточена в отраслях топливно-энергетического комплекса, еще 35-37% - в промышленности и
25-27% - в жилищно-коммунальном хозяйстве и бюджетной сфере. Потенциал энергосбережения в промышленности находится в пределах 120-150 млн. т у.т. в год. Среди отраслей промышленности машиностроение занимает одно из ведущих мест. Машиностроительная промышленность ежегодно потребляет около 60 млн. т у.т. различных ТЭР. Потенциал энергосбережения в машиностроительном комплексе оценивается на уровне 24-30 млн. т у.т. в год.

Решению проблемы нормирования и экономии ТЭР на машиностроительных предприятиях (МП) посвящено большое количество публикаций как в нашей стране, так и за рубежом. Среди них можно отметить работы Б.Н. Авилова-Карнаухова, Э. Бааке, И.А. Башмакова, С.Д. Волобринского, Г.Я. Вагина, А.Г. Вакулко, А.И. Гардина, М.В. Гофмана, Н.И. Данилова, О.Л. Данилова, Л.Б. Директора, Ю.В. Копытова, Б.И. Кудрина,
М.Г. Ладыгичева, В.Г. Лисиенко, А.Б. Лоскутова, Р.В. Минеева, Д.Х. Мортимера, Б.В. Папкова, А.Х. Сальникова, А.Д. Свенчанского,
М.Я. Смелянского, В.П. Степанова, М.Х. Чоджоя, Б.А. Чуланова, С.А. Шалаева, Я.М. Щелокова, и многих других.

Однако, несмотря на большую актуальность проблемы, она решается очень медленно, так как отсутствует четкая концепция выбора мероприятий по энергосбережению, нет научно обоснованных методов нормирования электропотребления и методов выбора энергоресурсосберегающих технологий.

Связь работы с научными программами. Диссертационная работа выполнялась в рамках Государственных контрактов с Минпромнауки РФ:

1) Разработка программы по оптимизации энергозатрат на продукцию оборонно-промышленного комплекса. Контракт № 36.6656.11.0314 от 24.10.03.

2) Разработка системы паспортизации энергосбережения предприятий различных отраслей промышленности. Контракт № 09.669.11.005 от 29.04.02.

Объект исследования - системы электроснабжения и электроприемники машиностроительных предприятий.

Предмет исследования - методы нормирования и экономии электроэнергии.

Цель работы - разработка научно-обоснованных методик нормирования расходов электроэнергии и концепции выбора энергосберегающих мероприятий и технологий на машиностроительных предприятиях.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие научные и практические задачи:

1. Разработка аппаратно-программного комплекса "Автоматизированное рабочее место (АРМ) инженера-энергоаудитора".
2. Энергоаудит группы действующих машиностроительных предприятий с анализом структур технологических процессов, выявлением состава потребителей электроэнергии и исследованием электропотребления.
3. Анализ существующих методов нормирования расходов электроэнергии на машиностроительных предприятиях и их совершенствование с учетом реальных режимов работы электроприемников.
4. Разработка концепции экономии электрической энергии и методики выбора энергоресурсосберегающих технологий и оборудования.

Методы научных исследований. Для решения поставленных в работе задач использовались: методы инструментального исследования (энергоаудита) действующих машиностроительных предприятиях с обработкой данных на ЭВМ; регрессионный анализ; экономический анализ; методы математического моделирования на ЭВМ.

Научная новизна работы.

1. Разработан и запатентован аппаратно-программный комплекс
   "АРМ инженера-энергоаудитора", позволяющий автоматизировать процесс энергоаудита за счет использования специализированного программного обеспечения для ЭВМ и парка портативных измерительных приборов.
2. Разработана методика нормирования расходов электрической энергии с использованием программного продукта на ЭВМ, позволяющая автоматизировать трудоемкие методы расчета и повысить точность расчета.
3. Сформулированы концептуальные положения по экономии электроэнергии на машиностроительных предприятиях, что позволяет правильно выбирать наиболее энергоэффективные мероприятия.
4. Разработана методика выбора энергоресурсосберегающих технологий и оборудования, учитывающая в комплексе стоимость энергоносителей, сырья, материалов, эксплуатации и влияния на экологию, что позволяет сократить сроки окупаемости модернизации и замены устаревших технологий.

Практическая ценность результатов работы.

1. Разработанный АРМ энергоаудитора позволяет до трех раз сократить сроки проведения энергоаудита машиностроительных предприятий.
2. Разработанная методика нормирования расходов электроэнергии с использованием ЭВМ доведена до практического применения и может применяться на всех машиностроительных предприятиях, так как федеральный закон "О техническом регулировании" от 27.12.2002 № 184-ФЗ обязывает все предприятия заниматься разработкой норм расходов энергоносителей.
3. Разработанная концепция по экономии электроэнергии на машиностроительных предприятиях необходима для составления планов энергосбережения, которые должны быть представлены в федеральный орган, контролирующий вопросы энергосбережения.
4. Разработанная методика выбора энергоресурсосберегающих технологий позволяет увеличить чистый дисконтированный доход (ЧДД) за счет комплексного учета стоимости энергоносителей, сырья, материалов и других факторов, и тем самым снизить сроки окупаемости новых технологий и оборудования.

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами инструментальных исследований(энергоаудита) группы различных машиностроительных предприятий, хорошим совпадением результатов расчета норм по предлагаемой методике с данными фактических замеров, патентом на АРМ энергоаудитора и зарегистрированной в реестре программ для ЭВМ программным комплексом расчета норм.

Реализация результатов работы.

1. Концептуальные положения по экономии электрической энергии на машиностроительных предприятиях и методика выбора энергоресурсосберегающих технологий и оборудования были использованы ГУ "Государственный фонд конверсии" и ООО "Нижегородский инвестиционный центр энергоэффективности-НН" при разработке проекта федеральной целевой программы "Снижение энергоемкости продукции предприятий оборонно-промышленного комплекса РФ", которая была направлена в Минпромнауки РФ".
2. Разработанные в диссертационной работе рекомендации по экономии электроэнергии были использованы ООО "Нижегородский инвестиционный центр энергоэффективности-НН" при энергетических обследованиях более 12 машиностроительных предприятий. Расчетный экономический эффект от их внедрения составил 10 млн. рублей.
3. Материалы диссертационной работы используются при чтении лекций по курсам "Экономия энергоресурсов" и "Повышение эффективности использования электроэнергии в системах электротехнологий" в НГТУ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Разработанный с участием автора аппаратно-программный комплекс "АРМ инженера-энергоаудитора".
2. Методику расчетно-аналитического нормирования расходов электрической энергии с учетом режимов работы электроприемников цехов машиностроительных предприятий с использованием программного продукта на ЭВМ.
3. Концептуальные положения по экономии энергии на машиностроительных предприятиях.
4. Методику выбора энергоресурсосберегающих технологий и оборудования.

Апробация работы. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы были доложены на Всероссийских конференциях "Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения" (Н. Новгород 1999, 2004), на научно-технических конференциях "Актуальные проблемы электроэнергетики" (Н. Новгород, 2000, 2002, 2007, 2008), на региональном молодежном научно-техническом форуме "Будущее технической науки Нижегородского региона" (Н. Новгород, 2001), на IV Всероссийской конференции "Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности" (Ульяновск, 2003), на "Международном научно-техническом форуме "Великие реки 2003" (Н. Новгород, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 204 наименований, двух приложений и содержит 162 страницы основного текста.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные задачи исследования, дана общая характеристика работы.

В первой главе "Современное состояние проблемы и постановка задачи исследования" выполнен обзор отечественных и зарубежных публикаций по теме диссертации, приведены результаты энергоаудитов группы различных МП.

Энергоаудит МП занимает много времени (от 3 до 24 месяцев), что связано с большим объемом перерабатываемой информации. Для автоматизации проведения энергоаудитов сотрудниками кафедры "Электроэнергетика и электроснабжение" НГТУ и НИЦЭ при участии автора диссертации разработан аппаратно-программный комплекс "Автоматизированное рабочее место инженера-энергоаудитора" (АРМ энергоаудитора). Структура АРМ приведена рисунке 1. АРМ предназначен для: сбора и обработки в режиме реального времени первичной информации с переносных приборов учета потребления энергоресурсов; методического обеспечения энергоаудита; информационного обеспечения энергоаудита за счет встроенных в комплекс необходимых баз данных; программного обеспечения энергоаудита.

Рисунок 1 - Структура АРМ энергоаудитора

Энергоаудит группы МП различного профиля, проведенный с участием автора, показал, что наиболее энергоемкими являются литейные, термические и энергетические цеха. В затратах на энергоносители на МП определяющими являются затраты на электроэнергию, достигающие 60-78 % от общих затрат на энергоносители. На рисунке 2 приведено процентное соотношение затрат на энергоносители приборостроительного (а), атомного машиностроения (б), оборонного (в) и автомобильного (г) предприятий.

Исследование месячных и суточных графиков нагрузки МП и цехов показало, что режим работы большинства предприятий двух- или трехсменный, имеется большая неравномерность как суточных, так и месячных графиков нагрузки. Максимум нагрузги МП зимой на 10-20% больше, чем летом.

а) б) в) г)

Рисунок 2 - Процентное соотношение затрат на энергоносители МП

Исследование методов нормирования расходов электроэнергии показало, что в основном в настоящее время применяется нормирование расходов на 1000 руб. валовой или товарной продукции. Такое нормирование допускалось для МП "Основными положениями по нормированию расхода топлива, тепловой и электрической энергии", выпущенными в 1980 г. Этот метод нормирования не имеет теоретического обоснования и может давать завышение расчетных норм в 2-3 раза.

На некоторых предприятиях применяется также упрощенное выражение для определения месячных и годовых расходов электроэнергии:

, (1)

где Wм.ц. - месячный расход активной электроэнергии цехом, кВтч; n - число однотипных электроприемников в цеху, шт.; Pуст.i - установленная мощность электроприемников i-го вида, кВт; kи.i - коэффициент использования электроприемников i-го вида, о.е.; Тм.i - число часов работы электроприемников i-го вида за месяц, ч.

Исследование показало, что загрузка цехов на многих предприятиях находится на уровне 30-50% от проектной производительности. Это приводит к завышению удельных расходов электроэнергии в 1,5-2 раза.

Во второй главе "Разработка методик нормирования расходов электрической энергии на МП" выполнен анализ существующих методов нормирования на МП и разработаны методики нормирования, учитывающие специфику цехов и режимы работы электроприемников в них.

Для нормирования расхода электроэнергии важное значение имеет выявление структуры общего потребления электроэнергии на предприятии. Структура электропотребления предприятия позволяет производить анализ результатов использования электроэнергии по направлениям ее использования; давать оценку работы персонала цехов по экономии электроэнергии; облегчает выявлять и учитывать возможные резервы экономии при разработке планов организационно-технических мероприятий по экономии электроэнергии. Исходя из структуры электропотребления должна быть организована система нормирования расходов электроэнергии. Объектами нормирования электроэнергии на предприятиях должны являться все технологические агрегаты, цеха, производства, предприятие в целом.

Предлагается придерживаться следующей классификации норм расхода:

- по степени агрегации - индивидуальные и групповые;

- по составу расходов - технологические и общепроизводственные;

- по периоду действия - месячные, квартальные и годовые.

Важное значение в нормировании расхода электроэнергии имеет выбор единицы продукции, на которую устанавливается удельная норма. Эта единица продукции должна выбираться так, чтобы она находилась в прямой зависимости от энергетических затрат на ее производство, соответствовала производственно-материальному учету установленному на предприятии, в цехе, в технологическом процессе; допускала практическую возможность объективного контроля за фактическим расходом электроэнергии на ее производство. Такой единицей является единица годной натуральной продукции. Аналогичный подход существует во всех ведущих странах.

На основании анализа технологической продукции, выпускаемой различными цехами МП, предлагается нормировать расход электроэнергии на следующие единицы продукции: литейные цеха - в кВтч на 1 т годного литья; термические, кузнечно-штамповочные, механические, электросварочные, сборочные, ремонтные, экспериментальные цеха - в кВтч на 1 изделие; гальванические и окрасочные цеха - в кВтч на квадратный метр покрытия и окраски; производство сжатого воздуха, кислорода и других газообразных продуктов - в кВтч на 1000 м3; подача воды - в кВтч на 1000 м3.

Предлагается для нормирования расходов электроэнергии на МП применять один из трех методов: 1) расчетно-аналитический; 2) экспериментальный (опытный); 3) расчетно-статистический.

Расчетно-аналитический метод предусматривает определение норм расхода электрической энергии расчетным путем по статьям расхода на основе энергетических балансов технологических установок и прогрессивных показателей использования электроэнергии в производстве. Практика применения данного метода в других отраслях промышленности показывает, что он является наиболее точным, но вместе с тем трудоемким.

Общепроизводственная цеховая норма расхода электроэнергии Wц при использовании расчетно-аналитического метода определяется выражением (кВтч):

Wц = Wт + Wвсп + W, (2)

где Wт – расход электроэнергии на технологические нужды цеха, кВтч; Wвсп - расход электроэнергии на вспомогательные нужды цеха, кВтч; W - потери электроэнергии в цеховых сетях и трансформаторах, кВтч.

Расход электроэнергии на вспомогательные нужды складывается из расхода на освещение, вентиляцию и прочие потребители электроэнергии, непосредственно не относящиеся к технологическому процессу (хозяйственно-бытовые и санитарно-гигиенические нужды).

Месячные расходы на освещение (кВтч) определяются по выражению (кВтч):

Wосв = Wосв.р + Wосв.д + Wосв.м, (3)

где Wосв.р – расход электроэнергии на общее освещение в рабочее время, кВтч; Wосв.д – расход электроэнергии на аварийное и дежурное освещение, кВтч; Wосв.м – расход электроэнергии на местное освещение, кВтч.

Месячные расходы электроэнергии на вентиляцию определяются по выражению (кВтч):

Wвент = Wвент.п + Wвент.в + Wвент.тз, (4)

где Wвент.п - расход электроэнергии на приточную вентиляцию, кВтч; Wвент.в - расход электроэнергии вытяжную вентиляцию, кВтч; Wвент.тз - расход электроэнергии на тепловые завесы, кВтч.

Потери электроэнергии в цеховых сетях и трансформаторах определяются по выражению (кВтч):

, (5)

где Wуп - условно-постоянные потери, кВтч; Wнагр - нагрузочные потери, кВтч.