CC BY
312
= 10 ^^ Энергобезопасность и энергосбережение ^^ ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ
УДК 658.18:621.311
Метод целевого энергетического мониторинга и его усовершенствование для анализа работы предприятия, выпускающего несколько видов продукции
А. С. Беляев,
с. н. с., ОАО Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт, Физико-техническое отделение
Е. К. Бубенок,
м. н. с., ОАО Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт, Физико-техническое отделение
Н. В. Мухин,
м. н. с., ОАО Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт, Физико-техническое отделение
Представлено краткое описание метода целевого энергетического мониторинга, предназначенного для анализа эффективности энергопотребления промышленного предприятия по отчётным статистическим данным, и дано описание нового метода безразмерного анализа, расширяющего область применения метода целевого энергетического мониторинга на предприятиях с широким ассортиментом выпускаемой продукции.
Ключевые слова: целевой энергетический мониторинг, энергоэффективность, энергия, энергопотребление, функция стандартного энергопотребления, анализ безразмерных величин.
Целевой энергетический мониторинг (ЦЭМ)
Термин «целевой энергетический мониторинг» является прямым переводом английского выражения «Energy Monitoring and Targeting», где словосочетание «энергетический мониторинг» подразумевает отслеживание показателей потребления энергоресурсов, а слово «целевой» подразумевает не простое отслеживание, а отслеживание с одновременной разработкой по полученным результатам мониторинга целей в количественных показателях энергопотребления, к которым требуется стремиться.
В общем случае целевой энергетический мониторинг подразумевает не просто организацию сбора информации, её обработку, анализ и принятие решений, а чёткую организационную структуру, ответственную за реализацию целевого энергетического мониторинга. Поэтому он не только характеризует направление деятельности, но, в первую очередь, является структурным подразделением предприятия, которое реализует данное направление. За рубежом подобные подразделения наиболее часто называются отделом энергетического менеджмента, т. к. они занимаются управле-
нием энергоэффективности предприятия и представляют собой специальный орган управления, входящий в административный аппарат предприятия: самостоятельная служба, подчинённая непосредственно одному из директоров предприятия, независимая от главного энергетика. Обычно предприятие разбивается на отдельные центры энергетического учёта (ЦЭУ). Каждый из выделенных ЦЭУ оснащается приборами учёта энергопотребления. Данные об энергопотреблении центром энергетического учёта являются первичной информацией, которая регулярно собирается с каждого центра и поступает в отдел энергетического менеджмента. Для обработки поступающей информации и принятия решения используется общепризнанная методика целевого энергетического мониторинга. По оценкам Британского агентства энергоэффективности, внедрение энергетического менеджмента снижает текущие затраты на энергоресурсы в денежном выражении на 10-12 % без дополнительных расходов на модернизацию технологии [1].
В настоящее время в международной практике при анализе энергоэффективности предприятий по
ДЕИЯ8ИВИИ
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 11 =
результатам их энергетических обследований наиболее часто используется метод обработки информации, принятый в целевом энергетическом мониторинге, а метод анализа энергоэффективности при этом называется «метод ЦЭМ».
В нашей стране энергоэффективности уделяется большое внимание, но энергетический менеджмент на предприятиях в буквальном смысле этого слова, т. е. управление энергоэффективностью с созданием специальных подразделений и инфраструктуры, отсутствует. Тем не менее, при анализе энергоэффективности промышленного предприятия по результатам его энергетического обследования достаточно часто применяется метод ЦЭМ.
Этот метод прост и удобен в применении, нагляден для руководства предприятия, даёт показательные результаты и широко распространён при проведении энергетических обследований [2].
Анализ энергоэффективности по методу ЦЭМ
По методу ЦЭМ собираются данные по потреблению энергоресурсов за определенные интервалы времени анализируемого периода. Согласно методу целевого энергетического мониторинга, для проведения анализа энергоэффективности помимо данных по энергопотреблению также собираются данные по факторам, влияющим на энергопотребление. Для промышленного предприятия это обычно данные по объёму произведённой продукции или услуг в физическом выражении. Для отдельных объектов исследования влияющие факторы могут быть достаточно разнообразными: люксо-дни, гра-дусо-дни, вторичные энергоресурсы и пр. При этом подразумевается, что влияющий фактор является независимым и единственным. Если таких факторов несколько, то анализ энергопотребления в зависимости от одного влияющего фактора без учёта влияния остальных влияющих факторов становится непоказательными. Например, по методу целевого энергетического мониторинга можно оценивать оптимальность потребления цехом количества охлаждающей технической воды в зависимости от количества выпущенной им продукции. Но если температура охлаждающей воды меняется для разных интервалов времени анализируемого периода, например, изменяются среднемесячные температуры речной воды, то метод целевого энергетического мониторинга становится неприменимым, и требуется специальная доработка метода по учёту температуры воды с учётом типа установленного оборудования в цехе.
Метод ЦЭМ предполагает, что для каждого центра энергетического учета существует линейная зависимость энергопотребления Е от влияющего на него фактора Р, которая называется функцией стандартного энергопотребления:
Е„(Е)=а+Ъ-Г, (1)
где коэффициенты а и Ъ определяются методом линейной регрессии (аппроксимации).
Таким образом, функция стандартного энергопотребления строится методом математической регрессии по точкам статистического учёта за 1-е интервалы времени выделенного анализируемого периода: по фактическому потреблению энергоресурса за г-й интервал времени Ег и фактическому значению влияющего фактора за тот же интервал времени а получаемая совокупность значений Ест (прямая линия) представляет собой не что иное, как среднестатистическое фактическое энергопотребление при различных значениях Р. Термин «стандартное» напрямую заимствован из английской литературы по энергоменеджменту и не имеет отношения к какому-либо заранее определенному стандарту.
Зная Ест(Р), легко рассчитать экономию или перерасход энергии для любого г-го интервала времени по формуле
ДЕг=Ест№)-Ег=а+Ъ-Р-Ег, (2)
где и Ег - значения влияющего фактора и энергопотребления за г-й интервал времени соответственно.
При правильно выполненном определении коэффициентов а и Ъ сумма всех отклонений реальных показателей энергопотребления за г-й интервал времени Ег от стандартной функции Ест(Рг) будет равна нулю: ЕДЕг=0. Поскольку стандартные функции строятся по точкам фактического потребления, реально достигаемым на практике, то точки фактического потребления, находящиеся ниже стандартной функции, не являются точками теоретического достижения, а отражают уже достигнутые реальные показатели. Все точки, находящиеся выше стандартной функции, т. е. выше среднестатистических показателей, принято считать перерасходом, связанным с неоптимальным потреблением энергоресурсов в соответствующие интервалы времени. Обычно рассматриваемый вид перерасхода возможно устранить за счёт организационных мероприятий без крупных капиталовложений. Организационные мероприятия включают в себя не только выявление причин перерасхода энергоресурсов за выявленные интервалы времени, но и составление необходимых инструкций, проведение обучения обслуживающего персонала для устранения этих причин, своевременную профилактику, ремонт и наладку установленного оборудования, дополнительную установку измерительных приборов для получения более полной информации и т. д. Таким образом, сумма всех ДЕг с положительным знаком характеризует потенциал возможной экономии энергоресурса при малозатратных мероприятиях.
Метод целевого энергетического мониторинга можно было бы считать аналогичным методу анализа удельных норм, если бы он не обладал одной важной дополнительной возможностью: кроме функции стандартного энергопотребления в целевом энергетическом мониторинге используется так называемое целевое энергопотребление Ец, позволяющее ставить конкретные цели перед предприятием. Функция целевого
ШИШИ2Ш
= 12
Энергобезопасность и энергосбережение
энергопотребления, как и функция стандартного энергопотребления, является линейной функцией. При построении функции целевого энергопотребления из всего массива точек Eст(Fi) исключаются те, которые лежат выше прямой функции стандартного энергопотребления, а по оставшимся точкам Eст(Fi), находящимся ниже функции стандартного энергопотребления, строится усредняющая прямая, как и ранее, методом линейной регрессии. Полученная прямая и является функцией целевого энергопотребления:
Ец^^+ЬЦ^. (3)
Целевая экономия для выделенного анализируемого периода (например, на предстоящий год по результатам анализа данных предшествующего года) определяется как «стандартная» экономия, но ДEi отсчиты-ваются не до стандартной функции, а до целевой. При этом потенциал целевой экономии будет составлять сумму всех ДEц(i) с положительным знаком.
Несмотря на то, что целевые функции также строятся по фактическим показателям работы предприятия, для достижения целевых показателей уже требуются определенные капиталовложения на мероприятия, не меняющие сложившиеся режимы в целом, но повышающие стабильность работы оборудования: замена износившегося оборудования, снижение сезонной зависимости (снижение температуры оборотной воды, установка частотно регулируемых приводов и пр.), наладочные работы и т. д. Поэтому снижение энергопотребления до уровня целевой функции (экономия энергоресурсов) связано, как правило, уже со среднезатратными мероприятиями [3].
Метод ЦЭМ удобен и нагляден в применении, к его достоинствам можно отнести:
- унифицированность (независимость метода от отрасли предприятия, состава рассматриваемого технологического оборудования, типа потребляемых энергоресурсов);
- простоту обработки исходных данных по энергопотреблению и значениям влияющего фактора для проведения дальнейшего анализа;
- возможность объективного и несложного определения целевых показателей энергопотребления, к которым требуется стремиться;
- возможность оценки потенциала сокращений потребления энергоресурсов на основе стандартной и целевой функций без детального анализа технологических процессов, происходящих на обследуемом предприятии [4].
Но возможности применения метода ЦЭМ ограничены из-за сложности выбора независимого влияющего фактора на потребление рассматриваемого энергоресурса. Например, тепловые электростанции (ТЭС) производят два вида продукции: тепловую и электрическую энергию. С одной стороны, оба вида продукции являются энергией, и для определения суммарного количества выпускаемой станцией продукции достаточно просто привести тепловую и электрическую энергию к общей единице измерения и сложить их. Однако количество потреблённого топлива не будет
находиться в линейной зависимости от суммарного количества выработанной станцией энергии и будет зависеть от долей конденсационной и теплофикационной выработки электроэнергии в комбинированном цикле. Кроме того, характеристики топлива для различных периодов времени могут меняться, или же на станции могут одновременно сжигаться различные виды топлива. Поэтому метод целевого энергетического мониторинга для ТЭС не применим и требуется разработка новой методики, позволяющей, как и метод ЦЭМ, строить стандартные и целевые функции потребления станцией топлива.
При анализе эффективности энергопотребления не подразделений, а предприятия в целом, например завода, следует в качестве влияющего фактора брать выпуск заводской продукции. Если завод выпускает один вид продукции, то сложностей нет. Например, допустим, что на заводе в каждом цехе выпускаются комплектующие, из которых потом собирается товарная продукция. Доля потребления рассматриваемого энергоресурса может быть для каждого цеха различной и даже нулевой. Но для всего завода в целом анализ энергопотребления с использованием стандартных и целевых функций, где влияющим фактором будет являться объём выпускаемой товарной продукции, окажется показательным. Однако на практике очень часто имеют место ситуации, когда предприятие выпускает несколько видов продукции, хоть и взаимосвязанных между собой в технологической цепочке, но относительно независимых. Например, без одного вида продукции невозможно получить другой вид продукции. Но тот и другой вид продукции уже являются товарным продуктом, и план выпуска по каждому виду продукции может составляться раздельно с учётом необходимых требований по взаимосвязям. Разумеется, что энергоёмкости разных видов продукции будут разными. Тогда в качестве влияющего фактора при анализе энергопотребления завода в целом нельзя выбрать один из видов производимой продукции или их сумму. Тем более, что очень часто выпуск продукции подразделениями может фиксироваться в несочетаемых между собой единицах измерения. В данной ситуации применение безразмерных величин выпуска продукции поможет снять возникшее ограничение, а именно дать возможность суммирования всех видов продукции. Но при разработке новой методики безразмерного анализа, соблюдающей принципы метода целевого энергетического мониторинга, необходимо предусмотреть влияние энергопотребления каждого цеха на суммарное энергопотребление предприятия. Ниже дано описание метода ЦЭМ, усовершенствованного для анализа эффективности энергопотребления предприятия при широком ассортименте выпускаемой продукции с использованием безразмерных величин.
Методика анализа эффективности энергопотребления предприятия по методу ЦЭМ при широком ассортименте выпускаемой продукции с использованием безразмерных величин
Примем для удобства изложения продолжительность анализируемого периода за один год, а интервал сбора показаний - один месяц.
ДВИЯ8ИВИИ
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 13 =
В качестве первого шага предлагаемой новой методики нужно для каждого вида продукции каждого подразделения за наблюдаемый годовой интервал времени определить среднемесячные значения и поделить после этого на полученные значения показатели ежемесячного выпуска рассматриваемого вида продукции. Подобная операция позволит получить безразмерные величины данных по ежемесячному выпуску продукции каждым подразделением. Средние за год значения полученных безразмерных величин выпуска продукции по каждому подразделению будут составлять единицы.
На втором шаге следует определить ежемесячные суммарные значения выпуска продукции для всего предприятия в безразмерных единицах. Для этого необходимо ввести удельный вес каждого подразделения в потреблении энергоносителя - для одного и того же подразделения для каждого вида энергоносителя получится свой поправочный коэффициент, определённый по фактической доле в структуре потребления предприятием данного вида энергоносителя, приходящейся на данное подразделение. Сумма коэффициентов всех подразделений предприятия для определённого вида энергоносителя всегда будет равняться единице. Но для одного и того же подразделения при анализе разных энергоносителей будут фигурировать разные коэффициенты корректировки выпускаемой подразделением продукции, т. е., несмотря на одно и то же количество выпущенной подразделением продукции в рассматриваемом месяце, безразмерная величина выпущенной этим подразделением продукции при рассмотрении различных видов энергоносителей будет различной. Соответственно, данные по суммарному общезаводскому месячному выпуску продукции при рассмотрении каждого вида энергоносителя также будут различаться между собой, хотя в физическом смысле это невозможно: сколько продукции выпущено - столько выпущено, а количество потребленного энергоносителя второстепенно и обычно рассматривается второй строкой. За анализируемый годовой период количество выпускаемой предприятием комбинированной продукции (т. е. суммарной продукции всех видов) для каждого месяца будет своим, при этом может оказаться как больше единицы, так и меньше. Но среднемесячная годовая величина выпуска продукции при рассмотрении каждого вида энергоносителя всегда должна оказаться равной единице.
Далее - все, как обычно по методу ЦЭМ.
На примере одного завода приведена зависимость потребления электроэнергии и топлива от количества выпускаемой комбинированной продукции в безразмерном выражении (рис. 1, 2). Стандартные функции, определённые при помощи линейной аппроксимации, изображены сплошными линиями. Целевые функции, полученные также в результате линейной аппроксимации, но после отсева точек, расположенных выше
Выпуск продукции, усл.ед.
Рис. 1. Потребление электроэнергии в зависимости от вьпуска продукции за годовой период
Рис. 2. Потребление топлива в зависимости от вьпуска продукции за годовой период
стандартных функций, изображены пунктирными линиями.
Показатели количественной обработки представленных графиков приведены в табл. 1.
Выводы
1. Культура потребления электрической энергии заводом в целом достаточно низкая: отклонения от стандартной функции в апреле - мае составили соответственно -8,0 и -5,8 %, в октябре - ноябре +12,5 и +11,5 %, в декабре -6,3 %. Сезонной зависимости не прослеживается. Потенциал экономии за счёт организационных и малозатратных мероприятий 2,3 %, за счёт мало- и среднезатратных (при выходе на показатели целевой функции) 4,0 %.
2. Культура потребления топлива заводом достаточно высокая, отклонения более ± 5 % от стандартной функции имели место для двух месяцев: -7,0 % в марте и +5,9 % в сентябре. Потенциал экономии за счёт организационных и малозатратных мероприятий 1,4 %, за счёт мало- и среднезатратных (при выходе на показатели целевой функции) 5,4 %.
Таким образом, разработанный новый метод обработки исходной информации позволяет расширить область применения метода ЦЭМ для анализа эффективности потребления энергоресурсов на предприятиях с широким ассортиментом выпускаемой продукции, а сам анализ при этом проводить с использованием безразмерных величин для определения суммарного количества выпускаемой продукции с учётом типа потребляемого энергоресурса.
ШИШИ2Ш
= 14 ^^ Энергобезопасность и энергосбережение
Таблица 1
Результаты анализа графиков целевого мониторинга
Наименование позиции Ед. изм. янв фев мар апр май июн июл авг сен окт ноя дек
Потребление электроэнергии
Фактическое потребление электроэнергии тыс. кВт-ч 13057 12412 12838 11519 11751 9855 13210 13396 13714 15228 13562 12662
Потребление электроэнергии по стандартной функции тыс. кВт-ч 13328 12390 13372 12519 12471 9868 13206 13470 13363 13534 12167 13515
Отклонение от стандартной функции тыс. кВт-ч -271 22 -534 -1000 -720 -13 4 -74 350 1695 1394 -853
% -2,0 0,2 -4,0 -8,0 -5,8 -0,1 0,0 -0,5 2,6 12,5 11,5 -6,3
Потенциальная экономия электроэнергии при малозатратных мероприятиях тыс. кВт-ч 3465 (2,3 % от годового потребления)
Потребление электроэнергии по целевой функции тыс. кВт-ч 12762 11922 12801 12037 11995 9666 12653 12889 12793 12946 11723 12928
Отклонение от целевой функции тыс. кВт-ч 296 489 37 -519 -244 189 558 508 921 2283 1839 -267
Потенциальная экономия электроэнергии при выходе на целевую функцию тыс. кВт-ч 6089 (4,0 % от годового потребления)
Потребление топлива
Фактическое потребление топлива т у.т. 12031 10773 10819 11216 11196 7838 11342 12058 12383 12667 10635 12495
Потребление топлива по стандартной функции т у.т. 12272 11316 11632 11543 11158 7780 11155 12007 11694 12058 10503 12336
Отклонение от стандартной функции т у.т. -241 -543 -813 -327 38 58 187 51 690 609 132 159
% -2,0 -4,8 -7,0 -2,8 0,3 0,7 1,7 0,4 5,9 5,1 1,3 1,3
Потенциальная экономия топлива при малозатратных мероприятиях т у.т. 1924 (1,4 % от годового потребления)
Потребление топлива по целевой функции т у.т. 11975 10716 11133 11015 10509 6058 10505 11626 11213 11693 9645 12059
Отклонение от целевой функции т у.т. 56 57 -314 201 688 1780 838 431 1170 974 990 436
Потенциальная экономия топлива при выходе на целевую функцию т у.т. 7306 (5,4 % от годового потребления)
Литература
1. «Energy Audits for Industry», Fuel Efficiency Booklet. Energy Efficiency Office of the Department of the Environment. UK, 1995.
2. Понаровкин Д. Б., Лоскутов А. В., Матюнина Ю. В. Основы энергетического менеджмента: Учебное пособие по курсам «Менеджмент в энергохозяйстве» и «Энергоаудит предприятия» для студентов, обучающихся по специальности 181300. - М.: МЭИ, 2000.
3. Хайд Д., Лоскутов А. В. Целевой энергетический мониторинг в системе энергетического менеджмента // Промышленная энергетика. - 1998. - № 4.
4. Osborn A. Energy Manager / Rover Group, UK. Saving Energy by Raising Awareness: Seminar «Energy management: Low cost energy saving Techniques». - Kiev, April 1997.
The method of the target energy monitoring and improvement for the analysis of the company, which produces several
types of products
A. S. Belyaev,
Senior Fellow, JSC. All-Russian Thermal Research Institute, Physics and Technical Department
E. K. Bubenok,
Research Associate, JSC All-Russian Thermal Engineering Institute, Physics and Technical Department
N. V. Mukhin,
Research Associate, JSC All-Russian Thermal Engineering Institute, Physics and Technical Department
A brief description of the method of the target energy monitoring, designed to analyze the energy efficiency of industrial enterprises for reporting statistical data and describes a new method of dimensionless analysis, which extends the scope of the method, the target energy monitoring company with a wide range of products.
Keywords: target energy monitoring, energy efficiency, energy, energy consumption, function of the standard power, analysis of the dimensionless quantities.
HSMISBI
