CC BY
40
УДК 621.9
О.А. Ерзин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-18-50, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Е.С. Господынько, магистр, 9207420099, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
АНАЛИЗ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
В статье представлена энергетическая модель технологической системы являющаяся основой методики оценки эффективности технологических операций, позволяющей определять нужное количество материальных и энергетических ресурсов.
Ключевые слова: энергоэффективность, технологическая система, методики оценки эффективности.
Известные методы оценки эффективности технологических операций, как правило, носят организационно-экономический характер, что влечет за собой чрезмерные обобщения и уход от их физической сущности происходящих явлений. Они не позволяют вскрыть технические аспекты той или иной проблемы и наметить пути её решения[1, 2, 3].
В модели гибкого автоматизированного участка [4] сделана попытка учесть все особенности технологических процессов, материальных потоков и специфики производства в натуральных категориях. Полученное описание системы отличается громоздкостью, трудно подвергается анализу и не дает возможности сформировать единый подход к различным иерархическим уровням технологической системы ТС. Известны методы моделирования, рассматривающие материальные и энергетические потоки через их расходы и наборы физико-химических и качественных показателей [10]. В результате возрастает размерность моделей до 500...1500 переменных, каждая из которых может иметь свой критерий оценки. Хотя и отмечается, что наибольший удельный вес приходится на параметры и связи производственной структуры и технической системы, но не предусматривается возможность их вариации в процессе изменения условий функционирования и управления. Это ограничивает область возможных оптимальных стратегий. Модель многопродуктового производства [3] построена в классе непрерывных функций и в экономических категориях стоимость, доход, спрос, предложение и т. д. Она позволят сформировать оптимальные стратегии управления ТС при регулировании цены и объёмов производства. Однако не вскрывает внутренних резервов системы, не дает возможности определить основные источники потерь и наметить структурные и параметрические изменения в системе, приводящие к адаптации ее к вариациям внешних условий.
Очевидно, для анализа функционирования ТС целесообразно представить её в виде взаимосвязанной многоконтурной системы, имеющей
125
определённую иерархию [8]. Входами системы являются потоки основных и вспомогательных материалов, комплектующих и полуфабрикатов, потоки различных видов энергии. Выходы - это материальный поток готовой продукции, материальные отходы и потери энергии. Каждый поток имеет соответствующую интенсивность и качество. Под качеством будем понимать номенклатуру его составляющих и их параметры. ТС характеризуется некоторой структурой и параметрами. Структуру определяет совокупность взаимосвязанных контуров управления преобразованием потоков основных и вспомогательных материалов, инструмента, энергии и т. д. В качестве параметров такой системы выступают характеристики используемых технических средств и технологических процессов. Влияние элементов и контуров друг на друга задаётся функциями или операторами взаимных связей. Современные условия заставляют рассматривать ТС на различных иерархических уровнях как динамический объект. В течение длительных периодов времени она может функционировать в переходных режимах, сопровождаемых, например, колебаниями программы выпуска продукции.
Для решения поставленной задачи и обеспечения единого подхода к различным по физической сущности, динамике, а в некоторых случаях и целям управления, контурам целесообразно использовать энергетические категории. Они позволяют сохранить своеобразие и технические особенности всех уровней системы: воздействие, процесс, машина, система машин [9]. Кроме этого они позволяют перейти от системы с не формализованными и слабыми связями между контурами к стройному единому описанию ТС операции, а в дальнейшем, например при решении задач анализа динамики, к представлению ее виде одноконтурной системы.
Воспользуемся предложенным ранее методом представления состояния ТС в некотором энергетическом пространстве [9]. В этом случае предметы производства, заготовки, детали и др. (материальный поток) должны быть представлены соответствующими энергетическими категориями - энергетическим содержанием элементов материального потока. Важно обеспечить идентичность подхода в определении энергетического содержания любого элемента на любой стадии технологического процесса.
Энергетическая модель, например, основного контура ТС операции без учета перекрестных связей может быть представлена в виде системы, входом в которую является энергия заготовки Езаг, а выходом - энергия
детали Ед
Езаг = Ед + Еотх. (1)
Следует отметить, что пренебрежение перекрестных связей делает невозможным определение Еотх на основании чисто кинематических и геометрических характеристик выполняемой операции и детали соответственно. В этом случае структурная схема ТС операции может быть представлена следующим образом (см. рис.1).
Рис.1. Структурная схема основного контура энергетической модели технологической системы операции
Wпрз =^ = —-> (2)
В этом случае в прямой цепи
Ед =_1
Еотх (Езаг / Ед ) — 1 где Ед / Езаг = Фпрз (р) - передаточная функция замкнутой системы преобразования заготовки в деталь.
Передаточная функция Фпрз (р) отражает динамику изменения снимаемого с заготовки припуска, а в установившемся режиме коэффициент использования материала на конкретной операции.
К числу статических характеристик основного контура следует отнести коэффициент использования материала, который определяет его добротность. Инерционность контура зависит от длительности технологических операций и времени ожидания поступления следующей детали. При наличии в технологической цепочке межоперационных заделов формально длительность обработки конкретной детали возрастает на время ее пролеживания в заделах. С точки зрения управления заделы должны рассматриваться как элементарные звенья с запаздыванием. Величина запаздывания пропорциональна их ёмкости и длительности технологической операции.
Добротность энергетического контура можно определить как отношение энергии диссипируемой в ТС к вводимой в неё. Она характеризует качество используемого оборудования, реализуемых технологических процессов и режимов работы. При такой постановке важное значение приобретает понятие полезной энергии. Под ней будем понимать энергию, идущую на преобразование свойств и формы заготовок, а также изменение пространственного расположения элементов материальных потоков. Таким образом, полезной является вся вводимая в ТС энергия, за исключением энергии, выделяемой в виде тепла [9]. Инерционностью большинства элементов этого контура можно пренебречь по сравнению с основным контуром.
Добротность контура инструмента характеризует эффективность его использования. Если предположить, что каждый инструмент, прежде чем попасть в отходы, произвёл некую заданную полезную работу, то можно принять добротность этого контура равной единице. В этом случае
127
такие характеристики, как число перезаточек, отношение числа инструментов, находящихся в работе, к общему числу инструментов в ТС и т. д. являются внутренними параметрами контура. Его инерционность можно определить через время необходимое для доставки требуемого типа инструмента в начало заданного рабочего участка траектории его движения применительно к конкретному оборудованию [9].
В этом случае такие известные характеристики, как количество инструмента и энергии, необходимых для производства единицы продукции, выступают в виде коэффициентов перекрёстных связей.
На основании описания ТС в энергетическом пространстве [9] её декомпозиция на элементарные объекты становится достаточно очевидной. Это даёт возможность выделить главные и второстепенные входы и выходы и применить известное условное деление [8].
Энергетическая модель основного контура ТС операции с учетом перекрестных связей должна быть представлена в виде системы, входом в которую является полная вводимая энергия Eпол, а выходом - энергия де-
тали E
Д
Eпол Е затЭ + ЕзатМ, (3)
EзатМ = Езаг + Еизн, (4)
где Езаг - энергия заготовки; Е3атЭ ~ все виды энергии, затрачиваемой системой на преобразование заготовки в деталь в конкретных регламентированных условиях производства [9]; ЕзатМ -энергия всех видов материальных ресурсов используемых при выполнении операции.
При таком подходе энергетическая модель (ЭМ) технологической операции (ТО) может быть представлена следующей структурной схемой (рис. 2).
Рис. 2. Структурная схема энергетической модели технологической
системы операции
Из схемы видно, что Ф\ (р) =
Ед
- передаточная функция пре-
ЕзатЭ
образования энергетических ресурсов в энергию заготовки, обратная ей функция отражает динамику изменения приведенных затраты энергии;
Е
Ф2( р) = - обратная передаточная функция преобразования энергии
Ед
входных материальных ресурсов в энергию детали.
Очевидно, модель ТС операции должна быть преобразована таким образом, чтобы обеспечить сочленение моделей различных операций в общем ТП. Вероятно, объединение должно производиться в соответствии с принципами преобразования основного материального потока: т.е. входом должны быть Езаг, а выходом Ед. Для упрощения дальнейших выкладок пренебрежем затратами, связанными с износом инструмента. Они не соизмеримо меньше затрат энергии на формирование отходов основного материала. Тогда на основании закона сохранения энергии можно записать
Епол = ЕзатЭ + Езаг = Ед + Еотх + ЕпотЭ , (5)
или
ЕЕ ЕЕ
^псм = 1 + ^зшЮ = 1 + ЕзатЭ Ед = 1 + ф-\{р) . ф-1(р). (6)
Е Е ЕЕ
Е заг Е заг Ед Е заг
В то же время в соответствии с законом сохранения энергии, используя равенство (5) можно записать
Ед + Еотх = Езаг + ЕзатЭ — ЕпотЭ = Езаг + Епр , (7)
где Епр - энергия, которую необходимо затратить, чтобы диспергировать
заготовку на деталь и отходы, характеризуемые, также как и деталь, определенной геометрией и массой (F, m).
Это равенство позволяет сохранить адекватность модели при
< 1.
Е
Е заг
Очевидно, энергию преобразования условно можно представить в виде двух составляющих:
Епр = Еотх + ЕпрЗ, (8)
где ЕпрЗ - полезная составляющая энергии преобразования, характеризующая затраты энергии на формирования поверхностей детали. Она является функцией параметров оборудования и технологического процесса.
Вычисление ЕпотЭ - представляет собой определённую проблему, так как предполагается учет режимов обработки.
ЕпотЭ = АЕ разр + АЕстр + АЕтехн + АЕио, (9)
где АЕраз - потери на нагрев и деформацию обрабатываемого материала;
АЕстр - потери на образование поверхностей стружки;
АЕтехн - потери на образование лишних поверхностей обусловленных необходимостью многопроходной обработки;
ЛЕио - потери в приводах технологической системы. В этом случае структурная схема энергетической модели ТС операции можно представить следующим образом Из нее можно видеть, что
Wэ (р) = ф-1 (Р) • Ф-1 (р); Жэ (р) = Фх (р),
(10)
где Жэ (Р) - передаточная функция, определяющая необходимые энергетические ресурсы (ЕзатЭ) для производства деталей с энергией Ед из заготовок с энергией Езаг;
Жд (Р) - передаточная функция, определяющая эффективность использования энергии в ТС операции.
Очевидно в реальных условиях, всегда существует расхождение Л между требуемым значением энергии детали Едо и получаемым Ед в количественном и качественном выражении. Задача системы управления ТС операции заключается в минимизации этих отклонений. Передаточная функция регулятора системы Жр (р) определяет материальные и энергетические ресурсы, необходимые для получения деталей с заданным значением Едо. Структурная схема энергетической модели ТС операции примет в этом случае вид, представленный на рис. 3.
Рис. 3. Преобразованная структурная схема энергетической модели технологической системы операции
Можно предположить, что эта система статическая, то есть функционирует всегда с некоторой ошибкой Л. В определенном смысле Л это ошибка в свойствах получаемых деталей.
Очевидно, предложенный подход можно распространить модель функционирования ТС при выполнении некоторой годовой программы (N). В этом случае учет программы выпуска равносилен пропорциональному увеличению энергии детали Едо, то есть Едоп = NЕдопредставляет собой спрос на конкретные детали-операции. Тогда Л -дефицит получаемых деталей в количественном и качественном выражении. На рис. 4 пред-
ставлена структурная схема модели ТС операции, функционирующей в условиях заданной программы выпуска деталей.
'дО
А
Н/Р)
Езаг №э(р) Т7 ^ чаш Э К(Р)
-1 »-*
^затЭ
Рис. 4. Структурная схема энергетической модели технологической системы операции со звеном регулятора
Интересно отметить, что в общем случае Едп ф NЕд; Еполп ф ^пол; Езагп ф МЕзаг и т. д. Это объясняется тем, что параметры соответствующих передаточных функций зависят от программы выпуска деталей.
Очевидно, Еполп > 0 всегда, она определяет необходимое количество ресурсов для получения заданного количества деталей, заданного качества. Если предположить неограниченность материальных и энергетических ресурсов ТС, то можно считать регулятор Wp (p) - безынерционным звеном, то есть Wp (p) = Кр . Он определяет стратегию производства в смысле удовлетворения спроса и возможности ТС по покрытию этого спроса (вероятно здесь следует говорить о части спроса которую потенциально может удовлетворить конкретная ТС).
Предложенная энергетическая модель позволяет оценить эффективность ТС не только в комплексе, то есть по готовой продукции конкретного вида, но и по конкретной детали входящей в готовую продукцию, так как спрос на конкретную деталь определяется спросом на готовое изделие.
Вероятно, А в энергетической модели однозначно определяется экономико-социальным запросом, так как в основу любой ТС положена цель удовлетворения потребностей, уменьшения или даже «ликвидации» дефицита.
Структурная схема энергетической модели технологической системы операции, приведенная на рис. 5. может быть легко преобразована в модель, характеризующую динамику изменения энергетических потоков, поскольку
Iшт
Ед = }Рд^, (11)
0
где Рд - поток энергии элемента материального потока (детали), форми-рующии за штучное время 1шт заданное энергетическое содержание детали Ед.
Рис. 5. Структурная схема энергетической модели технологической системы операции при заданной программе выпуска деталей
Разработанная энергетическая модель ТС операции является основой методики оценки эффективности технологических операций, позволяющей определять требуемое количество материальных и энергетических ресурсов, сравнить приведенные их значения для различных условий функционирования и наметить пути снижения их потерь.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 1о-о8-97512-р_центр_а).
Список литературы
1. Автоматизация дискретного производства /Под общей редакцией проф. Е. И. Семенова и проф. Л. И. Волчкевича. -М.: Машиностроение; -София: Техника, 1987. -52ос.
2. Имитационное моделирование в оперативном управлении производством /Н. А. Саломатин, Г. В. Беляев, В. Ф. Петроченко, Е. В. Прошля-ков. -М.: Машиностроение, 1984. -2о8с.
3. Левшин Л. В. Экономические связи между производством и потреблением. «Экономика», 1972
4. Основы автоматизации управления производством /Под редакцией чл.-кор. АН СССР И. М. Макарова. -М.: Высш. школа, 1983. -5о4с.
5. Основы управления технологическими процессами /Под редакцией Н. С. Райбмана. -М.: Наука, 1978. -44ос.
6. Петров В. А., Масленников А. Н., Осипов Л. А. Планирование гибких производственных систем. -Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1985.-182с.
7. Пуховский Е. С. Технологические основы гибкого автоматизированного производства. -Киев: Выща шк. Головное изд-во, 1989. -24ос.
8. Растригин Л. А. Современные принципы управления сложными объектами. -М.: Сов. Радио, 198о. -232с.
9. Сальников В.С. Технологические основы эффективного энергопотребления производственных систем. - Тула: Издательство "Тульский полиграфист", 2оо3. - 187 с.
10. Справочник проектировщика АСУ ТП /Под редакцией Г.Л. Смилянского. М.: Машиностроение, 1983.-527с.
O.A. Erzin, E.S. Gospodinko
ANALYSIS OF ENERGY TECHNOLOGY SYSTEMS
The article presents a model of energy-processing system is the basis for techniques such as those reflected assess the effectiveness of manufacturing operations, makes it possible to determine the right amount of material and energy resources.
Key words: energy efficiency, technological system, methods of evaluating effectiveness.
Получено 19.06.12
УДК. 662.613.5
А.Д. Алёшкин, асп., вед. советник отдела текущей деятельности министерства жилищной политики, энергетики и транспорта Иркутской области, 89086531417, [email protected] (Россия, Иркутск, НИ ИрГТУ)
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ МУФЕЛЬНЫХ ГОРЕЛОК ДЛЯ РАСТОПКИ И ПОДСВЕТКИ ФАКЕЛА
Для растопки и поддержания работы пылеугольных котлов на пониженных нагрузках используется мазут. Цена мазута намного выше цены на уголь, поэтому представляется целесообразным его замена пылеугольным топливом. В статье рассмотрены трудности, которые имели место при проведении испытаний муфелей на котельной Тулунского гидролизного завода и на Н-З ТЭЦ ОАО «Иркутскэнерго».
Ключевые слова: муфельные горелки, муфель, безмазутная растопка, пыле-угольные котлы, мазут, уголь, газификация угля, пониженные нагрузки.
Как известно на котлах, работающих на твердом топливе, для растопки и стабилизации горения при работе на пониженных нагрузках (в летний период) применяется высокореакционное жидкое топливо - мазут. Однако представляется целесообразным сокращение использования топочного мазута в теплоэнергетике из-за его высокой сернистости, которая чрезвычайно агрессивна по отношению к металлу. Что ведет к необходимости частых ремонтов и замены хвостовых частей котлоагрегатов, а также из-за повышения выбросов канцерогенной пятиокиси ванадия. Сокращение потребления мазута оправдано и с экономической точки зрения, из-за его высокой стоимости.
