CC BY
7
БОТ: 10.15587/2312-8372.2018.146126
ПОР1ВНЯЛЬНИЙ АНАЛ1З ЕФЕКТИВНОСТ1 ГАЗОВИХ КОТЛ1В ЕКС-ПРЕС-МЕТОДОМ БАГАТОКРИТЕР1ЙНО1 ОЦ1НКИ
Демченко В. Г., Трубачев А. С., Гронь С. С.
1. Вступ
Системам теплозабезпечення притаманний значний потенщал енергозбе-реження. Загальний потенщал енергоощадливост в Украiнi становить близько 45 % вщ обсягу спожитих паливно-енергетичних ресурсiв. А щоденнi енергети-чнi втрати в Украiнi сягають близько 3,5 мiльйонiв доларiв США. Усе це негативно впливае на нащональну економiку краiни. Розумне й ефективне енерго-використання е ключовим чинником створення нових робочих мюць та еконо-мiчного зростання краши.
Найбiльш критичним залишаеться енергозбереження у сферi споживання
"5
природного газу. В Украши споживаеться близько 40,0 млрд. м природного газу на рж, з них:
- 13,0 млрд. м споживае промисловють;
3
- 4,0 млрд. м складають техшчш потреби i втрати при транспортуваннi;
- 5,0 млрд. м витрачаеться на приготування iжi та виробництво електроенерги;
- 17,8 млрд. м для опалення багатоквартирних та приватних будинюв.
При цьому рiвень непродуктивних втрат споживання газу складае вщ 30 до
40 %. Скоротивши iх до европейського рiвня можна заощадити до 9,0 млрд. м природного газу на рш.
-5
Для опалення приватних будинкiв витрачаеться близько 11,0 млрд. м газу на рiк, потенцiал енергозбереження при цьому сягае 6,3 млрд. м , з яких побу-товими газовими котлами на опалення та на^в гарячоi води припадае 1,7 млрд. м природного газу. До 60 % опалювальних котлт, що продаються в Украiнi, займають котли iмпортного виробництва. На тепершнш час 40 % потреб ринку покриваеться котлами вггчизняного виробництва. Одними з моделей, що масово виготовляються та масово продаються довп роки е пiдлоговi котли типу АОГВ (апарат опалювальний газовий водона^вний), що працюють на газу. Тому доцшьним рiшенням енергоефективностi е забезпечення якост кот-лоагрегатiв на еташ проектування, виготовлення та експлуатацii, а також роз-робка рекомендацiй щодо !'х модернiзацii.
При виборi котельного устаткування бажано керуватися об'ективними методами системного анашзу i багатокритершною оцшкою показниюв ефективностi. Наявнi методи поршняльного аналiзу не дають системних оцiнок. Тому актуальним е вдос-коналення методш багатокритерiйноi оцшки ефективносп опалювальних котлiв, в першу чергу - технологiчними, економiчними та еколопчними критер1ями.
2. Об'ект дослiдження та його технолопчний аудит
Об'ектом дослгдження е метод експрес-анаизу багатокритерiйноi ощнки, на приклаг А порiвняння ефективносп побутових газових водогршних котлiв
типу АОГВ, який довп роки використовуються для опалювання та постачання гарячо! води приватних будинкiв та об'еклв комунально! сфери.
На першому етат в цiй роботи проаналiзованi та порiвняннi технiчнi, еко-логiчнi та економiчнi показники моделей побутових котлiв типу АОГВ, розра-хованих на опалення будинкiв i3 загальною площею близько 100 м , !х характе-рними особливостями, якi декларують заводи-виробники "е:
- атмосфернi пальники;
- можливють використання в гравггацшних системах опалення, без тдк-лючення до електромережi;
- зменшена циркулящя води в системi опалення;
- коефщент корисно! дп - близько 90 %, який досягаеться шляхом роз-ширення площi теплообмiну та невелико! кшькост води в котлц
- фарбування антикорозiйними емалями;
- безшумна робота та низька вартють.
До негативних особливостей даних моделей котлiв слiд вiднести:
- моральнозастарше технологiчне рiшення побудови котла;
- обмежений термш служби;
- коротк термiни гарантп;
- чуйне реагування i вплив на роботу котла змши розрядження в димарi;
- зниження продуктивност до повно! зупинки роботи котла при зниже-ному тиску газу тощо.
Для проведення дослщжень були наданi водогрiйнi котли тепловою поту-жнiстю близько 12,0 кВт [1]:
- укра!нського виробництва, торгових марок - АТОН АОГВМ-12 ЕМ; АТЕМ «Житомир 3» КСГ 012 СН; Danko Данко-12СР; Термобар КС-Г-12,5;
- росiйського виробництва - ДS ЛЕМАКС Премiум 12,5; Siberia 2210012 исп. 3 Siberia 11 та МХхАКС Кс -12,5.
До^джуваш котли сертифiкованi в Укра!ш i декларують коефiцiент корисно! дп 81^93 % при повЬо у з±орянш палива. Котли оснащенi системами автоматичного розпалу та захисту, що забезпечуе !х експлуатацiю без постшного обслуговуючого персоналу.
Згiдно з програмою дослiджень було проведено ознайомлення з техшчною документацiею на кожний котел. Режимно-налагоджувальнi дослiдження та комплексш - теплоекологiчнi випробування проводились на двох основних режимах роботи котлiв при мтмальному та максимальному тепловому наванта-женнi при значеннях розрiдження в димоходi 3,5; 7,0 та 15,0 Па, вщповщно. На вшх котлах було проведено по три основних балансових дослiди шсля визна-чення оптимальних коефiцiентiв надлишку повiтря при найменших викидах то-ксичних компонентiв.
Режимнi випробування проводились при оптимальних значеннях коефще-нта надлишку повпря, при цьому фжсувалися витрати газу та iншi необхщш параметри. При проведеннi режимних i балансових iспитiв газовий аналiз i за-мiри температури продуктiв горшня проводились в газоходi за котлом (рис. 1).
Рис. 1. Схема вимiрiв параметрiв роботи котив: 1 - температура та тиск повггря; 2 - температура, розрщження та хiмiчний склад димових газiв; 3 - розхiд та температура теплоношя в прямому та зворот-ному трубопроводах; 4 - розхщ, температура та тиск природного газу;
5 - температура корпусу котла
При проведенш робгг виявлеш умови надiйноi та економно! роботи котлiв були визначенi коефщенти корисноi дii та iншi технiко-економiчнi показники роботи обладнання. Проведенi дослiди по визначенню вмiсту оксидiв азоту та вуглецю в продуктах горiння, вплив режимних факторiв на ККД i величину ви-кидiв. При визначенш ККД брутто котла використовувався метод зворотного балансу [2]. Замiри складу вихщних газiв, iх температури та температури повлря перед пальником проводились комп'ютерним газоаналiзатором без зупинок на протязi усього часу випробування. Запис показань газового лiчильника та шших приладiв проводився кожнi 10 хв. Вимiри та розрахунки СО, NOx та iнших за-бруднюючих речовин проводились згiдно [3-5]. Тепловi характеристики теплоь золяцii елементiв котла визначалися шляхом аналiзу отриманих результалв по термограмах (замiри тепловiзором) та у важкодоступних мiсцях пiрометром.
Максимально досягнута теплопродуктивнють, кожного з водогршних кот-лiв, склала близько 12 кВт. Значення ККД на максимально досягнутому наван-таженш склало вщ 81 до 93,4 %, що в першу чергу обумовлено одноходовою схемою руху теплоносiя, використанням тшьки конвективного виду теплообмь ну та шшими режимними характеристиками обладнання. Встановлеш в котлах атмосфернi пальники низького тиску працювали надiйно в дослщних дiапазо-нах навантажень й коефщотлв надлишку повiтря. На основi проведених ви-пробувань розробленi розрахунки роботи котлоагрегалв, визначенi економiчнi, екологiчнi та енергетичш показники роботи, запропонованi заходи, направлен на пiдвищення ефективностi та надшносл роботи котлiв. Отриманi данш шюс-трованi зведеною табл. 1, в якш кольором видшено значення балiв по кожному критерш для кожного котла.
Таблиця 1
Звщна вщомють основних показниюв котлiв
№ Найменуван-ня параметру та одиниця вим1ру Найменування апарату
АТОН АОГВМ-12 ЕМ ЛЕМАКС Прем1ум 12,5 АТЕМ Житомир 3 КСГ012СН Siberia 2210012 исп. 3 Danko Дан-ко-12 Ст Термобар КС-Г-12,5 TS М1МАКС КСГ-12,5
1 ККД, % 88,31-81,33 81,2-75,5 92,18-90,82 86,7-74,0 86,3-73,81 88,2-84,0 84,6-72,05
3 5 1 4 2 6
2 КВП, м3/Гкал 162,36 161,28 147,60 159,69 154,80 164,88 163,08
5 4 1 3 2 7 6
3 Металомютюсть, кг/кВт 3,6 4,4 3,92 4,4 4,3 3,64 3,7
1 6 4 6 Г 5 2 3
4 Приведена вартють, дол./кВт 6,24 5,67 5,15 6,33 4,66 3,27
6 5 4 7 2 3 1
5 Сума 15 20 10 20 15 14 16
Оцiночний бал 3 5 1 5 3 2 4
З табл. 1 наочно видно, що Bei дослiджуванi моделi мають практично OflHaKOBi показники. Bei виробники паспортних даних котла декларують ККД не менше 90 %. Однак, проведенi розрахунки показують, що ттльки котли торгово! марки АТЕМ мають цей показник на рiвнi 90-92 %, в залежносп вщ режиму та умов експлуатаци.
Нaйбiльшу теплопродуктивнiсть при натурних випробуваннях показав котел виробництва фiрми АТЕМ, нaйгiршi показники у котла М1МАКС.
Тепловiзiйнi дослщження теплових втрат через корпус котла, показали, що у усх котлш вiдзнaчaeтъся локальне перегрiвaння корпусу, який перевищуе допустит норма-тиви. Найбтьше перегршання вщмчене у котлш ТЕРМОБАР i М1МАКС до 120 °С у шших даних котлш температура корпусу, в окремих зонах коливаеться вщ 50 до 70 °С.
Важливо зазначити, що усi котли, за винятком котла торгово! марки М1МАКС, обладнаш однаковими атмосферними пальниками з блоком автоматики управлшня i безпеки гталшсько! фiрми SIT. Таким чином витрати та умови згорання природного газу в них рiзняться тльки внaслiдок конструктивних особливостей камери спа-лювання, aеродинaмiки котла та конвективного теплообмшника.
Аеродинaмiчнi показники порiвнювaних котлiв показали загальну тенден-цiю до зниження ККД вщ збiльшення aеродинaмiчного опору димаря. Проведе-нi натурш випробування показали, що найменш схильний до цих змш на рiзних режимах експлуатаци котел торгово! марки АТОН, що пояснюеться його конс-труктивним рiшенням. Нaйгiршi показники при змт aеродинaмiчного режиму роботи у котлiв Siberia, Danko та М1МАКС.
Bсi котли мають однакову технолопчну схему, конструкцiю i гaбaритнi ро-змiри, у зв'язку з чим металомютюсть котлiв складае близько 4 кг/кВт, хоча у котла АОГВМ-12 ЕМ фiрми АТОН вона краща за цей показник - 3,6 кг/кВт.
Важливим екологiчним показником е температура вихщних гaзiв, викиди СО i оксидiв азоту, а також редукщя вуглецю (СО2).
За цими показниками найменша емюш шюдливих речовин, на рiзних режимах, виявлена у котла АТОН, а найгiршi показники у котлiв ЛЕМАКС, Siberia i М1МАКС.
Приведена вартiсть котлiв в дол./кВт коливаеться в iнтервалi вiд 3 до 6 до-ларiв США за кiловат. Найбшьшу вартiсть мають котли торгово! марки Siberia, а найменша вартють у котла торгово! марки М1МАКС, що очевидно поясню-еться застосуванням примливного пальника, без електронного запалення, та блоку управлшня й безпеки власного виробництва.
Огримат даннi дають змогу провести експертну оцшку дослщжуваних котлш по якiсним показникам. При проведенш аналзу роботи котлш необхщно також враховувати втрати теплоти, якi не шдлягають точному аналiтичному виршенню, однак впливають на загальнi показники ефективносп системи генерацй теплоти. До них вщносяться:
- змiна температури живильно! води на 1 °С приводить до збшьшення або зменшення загально! витрати теплоти, яка виробляеться котлом, на 1 %;
- при збшьшенш теплопродуктивностi котла питомi втрати у навколиш-не середовище q5 зменшуються, а питомi втрати з викидними газами q2, х!м!ч-ним q3 i механiчним q4 недопалом збiльшуються. Спочатку зниження втрат q5 бiльше за збiльшення втрат q2+q3+q4 i ККД котла зростае, але потiм втрати q2+q3+q4 зростають скорше, нiж зниження q5 i ККД починае знижуватись;
- якщо знати залежнють ККД котла вiд теплового навантаження, можна встановити втрату палива при недозавантаженнi котла в режимi зниженого тис-ку газу й ращональний режим його роботи;
- втрати теплоти нагрггами поверхнями в навколишне середовище мо-жуть бути значними. Наприклад, стiнкою з температурою 150 °С при темпера-турi навколишнього середовища 25 °С з 1 м втрачаеться 1920 ккал/год. В ре-зультатi теплових втрат знижуються параметри теплоносiя;
- наднормативне тдвищення коефiцiенту надлишку повпря на 0,2 % т-двищуе втрату теплоти з вiдхiдними газами на 1-2 %, ККД котлоагрегату зни-жуеться на 2 %, втрата палива пiдвищуеться на 2,5-3 %;
- порушення теплово! iзоляцi! котла на 30 % i бiльше призводить до над-нормативно! втрати теплоти на 1-2 %;
- збшьшення об'ему продукт згоряння палива на 80-90 % внаслщок розбавлен-ня !х повiтрям, збшьшуе втрату теплоти вщ хiмiчно! неповноти згоряння палива у 2 рази;
- вщхилення вмiсту СО2 у вдащних газах вiд оптимального значення на 1 % збшьшуе перевитрату палива котлоагрегатом на 0,6 %;
- наявнють накипу на внутршнш поверхнi котла товщиною 1,0 мм збь льшуе витрату палива на 2 %;
- вщхилення навантаження котла вiд оптимального на 10 % в бж зменшення приводить до перевитрати палива на 0,2 %, а в бж збшьшення - на 0,5 %.
Наочно видно, що оцшка ефективносп - багатокритерiальне завдання.
Наведене в табл. 1 п1дсумовування балв показуе, що найкраш! показники мае котел АТЕМ, найгiршi характеристики у кошв Siberia i ЛЕМАКС, що набрали по 20 балв.
Для визначення напрямку подальшого пошуку оптимальних рiшень пор!в-няння дослiджуваних котив можна скористатися методами оц!нки, як! грунту-ються на основ! апарату математично! статистики.
3. Мета та задачi дослщження
Метою дослгдження е розробка та апробащя експрес-методу системного аналiзу багатокритерiйноï оцшки, на конкретному прикладi визначення ефекти-вностi газових водогрiйних котлiв вщ семи заводiв-виробникiв.
Для досягнення поставленоï мети необхiдно виконати такi задача
1. Провести детальний аналiз семи газових котлiв, що представленi на ринку Украши та на основi проведених замiрiв розрахувати значення ККД, пи-томоï витрати палива i викидiв шкiдливих речовин в атмосферу.
2. Поршняти технологiчнi, екологiчнi та економiчнi показники котлш, з викори-станням вщомих методiв математичноï статистики та методав математичного моделю-вання та провести верифiкацiю експрес-методу анашзу багатокригерiйноï оцшки.
4. Дослiдження кнуючих р1шень проблеми
Поняття ефективностi вщграе важливу роль при оцiнцi практично будь-якого проекту. Теорiя i методи оптимiзацiï знайшли широке застосування для виршення багатьох завдань в найрiзноманiтнiших галузях людсько!' дiяльностi. Властивост i методи вiдшукання оптимальних ршень таких завдань добре ви-вчеш як з теоретично!', так i прикладно!' точок зору [6, 7], але в них не розгляну-та можливiсть проведення багатокритерiальноï оцшки графоаналггачним методом. Робота [8] присвячена анаизу та плануванню ршень в економiцi, проте залишаеться невиршеним питання об'еднання та порiвняння економiчних по-казникiв з технологiчними та еколопчними. В роботi [9] пропонуеться багаток-ритерiальна оцiнка заходiв з оптимiзацiï споживання теплово1' енергiï, однак in норуються проблеми екологiï. При всш важливостi в повсякденнiй практищ по-няття ефективностi стае досить важким i слабо формалiзованим завданням.
Одним з таких методiв е Анаиз Середовища Функцiонування (АСФ) [10, 11]. Технолопя АСФ розглядае складний об'ект, що характеризуеться багатьма вхщними та вихiдними параметрами. Дана технолопя базуеться на фундамен-тальних положеннях математично1' економiки i активно використовуе сучасш досягнення в областi системного анаизу та дослiдження операцiй [12].
Технолопя АСФ е математичною моделлю, яка не вимагае завдання констант, вибiр функцiй розподiлу i шших характеристик. Однак iнтерпретацiя i анаиз результатiв моделювання за технолопею АСФ представляе певну склад-шсть, оскiльки уявити поведiнку об'екта в багатовимiрному просторi вхiдних i вихщних параметрiв практично неможливо [13]. Крiм того, стандартний аналiз за технолопею АСФ, як правило, дае два способи пщвищення ефективносп.
Метод багатокритершного аналiзу (МА1) - це математичний шструмент системного пiдходу до складних проблем ухвалення рiшень [14]. Формування структури моделi ухвалення рiшення в МА1 досить трудомiсткий процес. Проте у результат вдаеться отримати детальне уявлення про те, як саме взаемодшть чинники, що впливають на прийнят рiшення i рейтинги, що вщбивають важли-вiсть чинникiв [15]. У МА1 немае засобiв для перевiрки достовiрностi даних. Це важливий недолiк, що обмежуе частково можливост застосування методу. МА1 може бути надмiрно трудомiстким для ухвалення простих ршень через те, що
для збору даних вимагаеться провести велику кшьюсть nopiB^Hb [16]. Для комп'ютерно1' пiдтримки МА1 iснують спецiалiзованi програмш продукти.
Таким чином, результати анашзу лiтературних джерел дозволяють зробити висновок про те, що вс наявш iснуючи методi мають певнi недолжи та потре-бують розробки нових експрес-методiв для швидкого аналiзу та оцшки критерь 1в для прийняття стратегiчних рiшень.
5. Методи дослщжень
Процес ухвалення рiшень в рiзних сферах дiяльностi багато в чому аналопч-ний. Застосування методологiï системного анашзу при проведеннi порiвняння ос-новних показникiв котельного устаткування дозволяе розробити заходи по шдви-щенню ефективностi показникiв його використання. Основними напрямами застосування системноï методологи е ощнка теплотехнiчних (технологiчних), економь чних i екологiчних показникiв роботи устаткування та виробггки рiшень по пода-льшiй модернiзацiï i оптимiзацiï конструкцiï котлiв. Для цього використовуеться метод порiвняння - найпоширенiший метод системного анашзу.
Як можна бачити з таблиц 1 спочатку викогистовувався метод сум, який грунтуеться на тдсумовуванш значень певних показникiв по кожному котлу. За результатами порiвняльноï комплексно!' оцшки можна прийняти ршення про те, який з котлiв слщ вважати кращим по ряду певних ознак. Ранжуючи показники в порядку зменшення, був встановлений рейтинг котлiв типу АОГВ. До недолтв цього методу слiд вщнести те, що пiдсумовуючи усi показники, низь-кi результати окремих показниюв покриваються високими результатами iнших показниюв. З метою отримання об'ективно1' оцшки необхщно виключити тi показники, як найбiльшою мiрою можуть вплинути на кшцевий результат.
З метою отримання об'ективно1' оцiнки на другому етат дослiдження вико-ристано метод бальних оцiнок, який заснований на присвоенш котлам порядко-вих значень вщповщно до заданих числових категорш. Метод бально1' оцiнки полягае в тдсумовуванш башв, якi привласнюються кожному показнику. Чим вище показник, тим нижче бал. Чим нижче сума башв, тим вище рейтинг досль джуваного об'екта. До недолiкiв цього методу вщноситься те, що насправдi вь дмiннiсть показникiв може бути дуже значною, або, навпаки, чисто номшаль-ною, що може ютотно розрiзнятися i спотворювати оцiнку. Необхщнють застосування методу бальних ощнок виникла внаслiдок того, що потрiбно зiставити ефективнiсть семи котлiв за чотирма показниками.
Вказаний недол1к усуваеться застосуванням методу штерполяци в штервал 1-7 бал1в.
На третьому етат дослщження був використаний графоаналiтичний метод «3Е» багатокритерiйноï оцiнки ефективностi ухвалення ршень [17, 18]. У його основi лежить багатокритерiйний метод системного анашзу, який включае широкий спектр математичних i статистичних методiв i може бути використаний для будь-яких розрахунюв по ухваленню ршень у будь-якiй сферi дiяльностi. Багатокритершний аналiз вимагае з'еднання трьох рiзних типiв iнформацiï в одному метод^ який можна застосовувати на практит. Даний метод практично не мае аналопв i грунтуеться на проведенш парних порiвнянь. Застосування методу «3Е» абсолютно не залежить вiд сфери дiяльностi, в якш приймаеться стра-
тепчне ршення. Тому метод «3Е» е унiверсальним, а його застосування дозво-ляе органiзувати систему пiдтримки ухвалення рiшень.
Запропонований метод дозволяе отримати графiчне зображення результату порiвняльного анаизу ефективностi котлiв типу АОГВ та з великою долею вь ропдност визначити рейтинг продукцii заводiв-виробникiв.
Аналз базуеться на трьох основних критер1ях, а саме енергетичному, еколопчному та економчному. Результати експрес-аналiзу наочно представляються у вигляд плош1 допустимих значень на трикутнш rдiаграмi «3Е трикутник» вщ початкових лiтер слш.
Важливим чинником проведення розрахункв за новим методом «3Е» експрес-аналiзу е виявлення довiрчого iнтервалу. На основi проведення експертноi оцшки пропонуються призначити меж1 довiрчих iнтервалiв, iз заданою надiйнiстю, для кожного критершного вагового коефiцiента КЕ, шо являють собою безрозмiрнi величи-ни, виражеш у вщсотках. Перетин меж мшмальних значень вагових коефiцiентiв утворюе довiрче поле (заштрихована область) 3Е дiаграми, в якому визначають ранги котлш типу АОГВ, шо розглядаються в наступному роздiлi цiеi роботи.
Для знаходження взаемозв'язку мiж ваговими показниками ефективност устаткування використовуеться рiвностороннiй трикутник, дiагоналi в якому рiвнi. З вершин трикутника вiдкладають значення, отримаш розрахунком або натурним вимiром. Отриманi точки вiдлiку показникiв кожного котла сполуча-ють, i на перетиш дiагоналей отриманого малого трикутника отримують базове значення рейтингу котла за трьома ваговими показниками.
Формули для розрахунку вагових коефщенлв наведен в табл. 2.
Таблиця 2
Розрахунок значення вагових коефвденлв для побудови «3Е трикутника»
Найменування Формула для розрахунку Дов!рчий iнтервал
Ваговий енергетич-ний коефщент КЕ1 Щ =100 д1 %, де $ - втрати теплоти, % 70-100 %
Ваговий еколопч-ний коефщент КЕ2 ^ 'СО2 СО + СН4 + 2 п • СпНт )-100 2 (С02 + со + СН4 + 2 п • СпНт + К2 + 79 • V ) де СНт - вуглеводш, шо входять до складу газу, на-приклад, метан СН4 (п=1, т=4), етан С2Нб (п=2, т=6) 1 т. д.; V - теоретичний об'ем сухого повпря, необхщного для повного згоряння палива, м3/кг 5-10 %
Ваговий економч-ний коефщент КЕ3 КК = 1--%, 3 1 а J ' де В - повна витрата палива на котельний агрегат, кг/ч; Qi - питома теплота згоряння, Гкал/кг 60-100 %
1ндекс привабли-вост I 'р = КК + КЕ2 + КЕЪ 1нтегрований показ-ник кшьюсно'1' якост
1ндекс пропор-цiйносгi I Iа = КЕу ■КЕ2 ■ КЕ3 1нтегрований показ-ник темпу в!дхилення вщ еталону
Довiрчий штервал енергетичного коефщента КЕ1 приймаеться вiд 70 % до 100 % i для його обчислення використовуються вiдомi формули пiдрахунку ко-ефiцiенту корисно! дii (ККД) котлоагрегату [2].
В якост вагового еколопчного коефiцiента КЕ2 приймаються реальнi значення вмiсту дiоксiду вуглецю СО2, який розраховуеться для кожного з розгляданих кот-лiв згiдно з чинними методиками [3-5]. СО2 вибрано основним компонентом, тому що вiн вщображуе якiсть згорання природного газу. Це обгрунтовано тим, що мак-симальний вмiст СО2 по результатам анашзу палива прямо пропорцiйний паливнiй складовш i обернено пропорцiйний до об'ему шюдливих викидiв i баластних газiв в продуктах згорання. На цш пiдставi значення СО2 якнайповнiше вщбивае еколопч-нi показники горшня палива. Довiрчий iнтервал екологiчного коефiцiента КЕ2 про-понуеться прийняти в значенш вiд 5 % до 10 %.
Довiрчий iнтервал економiчного коефщента КЕ3 приймае значення вiд 60 до 100 % i для його обчислення використовуються вiдомi формули розрахунку коефщенту використання палива (КВП) [2]. Отриманi розрахунком данi розхо-ду природного газу для виробництва 1,0 Гкал теплоти переводилися в умовне паливо. Потiм з використанням методики [19] та iнструкцii [20] методом штер-поляцii (рис. 2) було проведено перерахунок значень визначення виробництва теплоенергн за вщповщною витратою палива в дiапазонi вiд 60 до 100 % мож-ливих значень вщповщно до ККД генерацн теплоти. Пiсля чого визначався КВП у вщсотках з використанням результапв, отриманих по розрахунках. Для побудови довiрчого поля «3Е трикутника» отримаш значення КВП потрiбно вiдкладати у зворотному порядку.
и 260
£ 240 * 220 -
§ 200 § 180
£ 160
§
« 140
0
120
1 100
^ 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00
М
ККД брутто, % »Залежнють ККД вiд витрати палива
Рис. 2. Кореляцiйне поле теоретичних пар даних зпдно Iнструкцii [20]
Вибiр оптимального варiанта котла можна провести, використовуючи ш-декс привабливостi, який обчислюеться шляхом пiдсумовування вагових кое-фiцiентiв КЕ. Порiвняння та визначення вщхилень для кожного котла вщ цшьо-вого значення еталону отримують шляхом перемножування значень вагових коефщенпв, внаслiдок чого отримують 1ндекс пропорцшностг
Таким чином, запропонована система оцшки ефективност дозволяе визна-чити узагальненi штегральш показники кожного котла, на mдставi яких можна з достатньою мiрою об'ективностi судити про !х ефективнють. Результати ште-грально! оцiнки, а також графiчна iлюстрацiя ефективностi дають можливiсть виявити недолiки функцiонування i розробити заходи, що дозволяють направи-ти зусилля на усунення недолшв (рис. 3, 4).
166
164
л 162
ка
Г/ 160
3/м 158
а,
в и 156
л а п 154
и
ати 152
рат и 150
В
148
146
80
Лемакс Премiум 12,5
82
М1МАКС КСГ-12,5
Термобар КС-Г-12,5
ATON АОГВМ-12ЕМ
Siberia 2210-012 исп. 3 Siberia 11
Данко-12СР
АТЕМ «Житомир 3» КСГ 012 СН
84 86 88 90
ККД, за прямим балансом, %
92
94
Рис. 3. Кореляцшне поле зпдно розрахунюв ККД та коефщента витрати пали-
ва
Л
о
С
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
145
АТЕМ «Житомир 3» КСГ 012 СН
Siberia 2210-012 исп. 3 Siberia 11
М1МАКС КСГ-12,5
Лемакс Премiум 12,5
Да жо-12СР
150
155
ATON АОГВМ-12ЕМ
160
Термобар КС-Г-12,5
165 170
Витрати палива, м3/Гкал
Рис. 4. Кореляцшне поле пар даних: коефщент використання палива, м /Гкал та СО2, % при розрщженш за котлом AP=3,5 Па на номiнальнiй потужностi
Як видно з рис. 3, 4, котлам торгових марок Лемакс та М1МАКС прита-манш найвищi витрати палива та найнижчий ККД, найкрашд показники мае котел ф^ и АТЕМ. Найкрашi екологiчнi показники при розрщженш за котлом
AP=3,5 Па на номшальнш потужностi у котлах торгово!' марки АТЕМ i М1-МАКС, найгiршi у котлах Данко, АТОН i Термобар.
6. Результати досл1джень
Доошдження проводилося за традицшною методикою та наступною апро-бащею метода «3Е». В результат рiшення N=7 оптимiзацiйних завдань нелшш-ного математичного програмування методом АСФ зроблено висновок, що усi даш сiм котлiв е ефективними (^=1).
Для ранжирування дано!' безлiчi критернв по мiрi важливостi для визна-чення рейтингу котлiв застосовувався МА1.
Для порiвняння ефективностi котлiв, що були дослщжеш та визначення оптимальних показникiв було проведено кореляцiйно-регресiйний анашз опорно!' таблицi згiдно з 1нструкщею [20], представлено!' на рис. 2 та даних отрима-них шляхом проведення замiрiв (рис. 3).
Маючи 19 пар даних з 1нструкцп [20], встановлюемо форму зв'язку мiж дани-ми та будуемо кореляцiйне поле (точковий графiк, з'еднаний у порядку спадання прямими лiнiями) i отримуемо регресiйну лiнiю, що може бути описана полшомом.
У даному випадку бачимо просту залежнють, що може бути легко описана функщею. При цьому коефщент кореляцн для поля значень згiдно 1нструкцн: ri =-0,99. Таким чином, теоретичний показник ККД брутто котлiв залежить вщ кiлькiсноï змiни витрат умовного палива на 99 %.
Будуемо кореляцшне поле згiдно проведених замiрiв та розрахунюв на дi-ючих котлах (табл. 3).
Таблиця 3
Основш розрахунков1 показники для проведення ощнки дослщжуваних котл1в
Котельний агрегат ККД, за прямим балансом, % Коефщент викорис-тання палива, м /Гкал СО2, % при розрщженш за котлом AP=3,5 Па на номь нальнiй потужностi
ATON АОГВМ-12 ЕМ 88,31 162,36 3,3
AS ЛЕМАКС Премiум 12,5 81,2 161,28 3,8
АТЕМ «Житомир 3» КСГ 012 СН 92,18 147,6 6,8
Siberia 2210-012 исп. 3 Siberia 11 86,7 159,69 3,6
Danko Данко-12Ср 86,3 154,8 1,9
Термобар КС-Г-12,5 88,2 164,88 3,1
М1МАКС КСГ-12,5 84,6 163,08 8,8
Коефщент кореляцн для поля значень зпдно вим1р1в i розрахунюв ККД котла та коефщента витрати палива: r1=-0,55. При цьому збершаеться зворотна
пропорцшнють, але залежнiсть лише 55 %. Це значно вiдрiзняеться вiд даних, що приведенi на рис. 2. Таким чином 45 % мае вплив шших факторiв на ККД.
Проведемо кореляцiйно-регресiйний аналiз показникiв витрати палива та вмю-ту СО2 (рис. 4). Як видно з рис. 4, найбтьш наближенi до еталону залежностi ви-трат палива вщ ККД котли ЛЕМАКС, М1МАКС та SIBERIA. Котли торговельних марок АТОН, ДАНКО, Термобар та АТЕМ випадають з кореляцiйного поля.
Коефщент кореляцп для поля значень коефщента витрати палива та вмiсту СО2: r1=-0,14. Таким чином, залежшсть м1ж даними показниками майже вщсутня, при цьому викликае складнiсть пiдбiр тако! апроксимуючо! функцп, щоб значення Ii знаходились достатньо близько вщ значень згiдно замiрiв та розрахунюв.
Для отримання узагальнено! комплексно! оцшки ефективностi в проведенiй роботi використовуеться непараметричний метод багатовимiрного аналiзу, який поеднуе в собi метод бальних оцiнок i метод багатовимiрних порiвнянь. Цей метод е досить простим у використанш, але водночас, оцшки, отримаш в результатi його застосування, адекватно вiдображають систему, що вивчаеться, i дають корисну i важливу iнформацiю про дослiджуванi об'екти. Суть пропоновано! методики комплексно! оцшки ефективност котлiв полягае в порiвняннi фактичних показникiв з показниками еталону, i показниками котлiв, що мають гiршi значення.
Апробацiя за методом «3Е» дозволяе отримати бiльш реальну картину, яка грунтуеться на трьох яюрних показниках ефективностi. Отже, на основi прийн-ятих довiрчих штерваив та побудовi довiрчого поля з'являеться можливють графiчного вiдображення рейтингу котлiв (рис. 5).
Рис. 5. «3Е» дiаграма багатокрiтериально! оцiнки котлiв по коефщенту корисно! ди, коефiцiенту використання палива та диоксиду вуглецю: 1 - АТЕМ; 2 - Термобар; 3 - АТОН; 4 - Siberia; 5 - Лемакс; 6 - Данко; 7 - М1МАКС
Проведемо аналiз даних за допомогою авторського багатокритершного методу «3Е» для визначення, якi з проаналiзованих котлiв вiдповiдають заданим критерiям. Для цього в межах трикутно! дiаграми побудуемо поле довiрчих значень, яке визначаеться за допомогою алгоритму, описаного у роздш 5 та
100,
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
табл. 2. На рис. 5 приведено результат використання експрес-анаизу «3Е», згь дно з яким у полi довiрчих iнтервалiв знаходяться три котлоагрегати виробни-юв АТЕМ, Термобар та АТОН. Таким чином, використовуючи багатокритерiа-льний аналiз визначено оптимальнi значення показниюв кожного з котлiв та за короткий час проведено ранжування афеклв котлоагрегатiв.
Наочно видно, що тшьки три з котлiв, а саме котли 1 - АТЕМ, 2 - Термобар, 3 - АТОН вщповщають стандартам якост та ефективносп, найгiршi показники у котла 7 - Мiмакс, iншi три котли також не вiдповiдають сучасним вимогам.
7. SWOT-аналiз результатiв дослщжень
Strengths. «3Е» метод дозволяе з високою точнiстю та у короткий час про-водити багатокритерiальний анаиз складних систем та обладнання, що зазви-чай е неможливим, використовуючи стандартш статистичнi пiдходи та методи математичного моделювання. Таким чином, даний метод е важливим шструме-нтом енергоменеджменту пiдприемств для прийняття стратепчних рiшень.
Weaknesses. На результат експрес-анаизу впливае точна побудова меж до-вiрчого iнтервалу.
Opportunities. Запропонований експрес-анаиз може бути застосований в шших галузях виробництва. Застосування методу «3Е» абсолютно не залежить вiд сфери дiяльностi, в якiй приймаеться ршення. Результати апробацп методу «3Е» свщчать про доцiльнiсть його подальшого застосування.
Варiативнiсть та гнучкiсть даного методу досягаеться можливютю змшю-вати основш критерiальнi показники, а також поле оптимальних значень. При багатокритерiйному аналiзi кожен з критерпв ефективностi набувае конкретного кшьюсного значення, що дозволяе використати результати розрахунюв в процес ухвалення рiшень. Подальший розвиток методу «3Е» потребуе проведення апробацп на пiдприемствах середнього та великого бiзнесу, державних установах, в обороннш галузi для вдосконалення та ушфшаци алгоритмiв ство-рення поля оптимальних значень для прийняття правильного ршення. Даний шдхщ може бути використаний як iнструмент маркетингових дослщжень при вирiшеннi задачi просування нового продукту або послуги на ринку та визна-ченш його конкурентоспроможностг
Threats. В окремих випадках при обмеженш доступу до вiрогiдний шфор-мацп щодо продукту виробництва або послуги можливе виникнення похибки при визначенш меж поля оптимальних значень.
8. Висновки
1. При проведеннi технологiчного аудиту, на основi натурних дослщв та подальших розрахункiв, з використанням методу зворотного та прямого балансу були виявлеш кшьюсш показники семи водогршних котлiв типу АОГВ. Зпдно з них найвищий енергетичний показник, а саме ККД за прямим балансом у котла фiрми АТЕМ складае 92,18 %, найнижчий ККД=81,2 % у котла фiрми ЛЕМАКС, та iншi п'ять котлiв також не вщповщають нормативним вимогам. За економiчним критерiем, а саме коефiцiентом використання палива, найкращий показник отримав котел фiрми АТЕМ, КВП=147,6 м /Гкал, найгiрший показ-
-у
ник, за цим ж крш^ем, у котла фiрми Термобар, КВП=164,88 м /Гкал. За еко-лопчним критерiем найкращий показник у котла фiрми М1МАКС (СО2=8,8 %), найпрший у котла фiрми Danko (СО2=1,9%). На основi цього зроблено висно-вок, що проведення порiвняльного анаизу ефективностi потребуе додаткових дослiджень i розробки нових методiв багатокритерiальноi оцшки.
2. Анаиз ефективностi котлiв методом сум та ранжування афектiв пока-зують, що котел фiрми АТЕМ знаходиться на першому мiсцi, котли фiрм ЛЕ-МАКС i Siberia дшять п'яте мiсце. Кореляцiйно-регресивний метод порiвняння показникiв ККД, витрат палива та вмюту СО2 в димових газах показуе, що котлам торгових марок Лемакс та М1МАКС притаманш найвишд витрати палива та найнижчий ККД. Найкращд показники мае котел фiрми АТЕМ. Найкращi еко-логiчнi показники на номiнальнiй потужност у котлах торговоi марки АТЕМ i М1МАКС, найгiршi у котлах Данко, АТОН i Термобар. Результати отримаш за цими двома методами не збжаються з результатами технолопчного аудиту, тому складна залежшсть мiж показниками ефективност не може бути повною мiрою коректно визначена за допомогою вщомих методiв анаизу. Результати отриманi при апробацп методу «3Е» дозволяють одержати бiльш реальну та ко-ректну оцiнку ефективностг Експрес-метод «3Е» продемонстрував, що тшьки котли торгових марок АТЕМ, ТЕРМОБАР та АТОН вщповщають усiм сучас-ним вимогам за всiма критерiями ефективностi.
Лiтература
1. Демченко В. Г. Проведення експериментальних тепло-екологiчних ви-пробувань та порiвняльних розрахункiв водогршних котлiв, що працюють на газовому паливг техн ^чний звiт. URL: https: //atem.ua/files/Reklama/%D0%9E%D 1 %82%D 1 %87%D0%B5%D 1 %82%20% D0%9D%D0%90%D0%9D%20%D 1 %83%D0%BA%D 1 %80%D0%B0%D0%B8% D0%BD%D 1 %8B%20%D0%BE%20%D0%BA%D0%BE%D 1 %82%D0%BB%D0 %B0%D 1 %85%200002.pdf (дата звернення: 15.04.2018).
2. Кузнецов Н. В. и др. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод). 2-е изд., перераб. М.: Энергия, 1973. 296 с.
3. Методическое пособие по проведению комплексных эколого-теплотехнических испытаний котлов, работающих на газе и мазуте / под ред. Сигала И. Я. Киев: ВНИПИтрансгаз, ротапринт, 1992. 213 с.
4. Требования по эффективному использованию природного газа и охране окружающей среды при проведении наладочных работ топливоиспользующего оборудования. Киев: Госкомнефтегазпром, 1995.
5. ГДК 34.02.305-2002. Викиди забруднюючих речовин в атмосферу вщ енергетичних установок. Методика визначення. Чинний вщ 01.07.2002. Кшв, 2002.
6. Saaty T. L. Decision Making with Dependence and Feedback: The Analytic Network Process. Rws Publications, 2001. 370 p.
7. Беляев И. П. Основы теории принятия решений. М.: МГСУ, 2005. 275 с.
8. Андрейчиков А. В., Андрейчикова О. Н. Анализ, синтез, планирование решений в экономике. М.: Финансы и статистика, 2004. 464 с.
9. Демченко В. Г. Багатокритерiальна оцшка заходiв по оптимiзацii спо-живання тепловоi eHeprii // Сборник трудов XXVI международной конференции «Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики», 20-24 сентября 2017, г. Одесса. С. 53-56.
10. Saaty T. L. Relative measurement and its generalization in decision making why pairwise comparisons are central in mathematics for the measurement of intangible factors the analytic hierarchy/network process // Revista de la Real Academia de Ciencias Exactas, Fisicas y Naturales. Serie A. Matematicas. 2008. Vol. 102, Issue 2. P. 251-318. doi: https://doi.org/10.1007/bf03191825
11. Banker R. D., Charnes A., Cooper W. W. Some Models for Estimating Technical and Scale Inefficiencies in Data Envelopment Analysis // Management Science. 1984. Vol. 30, Issue 9. P. 1078-1092. doi: https://doi.org/10.1287/mnsc.30.9.1078
12. Cooper W. W., Seiford L. M., Tone K. Data Envelopment Analysis. A Comprehensive Text with Models, Applications, References and DEA-Solver Software. 2nd ed. Springer-Verlag, 2007. doi: https://doi.org/10.1007/978-0-387-45283-8
13. Drake P. R. Using the Analytic Hierarchy Process in Engineering Education // International Journal of Engineering Education. 1998. Vol. 14, Issue 3. Р. 191-196.
14. Hallowell D. L. Analytical Hierarchy Process (AHP) - Getting Oriented. URL: https://www. isixsigma. com/tools-templates/analytic-hierarchy-process-ahp/analytical-hierarchy-process-ahp-%E2%90%93-getting-oriented/
15. Саати Т. Л. Об измерении неосязаемого. Подход к относительным измерениям на основе главного собственного вектора матрицы парных сравнений // Cloud Of Science. 2015. Т. 2, № 1.
16. Саати Т. Л. Относительное измерение и его обобщение в принятии решений. Почему парные сравнения являются ключевыми в математике для измерения неосязаемых факторов // Cloud Of Science. 2016. Т. 3, № 2. С. 171-262.
17. Демченко В. Г., Трубачев А. С. Експрес-анаиз доцшьност проведення енергозбершаючих заходв // The scientific method. 2018. № 20. С. 74-77.
18. Демченко В. Г., Трубачев А. С., Фалько В. Ю., Гронь С. С. Мобшьт акумулятори для дискретних систем теплохолодопостачання. Частина 2 // Про-мислова теплотехтка. 2018. Т. 40, № 3. С. 56-68.
19. Межотраслевые нормы расходов топлива для отопительных котлов, которые эксплуатируются в Украине: Приказ Госкомэнергосбережения № 46 от 07.05.2001 г.
20. Звгг про постачання теплоенергп: 1нструктя щодо заповнення форми державного статистичного спостереження N 1-теп. Затверджено наказом Державного комггету статистики Украти вщ 17.08.2004 р. N 482. Зареестровано в Мiнiстерствi юстицп Украши 31.08. 2004 р. за N 1079/9678.
