CC BY
8
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ Ф1ЗИЧНИХ I ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ ПРОЦЕС1В I ТЕХН1ЧНИХ СИСТЕМ
УДК 621.311
О.П. КАРПОВА
Державний вищий навчальний заклад «Мел^опольський промислово-економiчний коледж»
М.В. ПОСТН1КОВА
Таврiйський державний агротехнолопчний унiверситет, м. Мелiтополь
ЕНЕРГОеМШСТЬ ЯК КРИТЕР1Й ОПТИМ1ЗАЦ11 ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ ПРОЦЕС1В ОЧИЩЕННЯ ЗЕРНА
У данш роботI розглянута енергоемнгсть як критерш оптимгзацИ технологгчного процесу очищення зерна, тому що вона е найбшьш тформативним показником для визначення енергозберггаючих режимгв роботи. Результати теоретичних I експериментальних дослгджень енергоемностг технологгчних процеав очищення зерна в1др1зняються в середньому не бшьше тж на 2 %. Вони показали можливгсть обтрунтування та розробки науково-обтрунтованих норм електроспоживання, тому що найбшьш дтчим важелем проведення енергозбер1гаючо1 полгтики, регульовано'1 законодавством, е встановлення нормативгв витрати електроенергИ I стандарт1в енергоефективностг, недотримання яких спричиняе, найчастгше, фгнансову в1дпов1дальн1сть. При досл1дженш впливу енергетичних фактор1в на енергоемнгсть технологгчних процесгв очищення зерна було проведено багатофакторний експеримент. Це дозволило оцгнити вплив того або тшого фактора на енергоемнгсть процесу очищення зерна. Натурт експерименти тдтвердили адекваттсть математичних моделей у виглядг ргвнянь регресИ I ефективтсть використаного методу багатофакторного експерименту.
КлючовI слова: енергозбереження, енергоемтсть, рацгональне використання електроенергИ, електропривод, нормування електроенергИ, багатофакторний експеримент.
А.П. КАРПОВА
Государственное высшее учебное заведение «Мелитопольский промышленно -экономический колледж»
М.В. ПОСТНИКОВА
Таврический государственный агротехнологический университет, г. Мелитополь
ЭНЕРГОЁМКОСТЬ КАК КРИТЕРИЙ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ЗЕРНА
В данной работе рассмотрена энергоёмкость как критерий оптимизации технологического процесса очистки зерна, т.к. она является наиболее информативным показателем для определения энергосберегающих режимов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований энергоёмкости технологических процессов очистки зерна отличаются в среднем не более чем на 2 %. Они показали возможность обоснования и разработки научно-обоснованных норм электропотребления, так как наиболее действенным рычагом проведения энергосберегающей политики, регулируемой законодательством, является установление нормативов расхода электроэнергии и стандартов энергоэффективности, несоблюдение которых влечёт за собой, чаще всего, финансовую ответственность. При исследовании влияния энергетических факторов на энергоёмкость технологических процессов очистки зерна был проведен многофакторный эксперимент. Это позволило оценить влияние того или иного фактора на энергоёмкость процесса очистки зерна. Натурные эксперименты подтвердили адекватность математических моделей в виде уравнений регрессии и эффективность использованного метода многофакторного эксперимента.
Ключевые слова: энергосбережение, энергоёмкость, рациональное использование электроэнергии, электропривод, нормирование электроэнергии, многофакторный эксперимент.
О.Р. KARPOVA
State higher educational establishment «Melitopol college of industry and economics»
M.V. POSTNIKOVA
Tavria State Agrotechnological University, Melitopol
THE ENERGY INTENSITY AS THE OPTIMIZATION CRITERION OF TECHNOLOGICAL PROCESSES OF CLEANING GRAIN
In this work, energy intensity is considered as a criterion for optimizing the technological process of grain cleaning, because it is the most informative indicator for determining energy-saving operating models. The results of theoretical and experimental studies of the energy intensity of technological processes of purification of the grain differ on average of no more than 2 %. They showed the possibility ofjustification and development of scientifically grounded norms of power consumption, as the most effective tool for implementing energy-saving policies regulated by legislation is the establishment of power consumption standards and energy efficiency standards, the violation of which entails, most of all, financial responsibility. When studying the influence of energy factors on the energy intensity of technological processes of cleaning grain, a multifactor experiment was carried out. It allowed us to assess the influence of a factor on the energy intensity of the grain cleaning process. Field experiments have confirmed the adequacy of mathematical models in the form of regression equations and the efficiency of the used method of multifactor experiment.
Keywords: energy saving, energy intensity, rational use of electric power, electric drive, electricity regulation, multifactor experiment.
Постановка проблеми
Проблема енергозбереження в електроприводах технолопчного обладнання особливо гостро постае останшм часом у зв'язку з подорожчанням енергоноспв в Укра1т. Вщомо, що 60-70 % спожито! електроенергп в промисловосп i сшьському господарст припадае на електропривод технолопчних машин i обладнання. Тому рацюнальне використання електроенергп на зернопунктах, оснащених енергоемним технолопчним обладнанням, особливо актуально [1].
AH^i3 останшх дослвджень i публжацш
Ефектившсть використання електроенергп завжди знаходилася в цен^ уваги дослщнишв [1-4]. Однак, дослщжень по цьому питанню проводилось недостатньо.
Найважлившим виводом, зробленим на основi аналiзу стану питання, е наступний: як основний критерш в оцшщ ефективносп перетворення енергп на рiзних етапах, доцшьно використовувати енергоемшсть [4].
Енергоемшсть е основою для розробки науково-обгрунтованих норм питомо! витрати електроенергп для технологiчних схем зерноочисних агрегапв [7-13]. Аналiз закордонного досвшу показуе, що реальнi досягнення в шдвищенш енергоефективностi можливi тiльки при створенш необхiдних законодавчих умов, першочерговими з яких е нормування питомих витрат, контроль енерговикористання та економiчного стимулювання енергоспоживачiв.
Формулювання мети дослвдження
Дослiдження енергоемностi технологiчних процесiв очищення зерна.
Викладення основного матерiалу дослвдження
Питомi витрати електроенергп на виконання технологiчних операцiй очищення зерна на зернопунктах залежать ввд багатьох технолопчних, техшчних та суб'ективних факторiв [2-4]. Бшьшють з цих факторiв е змшними i мають тiсний зв'язок мiж собою. Як правило, змша одного з них визивае змiну iнших.
Деяк1 фактори, як1 впливають на витрати електроенергп, мають конкретш кiлькiснi значення. До них вшносяться: фiзико-хiмiчнi, технологiчнi, енергетичнi фактори. Деяш з них не пiддаються кшьшснш оцiнцi, наприклад, квалiфiкацiя оператора, рiзнi вiдхилення вiд виконання технологiчних операцш.
Залежностi мiж витратами електроенергп i факторами мають випадковий характер внаслшок непостiйностi факторiв, !х взаемного впливу i дИ неврахованих факторiв i можуть бути представленi у виглядi функцil
W(t)= f (Si, d2,..., ok ), (1)
де x1, х2, ..., xk - фактори, як1 впливають на електроспоживання.
Для визначення спшьного впливу рiзних факторiв на електроспоживання доцшьно провести багатофакторний експеримент [5, 6]. Проведено дослщження впливу енергетичних факторiв на енергоемнiсть технологiчних процеав очищення зерна. До енергетичних факторiв вiдносяться: електроозброенiсть, ступiнь завантаження електродвигушв, як1сть енергопостачання (напруга на затискачах електро-двигушв та частота струму) [4].
В1СНИКХНТУ № 4(63), 2017р. МАТЕМАТИЧНЕМОДЕЛЮВАННЯФ1ЗИЧНИХI
ТЕХНОЛОПЧНИХ ПРОЦЕС1ВI ТЕХШЧНИХ СИСТЕМ
Дослщження проводилися на зерноочисних агрегатах ЗАВ-20, ЗАР-5, так як щ агрегати е базовими агрегатами. Незалежно ввд початку впровадження нових агрегатiв i комплекав ще багато рок1в основна маса зерна буде очищатися на обладнанш, яке мають господарства, тому необхщно прийняти ряд додаткових заходiв по його реконструкцп для того, щоб забезпечити працездатнiсть старого обладнання при мшмальних питомих витратах електроенергiï.
На структурнш схемi математично1 моделi питомих витрат електроенергiï електродвигунiв зерноочисного агрегату показаний вибiр змiнних енергетичних факторiв, як1 впливають на питомi витрати електроенергп (рис. 1).
Xi Математична модель питомих витрат електроенергп
X2 у
X3 електродвигушв
зерноочисного агрегату
Рис. 1. Структурна схема математичного моделювання
В математичнш моделi (рис. 1) прийнято: х\ - електроозброeнiсть, кВттод./люд.; х2 - коефiцieнт завантаження електродвигунiв, в.о.; х3 - коефiцieнт якостi електропостачання, в.о.; у - питомi витрати електроенергп, кВтгод./т.
Вибiр факторiв, iнтервалiв варiювання, рiвнiв визначався на основi аналiзу апрюрно! шформацп та попередшх експериментiв [3, 4]. Попереднi експерименти були проведет за основною методикою експериментальних дослщжень з використанням методу випадкового балансу [5, 6]. Експерименти були поставлен по певному плану, були видшеш значущi фактори. Проводився повний факторний експеримент (ПФЕ) типу 23. Це дозволило оцiнити вплив того чи шшого фактора на енергоемшсть процесу очищення зерна при багатофакторному впливг Статистична обробка даних експерименту проводилась вщповщно до методики, яка описана в [5, 6].
Рiвнi факторiв i iнтервали варшвання для зерноочисних агрегатiв ЗАВ-20 та ЗАР-5 наведеш в таблицях 1 i 3, а матрицi плану повного факторного експерименту (ПФЕ) типу 23 в табл. 2 i 4.
Таблиця 1
Рiвнi (фак'ицлв i iнтервали вариовання для ЗАВ-20
Рiвнi факторiв Нормована величина х1, кВт-год./люд. х2 хз
ячмiнь пшениця ячмшь пшениця ячмшь пшениця
Верхнiй рiвень +1 11,0 15,0 0,8 0,8 1,0 1,0
Основний рiвень 0 8,5 12,5 0,6 0,6 0,95 0,95
Нижнiй рiвень -1 6,0 10,0 0,4 0,4 0,90 0,90
Шаг варшвання ±2,5 ±2,5 ±0,2 ±0,2 ±0,05 ±0,05
Таблиця 2
Матриця плану ПФЕ типа 23 i результати експерименту (ЗАВ-20 - пшениця)
N Х1 Х2 хз х1х2 х1х3 Х2Х3 Х1Х2Х з У У
1 + - - - + + + - 1,620 1,5819
2 + + - - - - + + 2,960 2,9631
3 + - + - - + - + 1,115 1,1007
4 + + + - + - - - 2,510 2,4819
5 + - - + + - - + 1,560 1,5819
6 + + - + - + - - 2,950 2,9631
7 + - + + - - + - 1,070 1,1007
8 + + + + + + + + 2,470 2,4819
ь, 2,0319 0,6906 -0,2406 -0,0194 0,0081 0,0069 -0,002 -0,0056
82 {у} = 0,002206 82 {Ъ;} = 0,000138 8^ {у} = 0,001676 Рiвнi (фак'ицлв i штервали вариовання для ЗАР-5
Таблиця 3
Р1вш фактор1в Нормована величина х1, кВт-год./люд. х2 хз
ячм1нь пшениц я рис ячмшь пшениц я рис ячмшь пшениц я рис
Верхн1й р1вень +1 11,0 22,0 11,0 0,8 0,8 0,8 1,0 1,0 1,0
Основний р1вень 0 8,5 14,5 9,0 0,6 0,6 0,6 0,95 0,95 0,95
Нижн1й р1вень -1 6,0 7,0 7,0 0,4 0,4 0,4 0,90 0,90 0,90
Шаг вар1ювання ±2,5 ±7,5 ±2,0 ±0,2 ±0,2 ±0, 2 ±0,05 ±0,05 ±0,0 5
Таблиця 4
Матриця плану ПФЕ типу 23 i результати експерименту (ЗАР-5 - пшениця)
N X: Х2 Хз XIХ2 XIХ3 Х2Х3 Х1Х2Х 3 У у
1 + - - - + + + - 2,00 1,944
2 + + - - - - + + 4,19 4,166
3 + - + - - + - + 1,48 1,436
4 + + + - + - - - 3,68 3,658
5 + - - + + - - + 1,88 1,944
6 + + - + - + - - 4,15 4,166
7 + - + + - - + - 1,40 1,436
8 + + + + + + + + 3,63 3,658
ь. 2,801 1,111 -0,254 -0,0362 -0,0037 0,0137 0,0037 0,0062
82 {у} = 0,0127 82 {Ъ} = 0,0008 82 {у} = 0,00504
В результат! розрахунк1в отримаш р1вняння регресп для розрахунку питомих витрат електроенергп в залежносп в1д енергетичних фактор1в (2-6).
ЗАВ-20
(2)
ячмшь пшениця
ячмшь пшениця
рис
3 = 3,06 + 1,033 6! — 0,25 б2 . о = 2,0319 + 0,6906 61 - 0,2406 б2
5 = 3,098 + 1,073 6! - 0,244 б2. о=2,801 + 1,11161 - 0,254б2
о = 3,713 + 1,4416; - 0,241 б2
ЗАР-5
(3)
(4)
(5)
(6)
Анал1з р1внянь регресп (2-6) показуе, що вплив енергетичних фактор1в на питом1 витрати електроенергп р1зний: збшьшення електроозброеносп збшьшуе значения вихвдно! величини, а збшьшення коефщента завантаження зменшуе значення вихщно! величини.
Проведет дослщження явилися основою для розробки науково-обгрунтованих норм питомо! витрати електроенергп (табл. 5) для технолопчних схем очистки зерна на агрегатах ЗАВ-20 та ЗАР-5 [710], яш були обговореш та схвалеш на техн1чн1й рад1 Запор1зького обласного, Мелгтопольського районного управл1ння с1льського господарства та Великолепетиського районного управлшня сшьського господарства Херсонсько! област1.
Таблиця 5
Рекомендован науково-обгрунтоваш норми витрати електроенергп _при очищенм зерна на потокових лМях зернопункпв_
Тип потоково! лшп Технолопчш схеми Продуктившсть, т/год. Рекомендован! норми, кВтгод./т
ЗАВ-20 1 Одна лш1я з тр1ером 7,5 2,475
2 Одна лш1я без тр1ера 10 1,726
3 Дш лши з тр1ерами 15 1,562
4 Дш лши без тр1ер1в 20 1,069
ЗАР-5 1 Первинна - вторинна - тр1ер 20 1,432
2 Первинна - вторинна (без БТ) 20 1,183
3 Первинна - вторинна (без СВУ) 20 0,913
4 Первинна очистка 20 0,658
Рекомендоваш науково-обгрунтоваш норми електроспоживання призначет для планово-еконо-м1чних ввддшв обласних управл1нь сшьського господарства для планування 1 контролю витрати електроенергЦ на технолопчт процеси дороблювання зерна на потокових л1тях зернопункпв твдня Укра!ни. Аналопчш дослщження проводяться для шших зерноочисних агрегат1в, як1 випускае промислов1сть [11-13].
Нормування витрати електроенергп стае ефективним фактором енергозбереження лише за умови системного шдходу при впровадженш норм:
- затвердження норм на в1дпов1дному р1вш як офщшного нормативного документу;
- своечасне сезонне або р1чне планування норм для зернопункпв 1 шших структур АПК;
- впровадження сучасних прилад1в облшу витрати електроенергп з класом точносп 1,0, наприклад, електронних тритарифних л1чильнишв Альфа, Енерпя й ш.;
- введения системи економ1чного стимулювання при виконанш встановлених норм аж до введення пшьгових податк1в;
- введення адмшстративного впливу, матер1альних санкц1й за невиконання норм 1 перевитрати електроенергИ аж до збшьшення податкових ставок.
Висновки
1. З енергетичних фактор1в найб1льше впливае на енергоемшсть електроозброен1сть та коефщент завантажения електродвигун1в.
2. Отриман1 математичш залежност1 питомих витрат електроенергИ в1д енергетичних фактор1в погоджуються з експериментальними даними 1 в1др1зняються в середньому не бшьше як на ±2 %.
3. Науково-обгрунтоваш норми витрати електроенергп при очищенш зерна пшенищ в залежносп в1д технолог1чно1 схеми потокових лшш ЗАВ-20, ЗАР-5, що рекомендуються, наступн1:
ЗАВ-20 - 2,475...1,069 кВт год./т; ЗАР-5 - 1,432.0,658 кВтгод./т.
Список використаноТ лiтератури
1. Корчемний М. Енергозбереження в агропромисловому комплекс! / М. Корчемний, В. Федорейко, В. Щербань. - Тернопшь : Шдручники 1 пос1бники, 2001. - 984 с.
2. Ястребов П.П. Использование и нормирование электроэнергии в процессах переработки и хранения хлебных культур / П.П. Ястребов. - М. : Колос, 1973. - 331 с.
3. Карпова А.П. Исследование влияния технических и технологических факторов на электропотребление при подработке зерна на юге УССР: автореф. дис... канд. техн. наук / А.П. Карпова. - К., 1981. - 21 с.
4. Постшкова М.В. Енергозбер1гаюч1 режими роботи електромехашчних систем обробки зерна на зернопунктах : автореф. дис. канд. техн. наук / М.В. Постшкова. - Мелттополь, 2011. - 22 с.
5. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский.- М.: Наука, 1976. - 279 с.
6. Ивоботенко Б.А. Планирование эксперимента в электромеханике / Б.А. Ивоботенко [и др.] - М.: Энергия, 1975. - 184 с.
7. Мартиненко 1.1. Обгрунтування норм витрати електроенергп на потокових лш1ях зернопункпв методом планування експерименту / 1.1. Мартиненко, М.В. Постшкова // Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК Украши: В1сник Харывського нацюнального
техшчного ушверситету сшьського господарства iменi Петра Василенка. - Харшв, 2005. - Вип. 37, т.1. - С. 109-113.
8. Карпова А.П. Обоснование норм расхода электроэнергии на поточных линиях зернопунктов методом суммарных мощностей / А.П. Карпова, М.В. Постникова // Энергосберегающие технологии производства и переработки с.х. продукции: Сборник научных трудов Крымского агротехнологического университета. - Симферополь, 2006. - Вып. 93. - С. 60-64.
9. Постшкова М.В. Розробка науково-обгрунтованих норм енергоемносп при обробщ зерна на зернопунктах / М.В. Постшкова // Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорiя i практика: Вюник Нацюнального техшчного ушверситету "Харшвський полггехшчний шститут". Тематичний з6,рник наукових праць. - Харшв, 2008. - №30. - С. 511-512.
10. Дидур В.А. Научное обоснование удельных расходов электроэнергии при очистке зерна методом математического планирования эксперимента / [В.А. Дидур, Е.П. Масюткин, М.В. Постникова, В.А. Масловский] // Пращ шституту електродинам^ НАН Украши. - Кшв, 2008. - Вип. 19. - С. 94-98.
11. Постшкова М.В. Розрахунок мшмальних питомих витрат електроенергп на очищення поавного зерна на зернопунктах / М.В. Постшкова // Вюник Харшвського нацюнального техшчного ушверситету сшьського господарства iменi Петра Василенка. Техшчш науки. Випуск 175 «Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК Украши». - Х.: ХНТУСГ, 2016. -Вип. 175. - С. 134 - 136.
12. Карпова О.П. Експериментальш дослщження енергетики електроприводу машин зерноочисних агрегапв / О.П. Карпова, М.В. Постшкова // Пращ Тавршського державного агротехнолопчного ушверситету. - Мелггополь: ТДАТУ, 2011. - Вип. 11 т. 4. - С. 130-134.
13. Карпова О.П. Експериментальне дослщження перетворення електричноï енергп в електромехашч- них системах обробки зерна / О.П. Карпова, £.В. Михайлов, М.В. Постшкова // Науковий вюник ТДАТУ. - Мелггополь, 2012. - Вип. 2, т.1. - С. 169-173.
