CC BY
23
УДК 621.516
КРИТЕРИАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА МОЛОКА НА ПАСТБИЩАХ
Б.И. Вагин, доктор технических наук Санкт-Петербургский ГАУ
О.А. Герасимова, кандидат технических наук, ст. преподаватель
С.В. Соловьев, кандидат технических наук, преподаватель
Е.В. Радкевич, преподаватель
Великолукская ГСХА
E-mail: [email protected]
Аннотация. Принципы энергосбережения на этапе проектирования технологических процессов производства молока на пастбищных доильных центрах (ПДЦ) закладываются при обосновании технологии, определении состава поточных технологических линий. В процессе производства молока в результате воздействия на материал рабочих органов машин, включенных в ПТЛ и выполняющих одну или несколько последовательных операций, энергия, подводимая к ним, расходуется на изменение физических свойств материала. Происходит как бы превращение энергии движения в потенциальную энергию, которая накапливается в обрабатываемом материале. Этот процесс оценивается показателем энергонасыщенности конечного продукта, выраженным в единицах удельной энергии (МДж/т; кВтч/т), который отражает способность материала сопротивляться внешним воздействиям со стороны рабочих органов машин. С позиций системного анализа процесс производства молока можно представить в виде детерминированной системы с явно выраженной целевой функцией, позволяющей оптимизировать режимы работы оборудования. Выходные параметры, а именно качественные показатели произведенного на ПДЦ молока, должны соответствовать ГОСТ-Р52054-03. Они характеризуют результат, получаемый после первичной обработки молока и оцениваемый комплексным показателем качества. Регулирующие параметры задаются при конструировании оборудования и во время его работы. В связи с этим решение возможно лишь на основе системного подхода, при котором исследование целесообразно проводить по соответствующим взаимосвязанным подсистемам. Основная задача будет заключаться в обосновании подсистем с соответствующими критериями, которые в комплексе обеспечивают энергосбережение. Ключевые слова: молоко, пастбищный доильный центр, критерий оптимизации, энергосбережение.
Наряду со снижением затрат энергии на Тогда коэффициент безотходности
производство рациона другой важной зада- Кб = Км • Кэк, (2)
чей энергосбережения является повышение где Км - коэффициент полноты использо-
коэффициента биоконверсии энергии кормов вания энергетических ресурсов, характери-
в энергию продукции. При этом необходимо зующий степень замкнутости технологиче-
учитывать потери энергии с отходами, обра- ского процесса на «входе» и «выходе» по от-
зующимися в процессе выполнения техноло- ношению к окружающей среде; Кэк - коэф-
гических процессов. Критерий биоконверсии фициент экологичности, характеризующий
энергии соответствующей технологической интенсивность воздействия на окружающую
линии с учетом коэффициента безотходно- среду.
сти Кб : Коэффициент Км рассчитывается на ос-
^ _ ЭпПсут (1) н о в е с о ставл е н н о го д ля кажд ого варианта
к 2;=1Э;х; технологического процесса уравнения сквоз-
где Эп - энергосодержание единицы по- ного материального баланса, описывающего
лучаемой продукции, молока, МДж/кг; Псут - количественное движение сырья, материа-
объем получаемой продукции, кг/сут.; Э7 - лов, энергии, размеры использования вто-
валовая энергия на выполнение j-го процес- ричных ресурсов, побочных продуктов и не-
са, МДж. использованных отходов, размеры потерь.
При количественном определении коэффициента Км возникает проблема учета расходования таких ресурсов, как потребленная электроэнергия и затраты живого труда, имеющих разные единицы измерения. Необходимость учета потребления этих ресурсов не вызывает сомнения, т.к. выработка электроэнергии, производство продуктов питания, энергосодержание которых идет на покрытие энергетических затрат человека в процессе его труда, также связаны с расходом материально-сырьевых ресурсов и, соответственно, дополнительной нагрузкой на окружающую среду. Валовая энергия определяется суммой энергосодержания корма и затрат энергии на его производство. Значение Пк показывает, сколько МДж энергии продукции получается при затрате одного МДж валовой энергии кормового рациона.
Задачу оптимизации кормового рациона можно сформулировать следующим образом: из производимых в хозяйстве кормов, а также приобретаемых кормов и кормовых добавок составить рацион, который полностью удовлетворяет биологические потребности животного в питательных веществах и энергии и обеспечивает максимум коэффициента биоконверсии энергии кормов.
Цель задачи - определить в рационе количество каждого вида корма Xj (j = 1,2,..., N), при котором достигается экстремальное значение функции Пк ^ max (максимум коэффициента биоконверсии энергии кормов) при изложенных выше ограничениях.
Особую важность приобретают вопросы оптимизации рационов на принципах биоэнергетической оценки и создания технических средств, обеспечивающих режимы энергосбережения. Широкими возможностями в этом отношении обладают комбинированные машины, выполняющие одновременно несколько технологических операций с оптимальной загрузкой двигателя. Применение таких машин должно стать одним из основных направлений дальнейшего повышения эффективности и снижения энергоемкости технологических процессов кормопри-готовления. С энергетической точки зрения предлагаемая или принятая технология про-
изводства молока на пастбищах может считаться эффективной, если обеспечивается соблюдение условия:
э
Эоб > Е1 или цк=-т> 1 , (3)
Е1
где Эоб - содержание обменной энергии в корме, МДж; Е1 - затраты (суммарные по операциям технологического процесса) энергии на приготовление кормов, МДж.
Величина п показывает, во сколько раз усвоенная энергия больше затрат энергии на П получение корма. Очевидно, что при прочих равных условиях значение будет изменяться в зависимости от набора машин в технологических линиях производства молока на пастбищах, поскольку от этого набора зависят пооперационные и суммарные затраты энергии.
За основной критерий оценки технологий и комплексов машин принят коэффициент энергетической эффективности кэ, который характеризует затраты энергии на выполнение единицы механизированных работ или производственного процесса получения единицы продукции [1]. При сравнительной оценке технологий удельные энергозатраты определяют по новому (Ен) и базовому (ЕБ) вариантам. Отношение удельных энергозатрат (в том числе дифференцированно по их составляющим) по новой технологии (машинам) к этим же затратам по базовой технологии (машине) характеризует критерий их энергетической эффективности кэ:
(4)
При снижении удельных энергозатрат имеем кэ < 1, а при увеличении - кэ > 1. Таким образом, затрачиваемую техногенную энергию целесообразно рассматривать как энергию управления процессом биоконверсии природной солнечной энергии. Для снижения энергоемкости производства необходимы комплексные решения по рациональному использованию всех видов производственных ресурсов, основанные на широком использовании вычислительной техники, обеспечивающие получение требуемых видов продукции заданного количества и качества при минимальных трудовых, материальных, энергетических затратах и наимень-
ь - ЁН
IVq --.
э Еб
шем негативном влиянии на природную среду. На заключительном этапе обоснования оптимальной технологии производства молока на ПДЦ необходимо определить критерий биоэнергетической эффективности предлагаемой технологии Пк и убедиться, что он больше единицы и не меньше, чем у базовой технологии
Пн = Эг > Пб
Ен
(5)
Экономический эффект безотходных производств определяется по комплексному критерию
ЕГ=1Э£-У
_ ^=1
(6)
где Э^ - сумма всех эффектов, достигаемых при внедрении безотходного производства на пастбищах, тыс. руб.; У - ущерб от загрязнения окружающей среды; Зпол -полные затраты на осуществление безотходного производства на пастбищах.
Таким образом, в общем случае технологический процесс является тем более энергосберегающим, чем меньше в ходе его образуется неиспользуемых отходов. В случае невозможности однозначной оценки сравниваемых вариантов по приведенным совокупным затратам необходимо использовать дополнительные показатели, такие, как условия труда, универсальность машин и другие. Разработанные технологии производства молока на пастбищах приведены на рисунке 1.
Анализ рассмотренных технологий выявил, что наилучшие показатели удельных капитальных и эксплуатационных затрат производства молока на пастбищах имеет технология №1, причем снижение энергозатрат обеспечивается при увеличении поголовья до 200 при продуктивности 3750 кг/сезон на голову.
На основе полученных показателей критериев оценки высоких капитальных затрат и результатов поиска Парето-оптимальных решений принимается Технология 1. На втором этапе формирования и выбора варианта технологии производства молока на пастбищах по результатам полученных данных проведены исследования выбранной технологии по составу технических средств и со-
оружений, а также приемов выполнения отдельных технологических операций. Чтобы определить влияние состава технических средств и сооружений, приемов выполнения отдельных операций на эколого-экономиче-ские показатели, спроектированы 9 вариантов выполнения технологии.
За базовый принят вариант технологии, включающий в себя: доение коров - на ПДЦ установкой типа УДС-3Б; определение объема молока - потокомер ПСМ; очистка молока - рукавный фильтр; охлаждение и хранение молока - резервуар-охладитель; для транспортировки концентрированных кормов, подстилки и навоза используется 2ПТС - 4, полуприцеп самосвальный тракторный; для погрузки навоза - ПЭ-0,8, погрузчик грейферный; для удаления навоза с площадок - АМН-Ф-20; также за ПДЦ закреплен трактор МТЗ-80/82.
Для формирования вариантов Технологии 3 использовались новые разработанные установки - установка для термизации молока, установка для охлаждения молока естественным холодом, система управления во-докольцевым вакуумным насосом, молочное оборудование и дополнительные технологические процессы: скашивание травяных остатков - КС-2,1; распределение навоза по пастбищу - БС-4, внесение минеральных удобрений - МТТ-4У.
Анализ по критериям оценки представлен на рисунках 2-4.
Задачи обоснования рациона кормления животных, состава поточных технологических линий производства молока на пастбищах решаются отдельно. В качестве целевых функций используются экономические, энергетические и другие критерии.
Недостатком такого подхода является невозможность определения взаимного влияния и общего эффекта от решения данных оптимизационных задач. Поэтому целесообразно рассматриваемые задачи описывать единой математической моделью. При этом нагляднее становится анализ получаемых результатов, упрощается изменение исходных данных и расчет других вариантов оптимизации.
З
Рис. 1. Структурная схема формирования технологии производства молока на пастбищах
Сравнительный анализ экономических и энергетических критериев показал, что состав технологической линии, определенный по энергетическому критерию, оптимален и с экономической точки зрения [1]. При этом энергетические критерии более стабильны, не подвержены рыночным колебаниям цен. Для сравнительной оценки технологий используются методы Парето-оптимизации [2]. Этот метод основан на анализе нескольких возможных решений одной и той же задачи (исследование различных вариантов).
Для выбора рациональной технологии среди конкурирующих используются методы принятия решений. Рассчитываются с помощью ПЭВМ несколько вариантов техноло-
гии, из которых в дальнейшем необходимо выбрать рациональный вариант, пригодный к использованию на практике. Определение эффективности применения выбранной технологии при помощи метода Парето-оптими-зации можно осуществить по одному или по нескольким критериям одновременно.
Согласно аксиоме Парето: если оценка одного из двух вариантов не хуже оценки второго варианта по всем компонентам, причем по крайней мере по одной из них -строго лучше, то первый вариант предпочтительнее второго, т.е. х', х" е X,¡г (х') > /, (х"), г = 1,2,...т;3 к е {1,2,...,т}
■ А(X)>А(х") ^ х'Ф_
(7)
х
Аксиома исключения: вариант, не выбираемый в какой-либо паре, не должен оказаться среди выбранных из исходного множества возможных вариантов, т.е.
х', х"е X, х'фх х" ^ х"ё С(Х) .
(8)
Принятие сформулированных выше двух аксиом дает возможность установить фундаментальный принцип многокритериального выбора - принцип Эджворта-Парето: при выполнении аксиомы Парето и аксиомы исключения для любого множества выбираемых вариантов ^Х) имеет место включение С(Х) С Р(Х).
2
1,5 1 0,5
100
150
200
голов
— • — Удой 2250 кг/сезон
-Удой 3000 кг/сезон
----Удой 3750 кг/сезон
Рис. 2. Комплексный критерий безотходного производства по вариантам Технологии 1
0,16
0,11
0,06
100 150
— • — Удой 2250 кг/сезон
-Удой 3000 кг/сезон
----Удой 3750 кг/сезон
200
голов
Рис. 3. Коэффициент энергетической эффективности по вариантам Технологии 1
Здесь через Р^Х) обозначено множество Парето-оптимальных вариантов, определяемое для решения нашей задачи следующим образом: отбор осуществляется среди 9 вариантов технологий по 3 критериям: ЗКэкб, Ээф и Ендт, при этом вариант 1 является базовым, с которым сравниваются сформированные варианты.
100 150 200
— • — Удой 2250 кг/сезон
голов
-Удой 3000 кг/сезон
----Удой 3750 кг/сезон
Рис. 4. Коэффициент биоконверсии энергии по вариантам Технологии 1
В соответствии с аксиомой Парето отбрасываем варианты 1, 2, 4, 5, 7, 8 технологии, т.к. варианты 3, 6, 9 значительнее эффективнее по двум критериям пкомп и Пк (табл. 1).
Из данных таблицы наглядно видно, что эффективными решениями, обеспечивающими высокие экологические и экономические показатели, являются варианты технологии 6 и 9.
Проведя ранжирование выбранных вариантов технологии производства молока на ПДЦ (табл. 2), получим максимально приближенные к оптимальному варианту решения.
Для определения оптимальных вариантов нами разработан алгоритм (рис. 5). В соответствии с алгоритмом были исключены варианты 1, 2, 4, 5, 7, 8 технологии, так как варианты 3, 6, 9 значительнее эффективнее по трем критериям кэ, Пкомп, Пк (табл. 1).
Таблица 1. Выбор Парето-оптимальных решений
Критерий (К) Направление экстремума Варианты Технологии 3
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Пкомп, руб/руб тах 0,076 0,089 0,110 0,099 0,129 0,143 0,108 0,136 0,152
кэ кэ <1 1,26 1,09 0,93 1,13 0,97 0,84 0,94 0,86 0,7
Пк, МДж/МДж тах 0,9 0,88 0,98 1,1 1,24 1,35 1,14 1,17 1,54
0
( Нача/to j
коэффициенты h, h. k¡ уде/ьные эалщтты энергии q,
I Oí
ИНГ
для f-2 ди 9 -
Sli-i
-с*| next |-
Рис. 5. Алгоритм выбора Парето-оптимальной технологии производства молока на пастбищах
Вариант 9 технологии 3 обеспечивает максимальное комплексный критерий безотходного производства Пкомп = 0,152 руб/руб., лучший показатель критерия энергетической эффективности k3=0,7, коэффициента биоконверсии энергии пк =1,54 МДж/МДж.
Таблица 2. Ранжирование Парето-оптимальных _вариантов технологии 1_
Критерий Выбранные варианты технологии
"Лкомп Лучшее значение Худшее значения 9 6 3 2
ka 9 6 3 4
Пк 9 6 3 7
Итоговый Луч- Худ-
рейтинг ший ший 9 6 3 4
вариантов вариант вариант
Предложенный многокритериальный метод оптимизации можно использовать при определении экономической эффективности производства различных технологий и технологических процессов.
Литература:
1. Купреенко А. Разработка метода оптимизации энергосберегающих технологий и средств механизации приготовления кормов: авт. дис. д.т.н. Рязань, 2006.
2. Ногин В.Д. Обобщенный принцип Эджворта-Паре-то в терминах функций выбора // Методы поддержки принятия решений. М., 2005. С. 43-53.
Literatura:
1. Kupreenko A. Razrabotka metoda optimizacii ehnergo-sberegayushchih tekhnologij i sredstv mekhanizacii prigo-tovleniya kormov: avt. dis. d.t.n. Ryazan', 2006.
2. Nogin V.D. Obobshchennyj princip EHdzhvorta-Pare-to v terminah funkcij vybora // Metody podderzhki priny-atiya reshenij. M., 2005. S. 43-53.
THE CRITERIAL OPTIMIZATION OF MILK PRODUCTION ON PASTURES B.I. Vagin, doctor of technical sciences St. Petersburg GAU
O.A. Gerasimova, candidate of technical sciences, senior lecturer S.V. Soloviev, candidate of technical sciences, lecturer E.V. Radkevich, lecturer Velikolukskaya GSHA
Abstract. The energy saving principles at the milk production technological processes design stage on milking centers of grazing (PDZ) are used at technology's justification, at the flow-line technologies determination. In the process of milk production, the result on the material of the working bodies of the machines including PTL and perform one or several consecutive operations, the energy supplied to them is used to the physical properties of the material changing. There is like a sort of energy transformation of motion into potential energy, that is accumulated into the processed material. This process is estimated by the rate of energy saturation of the final product, expressed in specific energy units (mJ/t, kWh/t), that reflects the ability of a material to resist the external influences from the machines' working bodies. From the system analysis's standpoint the process of milk production can be represented in the form of a deterministic system with an explicit objective function that can the equipment operation regimes' o p-timize. Output parameters, namely, the milk quality indicators produced in PDZ, must comply with GOST-Р52054-03. They characterize the result obtained after the initial milk processing and evaluate a complex indicator of quality. The regulatory parameters are set during the equipment design during its working. In this regard, a solution is possible only through systematic approach, when the study is feasibility to carried out on the relevant interrelated-sub-systems. The main task will be in the study of the subsystems with the relevant criteria, that are provided energy savings in complex.
Keywords: milk, pasture milking center, the optimization criterion, energy saving.
