CC BY
36
13. Lin K.H., Huang M.Y., Huang W.D., Hsu M.H., Yang Z.W., Yang C.M. The effects of red, blue, and white light-emitting diodes on the growth, development, and edible quality of hidroponically grown lettuce (Lactuca sativaL. var. capitata). Scientia Horticulturae, 2013.-№150.- p. 86-91.
14. Hernández R., Kubota C. Tomato seedling growth and morphological response to supplemental LED lighting red:blue ratios under varied daily solar light integrals. Acta Horticulturae, 2012.- №956.-p.187-194.
15. Liu X.Y., Guo S.R., Xu Z.G., Jiao X.L., Takafumi T. Regulation of chloroplast ultrastructure, cross-section anatomy of leaves, and morphology of stomata of cherry tomato by different light irradiations of light-emitting diodes. HortScience, 2011.-№ 46.-p. 217-221.
7. 16. Samuoliene G., Brazaityte A., Duchovskis P., Virsile A., Jankauskiene J., Sirtautas R., Novickovas A., Sakalauskiene S., Sakalauskaite J. Cultivation of vegetable transplants using solid-state lamps for the short-wavelength supplementary lighting in greenhouses. Acta Horticulturae, 2012.-№952.- p.885-892.
16. Li Q., Kubota C. Effects of supplemental light quality on growth and phytochemicals of baby leaf lettuce. Environmental and Experiment Botany, 2009.- №67.- p.59-64.
УДК631.152
МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ МОЩНОСТИ И ВЫБОРА ОБОРУДОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ АВАРИЙНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ СЕЛЬХОЗПРОИЗВОДСТВА
В.Н.СУДАЧЕНКО, канд. техн. наук, А.Ф. ЭРК, канд. техн. наук, Е.В. ТИМОФЕЕВ, канд. техн. наук
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства», Санкт-Петербург, Россия
В работе приведены факторы, оказывающие влияние на снижение надежности энергообеспечения большинства малых и средних сельхозпредприятий: третья категория электроснабжения, допускающая плановые отключения до 24 часов в сутки, но не более 72 часа в год; аварийные отключения, весьма частые на сельских территориях; отключения по инициативе гарантирующих поставщиков и электросетевых компаний. Каждое отключение сельхозпредприятий наносит технологический ущерб, обусловленный недовыпуском и невозвратной потерей продукции. Так, например, при длительности простоя технологической линии доения лишь 1,5 часа недовыпуск продукции составляет 7%. Решается эта проблема сельхозпредприятиями путем включения резервного источника энергоснабжения на период отключения от централизованной сети. При этом его мощность рассчитывается на энергообеспечение всех потребителей электроэнергии предприятия. В связи с постоянных ростом тарифов на энергоресурсы такое решение скажется на себестоимости производимой продукции. В статье предлагается методика обоснования мощности аварийного источника, достаточной лишь для энергообеспечения основных технологических процессов предприятия на период отсутствия централизованного энергоснабжения. Таким образом решается проблема снижения капитальных и эксплуатационных затрат на аварийную систему
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства_
энергообеспечения. На основании данных энергетических обследований сельхозпредприятий, проведенных ИАЭП, и работ ВИЭСХ на примере фермы крупного рогатого скота предложен перечень жизненно-важных технологических процессов, перерыв в энергообеспечении которых наносит существенный ущерб. Приведена методика расчета технологического ущерба, обусловленного недовыпуском и невозвратной потерей продукции. Предложена методика обоснования нагрузок (потребной мощности для работы технологического оборудования) и построения суточного графика нагрузок фермы. Предложена методика выбора мощности электрогенератора аварийного источника. В качестве примера (не для принятия решения) приведены величины резервируемых нагрузок, количество электростанций и их номинальные мощности для ферм крупного рогатого скота с различной численностью животных.
Ключевые слова, ферма крупного рогатого скота; аварийный источник; энергообеспечение; технологический ущерб; график нагрузок; электрогенератор; дизельная электростанция.
METHOD TO SUBSTANTIATE THE CAPACITY AND EQUIPMENT OPTIONS FOR EMERGENCY POWER SUPPLY SOURCES FOR AGRICULTURAL PRODUCTION FACILITIES
V.N. SUDACHENKO, Cand. Sc. (Engineering), A.F. ERK, Cand. Sc. (Engineering), E.V. TIMOFEEV, Cand. Sc. (Engineering)
Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production" (IEEP), Saint Petersburg
The paper describes the factors that influence the lower reliability of energy supply for most small and medium-size farms, the third category of electricity supply, which allows scheduled outages up to 24 h/day, but not more than 72 h/year; emergency outages, very frequent in rural areas; outages initiated by the guaranteeing suppliers and electric grid companies. Each case results in outage costs for agricultural enterprises in terms of under-production and irrecoverable loss of products. So, for example, with the idle time of the technological milking line being only 1.5 hours, the under-production is 7%. Agricultural enterprises solve this problem by switching on a backup power source for the period of power tripping from the central grid. In such a case, its capacity is calculated for the energy supply of all electricity consumers of the enterprise. Due to constant growth of energy tariffs, such a decision affects the self-cost of products. The article proposes a method to substantiate the capacity of the emergency power source, which would be sufficient for power supply of key farm technological processes for the period of centralized power supply interruption. This way the capital and operating costs associated with an emergency power supply system may be reduced. Based on the data of the energy surveys of agricultural enterprises, conducted by IEEP, and the research of VIESH, a list of vital technological processes is made on the example of a cattle farm, the interruption in the energy supply of which causes significant damage. The paper presents the calculation method of the so-called technological losses caused by under-production and unrecoverable loss of products; the method to substantiate the loads (required capacity for operation of technological equipment) and to plot a daily curve of farm loads; the method to substantiate the capacity of the electric generator of the emergency power supply source. As an example (not for decision making), the values of reserved loads, the number of power stations and their nominal capacities for cattle farms with different number of animals are given.
Keywords. cattle farm; emergency power; energy supply; technological losses; load schedule; electrical generator; diesel power plant.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время износ электрических сетей и трансформаторных подстанций на сельских территориях страны значительно превышает нормативный срок. Все сельхозпредприятия, за исключением крупных птицефабрик, тепличных комбинатов, комплексов крупного рогатого скота и свинокомплексов, получают питание по 3-ей категория надежности снабжения потребителя электрической энергией, т.е. по радиальным линиям электропередач и не имеют резервного питания (рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема электроснабжения сельхозпредприятия
Это значит, что допускается плановое отключение потребителей фермы от электросети до 24 часов в сутки, но не более 72 часа в год. Кроме плановых отключений имеют место аварийные отключения, отключения и ограничения в потреблении электроэнергии по инициативе гарантирующих поставщиков электроэнергии, электросетевых предприятий. В итоге при такой системе централизованного энергоснабжения заранее известно, что сельхозпроизводство будет нести постоянно убытки. По данным ВИЭСХ [1] (табл. 1)для ферм крупного рогатого скота допустимая длительность простоя, например, технологической линии доения -1,5 часа. Недовыпуск продукции при этом составит 7%. При более длительных простоях наблюдается существенное снижение удоев и заболеваниям коров.
Таблица 1
Удельный недовыпуск продукции и допустимые длительности простоя технологических
линий на фермах крупного рогатого скота
Наименование Наименование Допустимая Удельный
предприятия технологического длительность недовыпуск
процесса простоя основной
технологической продукции, X, отн.
линии, т0, ч. ед.
Молочные предприятия доение 1,5 0,07
поение 3,0 0,04
кормление 3,0 0,03
обеспечение 3,5 0,02
требуемого
микроклимата
первичная 3,0 0,035
обработка молока
Предприятия по откорму кормление 3,5 0,01
крупного рогатого скота поение 3,0 0,015
обеспечение
требуемого 3,5 0,01
микроклимата
В связи с ухудшающимся состоянием централизованного электроснабжения, сельхозпредприятия, внедряющие передовые технологии, закупающие импортное дорогостоящее технологическое оборудование, оснащенное средствами автоматизации с использованием микропроцессорной техники, имеющие высокопродуктивный скот, вынуждены изыскивать возможности для закупки и установки источников резервного питания. В результате, во время перерывов в электроснабжении они смогут обеспечить выполнение всех технологических процессов, сохранив тем самым оборудование, молодняк животных и птиц, количество и качество продукции.
К сожалению, вопросами ранжирования технологических процессов на сельхозобъектах по их значимости, обоснованию необходимой мощности энергоисточника для их выполнения, тип источника, его надежности, электро- и пожаробезопасности никто не занимался. Это довольно сложная, но весьма актуальная в настоящее время научно-техническая задача.
Многие сельхозпредприятия устанавливают на фермах в качестве автономных источников резервного питания дизельные электростанции, мощность которых была достаточна, чтобы обеспечить электроэнергией все электроприемники фермы.
В связи с постоянным ростом цен на дизельное топливо и снижения надежности электроснабжения от централизованной электросети, расходы на эксплуатацию дизельных электростанций существенно увеличиваются и могут повлиять на себестоимость молока.
Цель данной работы - обоснование мощности и выбор оборудования аварийного источника энергоснабжения объекта сельхозпроизводства достаточной лишь для выполнения технологических процессов обеспечения производства, сохранения количества и качества производимой продукции на период отсутствия централизованного энергоснабжения.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
По результатам энергетических обследований сельхозпредприятий, проведенных институтом[2, 3, 4]технологический ущерб от прекращения подачи электроэнергии на ферму крупного рогатого скота (планового; аварийного или ограничительного по инициативе гарантирующего поставщика, электросетевой организации) обусловлен: а)недовыпуском или невозвратной потерей продукции; б)получением пониженного качества продукции, которая может быть реализована по более низкой цене.
Технологический ущерб, обусловленный недовыпуском или невозвратной потерей продукции, рассчитывается по формуле[1]:
УНШ=Ц'П1 , (1)
где Ц - цена единицы полноценной основной продукции (мяса, молока и др.), руб./натур.
ед.;
П1 - объем недополученной основной продукции, натур.ед.
Здесь же учитывается и возможное снижение продуктивности животных и птицы, в течение некоторого периода после восстановления энергоснабжения.
Для приблизительных укрупненных расчетов величина П1 может быть определена по формуле:
П= X • Дт • П - Пр , (2)
Дт = т - т0 , (3)
где X - удельный недовыпуск основной продукции(доля теряемой среднесуточной основной продукции в результате часового простоя оборудования сверх допустимой длительности), относительные единицы;
т - фактическая длительность простоя оборудования при одном отключении, ч; т0 - допустимая длительность простоя оборудования при одном отключении, ч; П - среднесуточный объем основной продукции, вырабатываемой при нормальной работе фермы, натур. ед:
Пр - количество основной продукции, выработанной в результате привлечения дополнительной рабочей силы, натур. ед.
Технологический ущерб, обусловленный получением продукции пониженного качества, которая может быть реализована по более низкой цене, рассчитывается по формуле:
Унк = Пнк- (Ц- Цнк) , (4)
где Пнк - объем выпущенной неполноценной продукции, натур.ед.; Цнк - закупочная цена продукции пониженного качества, руб./ натур.ед.
Ущерб из-за гибели или преждевременной выбраковки скота или птицы вычисляется по уравнению:
Увбк = Ц-Пвбк^вбк , (5)
где Пвбк - объем недополученной продукции от одного преждевременно выбракованного или погибшего животного, натур.ед.; N^ - количество пострадавших животных.
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства_
При сдаче выбракованного животного на мясокомбинат Увбк должен быть уменьшен на размер выручки за мясо; при гибели животных Увбк наоборот, необходимо увеличить на размер нереализованной этой выручки.
В данной работе обосновывается целесообразность устанавливать на фермах источники аварийного электроснабжения, обеспечивающие электроэнергией при отключении от централизованной электросети не все электроприемники фермы, а лишь электроприемники оборудования, обеспечивающего выполнение на ферме в этот период жизненно важных технологических процессов.
В первую очередь автономным питанием должны быть обеспечены электроприемники системы доения, аварийных освещения и вентиляции, затем- первичной обработки молока, далее поения и кормления, наконец- системы поддержания микроклимата.
Существует несколько методов расчета электрических нагрузок (мощности):
1. Методы, определяющие расчетную нагрузку путем умноженияноминальной мощности на коэффициент, меньший единицы Рр=к1Рном.
К этой группе следует отнести метод определения расчетной нагрузки по установленной мощности и коэффициенту спроса.
2.Методы, определяющие расчетную нагрузку путем умножения среднейнагрузки на коэффициент, который больше единицы или равен ейРр=к2Рном. К этой группе относятся следующие методы определения расчетной нагрузки: по средней нагрузке и коэффициенту максимума нагрузки (метод упорядоченных диаграмм); по средней нагрузке и среднеквадратичному отклонению (статистический метод).
З.Особую группу составляют методы определения расчетных нагрузок по удельным показателям производства, а именно: по удельному расходу электроэнергии на единицу продукции; по удельной нагрузке на единицу производственной площади.
В таблице 2 приведены выборочно (в качестве примера) данные о мощности (электрических нагрузках) технологического оборудования доильных залов и дворов ферм крупного рогатого скота, из которой наглядно видно большое разнообразие величин мощностей электроприводов технологического оборудования. Поэтому для каждой конкретной фермы необходимо проводить расчеты по обоснованию мощности (нагрузки) аварийных источников питания.
Коэффициент спроса по ответственным электроприемникам фермы крупного рогатого скота близок к единице, в связи с чем максимальной потребной (расчетной) мощностью (нагрузкой) принято называть наибольшую электрическую нагрузку одновременно работающих ответственных электроприемников. Максимальную расчетную нагрузку рекомендуется определять по суммарному графику присоединенной мощности ответственных электроприемников при питании их от системы резервного электроснабжения. При этом для вновь проектируемых объектов- путем построения в соответствии с методическими указаниями по расчету электрических нагрузок в сетях 0,38110кВ сельскохозяйственного назначения(РД 34.20.178).
Таблица 2
Мощности электроприемников, обеспечивающих процесс доения и предреализационную подготовку молока на молочных фермах (на примере ряда ферм Ленинградской области)
Электро Электро Уста- Наг- Водоснаб- Электро Осве-
-привод -привод новка рев жение, -привод ще-
вакуум- насоса охлаж- воды, кВтхк-во вентиля ние,
№ Предприя- Ферма ного пере- дения кВтхк ции, кВт
п/ тие насоса, качки молока -во кВтхк-
п кВтхк-во молока, кВтхк-во ? кВтхк-во во
1. ОАО «Ударник» «Заполье» 4х2 0,75х2 6х1 8х1 12,0
2. ЗАО «Гомонто-во» «Крупская» «Кайки-но» 4х1 4х1 0,75х2 20х2 8х1 15х2 30,0
3. ООО «Нива» «Холопо-вичи» 7,5х2 0,75х2 1,1х2 5,5х2 1,5х2 3,0х2 9х2 1х4 12.0
4. ОАО «Острого-вицы» 1-й двор 4х2 0,75х2 6х1 3,0
5. ЗАО «Победа» «Штурм» 15х2 7,5х5 0,75х6 5х3 7,5х5 2,0х2 16,7
6. ООО «Заполье» «Подме-сье» 4х3 3х2 6х2 12х1 12,0
7. ООО «Новое время» «Заозерье» 4х1 0,75х2 10х1 10х2 5,0
8. СПК «Кореш- 4х4 2,2х4 6х1 10,0
«Оредеж- ко»
ский»
9. СЗ МИС «Лисино» 3,0х3 3,28х2 2,0х7 5,5
На действующих объектах график получают путем проведения замеров электрических нагрузок ответственных электроприемников при питании их от системы централизованного электроснабжения[5, 6]. При этом могут быть использованы два способа: прямой - путем включения самопишущих или показывающих ваттметров или косвенный - путем снятия показаний электросчетчиков или амперметров с последующим вычислением нагрузки в киловаттах или киловольтамперах.
Перед окончательным снятием графиков нагрузки целесообразно выполнить ряд технических и организационных мероприятий, позволяющих снизить неоправданные расходы электроэнергии и величины предполагаемых пиков нагрузки. При обосновании мощности потребной на эти цели рекомендуется процедура снижения необоснованных величин мощности электроприемников оборудования, выполняющего жизненно важные технологические процессы. Предлагается по возможности заменить электроводо-нагревательные установки на ферме, а нагрев воды на технологические цели осуществлять за счет тепла системы охлаждения и выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания электростанции. В итоге рекомендуется на фермах, где это возможно по экономическим
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства_
показателям, устанавливать в качестве источников аварийного энергоснабжения мини-ТЭС. Причем мини-ТЭС может быть на базе дизельного, газопоршневого и газотурбинного двигателей, что позволит использовать в качестве топлива природный газ и другие виды газового топлива.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Суммарный график электрических нагрузок позволяет определить как максимум нагрузок автономной резервной электростанции, так и разность между мощностью электростанции и текущей нагрузкой ответственных электроприемников с распределением ее по часам суток. На это время можно снимать ограничение в работе менее ответственных электроприемников и дополнительно загружать генераторы до их номинальной мощности. Общая мощность выбранных электрогенераторов Рэ должна быть больше максимальной нагрузки электроприемников Ртах на значение нагрузки собственных нужд автономной электростанции и потерь мощности в проводах электрической сети. Перегрузка агрегатов автономно работающей электростанции недопустима, так как влечет за собой снижение частоты переменного тока.
Максимальная нагрузка
Ртах. расч. Ртахкпот. / к^.н^ (6)
где Ртах- общая максимальная нагрузка всех потребителей (электроприемников), кВт;
кпот. -коэффициент, учитывающий потери мощности в сетях (кпот. = 1,05);
ксн- коэффициент, учитывающий нагрузку собственных нужд (ксн = 0,95 - 0,97).
Мощность на зажимах генераторов
Рэ = 2 Ре^ гешЛпер.Ь
где п - число агрегатов станции;
Ре- эффективная мощность первичного двигателя по паспорту, кВт; Пген-КПД генератора;
Ппер - КПД передачи (при ременной передаче).
Мощность на зажимах генераторов больше максимальной нагрузки. Правила технической эксплуатации рекомендуют при непрерывной работе, например, дизельного двигателя свыше 24 ч. снижать нагрузку для четырехтактного двигателя до 90%, для двухтактного - до 85%. В соответствии с этим мощность на зажимах генератора
Рэ = 0,9РеПген Ппер, (8)
Номинальная мощность генератора должна обеспечивать пук асинхронного короткозамкнутого электродвигателя ответственного электроприемника наибольшей мощности, так как пусковой ток таких электродвигателей в 4-6 раз превышает номинальный. При этом следует учитывать, что, например, дизельные электроагрегаты обеспечивают надежный пуск прямым включением электродвигателя мощностью равной 50-70% номинальной мощности электрогенератора. При этом генератор должен быть незагружен (работать на холостом ходу), нагрузка электродвигателя должна быть не более 30% от номинальной. При невыполнении этих условий необходимо выбирать мощность электростанции на 40-60% больше суммарной установленной мощности потребителей.
Потеря напряжения на зажимах электродвигателя в момент пуска, как правило, не должна превышать 40% номинального, при этом напряжение на зажимах любого
работающего электродвигателя, получающего питание от этого же электроагрегата, не должно снижаться более чем на 20%.
Существует другой более обоснованный способ выбора мощности резервных электростанций. Способ основан на сопоставлении ожидаемого ущерба от перерывов централизованного электроснабжения с дополнительными затратами на приобретение, монтаж и эксплуатацию резервных электростанций. Однако такой подход к выбору мощности электростанции при использовании средних значений исходных данных по количеству и длительности перерывов, являясь простым, может привести к ошибочным решениям.
Дело в том, что показатели надежности работы сетей, необходимые для расчета ущерба в зависимости от места расположения сетей, уровня эксплуатации и других факторов, могут колебаться в широких пределах.
Большой разброс может быть и в значениях удельных ущербов. Кроме того ущерб зависит не только от частоты и длительности отключений, но и от момента каждого отключения, т.е. соответственно от числа и типа технологического процесса, которые совпадают с перерывом электроснабжения. Например, перерыв в электроснабжении в начале процесса доения наносит больший ущерб, чем в конце процесса.
Для представления (не для принятия решения) об ориентировочной величине резервируемой нагрузки, мощности и количестве дизельных электростанций для фермы крупного рогатого скота можно воспользоваться данными, приведенными в таблице 4, составленной по данным типовых проектов, разработанных до 1990г.
Таблица 4
Нагрузка электроприемников животноводческих ферм и комплексов, подлежащих
резервированию от автономных источников электроснабжения
Тип комплекса, фермы Размер поголовья, Резервируемая нагрузка, кВт Кол-во ДЭС и их номинальная мощность, шт.х кВт
Комплексы и фермы 200 15-25 1х16; 1х30
молочного 300 20-25 1х30
направления, коров 400 30 1х30
800 130 2х60
1200 160 3х60
1600-2000 200 2х100(4х60)
ВЫВОДЫ
1. Использование предложенной методики позволяет обосновать нагрузки (мощности) и суточные графики нагрузки электроприемников обеспечивающих выполнение жизненно-важных технологических процессов. В результате мощность аварийных электростанций может быть снижена в 3-4 раза по сравнению с мощностью резервных электростанций, устанавливаемых в настоящее время сельхозпредприятиями. Такое решение позволит снизить технологический ущерб без повышения себестоимости продукции.
2. Как следует из материалов, приведенных в статье, на производственных объектах сельхозпредприятий устанавливается большое разнообразие технологического оборудования, следовательно, электрических нагрузок. Поэтому для каждого
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства_
производственного объекта необходимо проводить расчеты по обоснованию мощности (нагрузки) аварийного источника питания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рекомендации по экономической оценке ущербов, наносимых сельскохозяйственному производству отказами электрооборудования. - М.: ВИЭСХ, 1987- 33с.
2. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н., Бутримова Е.И. Эффективность использования энергоресурсов в сельхозпредприятиях молочного направления//Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. - С-Пб, 2016. - № 89. - С.12-19.
3. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н Методы повышения надежности энергообеспечения крестьянских (фермерских) хозяйств// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. Теоретический и научно-практический журнал. 2016. №88-С. 53-59.
4. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н. Методы энергосбережения и повышения энергоэффективности сельскохозяйственного производства / А.Ф. Эрк, В.Н.Судаченко // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. - С-Пб, 2015. - № 87. - С.233-239
5. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н., Размук В.А., Ковалева О.В. Результаты энергетического обследования сельхозпредприятий // Сборник науч. трудов. ГНУ СЗ НИИМЭСХ, 2014. -№85. - С. 100-104.
6. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н., Тимофеев Е.В.,Размук В.А. Методы повышения эффективности использования электрической энергии в животноводстве// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. - С-Пб, 2016. - № 89. - С.23-31.
