CC BY
12
Следовательно, август является наиболее эффективным месяцем для сушки трав и позволяет получать качественные растительные корма при повторном укосе.
Таким образом, агрометеорологическая оценка климата конкретной территории позволяет выбрать оптимальное время для заготовки кормов из трав и соответствующую для этого периода кормозаготовительную технологию, а также подобрать рациональный комплекс технических средств для ее осуществления, что способствует заготовке более качественных стебельчатых кормов и снижению затрат на производство продукции животноводства.
Развивающиеся рыночные отношения, вступление России в ВТО выдвигают все новые экономические требования к сельскохозяйственным предприятиям, производителям животноводческой продукции, заключающиеся в обеспечении потребностей отечественного рынка конкурентоспособной продукцией как по качественным, так и по ценовым показателям. Для обеспечения этого требования необходимо внедрять в производство не только новые технологии и технические средства, но и применять новые подходы к планированию и проведению кормозаготовительных работ, с зачетом природно-климатических и погодных условий регионов, шире использовать достижения современной науки.
Литература
1. Способы и технологические процессы заготовки высококачественного сена в условиях повышенного увлажнения / В.Д. Попов [и др.]. - СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2012. - 72 с.
2. Кокунова И.В. Технические средства для интенсификации процесса сушки трав в поле / И.В. Кокунова, М.В. Стречень, О.С. Титенкова // Известия Великолукской ГСХА. - 2013. - № 1. - С. 20-35.
3. Кузнецов Н.Н. Повышение эффективности заготовки прессованного в рулоны сена путем оптимизации параметров процесса сушки и режимов работы оборудования: Дис... канд. техн. наук. - СПб., 2007. - 129 с.
4. Сорокина Н.Б. Климат Северо-Западного региона России: популярный доклад / Н.Б. Сорокина [и др.]; Под ред. Н.Г. Рыбальского, Ю.Ю. Галкина. - М.: НИА-Природа, РЭФИА, 2004. - 104 с.
5. Кокунова И.В. Влияние климатических условий Северо-Запада России на процесс кормозаготовки / И.В. Кокунова, Д.С. Корнышев, М.В. Стречень // Известия Великолукской ГСХА. - 2013. - № 3. - С. 34-42.
6. Журина JUL Агрометеорология. - СПб.: ООО «КВАДРО», 2012. - 368 с.
7. Стречень М.В., Кокунова И.В., Ружьев В.А. Технология и новое техническое средство для заготовки сена в условиях повышенного увлажнения // Известим Международной академии аграрного образования. - Вып. №15 (2013). - Т.З. - СПб.: СПбГАУ, 2013. - С. 5-6.
8. Попов В.Д., Валге A.M. Моделирование и оптимизация процессов и технологий заготовки кормов из трав в условиях Северо-Запада России. - СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2005. - 176 с.
УДК 621.311 Доктор техн. наук В.Н. КАРПОВ
Канд. техн. наук З.Ш. ЮЛДАШЕВ (СПбГАУ, zarifjan_yz@mail .ru)
НЕОБХОДИМОСТЬ ИННОВАЦИОННОГО ПОДХОДА К ВЫБОРУ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МАСШТАБНОГО И УСКОРЕННОГО ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЙ АПК
Потребительская энергетическая система, энергоэффективность, энергоемкость продукции
Современные требования к энергетической эффективности относятся уже не просто к повышению ее значения, а к постоянному увеличению темпов этого повышения, чтобы уверенно достичь намеченного на 2020 год снижения энергоемкости ВВП РФ на 40%. Министерством энергетики РФ разработан ряд существенных мер, основанных на анализе предшествующих лет и направленных на повышение активизации и подконтрольности иерархии управления.
Предлагаемая концепция призвана дополнить указанные меры активизацией непосредственных работников энергетических служб предприятий за счет новых целевых знаний. Анализ существующего выбора оборудования с позиций влияния на энергоэффективность. Как показал достаточно продолжительный опыт исследований и практической работы в СПБГАУ по производственному энергосбережению, поставленной цели повышения энергоэффективности не
достигнуть простыми решениями, так как управлению должна подвергаться потребительская энергетическая система (ПЭС) [1, 2], представляющая собой совокупность технических элементов (энергетического оборудования, исполнительных механизмов и инфраструктуры), предназначенная для осуществления всех энергетических процессов, предусмотренных технологией производства продукции.
Анализировать ПЭС необходимо в действии, то есть в состоянии подвода и целенаправленного использования энергии. Основным показателем энергетической эффективности предприятия является энергоемкость продукции, легко конвертируемая в относительный энергетический и валютный показатель для любого масштаба производства (от отдельного предприятия до ВВП страны).
Введенный дополнительный показатель энергетической эффективности - относительная (безразмерная) энергоемкость процесса - позволил характеризовать энергетическую эффективность любого элемента и процесса, что позволяет вести поэлементный анализ системы и переходить к общему системному показателю - энергоемкости продукции [3].
Задачей дальнейших исследований является формирование теоретических положений, определяющих системную связь функций нагрузок (мощностей) множества процессов в ПЭС с потребляемой системой энергии с целью рационализации способов получения данных об эффективности, обосновании решений по управлению энергоэффективностью всего предприятия на протяжении его жизненного цикла с учетом изменения внешних условий и получения возможностей для превентивного устранения причин, приводящих к снижению энергоэффективности отрасли АПК.
Сельскохозяйственное производство является продовольственным, то есть выпускаемая продукция содержит извлекаемую впоследствии энергию. В состав энергетических цепей входят биологические объекты, в значительных объемах используются силовые и транспортные мобильные процессы, выполняемые за счет потребления жидких топлив, большая территориальная разбросанность производственных компонентов.
Основные недостатки сельскохозяйственного производства: высокая энергоемкость продукции, снижающая ее конкурентоспособность на рынке, низкая энерговооруженность труда, возмещаемая физическим трудом, низкое среднегодовое потребление энергии в расчете на одного сельского жителя по сравнению с городским, приводящее к сравнительно низкому уровню социально-бытового комфорта. Среди других недостатков энергетики сельских территорий необходимо отметить невысокий уровень «энергетической» грамотности населения, сдерживающий, в частности, развитие нетрадиционной энергетики, ресурс которой в сельской местности достаточно высок.
Предпосылки снижения энергоэффективности возникают на этапе выбора оборудования. Наиболее характерны два случая оценки выбора: проектирование предприятия, когда необходимо составить проект энергетической части, и экспертиза энергетической установки вступающим в должность инженером-энергетиком. Первый случай является основным, поэтому требования технологического процесса к условиям производства продукции, под которые составляется проект предприятия, следует считать исходными для выбора энергетического оборудования. Принцип выбора может быть выражен неравенством:
Р > Р
1 ном — * расч.макс.?
где Рном - номинальная мощность выбираемого оборудования, > - знак, отражающий соотношение выбираемой и максимальной расчетной мощностей.
Важно отметить, что выбору должен предшествовать расчет мощности не по показателям оборудования, а по показателям процесса, предусматриваемого технологией производства продукции.
Практика проектирования такова, что для осуществления многих процессов сначала специалистом (не энергетиком) выбирается исполнительный механизм (насос, вентилятор, лебедка, транспортер, водонагреватель, осветительная арматура и т.д.), а затем только на основании этого - энергетическое оборудование, образующее с механизмом энерготехнологический агрегат (ЭТА). Такой агрегатный подход часто не позволяет учесть особенности производственного процесса, влияющие на эффективность использования энергии ЭТА в целом.
Таким образом, уже на этапе проектирования могут быть заложены малозаметные инжиниринговые ошибки. Заключительным итогом проектирования энергетической установки является схема размещения оборудования, в которой указываются номинальные энергетические и основные технические показатели.
Следует отметить, что в недавнем прошлом выбором оборудования определялся уровень инженерной подготовки, сопровождавшейся тщательным изучением его устройства, принципа действия и требований к эксплуатации. Узаконенное в последние годы требование повышения эффективности использования энергии (требование, выведенное в ранг государственной политики) обязывает не только критически анализировать все этапы создания потребительских установок, но и разрабатывать новые методы синтеза потребительских энергетических установок, удовлетворяющих требованиям энергоэффективности и служащих развитием методов выбора оборудования.
Оборудование характеризуется, прежде всего, функциональным назначением: передача энергии (проводники), преобразование энергии в другой вид (двигатели, элементные нагреватели, лампы), трансформирование показателей (трансформаторы), специальное технологическое оборудование. Важной для выбора характеристикой является вид подводимой к энергетическому устройству энергии (электрическая, тепловая, механическая и др.). Определяющее значение при выборе преобразующего энергию и трансформирующего оборудования имеет основной энергетический показатель - номинальная мощность, определяющая предпочтительный (номинальный) режим функционального назначения устройства. Значение этого показателя устанавливается предприятием-изготовителем. Номинальная мощность может относиться к энергии на входе в устройство (нагреватель, лампа) или к энергии на выходе (двигатель, трансформатор). Для проводников решающий выбор - показатель (сечение) - определяется специальным расчетом с учетом условий и нормативных ограничений.
При выборе оборудования необходимо знать его энергетическую характеристику, показывающую, как влияет изменяющийся режим нагрузки на номинальный показатель эффективности процесса. Асинхронный электродвигатель уменьшает подводимую Рх мощность при уменьшении нагрузки на валу Р2, но с возрастающим отношением Рх/ Р2 . Конкретные парные значения мощностей отображаются в нагрузочной (или энергетической) характеристике электродвигателя.
Мощность элементных электронагревателей остается постоянной при изменении нагрузки. Для оценки рассматриваемых зависимостей применительно к электрическим лампам как преобразователям электроэнергии в электромагнитную понятие режима не применяется. Для них основным функциональным показателем является спектральный состав излучения.
Таким образом, во всех случаях до выбора оборудования требуется выполнить расчет необходимой мощности при условиях, соответствующих ее максимальному значению. Практика подобных расчетов сложилась давно, поэтому для всех случаев использования энергии существуют математические выражения, приводимые в широко распространенной литературе. Рассмотрим для примера несколько формул.
Мощность электродвигателя Р для центробежного или осевого вентилятора рассчитывается по выражению:
Р = ((} * Н) / Зв * Т1пер,
где (}- расход воздуха, Н - напор воздуха, Т]в, Г]пер - соответственно КПД вентилятора и передачи.
Мощность электродвигателя для насоса определяется по формуле [4, 5]: Р = 9,81*а*Н*р/(|1н*11пер)>
где (} - производительность насоса, Н - напор насоса, р - плотность перекачиваемой жидкости, Т1н - КПД насоса.
Мощность для нагрева воды определяется только после расчета необходимой энергии по формуле:
(} = Ст(Ткон-Тнач),
где С - теплоемкость воды, ш - масса воды, Ткон, Тнач - соответственно конечная и начальная температура воды.
Необходимо иметь ввиду, что нагрев воды может осуществляться путем как элементного (при постоянной мощности), так и электродного (при переменной мощности) преобразования электрической энергии в тепло, что предопределяет разные методы определения времени нагрева воды.
Осветительная установка представляем собой пример распределенной мощности. Мощность осветительной электроустановки рассчитывается по нормируемой освещенности Е, представляющей собой удельный (на 1 м2) световой поток. Поэтому при известной площади освещаемой поверхности А полный поток Ф определится произведением Ф = Е * А. Более точное значение потока рассчитывается профессиональными светотехническими методами после принятия решения об используемом преобразователе энергии (лампе) и светильнике (на энергетическом инфраструктурном элементе).
Переход к мощности Р осуществляется через показатель световой отдачи Н выбранной лампы по формуле Р = Ф/Н . Однако в светотехнических расчетах, целью которых является рациональное размещение светильников и определение их числа, суммарная мощность осветительной установки определяется по числу светильников.
Приведенный обзор широко применяемых методов расчета мощности оборудования позволяет сделать вывод о том, что получение максимального расчетного значения для выбора оборудования не сопряжено с какими-либо затруднениями, но выбором оборудования для всего предприятия создается довольно сложная установка, характеризуемая на этом этапе только установленной мощностью [6, 7].
Особые инновационные требования к тепличной энергетике. Пример особенностей практического выбора оборудования для тепличных многоярусных узкостеллажных гидропонных (МУГ) технологий. Теплицы - крупногабаритные помещения со светопрозрачными ограждениями для выращивания растений в искусственных условиях с использованием естественного света во внесезонный период года. Гидропонные технологии основаны на использовании водных питательных растворов, подаваемых в специальную корнеобитаемую среду в виде твердых субстратов (агрегатопоника). В МУГ-технологиях субстрат размещается в узких стеллажах (лотках), расположенных не в одной плоскости, а несколькими ярусами (4-5) по высоте на наклонной поверхности, что обеспечивает более эффективное использование тепла в помещении, объема и хозяйственной площади теплицы.
Внесезонность выращивания растительной продукции обусловливает использование в больших количествах тепловой энергии (для обогрева помещения) и электрической (для искусственного освещения или досвечивания наряду с использованием естественного света). Доля затрат на энергию в себестоимости тепличной продукции достигает 70%. Поэтому теплицу следует считать уникальным объектом в агропромышленной энергетике.
Рассмотрим специфику выбора оборудования на примере электрических светильников, предназначенных для особого пространственного распределения мощности. Первое, что необходимо учесть - специальные тепличные лампы не выпускаются промышленностью, поэтому используются обычные светотехнические лампы. Однако известно, что растения (фотосинтез) обладают спектральной чувствительностью, существенно отличающейся от чувствительности глаза, и этот фактор должен быть профессионально учтен при выборе лампы. Профессионально - значит с учетом последних научных достижений в этом вопросе.
Второе важное требование - нормативная освещенность для теплиц (доходит до 10000 люкс) на порядок выше освещенности для промышленных помещений, что приводит к возрастанию средней единичной мощности ламп от десятков ватт до нескольких сотен и даже тысяч.
Третья особенность - в теплице освещается не неподвижная поверхность (столов, пола), а растущий объемный ценоз, что обусловливает дополнительные технологические требования к инженерным и энергетическим решениям при создании осветительной установки.
Четвертая особенность - необходимость более строгого учета эксплуатационных характеристик ламп из-за жестких условий эксплуатации и технологических требований. В качестве примера можно привести зависимость спектра металлогалогенных ламп от напряжения питания,
которая в светотехнике не учитывается, а в теплицах приводит к снижению урожайности и селекционным ошибкам.
Пятая особенность обусловлена тем, что если основной показатель энергетической эффективности светотехнических ламп (световая отдача) публикуется во всех справочниках, то возможности получить данные по фотосинтетической эффективности весьма затруднительно и только в специальной необновляемой базе данных.
Шестая особенность более серьезна как в инженерном, так и в технологическом аспектах -необходимость сочетания естественного и искусственного освещения не только по освещенности, но и по спектру, а также с зачетом развития ценоза и эксплуатационного состояния ламп.
Седьмая особенность относится только к МУГ-технологиям и заключается в том, что применяемая в них обычная светотехническая схема не может быть рассчитана известными методами, поскольку светильник расположен близко к верхнему ярусу, который (по расчетам) использует примерно 30 % прямого потока лампы. Этим исключается равномерность освещения всех пяти ярусов. Поэтому необходим поиск альтернативных решений.
Восьмая особенность присуща всем теплицам и заключается в том, что материал ограждения (стекло или полимер) не только хорошо пропускает естественный свет внутрь теплицы, но почти также хорошо пропускает тепло наружу (это может быть отнесено к основной энергетической особенности теплиц). Как уже указывалось, выбор оборудования завершается схемой его размещения на плане помещения, которая не расширяет информацию о возможных режимах загрузки энергетического оборудования.
Девятая особенность относится к выбору проводов, в частности, к обоснованию их сечения.
Поскольку на последующих этапах нужно будет обеспечивать в установке эффективное использование энергии, необходимо отметить несколько критических замечаний:
1. Профессионально правильный выбор оборудования сопровождается весьма приблизительным представлением о потерях энергии (только в виде значений кпд, соответствующих номинальным режимам).
2. Используемый принцип выбора оборудования обеспечивает только надежность осуществления энергетических процессов, но не эффективность использования энергии.
3. Требования к рассчитываемой мощности могут определяться не только технологическим процессом, но и действующими нормативами (например, в осветительных установках).
4. Совокупностью выбранного оборудования создается техническая основа установки, интегральные свойства которой будут определять эффективность использования потребленной энергии в режимах, задаваемых технологией производства.
5. Для обеспечения энергоэффективности необходимы специальные знания и методы, определяющие инновационность профессионализма.
Литература
1. Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш., Панкратов П.С. Энергосбережение в потребительских энергетических системах АПК: Монография. - СПб.: СПбГАУ, 2012.- 125 с. ISBN 978-5-85983-128-9.
2. Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш. Показатели энергетической эффективности действующих агроинженерных (технических) систем: Монография. - СПб.: СПбГАУ, 2014. - 160 с. ISBN 978-5-85983-168-5.
3. Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш. Энергосбережение. Метод конечных отношений: Монография. - СПб.: СПбГАУ, 2010. - 147 с. ISBN 978-5-85983-032-9.
4. Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш., Панкратов П.С. Исследование энергоэффективности процесса перекачивании воды на насосных станциях предприятий АПК // Известия Международной академии аграрного образования. -Вып.№ 16(2013). -Т.1. -СПб.: СПбГАУ,2013. - С. 104-114.
5. http://www.famous-scientists.ru/12593/.
6. http://www.famous-scientists.ru/school/999.
7. http://www.famous-scientists.ru/l 2602/.
