CC BY
26
УДК 621.311
Б01 10.24411/2078-1318-2019-12118
Доктор технических наук, проф. В.Н. КАРПОВ
(СПбГАУ, kvn_39@mail.ru)
ПРАКТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ПРЕДПРИЯТИЯ
В статье рассматривается производственная потребительская энергетическая система (ПЭС). Предприятия потребляют энергию для обеспечения выпуска продукции. Традиционно количество потребленной энергии на единицу продукции контролируется ее энергоемкостью за год. Однако этот показатель характеризует только влияние энергопотребления на себестоимость продукции. В статье ориентировочно в качестве показателя энергоэффективности принята дифференцированная энергоемкость продукции, определяющая доход предприятия.
Цель исследования. Предлагается метод анализа использования энергии, позволяющий отделить используемую энергию от потребленной. Метод рассматривается с учетом технической структуры ПЭС, создающей структуру потерь, численных требований технологического процесса к использованию энергии и физических и математических основ действия энергии в условиях ПЭС. Рассмотрены существующие и перспективные аспекты сельскохозяйственного производства, вовлекаемые в повышение энергоэффективности.
Материалы, методы и объекты исследования. Потребительская энергетическая система создается в процессе проектирования предприятия для подготовки потребленной энергии к использованию (передача, преобразование, трансформация и др.), в технологическом процессе и для создания необходимых производственных условий (освещение, обогрев, вентиляция помещений). Энергетические задачи при проектировании предприятия сводятся к профессиональному выбору или расчету энергетического оборудования (технических элементов - ТЭ), решаемых специальными методами под требования технологического процесса или действующих нормативных документов без учета требований энергоэффективности. Выбранное оборудование составляет техническую структуру ПЭС. В этой структуре необходимо различать ТЭ передачи и подготовки энергии и ТЭ использования энергии. Второй вид ТЭ численно должен обеспечивать технологические и нормативные требования энергетическими процессами, поэтому они (ТЭ) выделены в схеме ПЭС как энерготехнологические процессы (ЭТП). Именно эти процессы определяют фактические (как правило, превышающие минимальные) потери энергии в ТЭ. Необходимо иметь в виду, что техническая структура довольно сложная и разнообразная, но только она создает при работе предприятия абсолютный и относительный показатель потерь энергии, определяющий общую системную энергоэффективность предприятия. Поэтому повышение актуальности эффективного использования энергии потребовало разработку новых методов анализа процессов в ТЭ и управления ими с целью снижения потерь энергии.
Все ТЭ, через которые энергия только проходит, подвергаясь каким-либо изменениям, но не используется, могут быть отнесены к проходным. При последовательном соединении таких элементов образуются энергетические линии, по которым энергия подводится к ЭТП для непосредственного использования. В каждом проходном ТЭ возникают потери энергии, которые необходимо идентифицировать (измерить) и принять по ним решение -компромиссное или управленческое.
Изменение энергетических показателей (мощности и/или энергии) при прохождении энергией ТЭ можно рассматривать, как положительное или отрицательное приращение. В математике началом анализа приращений функции является формула Лагранжа, называемая
формулой конечных приращений [1], представляющая собой отношение приращения функции к приращению независимой переменной и имеющая вид:
ДЬК(а)/(Ь-а) = ад, (1)
где правая часть равенства - производная функции в точке «с». Если величина производной имеет размерность, то формула Лагранжа дает среднюю величину приращения функции на единицу независимой переменной. Очевидно, при линейной функции и при а = 0 производная будет равна постоянной величине, равной У Ь. В математике рассматриваются также дифференцируемые функции, разделяющие приращение на основное линейное, определяемое производной А в начальной точке и приращением независимой переменной Ах, и бесконечно малое приращение функции а(Дх), стремящееся к нулю при Дх^-0. Вид рассматриваемого уравнения Ду=А*Дх + а(Дх)*Дх [1]. Использование производной функции в точке позволяет решать дифференциальные уравнения с малой относительной ошибкой. В ПЭС наличие большого количества разных по виду энергии и по проводимости ТЭ существенно усложняет анализ приращений, поскольку получение вида функции весьма затруднительно. Однако это не является препятствием для использования современных счетчиков энергии, представляющих при измерении процесс движения энергии не в виде функции, а в виде значений полных или частичных интегралов. Поэтому анализ и управление энергоэффективностью (ЭЭ), основанные на показаниях счетчиков, означает переход от дифференциального анализа к интегральному и переход от анализа функций в математике к анализу энергетических процессов в технических системах. Такой переход обещает более простой линейный анализ [2], но нуждается в разработке специальных методов.
Прибор учета ~~ продукции
Рынки П Прибор учета предложений энергии
Рис.1. Потребительская энергетическая система (ПЭС)
Методы исследования процессов в ТЭ с позиций энергоэффективности. Техническая структура ПЭС предопределяет необходимость анализа энергоэффективности процессов в каждом ТЭ. Однако и такой подход предполагает определенную системную коррекцию. Как уже указывалось, все ТЭ могут рассматриваться как проходные (только передающие энергию с потерями) и как действующие, создающие энергетическим процессом востребованный производством продукции результат (технические элементы ЭТП). Научной школой СПбГАУ [3] предложено в проходных ТЭ не добиваться получения в каком-либо виде функции подведенной и переданной энергии, а использовать показания счетчиков (то
есть интегральные значения) на входе Он (начальная энергия) и на выходе 0к (конечная энергия). Наличие этих двух показателей ощутимо связывает анализ с задачами повышения энергоэффективности, так как позволяют определить потери ДQ как разность Он - Ок = ЛQ. Также был введен показатель относительной энергоемкости в виде отношения подведенной энергии к переданной. По этому показателю метод анализа процессов был назван методом
конечных отношений (МКО). Основные выражения метода Оэ = — , Оэ = 1 + — .
Измерения счетчиками не только делает доступной энергию потерь, но и определяет ее величину относительно переданной энергии. При всей очевидности эффективности предложенных показателя и метода необходимо отметить, что в проходном ТЭ энергия не используется, а целью управления ПЭС является повышение эффективности не подводимой (потребляемой) энергии, а используемой (рис.1).
В схеме ПЭС (рис. 1) [4] ЭТП выделены особо, так как они играют важную роль в эффективности использования энергии потребителем. Во-первых, только в ЭТП используется энергия, во-вторых, использование численно подчинено требованиям технологического процесса производства. Тоесть результат, получаемый от использования энергии, задан цифрой, которая должна быть получена. Поэтому ЭТП введены в метод конечных отношений (в проекте предприятия ЭТП нет). На схеме ПЭС указаны три вида ЭТП1- основной, результатом использования энергии в котором является продукция, ЭТП2 -вспомогательный, относящийся, в основном, к обработке сырья для производства продукции, и ЭТП3, обеспечивающий одно из условий жизнедеятельности (свет, обогрев, вентиляция). Поскольку в проектах предприятий ЭТП как особый вид процесса использования энергии не приводятся, то по проектным решениям эффективность использования энергии не контролируется и не анализируется. Главное достоинство ЭТП заключается в том, что заданный технологией результат и достаточная грамотность проектировщика позволяют выполнить расчет минимального количества энергии (без учета потерь) на получение заданного результата. Такой расчет открывает возможность определения максимальной расчетной производительности энергии и сравнения ее с эксплуатационной, уменьшенной из-за потерь энергии. Итак, в проходных ТЭ предлагаемый метод анализа позволяет сделать первый, но достаточно важный шаг - определить потери в абсолютном и относительном выражении и объяснить численное значение относительной энергоемкости процесса передачи. Для определения возможностей метода в анализе действия энергии в ЭТП был продифференцирован показатель относительной энергоемкости О э, то есть, определена производная по времени этого показателя и приравнена к нулю (при конечной энергии Ок>0). Анализ показал равенство отношений конечных значений энергий и мощностей (по крайней мере средних), что свидетельствует об индифферентности (безразличии) показателя относительной энергоемкости к энергии и мощности и необходимости поиска другого показателя для идентификации энергоэффективности в ТЭ. Поскольку потери энергии рассчитать до измерения практически невозможно, был выбран экспериментальный метод сравнения действия энергии без учета потерь и с учетом потерь, а в качестве анализируемого процесса был принят электронагрев воды от нагревателя с постоянной мощностью. Для этого процесса легко считается количество энергии на нагрев без потерь и время процесса. В результате эксперимента были установлены приращения к расчетным значениям как количества энергии, так и времени, объясняемые уменьшением производительности энергии из-за потерь. Фактически эксперимент стал вторым шагом (после первого - измерения потерь энергии) в исследовании энергоэффективности, показав, что потери снижают производительность энергии. Осталось только установить, как осуществляется такое влияние потерь. Ответ также был найден в эксперименте - через уменьшение мощности действия энергии. Эксперимент привел к тождественному энергетическому линейному равенству МКО, представляющему начальную (подведенную к ЭТП) энергию Он раздельно (дифференцированно) через мощность и через энергию:
Р(1+Д) = Од + ДQ. (2)
Это выражение в настоящей статье анализироваться не будет. Отметим только, что подводимая энергия определена как мощностью (левая часть), так и энергией (правая часть) с разделением (дифференцированием) на действующую О д и потери ДQ. При этом мощность проявилась в качестве производительности энергии, максимально высокой без потерь и уменьшающейся за время Дt под влиянием потерь, что нашло отражение в третьем квадрате диаграммы (рис. 2).
Отметим также, что введение ЭТП в структуру ПЭС не только позволило подчинить использование энергии требованиям технологического процесса, но и расширило возможности анализа за счет дифференцирования энергии на действующую и потери до представления потерь произведением мощности (производительности) на приращение времени. Это создало определенные преимущества отечественного метода перед зарубежной практикой энергосбережения [5].
д. кДж
Время также представлено в виде частных интервалов t (время действия) и Дt (время потерь). Эти данные оправдали ожидания в том смысле, что использованная в ЭТП энергия должна содержать и потери, которые, как уже указывалось, не подлежат предварительному расчету. Для пересчета этой суммы в потребленную предприятием энергию, по которой рассчитывается энергоемкость продукции, сумма должна быть умножена на относительную энергоемкость подводящих энергию к ЭТП проходных ТЭ, то есть увеличена, но с сохранением значения результата. Важный вывод заключается в том, что в ЭТП при осуществлении процессов образуются первичные показатели, относящиеся к понятию энергоэффективности. В частности, энергоемкость результата ЭТП в рассматриваемом примере. Уменьшение ее влияния на энергоемкость продукции достигается уменьшением потерь как в ЭТП, так и в линии, подводящей к нему энергию. Необходимо также понимание возможной многофакторности потерь в ЭТП. В эксперименте это количество нагреваемой воды, конечная температура нагрева, температура окружающего воздуха и его подвижность,
материал корпуса нагревателя, его коэффициент теплопроводности и объемная форма. Некоторые факторы не являются постоянными. К указанным факторам должны быть добавлены исправность и работоспособность ТЭ. Поэтому вероятность получения одного и того же значения энергоемкости результата при каждом нагреве далека от единицы, и ее получение не обеспечивается обычными инженерными методами, например, автоматизацией.
Один из основных и энергоемких потребителей теплоты в ПЭС - это ЭТП обогрева помещений, создающий одно из условий жизнедеятельности - постоянную температуру воздуха. Рассмотрим некоторые особенности обогрева, относящиеся к энергоэффективности. Значение температуры в помещении устанавливается не технологическим процессом, а нормативным документом (СНиП). Потери энергии, снижающие действие энергии по нагреву, зависят, как и в ЭТП нагрева воды, от теплоотдачи наружной поверхности ограждения помещения и от температуры наружного воздуха, которая изменяется в течение года с определенной закономерностью, проходя через максимумы положительного и отрицательного значения. При нагреве воды потери определяла температура внутри помещения, которая могла быть разной, но ее действие на нагрев оказывалось интегральным и значение потерь отображалось на счетчике. Подвод энергии для обогрева помещения (мощность) должен осуществляться пропорционально изменению разности температуры ограждения и наружной температуры, что соответствует известному приблизительному выражению Р = Р*д ЛТ(1:), где ДТ(1:) - разность температур поверхности ограждения и наружной температуры в определенный момент времени. Таким образом, подводимая мощность действительно становится функцией разности температур. За отопительный сезон счетчик определит интеграл этой функции, по значению которого можно будет определить интеграл разности температур, например, в градусо-часах, что будет соответствовать затраченной энергии в киловатт-часах. Такое соотношение возникает потому, что вся энергия на обогрев является энергией потерь, уменьшить которые можно только увеличением теплоизоляции ограждения.
Еще один показательный пример для энергоэффективности ПЭС - искусственное освещение, нормируемое не технологией производства, а нормативным документом (СНиП). Используется электрическая (электромагнитная длинноволновая) энергия, двукратно преобразуемая с потерями в фотонную энергию видимого диапазона длин волн в электрических лампах и перераспределяемая в пространстве помещения с потерями в светильниках. Влияние этих затрат энергии на энергоемкость продукции учитывается СНиП опосредованно через работоспособность и производительность труда человека, но потери не определяются. По этой причине возникает разница в нормах освещенности в разных странах. Конкурентный способ освещения - естественный свет через окна. Алгоритм оптимального управления (при групповом включении светильников), учитывающий достаточность естественного освещения, напряжение сети, состояние ламп и светильников, количество работающих людей и другие факторы, отсутствует. Поэтому существующее состояние управления следует признать компромиссным. Потери во внутренних электрических линиях зависят от профессиональной грамотности проектировщика, так как существуют методы расчета, снижающие потери до минимума. Появление светодиодных источников света, прошедших экспертизу на световую отдачу, безусловно, уменьшает вклад освещения в энергоемкость продукции, но не приближает его к оптимальному.
Производственное использование искусственной фотонной энергии оптического диапазона длин волн (видимое, ультрафиолетовое, инфракрасное, лазерное излучения) характеризуется в настоящее время стадией полной утраты достигнутых ранее положительных результатов (кроме теплиц), и не по причине, связанной с энергоэффективностью, а из-за отсутствия оборудования, исследований и некомпетентности отраслевых специалистов. В частности, не используется такое свойство фотонной энергии,
как проникающая способность в различные среды [6] (в том числе биологические), открывающая возможность для новых энергоэффективных технологий [3, 4].
Что касается естественного видимого излучения, то энергетическая эффективность его использования имеет особую отраслевую актуальность и специфику. На использовании этого излучения и достаточно скрытых естественных биоэнергетических технологиях существует подотрасль растениеводства. Растительная биоэнергетика в масштабах отдельного предприятия настолько устойчива, велика и значима, что для определенной площади земли при учете пищевых продуктов, корма, энергии биоотходов может быть получен энергетический эквивалент, соизмеримый с потребленной антропогенной энергией. Однако фотосинтезируемая растениями естественная энергия солнечного излучения, определяющая урожай (объем продукции), оказалась выведенной из сферы оперативной (текущей) профессиональной ответственности как технических специалистов, так и агрономов. Требование обеспечения высокой энергоэффективности производства выводит на первое место в растениеводстве энергоемкость продукции, которая определяется не только затратами энергии, но и целым рядом других факторов, включающим плодородие почвы и другие свойства поля (технологические, климатические), на котором выращиваются растения. По сути, поле в обобщенном понимании является производственной (продукционной) внешней средой ПЭС, дополняющей внешние среды энергоэффективности до четырех (внутренняя среда помещений, наружная среда, поле, рынок).
В АПК важной энергетической составляющей производства продукции является топливо, которое с точки зрения использования можно считать овеществленным энергетическим интегралом с разными фазами вещества (твердое, жидкое, газ). Доля топлива в общем потреблении энергии предприятием АПК больше, чем у промышленных предприятий. Расход топлив является разнообразным по видам, входит в показатель энергоэффективности, поэтому подлежит дифференцированному учету. Для превращения топлива в тепловую энергию существуют специальные устройства, после чего может следовать преобразование теплоты в механическую и электрическую энергии, естественно, с потерями. При этом механическая энергия достаточно широко используется как в стационарных установках (прессы, компрессоры), так и в мобильных (автомобили, тракторы, комбайны). В схему ПЭС энергетические линии, создаваемые топливным источником, могут быть внесены и названы генераторными линиями, которые, в свою очередь, могут быть стационарными или мобильными.
Включение рынка в число внешних сред ПЭС не является случайным или формальным в анализе энергоэффективности производства, поскольку реализуемая продукция обладает численным свойством энергоемкости, от величины которого зависит доход. Традиционно при экономических анализах эта зависимость (дохода от энергоемкости продукции) обходится стороной на основании ее частности и малой значимости. Однако в методе конечных отношений величины дохода и затрат на энергию являются входными (в ПЭС) величинами, поэтому между ними возникает определенная системная связь. Если обозначить П - объем выпущенной продукции, Ц - цена, а - коэффициент доходности предприятия, 0 - вся потребленная энергия, Ст - тариф, то получим выражение, связывающее доход с энергоемкостью продукции за определенное время через цену и тариф:
кхЦ = д хОп х О т. (3)
В этом выражении коэффициент «к» представляет долю затрат на энергию в себестоимости продукции. Отметим важные выводы из этого выражения. При успешной работе по снижению энергоемкости продукции и постоянных цене и тарифе возрастает коэффициент доходности, то есть возникает спонтанная экономическая поддержка работы по повышению эффективности использования энергии. Как показали исследования, эта
зависимость является гиперболической (рис. 3), то есть сильной и профессионально «затягивающей» поиск возможностей снижения энергоемкости.
Рис. 3. Гиперболическая связь энергоемкости продукции и доходности энергии
Поскольку повышение доходности - задача менеджмента предприятия, то успешная работа главного энергетика приобретает управленческий характер, что является явным признаком профессионального прогресса по сравнению с постоянным выполнением планово - предупредительных ремонтов.
Выводы и предложения. Подводя итоги, необходимо отметить, что требования к повышению эффективности использования энергии предопределяют (так как потери энергии не предсказуемы) тщательный и постоянный контроль использования на предприятии получаемой и вырабатываемой энергии с соблюдением численных требований технологии и нормативов, оценки текущего значения энергоемкости продукции.
Поэтому возникает вопрос о том, каким должно быть содержание управления энергоэффективностью ПЭС. В основу управления должны быть положены профессиональная грамотность и заинтересованность персонала, высокая степень его информированности об эксплуатационных условиях и показателях, то есть оперативно должна осуществляться эксплуатационная энергетическая экспертиза процессов, обобщение которой за определенное время должно формироваться в виде разделения потребленной энергии на суммы действующей энергии и суммы потерь V дд. По этим данным
энергоемкость продукции будет представлена в виде минимального значения и потерь энергоемкости, по соотношению которых должны приниматься компромиссные или управленческие решения. При этом адресность по ТЭ наибольших отклонений потерь будет обеспечена. Управленческие решения должны быть оптимизированы, как правило, по показателю стоимостных затрат. Приведенный материал позволяет сделать некоторые новые выводы по управлению энергоэффективностью предприятия. Несмотря на то, что источником потерь являются ТЭ и что все потери вычитаются из потребленной энергии, первичными для управления должны рассматриваться потери в ЭТП. Определение влияния потерь на численное значение многофакторной эффективности ЭТП возможно только путем измерительного эксплуатационного мониторинга ухудшения производительности энергии (то есть, использования подводимой мощности), что определяет существенную специфику деятельности персонала в вопросах получения и использования информации. Проработки
практического использования современных информационных технологий для мониторинга и управления энергоэффективностью предприятия в сочетании с вычислительной базой и базой данных выводит значительную часть информационной системы за рамки предприятия для передачи их диспетчерскому центру, имеющему более высокий уровень информационных технологий.
Литература
1. Демидович В.П., Кудрявцев В.А. Краткий курс высшей математики: учеб. пособие для вузов. - М.: АСТ: Астрель, 2007. - 654 с.
2. Пантина И.В., Синчуков А.В. Вычислительная математика: учебник / 2 - е изд., перераб. и доп. - М.: Синергия, 2012. - 176 с.
3. Карпов В.Н. Введение в энергосбережение на предприятиях АПК. - СПб.: СПбГАУ, 1999. - 72 с.
4. Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш. Энергосбережение. Метод конечных отношений: монография. -СПб.: СПбГАУ, 2010. - 147 с.
5. Стасинопулос П. Проектирование систем как единого целого. Интегральный подход к инжинирингу для устойчивого развития / Питер Стасинопулос, Майкл Х. Смит, Карлсон «Чарли» Харгроувс, Черил Деша. - М.: Эксмо, 2012, - 288 с.
6. Ландсберг Г.С. Оптика. Изд. 5-ое, перераб. и доп. - М.: Издательство «Наука», 1976. - 928 с.
Literatura
1. Demidovich V.P., Kudryavcev V.A. Kratkij kurs vysshej matematiki: ucheb. posobie dlya vuzov. - M.: AST: Astrel', 2007. - 654 s.
2. Pantina I.V., Sinchukov A.V. Vychislitel'naya matematika: uchebnik / 2 - e izd., pererab. i dop. - M.: Sinergiya, 2012. - 176 s.
3. Karpov V.N. Vvedenie v energosberezhenie na predpriyatiyah APK. - SPb.: SPbGAU, 1999. - 72 s.
4. Karpov V.N., YUldashev Z.SH. Energosberezhenie. Metod konechnyh otnoshenij: monografiya. - SPb.: SPbGAU, 2010. - 147 s.
5. Stasinopulos P. Proektirovanie sistem kak edinogo celogo. Integral'nyj podhod k inzhiniringu dlya ustojchivogo razvitiya / Piter Stasinopulos, Majkl H. Smit, Karlson «CHarli» Hargrouvs, CHeril Desha. - M.: Eksmo, 2012, - 288 s.
6. Landsberg G.S. Optika. Izd. 5-oe, pererab. i dop. - M.: Izdatel'stvo «Nauka», 1976. - 928 s.
УДК 631.371:621.316 Б01 10.24411/2078-1318-2019-12125
Доктор техн. наук Ф.Д. КОСОУХОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, 4762118@mail.ru) Канд. техн. наук Н.В. ВАСИЛЬЕВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, profkom_gau@mail.ru) Соискатель А.О. ГОРБУНОВ (ООО «Контел», spbgau@girtab.su)
СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ ОТ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ ТОКОВ В СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 0,38 кВ
В тепличных хозяйствах России для искусственного облучения растений широко применяются лампы VIAL0X КАУ-Б 400W Е40. Эти лампы обладают нелинейной вольтамперной характеристикой, симметричной относительно начала координат, создающей в трёхфазной сети 0,38 кВ нечётные высшие гармоники в кривых тока и напряжения. Фазные токи основной частоты и высшие гармоники, некратные трём, в симметричной трёхфазной
