Системообразующие принципы проектирования и эксплуатации электротехнологического оборудования Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.365.5

Е.В. Колесников СИСТЕМООБРАЗУЮЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Рассмотрены принципы проектирования электротехнологического оборудования, соблюдение которых позволяет получить максимальную экономическую эффективность этого оборудования.

E.V. Kolesnikov SELF-GENERATED PRINCIPLES OF DESIGNING AND ELECTROTECHNOLOGICAL EQUIPMENT OPERATION

Designing principles of projection and exploitation electrotechnological equipment which observance allows receiving the maximal economic efficiency of that equipment are considered here.

Одним из направлений создания современного технологического оборудования является широкое использование в различных отраслях электрофизических методов обработки. Это позволяет исключить или существенно сократить применение в технологических процессах термообработки в качестве топлива основных энергоносителей (угля, нефти, газа), получить высокую скорость обработки за счет высокой концентрации выделяемой энергии в сравнительно малых объемах, широкий диапазон регулирования подводимой к обрабатываемому объекту энергии, автоматизировать процесс поддержания требуемого технологического режима, обеспечить компактность технологического оборудования, исключить продукты сгорания, уменьшить пожароопасность и улучшить социально-гигиенические условия труда, обеспечить высокий темп термообработки не только металлов, но и диэлектриков.

Все эти требования удается реализовать с помощью электротехнологических, в частности электротермических, установок. Особо следует отметить, что использование электротермических установок для СВЧ диэлектрического нагрева (У СВЧ ДН) создает возможность конверсии предприятий или трудоустройства специалистов в области СВЧ радиоэлектроники и техники СВЧ, с одной стороны, а с другой - интенсифицировать процессы термообработки диэлектрических материалов, обеспечить замену части элементной базы машиностроения из металла на изделия из диэлектрика.

Но в условиях рыночной экономики мало рассчитать установку, ее рабочую камеру, получить заданную производительность с достижением нужного качества. В условиях конкуренции необходимо стремиться к наилучшему использованию имеющихся всегда ограниченных ресурсов. Приходится, однако, констатировать, что несмотря на, безусловно, возросший в условиях рыночной экономики интерес к проблеме эффективности электротехнологического оборудования (ЭТО), пока не получили должного развития и обобщения расчеты, позволяющие с позиций системного подхода определить эффективность ЭТО, выбрать его оптимальную структуру и элементную базу, обеспечивающие максимальную эффективность его применения. На наш взгляд, само

понятие эффективности ЭТО во многом остается неопределенным, так как в разных работах по проектированию этого оборудования эффективность определяется по-разному. Чаще всего речь идет о физической, энергетической, системной, экономической, энерготехнологической эффективностях, а также об эффективности инвестиционного проекта и энергоэффективности [1-4].

Физическая эффективность определяется отношением конечного результата Акр к затратам ресурса Азр

Эф = ^ ■ С1)

Лзр

где Акр = Акрн + Акрбн + Акрбс; Акрн, Акрбн, Акрбс - неизбежные потери обрабатываемого

объекта, неизбежный и случайный брак, так что 0<Эф< 1.

Известны технологические процессы, например СВЧ вспенивание стекла, когда объем конечного продукта в Краз больше объема затраченного сырья. В этом случае

0<Эф<К.

Если Акр и Азр - энергетические характеристики ЭТО, то (1) определяет его энергетическую эффективность (энергетический КПД)

Р

Пэн =-Рг-, (2)

эл

где Рпогл - мощность, поглощенная объектом обработки; Рэл - мощность, потребленная ЭТО от сети промышленной частоты. С другой стороны, например в У СВЧ ДН,

Пэл =Пэл Пг , (3)

где пэл=РсечЛРэл - электрический КПД; Рсвч - СВЧ мощность генератора, отдаваемая в согласованную нагрузку; Цт=Р„огл/Рсвч - тепловой КПД; Рпогл = (1 — Г |2)Рсеч. Если РШт -мощность потерь в рабочей камере; Г - коэффициент отражения от рабочей камеры, тогда

Пг =(1 - Г |2)-, (4)

сеч

а так как в У СВЧ ДН Рпот<<Рсеч, то

Пг = 1 — Г Г • (5)

У современных магнетронов 0,52<пэл<0,85, так что

Пэн = (0,52...0,85) (1 - ГI2) . (6)

Величина | Г | зависит от типа рабочей камеры, так что 0,39<пэн<0,83.

Системная эффективность равна

Пс = Пит Пэн , (7)

где Лит РэллВ Q

тс коэффициент использования топлива; В расход топлива; 0_тс

теплота сгорания топлива. У тепловых электростанций пит=0,35.. .0,38, так что у У СВЧ ДН 0,14<пс<0,32. Для сравнения: системная эффективность теплотехнологических установок оценивается в пределах 0,1<пс<0,3 [4].

Если Акр и Азр - экономические характеристики ЭТО, то (1) определяет его экономическую эффективность

Э = э =—Іе

Ээ К э э К 1;=г

!(( Ц, - С, )(1 -у „ )(1 -у,,,)+€„, +

}=1

+е„ + СА1 -Ср -С% -Сд„ -С„,](1 -Е) + Фт (1 + Е)-} , (8)

где Эе - чистый дисконтированный доход или интегральный эффект; К -капиталовложения; П, Ц - количество]-й продукции, произведенной ЭТО, и ее цены в

й год его работы; С - эксплуатационные затраты; у„ь уу - функции, учитывающие систему налогов и условия распределения прибыли; С„и С^ - стоимостная оценка сопутствующего эффекта в производственной сфере и социального эффекта; СА1 - амортизационные отчисления; С<% - дополнительные налоги и платежи; Сни( - затраты на научные исследования в ^-м году; Е - норма дисконта; Фт - остаточная на момент времени Т стоимость основных фондов; п - количество типов продукции; Т - горизонт расчета.

Величина Ээ зависит от Т, измеренного количеством и величиной шагов расчета ^.

В качестве шага может быть выбран месяц, квартал, год, а горизонт расчета выбирают длиной в год (продолжительность выпуска данной продукции, установленной в результате маркетинговых исследований) или срок службы ЭТО, если речь идет о выпуске продукции постоянного спроса. В общем случае 0<Ээ<го, и при системном подходе к проблеме эффективности Ээ зависит, например, у У СВЧ ДН от нескольких десятков параметров установки, объекта, технологического режима и организации производства.

В ряде случае под эффективностью понимают совокупность решений, мероприятий, исследований, параметров и характеристик, позволяющих при создании, реконструкции или эксплуатации ЭТО наметить и реализовать меры по повышению их экономической эффективности, конкурентоспособности на рынке технологического оборудования. Энерготехнологическая эффективность предполагает формулировку и массовую реализацию электротехнологии высокого уровня, стержнем которой является создание высокопроизводительного ЭТО со сравнительно низким потреблением электроэнергии.

Особое место в вопросе о проектировании ЭТО с учетом фактора рыночной экономики занимает обоснование целесообразности применения конкретного ЭТО. Здесь уже недостаточно общих доводов о предпочтительности ЭТО. Сейчас в связи с политикой энергосбережения и защиты окружающей среды предпочтительность ЭТО, казалось бы, можно показать сокращением потребления первичной энергии при одинаковых количестве и качестве выпускаемой продукции.

Так, на рисунке приведены данные для такого сопоставления при различных режимах сушки [4], показывающие предпочтение по этим показателям ЭТО, в данном случае У СВЧ ДН. Но такой подход не всегда оправдан: это наиболее дорогая энергия, и более высокая энергетическая эффективность ЭТО бывает недостаточной в противопоставлении повышенным затратам.

Целесообразность ЭТО определяется иными факторами: инвестиции в

электротехнологию ведут к пересмотру объектов и организации производства, так что необходима системная оценка. Действительно, оплата энергии в среднем составляет только 20-30% общих затрат, так что нельзя ограничиваться анализом затрат энергии; стоимость обслуживания и ремонта может быть значительно снижена; значительно снижается загрязнение окружающей среды; может быть улучшено качество продукции. Все это естественным образом учитывает эффективность инвестиционных проектов, вопрос о которой возникает на различных уровнях управления в процессе разработки и реализации проекта. Эта эффективность характеризуется системой показателей, отражающих соотношение затрат и результатов применительно к интересам его участников (коммерческая эффективность, учитывающая финансовые последствия реализации проекта для его участников, бюджетная эффективность, отражающая финансовые последствия реализации проекта для бюджета того или иного уровня, экономическая эффективность, учитывающая затраты и результаты реализации проекта за пределами прямых финансовых интересов участников). При оценке целесообразности нового проекта различные факторы проблемы позволяет учесть так называемый сравнительный интегральный эффект

ЛЭе = Эе1 + ЭЕ2, (9)

где индексы 1 и 2 относятся к случаю оснащения производства, скажем, базовыми тепловыми аппаратами и, например, У СВЧ ДН соответственно. Последнее эффективнее, если

кВт/т

600

400

200

нагрев

сопротивле

нием

ДЭЕ > 0.

□ конечная энергия ККК! первичная энергия ш СО2 - эмиссия

нагрев

жидким

топливом

газовый

нагрев

СВЧ

диэлектрическ

ий

кг/т

160

80

0

0

Сравнение требуемой конечной и первичной энергии и СО2 - эмиссии при сушке

Если экономические расчеты не подтверждают целесообразности применения проектируемого оборудования, то всякие попытки его использования в промышленности приведут к дискредитации этого оборудования. В то же время, бесспорно, экономия энергопотребления в электротехнологии весьма желательна, и эта проблема выводит на задачи энергосбережения.

Термин «энергоэффективность» в энергосбережении и энергоаудите часто употребляют как сокращение «энергетическая эффективность». Нам представляется интересным предложение заменить термином «энергоэффективность» термин «энергосбережение» [5]. Действительно, энергосбережение идентифицируется с

ограничением потребления энергии и имеет идеальным результатом полное прекращение использования энергии, тогда как энергоэффективность можно трактовать как эффект от использования единицы энергии, и идеальным результатом в этом случае будет полное, без потерь, использование энергии.

Обеспечение максимальной эффективности ЭТО требует выполнения комплекса мероприятий на стадии предпроектного исследования, проектирования, эксплуатации и реконструкции ЭТО. В рамках проектирования и эксплуатации следует говорить о системообразующих принципах, позволяющих достичь максимальную эффективность ЭТО.

На первом этапе необходимо провести тщательные расчеты целесообразности применения ЭТО. Эти расчеты приходится проводить несколько раз.

Во-первых, такие расчеты должны предшествовать разработке инвестиционного проекта. Основная трудность в проведении этих расчетов по соотношению (3) состоит в определении исходных данных по базовой и новой (прогнозируемой) установкам. Как

показывает наш опыт, владельцы базовой установки зачастую не имеют полных и достоверных данных на этот счет.

Что касается нового ЭТО, то здесь возможны две ситуации: новое ЭТО имеется, его параметры и характеристики известны, и новое ЭТО предстоит спроектировать, его параметры и характеристики предстоит определить на стадии проектирования. В первом случае расчет целесообразности замены базовой установки на новое ЭТО не представляет труда, а во втором случае приходится вести речь о прогнозировании целесообразности применения нового ЭТО, причем при определении некоторых параметров, например цэн, цены установки приходится прибегать к экспертной оценке или экстраполяции, если известны, скажем, зависимости Ц1,2(Рпотреб1,2) и п1у2(Рпотреб1у2) на каком-то интервале значений аргумента этих функций. Похожая ситуация складывается в случае, когда проектировщик сравнивает варианты ЭТО с одним и тем же типом энергоподвода к объекту, но при разной структуре этого оборудования, тогда П/Пу1,2=#1,2, где Nl,2 -количество установок, работающих одновременно и выпускающих одну и ту же продукцию в количестве П.

Во-вторых, расчеты целесообразности применения ЭТО следует провести после решения задачи технико-экономической оптимизации ЭТО. На этой стадии проектировщику уже известны параметры и характеристики ЭТО, оптимального как по техническим (равномерность термообработки, наиболее рациональное потребление энергии и т.п.), так и экономическим характеристикам (максимальный интегральный эффект).

На втором этапе проектирования решается самосогласованная задача техникоэкономической оптимизации и синтеза ЭТО. Наиболее общий подход к явлениям электродинамики обеспечивается на базе уравнений Максвелла. Применительно, например, к У СВЧ ДН дело сводится к решению самосогласованной краевой задачи электродинамики и тепломассопереноса в капиллярно-пористом коллоидном теле (задачи синтеза ЭТО) и задачи технико-экономической оптимизации структуры и параметров У СВЧ ДН

„ • дD

rot H = і +-----,

д'

, 77 дВ

rot E = - ^, (11)

д'

div D = О ,

div В = О ,

d0 P

—+ uV0 = K11V2e + k12V2U + K13V2p + ^ , д' с p

дП

— + uVU = K21V2e + K22V2U + K23V2p , (12)

д'

др + и Vp = K31V 2e + k32V2U + k33V 2 p, д'

®L = О,

дх1

ді=О,

дхп

при обычных для краевых задач граничных и начальных условиях. В (11)-(13) Е, Н -векторы напряженностей электромагнитного поля; Б, В - векторы электрической и магнитной индукции; ] - плотность тока проводимости; 9, и, р - температурный напор, влагосодержание и давление паров в обрабатываемом объекте; V - скорости транспортировки объекта в рабочей камере; Руд, с, р - поглощаемая единицей объема объекта СВЧ мощность, удельная теплоемкость и плотность объекта; кп, к12..., к33 -тепломассообменные параметры; I- время; х1, х2, ..., хп - независимые (варьируемые) параметры технико-экономической задачи, причем в общем случае Эе определяется в соответствии с соотношением (8).

В случае краткосрочного кредита Эе рассматривается на интервале в один год. Если ЭТО выпускает один вид продукции, Сп=Сс=Сд„=С„и=0, что обычно имеет место, установка через год не реализуется на рынке, то

Соотношения для входящих в (14) величин должны быть определены дополнительно. Для У СВЧ ДН они приведены [1]. В общем случае Эе для СВЧ сушилок зависит более чем от 30 параметров. Большинство этих параметров являются нормативными (заданными). В случае У СВЧ ДН независимые параметры - СВЧ мощность генератора Ри частота СВЧ колебаний /. Этого достаточно, чтобы рассчитать оптимальное число генераторов М, работающих на одну рабочую камеру, производительность одной установки Пу и количество установок Ы, работающих параллельно, при котором достигается ЭЕшах. Что касается входящих в (14) стоимостных характеристик ЭТО (его элементов), то их рекомендуется представлять функцией независимых параметров, например Ц=аР2+ЬР+с, где Ц - цена источника СВЧ энергии; Р - мощность СВЧ генератора, а, Ь, с - коэффициенты аппроксимации зависимости Ц=(Р).

Более сложным классом самосогласованных задач в электротехнологии являются задачи, учитывающие, кроме электродинамических и тепловых (тепломассообменных) процессов, еще и процессы термомеханики [6].

Общее решение самосогласованных краевых задач в электротехнологии может быть выполнено следующим образом.

Пусть речь идет о самосогласованной краевой задаче электродинамики и теплопроводности - самой распространенной из этого класса задач. В первую очередь по справочной литературе или экспериментально определяются зависимости электрофизических и теплофизических параметров обрабатываемого объекта от температуры. Затем время термообработки иоб разбивается на интервалы Д^-, в пределах которых эти параметры можно считать постоянными.

Тепловые процессы в нагреваемом объекте могут быть описаны решением краевой задачи теплопроводности в приближении заданного электромагнитного поля, найденного, в свою очередь, из решения краевой задачи электродинамики. Решение краевой задачи электродинамики на интервале Ди определяет вид функции Руд, что позволяет найти решение краевой задачи теплопроводности. Решение краевой задачи теплопроводности дает возможность установить электрофизические и теплофизические параметры объекта на следующем временном интервале. Подобные расчеты повторяются для все новых интервалов времени, начиная с первого, до достижения заданной или установившейся температуры объекта.

Решение самосогласованной краевой задачи электродинамики и тепломассопереноса (11), (12) проводится по той же схеме, но на каждом цикле расчета на интервале времени Ди следует проверить полученный результат на выполнение условий Т<Тзадан и Т<изадан. Расчет заканчивается по достижении заданной температуры и влагосодержания в любом элементарном объеме обрабатываемого объекта.

(14)

В качестве исходных данных, кроме физических свойств материала объекта, предусматривается ввод величины мощности и частоты СВЧ генератора и скорости движения объекта через рабочую камеру в случае работы в методическом режиме.

Из всех методов решения краевых задач в электротехнологии наибольшее распространение имеют аналитические, численные, комбинированные методы и метод схем замещения (метод эквивалентных схем). Выбор конкретного метода зависит от того, какую цель преследует решение. Если на его базе проводится приближенный расчет рабочей камеры, а с ней и всей установки (например, для определения затрат на стадии выяснения целесообраззности применения ЭТО), то расчет можно провести по упрощенной схеме, когда электрофизические и теплофизические параметры объекта принимаются постоянными и равными средним их значениям на интервале температур (влагосодержания) в процессе термообработки.

На стадии определения технически оптимальной конструкции рабочей камеры решение должно быть выполнено с точностью, достаточной для получения установки с максимальной эффективностью.

Для решения задачи технико-экономической оптимизации (13) целевую функцию Эе можно упростить, если считать годовой объем продукции П, цену единицы продукции Ц, затраты на сырье, а также ун и уу постоянными. Тогда соотношение (14) можно записать в виде

ЭЕ = Э£соти + ЭЕ уаг , (15)

где ЭЕс0П81 и ЭЕтаг - постоянная и переменная части Эе, причем

Эе уаг = - [(С, + [ + Сз,) (1 - у,) (1 - у у) + С А + С% + Ср ] , (16)

а потому нахождение ЭЕшах сводится к нахождению | Эе уаг | ш1п, а решение задачи техникоэкономической оптимизации сводится к нахождению оптимальных значений варьируемых параметров хг р в задаче о глобальном минимуме функции | Эеуаг | = / (х1, х2, ..., хп).

Распределение параметров {хг} на независимые (варьируемые), зависимые и нормативные зависит от того, какая оптимизационная задача решается. Так, на стадии проектирования У СВЧ ДН к независимым следует отнести такие параметры, как мощность и частоту магнетрона, к зависимым - число магнетронов М, работающих на одну рабочую камеру, мощности, потребляемые транспортной системой, воздуходувкой, магнетроном в дежурном режиме (период загрузки - выгрузки объекта обработки), цену установки, объем и площадь боковой поверхности объекта, условия теплообмена на его границах. Остальные параметры можно считать нормативными.

Второй этап заканчивается нахождением Рори /ори Мори Ыори.

На третьем этапе проектирования уточняется решение задачи о целесообразности применения ЭТО с учетом результатов решения самосогласованной задачи техникоэкономической оптимизации и синтеза ЭТО. Если выполняются условия

Эе 2 > 0,

е 2шах 5

Эе 2 — Эе, > 0 ,

^2шах ^1шах

иви 2 < иви 1 , (17)

иви 2 < ивиф ,

где иви - расчетный срок возврата инвестиций; ивиф - усредненный в рассматриваемый период для данного региона фактический срок возврата инвестиций в различных отраслях хозяйства, индексы 1 и 2 относятся, как и раньше, к базовой установке и ЭТО, то разрабатывается инвестиционный проект.

Условие иви 2<ивиф может оказаться весьма жестким из-за большой доходности краткосрочных кредитов, например, в торговле. В таком случае придется искать

инвестора, который будет финансировать проект, не требуя выполнения этого условия, или рас-считывать на свои силы.

На четвертом этапе проектирования в случае необходимости уточняется решение задачи синтеза ЭТО и с помощью решения самосогласованной краевой задачи электродинамики и теплопроводности (тепломассопереноса) проводится математическое моделирование технологического процесса в проектируемом ЭТО (У СВЧ ДН), с помощью которого проверяется достижение требуемых производительности и равномерности нагрева (качества продукции).

Оптимально спроектированное ЭТО требует рациональной эксплуатации. Строго говоря, при эксплуатации технологического оборудования требуется всего лишь руководствоваться технологическими картами. Но ЭТО является крупным потребителем электроэнергии, а потому вопросы рациональной эксплуатации связаны с экономией электроэнергии (снижением удельного расхода электроэнергии) и тем самым - со снижением себестоимости продукции. Для проведения государственной политики в области энергосбережения сейчас создана соответствующая правовая и нормативная базы. На стадии эксплуатации отправной точкой в энергосбережении является энергетическое обследование, проводимое в целях оценки эффективности использования энергоресурсов и снижения затрат потребителей на топливо и энергообеспечение.

Отметим недостаточную определенность в терминологии в этой области. Так, добровольное энергетическое обследование зачастую называют энергоаудитом в отличие от обязательного энергетического обследования. На наш взгляд, правильнее было бы, как это делается на практике, отождествлять понятия «энергетическое обследование» и «энергоаудит», допуская для каждого из них как обязательную, так и добровольную форму.

Реализация всех рекомендаций, полезных с точки зрения энергосбережения, сформулированных в результате энергоаудита, может оказаться для предприятия непосильной в финансовом отношении. В связи с этим проблемы энергосбережения, которые могут возникнуть на стадии эксплуатации ЭТО, должны быть сняты на стадии проектирования. Сформулированные выше системообразующие принципы проектирования и эксплуатации позволяют обеспечить максимальную эффективность (прибыль) ЭТО.

Выводы

1. Сформулированы принципы проектирования и эксплуатации электротехноло-гического оборудования, соблюдение которых позволяет получить его максимальную экономическую эффективность.

2. Предложен способ обоснования целесообразности применения электротехноло-гического оборудования.

3. Сформулирована самосогласованная задача технико-экономической оптимизации и синтеза СВЧ электротехнологического оборудования и предложен алгоритм ее решения.

4. Проблемы энергосбережения при эксплуатации электротехнологического оборудования должны быть сняты еще на стадии проектирования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Толстов В. А. Эффективность электротехнологических установок / В. А. Толстов, Ю.С. Архангельский. Саратов: СГТУ, 2000. 144 с.

2. Миронова А.Н. Энерготехнологическая эффективность дуговых

сталеплавильных печей / А.Н. Миронова, Ю.М. Миронов. Чебоксары: Чуваш. ун-т, 1999. 153 с.

3. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования: Официальное издание. М.: Госстрой России, Мин. экономики РФ, Мин. финансов РФ, Госкомпром России, 1994. 31 марта. № 7. 12/ 47.

4. Экономика в электроэнергетике и энергосбережение посредством рационального использования электротехнологии. СПб.: Энергоатомиздат. СПб отд-ние, 1998. 368 с.

5. Энергетическое обследование - способ реального энергосбережения и получения дополнительной прибыли: метод. пособие / под ред. Т.Е. Троицкого-Маркова, О.Н. Будерина, В.Н. Сучкова, В.Ю. Скобарева. М.: Спорт и культура, 2002. 209 с.

6. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермические установки лучевого типа / Ю.С. Архангельский, С.В. Тригорлый. Саратов: СГТУ, 2000. 123 с.

Колесников Евгений Владимирович -

заместитель начальника «Ростехнадзора»,

доцент кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета