CC BY
53
2. УАкивЬеу У.Р., УАкивЬеу У.У. ТосЬпос гет1ес1еПе - по\у| еЫ:ар V гаг\ кп agronomii // гетЫеНе, 2008. № 2. 8. 3-5.
3. КшЧепег Б.А., Шкоу 1.В. 11ргау1еше гшкгокНтакэт seГskohozyajstvennyh polej. Ь.: Gidrometeoizdat, 1988. 263 э.
4. КшЧепег Б.А., Шкоу 1.В. КИтайсЬевЫе faktory I 1ер1оусу гегЫт V с^кпЮт I газЬсЫвЬсЬеппот gшnte. Ь.: Gidrometeoizdat, 1982. 231 э.
5. гаЬагуап Уи.С., Шкоу 1.В., ЕПтоу А.8. МйсЛка vydeleniya tekhnologicheskih копШгоу
polej V з1з1:стс tochnogo zemledeliya// Р1г1сЬсзк1с. Ь1т1сЬсзк1с 1 кПтайсЬсзк^ faktory
produktivnosti гетеГ: СЬ. паисЬп. Ы-,^8РЬ, Ы-уо «Р1УАР ЯАЫ». 2007.-8. 295-305.
УДК 621.311
Доктор техн. наук В.Н. КАРПОВ (СПбГАУ, kvn_39@mail.ru) Аспирант А.А. НЕМЦЕВ (СПбГАУ, artem_nemcev@mail.ru) Аспирант И.А. НЕМЦЕВ (СПбГАУ, ivan_nemcev@bk.ru)
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ В АПК
Энергосбережение, потребительская энергетическая система, относительная энергоемкость результата, показатели энергоэффективности, информационно - аналитический центр
Как показал достаточно продолжительный опыт исследований и практической работы в СПбГАУ по производственному энергосбережению, поставленная цель повышения энергоэффективности не достигается простыми решениями. Установлено, что управлению должна подвергаться потребительская энергетическая система (ПЭС) [1], представляющая собой совокупность технических элементов (энергетического оборудования и исполнительных механизмов), предназначенная для осуществления всех 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). Разработанный дополнительный показатель энергетической эффективности - относительная (безразмерная) энергоемкость процесса [2], позволил характеризовать энергетическую эффективность любого элемента и процесса, вести поэлементный анализ системы и переходить к общему системному показателю - энергоемкости продукции.
Цель исследования. Формирование теоретических положений, определяющих системную связь функций нагрузок (мощностей) множества процессов в ПЭС с потребляемой системой энергией для рационализации способов получения данных об эффективности, обоснования решений по управлению энергоэффективностью всего предприятия на протяжении его жизненного цикла с учетом изменения внешних условий и реализации возможностей для превентивного устранения причин, приводящих к снижению энергоэффективности отрасли АПК.
Материалы, методы и объекты исследования. Первым этапом создания предприятия является его проект. Энергетическая часть проекта создается путем выбора оборудования, как правило, по условию Рном > Рмакс. В большинстве случаев энергетическое оборудование выбирается в комплекте с инфраструктурным дополнением (исполнительным механизмом, изолирующими оболочками, распределителями энергии и т.п.), влияющим на энергетические показатели. Такой выбор обеспечивает надежность энергоподвода к
технологическим процессам, но прямо не связан с эффективностью. Переход к эффективности возможен путем дополнения проектных данных об оборудовании сведениями о всех энерготехнологических процессах (ЭТП), предусмотренных технологией производства продукции и требующих затрат энергии. В [1] предложено всё множество ЭТП сгруппировать по трем видам с учетом функционального назначения энергии в нем (ЭТП1 -производящие непосредственно продукцию, ЭТП2 - вспомогательные, ЭТПЗ -обеспечивающие условия жизнедеятельности). Введение в энергетический анализ процессов привело к понятию результата процесса R, к необходимости научного обоснования удельного расхода энергии QyA (на единицу результата процесса) и к возможности расчета минимальной энергоемкости продукции.
Обоснование потребительской энергетической системы (ПЭС) в качестве объекта, формирующего показатель эффективности использования энергии предприятием, позволило вывести значимость разработанного метода конечных отношений (МКО) на современный, признанный в мире, уровень проектирования систем как единого целого (Whole system design) с применением инжиниринга, обеспечивающего устойчивое развитие системы (Sustainable engineering) [3].
Практика проектирования такова, что для осуществления многих процессов сначала выбирается исполнительный механизм (насос, вентилятор, лебедка, транспортер, водонагреватель, осветительная арматура и т.д.), а затем только по его показателям -энергетическое оборудование, образующее с механизмом энерготехнологический агрегат (ЭТА). Такой агрегатный подход часто не позволяет учесть особенности производственного процесса, влияющие на эффективность использования энергии агрегатом 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 (то есть 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.
В ходе выбора оборудования для реализации всех технологических операций создается довольно сложная энергетическая установка, характеризуемая на этом этапе только установленной мощностью. Поскольку на последующих этапах нужно будет обеспечивать в ней эффективное использование энергии, необходимо отметить несколько обобщающих замечаний:
1. Профессионально правильный выбор оборудования сопровождается весьма приблизительным представлением о предстоящих потерях энергии (только в виде значений КПД, соответствующих номинальным режимам).
2. Используемый принцип выбора оборудования обеспечивает только надежность осуществления энергетических процессов.
3. Требования к предварительно рассчитываемой мощности для выбора оборудования могут определяться не только технологическими требованиями, но и действующими нормативами (например, в осветительных установках).
4. Совокупностью выбранного оборудования создается техническая основа установки, превращающейся в систему только при подводе энергии (то есть, в состоянии действия), интегральное свойство которой будет определять эффективность использования потребленной энергии в режимах, задаваемых технологией производства.
Для оптимизации энергоэффективности потребительской системы с множеством процессов знания только общего математического метода (приравнивания производной нулю) явно недостаточно.
Готовых более сложных математических решений также нет, так как обычно определяемая мощность в сечении объемного элемента - неполная производная энергии и отсутствует функция мощности. Измерения энергии в двух сечениях элемента (начальном и конечном) в совокупности с законом сохранения позволили создать метод оценки эффективности всех процессов в ПЭС по единому критерию - относительной энергоемкости, линейно связанной с энергоемкостью продукции (метод конечных отношений - МКО) [2, 4]. Обязательное для анализа ПЭС научное обоснование удельного расхода энергии на единицу результата в любом ЭТП дает возможность определить вклад потерь в энергоемкость в каждом процессе и в потребительской системе в целом. Проблема учета влияния режима нагрузки на потери решается путем регистрации зависимости энергии от времени и ее дезинтеграции. По ней можно определять среднюю интегральную мощность для любого приращения энергии (теорема Лагранжа) и контролировать скорости сходимости и расходимости конечных первообразных (соответственно, уменьшение и увеличение относительной энергоемкости), используя теорему о дифференциальных неравенствах. Таким образом, МКО обеспечивает определение структуры энергоемкости продукции и принятие решения по энергосбережению на основе точных и объективных данных. Контроль за их изменением в течение срока эксплуатации оборудования позволяет осуществить диагностику состояния ПЭС. Для реализации метода создается специальная информационно-измерительная система (ИИС). В ее основе необходим регистрирующий прибор, в качестве которого в СПбГАУ использовался 16-канальный электронный регистратор [5]. Есть все основания заявить о том, что нечеткий по задачам и результатам энергоаудит может быть заменен научно - технической экспертизой эффективности ПЭС. Суть экспертизы заключена в выражении для относительной энергоемкости МКО (2Э=1+ в соответствии с которым значение энергоемкости определяется отношением потерь к нагрузке (результату ЭТП). Контроль этого показателя позволяет сравнивать однотипное оборудование при его выборе по энергетической эффективности и следить за ее ухудшением при эксплуатации.
Наиболее существенной особенностью АПК являются биологические объекты (процессы) в составе энергетической схемы ПЭС, предъявляющие существенно различные требования к энергетическим потокам (для животных - корм, для растений -электромагнитная энергия). При этом биологические объекты полностью определяют технологический режим предприятия, а своей продуктивностью вносят биологическую коррективу в энергоемкость продукции. Кроме этого, сельскохозяйственные предприятия располагают, как правило, землей, значительными ресурсами локальной возобновляющейся и вторичной энергии. Эти особенности не позволяют рассчитывать на использование методов энергосбережения, разработанных для промышленных предприятий. Поэтому АПК нужны собственные отраслевые методики энергосбережения и кадровое сопровождение, подготовленное в аграрных вузах.
Результаты исследования. Поскольку общие основные цели энергосбережения успешно достигаются разработанными методами в потребительских энергосистемах, на более глубокие теоретические положения должны быть возложены частные задачи повышения энергоэффективности, решение которых превратит энергосбережение из совокупности разрозненных специальных мероприятий в постоянно действующие контроль и управление для всего многообразия ПЭС отрасли:
- рациональное сочетание современных измерительных и вычислительных возможностей;
- использование всех доступных нетрадиционных энергетических ресурсов для предприятий АПК;
- предельное упрощение реальных функций мощности от времени без потери точности расчетов энергозатрат;
- возможность использования счетчиков в качестве регистраторов процессов;
- обобщение разработанного метода на все виды производственных процессов в АПК с учетом их специфических отраслевых особенностей (продовольственная продукция, производство и переработка продукции, стационарные и мобильные процессы, выращивание растительной продукции с использованием естественного света и др.);
- определение возможности и целесообразности рассмотрения показателя энергоэффективности как второго (после надежности) свойства технических элементов и агроинженерных систем;
- оценка целесообразности создания в АПК и на сельских территориях специальной современной системы внешнего обслуживания потребителей энергии.
Потребительская энергетическая система как объект, формирующий показатель эффективности предприятия, имеет вполне определенный жизненный цикл (проектирование, монтаж и наладка оборудования, эксплуатационный период), на каждом этапе которого могут происходить изменения, влияющие на энергоэффективность. Очень важным является этап проектирования, поскольку принятые на нем профессионально правильные, но не подчиненные требованию энергоэффективности решения (например, при выборе оборудования), станут причиной неоправданных потерь энергии, которые, возможно, вообще могут быть не устранены. Подобные причины могут возникать на всех этапах жизненного цикла. Кроме этого, с течением времени происходят изменения внешних условий, влияющие на показатель эффективности (рыночные условия, нормативные требования, научно -технический прогресс и др.). Поэтому ПЭС должны не только постоянно подвергаться энергетической экспертизе по показателю эффективности, но и путем последовательных сопоставлений принимаемых решений (в отличие от случайных энергоаудитов) должно быть исключено неоправданное снижение этого показателя в течение всего жизненного цикла.
В Институте технических систем, сервиса и энергетики СПбГАУ разработана специальная расчетно - измерительная методика экспертных оценок эффективности энергетических процессов в отдельных элементах, линиях и системах [6]. Она основана на ряде положений дифференциального и интегрального исчисления в сочетании с традиционными измерениями. Методика в полной мере соответствует требованиям, принятым в международной практике в виде полного (интегрального) проектирования систем и принципов их устойчивого развития [3]. Основные положения метода являются новыми и защищены 10 патентами РФ. При оценке возможности самостоятельной реализации такой экспертизы на предприятии стало очевидным, что для энергетических служб такая функция является невыполнимой, поэтому была разработана структура специального информационно-аналитического центра, способного обслуживать потребителей энергии на договорной основе. Предполагаемая структура центра:
- подразделение базовой информации (базы научных данных, нормативных требований, рыночной конъюнктуры по энергетическому оборудованию и ценам на виды выпускаемой продукции и др.);
- информационно-аналитический отдел (обработка данных измерительной экспертизы, анализ, моделирование, обоснование решения);
- отдел расчета локальных ресурсов нетрадиционной энергии (ВЭР, ветра, солнца, водных потоков, биомасс и др.);
- мобильная лаборатория энергетической измерительной экспертизы объектов;
- отдел обучения энергосбережению работников энергетических служб предприятий;
- отдел составления проектов повышения энергоэффективности предприятий и обоснования перспектив развития энергосбережения в масштабах региона;
- подразделение совершенствования практических мер по повышению энергоэффективности отрасли АПК, оценке влияния на экономические показатели.
На основании результатов проведенных исследований была осуществлена предпроектная проработка содержания основных мероприятий по повышению энергоэффективности АПК региона. К числу наиболее важных отнесены следующие:
1. Анализ состояния энергоэффективности АПК региона в настоящее время.
2. Разработка методики определения технического значения полного энергетического ресурса производственных потребителей энергии региона (централизованное, автономное энергоснабжение, вторичные ресурсы, локальные ресурсы возобновляющихся источников).
3. Организация определения избыточных потерь энергии на действующих и проектируемых предприятиях региона методом расчетно- измерительной экспертизы путем обучения и привлечения работников действующих энергетических служб предприятий.
4. Оценка потребностей в энергии в ближайшее время и в перспективе для решения социальных проблем села, стимулирующих миграцию сельского населения (повышение энерговооруженности труда и уровня социального комфорта на селе).
5. Обоснование и создание постоянно действующей системы энергосервисного обслуживания потребителей, не имеющих развитых собственных энергетических служб, путем создания информационно- аналитического центра, обеспеченного базами данных рынка энергетического оборудования, современными методиками определения эффективности энергоиспользования, системами получения и передачи данных, позволяющих осуществлять дистанционную экспертизу и управление энергоэффективностью.
6. Функции информационно - аналитического центра:
- проведение договорных энергетических экспертиз энергоэффективности предприятий;
- составление и ведение паспортов энергоэффективности предприятий;
- ранжирование предприятий региона по энергоэффективности и обоснование рекомендаций по использованию данной информации;
- оказание юридической помощи предприятиям и правовой защиты в энергетической
сфере;
- обоснование и реализация мер государственной поддержки отраслевого регионального энергосбережения;
- привлечение инвестиций в энергосбережение, в том числе на принципах открытых инноваций;
- организация заказа на НИОКР по перспективным научным разработкам в энергосбережении;
- разработка проектов реализации мер по повышению энергоэффективности и оказание помощи в их реализации;
- текущий контроль регионального отраслевого показателя энергоэффективности.
Выводы. Выполненные исследования и полученные результаты свидетельствуют о
том, что энергосбережение является новым наукоемким направлением профессиональной деятельности в потребительской энергетике. Масштабное повышение энергоэффективности предприятий может быть осуществлено специалистами, обладающими инновационными знаниями, поэтому ответственность за успешность решения этой проблемы лежит на энергетических факультетах (институтах) аграрных вузов. Устойчивость высокого значения энергоэффективности в отрасли может быть обеспечена созданием современной системы внешнего обслуживания потребителей энергии на сельских территориях.
Литература
1. Карпов В.Н. Введение в энергосбережение: Монография. - СПб.: СПбГАУ, 1999. - 73 с.
2. Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш., Юлдашев Р.З. Задачи и метод энергосбережения в потребительских установках АПК// Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2010. - № 4. - С. 144-149.
3. Стасинопулос П., Смит М., Харгроувс К. Проектирование систем как единого целого. Интегральный подход к инжинирингу для устойчивого развития / П Стасинопулус, [и др.] - М.: Эксмо, 2012. - 288 с.
4. Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш. Энергосбережение. Метод конечных отношений // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2013. - № 2. -С. 74-75.
5. Карпов В.Н., Немцев И. А. Экспериментальное определение показателей энергетической эффективности и их использование для устойчивого развития потребительских систем// Вестник МГТУ. - 2015. - Том 18 (2015) №4 - С. 719-729.
6. Карпов В.Н., Немцев А.А. Определение энергетической эффективности на этапе проектирования предприятия методом конечных отношений// Вестник МГТУ. - 2015. -Том 18 (2015) №4 - С. 709-718.
Literatura
1. Karpov V.N. Vvedenie v jenergosberezhenie: Monografija. - SPb.: SPbGAU, 1999. - 73 s.
2. Karpov V.N., Juldashev Z.Sh., Juldashev R.Z. Zadachi i metod jenergosberezhenija v potrebitel'skih ustanovkah APK// Vestnik Krasnojarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2010. - № 4. - S. 144-149.
3. Stasinopulos P. Proektirovanie sistem kak edinogo celogo. Integral'nyj podhod k inzhiniringu dljaustojchivogo razvitija/P Stasinopulus, M. Smit, K. Hargrouvs [i dr.] - M.: Jeksmo, 2012. -288 s.
4. Karpov V.N., Juldashev Z.Sh. Jenergosberezhenie. Metod konechnyh otnoshenij // Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyh i fiindamental'nyh issledovanij. -2013.-№2.-S. 74-75.
5. Karpov V.N., Nemcev I.A. Jeksperimental'noe opredelenie pokazatelej jenergeticheskoj jeffektivnosti i ih ispol'zovanie dlja ustojchivogo razvitija potrebitel'skih sistem// Vestnik MGTU. - 2015. - Тот 18 (2015) №4 - S. 719-729.
6. Karpov V.N., Nemcev A.A. Opredelenie jenergeticheskoj jeffektivnosti na jetape proektirovanija predprijatija metodom konechnyh otnoshenij// Vestnik MGTU. - 2015. - Тот 18 (2015) №4-S. 709-718.
