CC BY
13
УДК 621.311
Доктор техн. наук В.Н. КАРПОВ (СПбГАУ, kvn_39@mail.ru) Канд. техн. наук З.Ш. ЮЛДАШЕВ (СПбГАУ, /а п I] а п_у г (а л па 11. ш) Аспирант А.А. НЕМЦЕВ (СПбГАУ, artem_nemcev@mail.ru) Аспирант И.А. НЕМЦЕВ (СПбГАУ, ivan_nemcev@bk.ru)
УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ПРЕДПРИЯТИЯ -ЭТО ПРАВИЛЬНЫЙ ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ И ДЕЙСТВИЯ ЭНЕРГИИ
Энергосбережение, потребительская энергетическая система, относительная энергоемкость результата, показатели энергоэффективности, универсальная энергетическая диаграмма
До введения в потребительские энергетические системы (ПЭС) энерготехнологических процессов (ЭТП) определение энергоемкости продукции сводилось к формальному делению суммарного потребления энергии (как правило, за год) на объем выпущенной продукции. Режим потребления энергии (зависимость мощности от времени Р(1:) ) интересовал только поставщиков. Анализировались не потребительские свойства энергии, а, можно сказать, товарные, искажение показателей которых приводило к конфликтному потреблению. В электротехнике яркими примерами нарушения режима потребления являются реактивная энергия и фазная несимметрия нагрузок, приводящие к увеличению потерь. Математический аппарат потребления ограничивается в основном интегрированием функции мощности. Появление современных точных и надежных счетчиков электрической энергии ослабило интерес к развитию анализа нагрузок и математического аппарата.
Наряду с этим недостаточно изучались и использовались потребительские свойства различных видов энергии, определяющие особенности ее действия на различные среды и объекты. Примеров ограниченности доступа к некоторым видам энергии для создания эффективных технологий в агропромышленном комплексе можно привести много. С этой точки зрения введение энерготехнологических процессов в ПЭС выводит потребительское энергосбережение на новый уровень синтеза ПЭС и исследований, который можно назвать выбором технологий для получения заданного технологией производства продукции результата (наряду с выбором оборудования) за счет энергетического действия. Такой уровень анализа позволяет сочетать решать задачу повышения энергоэффективности не только за счет потерь, но и с учетом качества теряемой энергии, то есть с быстрым использованием достижений научно технического прогресса в энергетическом оборудовании для преобразования энергии.
Итак, дополнение выбора энергетического оборудования энерготехнологическими процессами (ЭТП) с заданными значениями результатов Я с доступной путем расчета теоретической высшей границей энергоэффективности <3Т привело к новому конкретному содержанию значения относительной энергоемкости СЬ как основного показателя метода конечных отношений (МКО) [1]. Для физического (теоретического) ЭТП он равен единице, поскольку в расчетах теоретического действия энергии не участвуют потери. Схема ПЭС с ЭТП приобретает структуру, определяемую энергетическими линиями, составленными последовательными техническими элементами. Каждая линия начинается на вводном устройстве и заканчивается своим ЭТП. Затраты энергии на действие с целью получения результата И определяются выражением:
<}нл = <}т-<}Элин = (}УД-1М1(}эь (1)
где лин - относительная энергоёмкость линии;
теоретический удельный расход энергии в ЭТП (на единицу результата).
Конкретизация СЬ для линии заключается в том, что энергия действия 0Т приобретает смысл конечной (в терминах МКО) энергии 0К. Поскольку подведенная к ЭТП энергия содержит не только О,, но и составляющую на покрытие потерь, то выражение (1) может быть представлено в виде:
<}„ = (}т + Л(} (2)
Отсюда получаем выражение для относительной энергоемкости Я:
= (3)
Чт
Таким образом, техническая структура ПЭС, включающая ЭТП, не меняет вида расчетных и аналитических выражений для показателя энергоэффективности. Этим подчеркивается универсальность МКО как метода [2]. Энергетическая линия как энергетически замкнутый структурный элемент позволяет раздельно определить роли технических элементов и ЭТП в действии энергии и в создании показателя энергоэффективности.
Технические элементы:
- передают энергию к ЭТП;
- преобразуют в другой вид (при необходимости);
- трансформируют энергетические показатели (при необходимости);
- создают потери энергии, суммируемые по линии и повышающие энергоемкость Я;
- обеспечивают работоспособность линии в различных условиях за счет механической
прочности (надежность действия энергии).
Энерготехнологические процессы:
- производят результат действия энергии в заданном количественном значении;
- переносят энергоемкость результата на энергоемкость продукции П (ВРП и ВВП);
- определяют конкурентоспособность продукции и экономические риски предприятия.
Выделение ПЭС, в основе которой имеется совокупность технических элементов, в
специальный вид технических систем - действующих - оправдано тем, что повышение энергоэффективности создает многофакторный эффект - энергетический, экономический и экологический (за счет уменьшения сжигания топлив) и является необходимым условием целесообразности поддержания надежности.
На основании изложенных свойств технических элементов и ЭТП сформулируем определение ПЭС: действующая техническая система, непрерывность действия и устойчивость развития которой зависит не только от работоспособности (прочности, надежности), но и от роста энергоэффективности, обеспечивающего конкурентоспособность продукции.
Основной операцией теоретического анализа энергоэффективности ПЭС является переход от функции мощности Р к определенному интегралу энергии, и наоборот, от измеренного значения энергии к исходной функции мощности. Несмотря на то что эта операция осложнена обилием в системе видов функций, подлежащих аппроксимации, основную сложность представляет определение не самого показателя энергетической эффективности (для технических элементов, энергетических линий, ПЭС) и оценка его величины, а определение причин повышенной энергоемкости и обоснование мер по ее снижению. Прямого математического метода для таких исследований при экспертизе систем, при верификации эффективности и при обоснованиях энергосберегающих решений нет. Поэтому разработке теории энергоэффективности действующих технических систем должно предшествовать обобщение ряда положений математического анализа, относящихся к непрерывности и пределам простых и сложных функций, к основным теоремам дифференциального исчисления, параметрическому заданию функций, определенному интегрированию.
По определению, действующая техническая система (ДТС) - искусственно (специально) созданная техническая система, к которой подводиться энергия с целью воздействия ею (энергией) на различные среды или объекты для получения количественно определённого результата, отражающего изменение в состоянии объекта, на который действует энергия. Расход энергии на получение результата может быть определён путём измерения счетчиком, не требующего определение функции мощности. Предполагается, что энергетическое воздействие контролируется специальным измерителем изменения показателя (индикатора), характеризующего ожидаемый результат. При этом измеряемый показатель должен соответствовать одному из двух энергетических показателей воздействия по уровню дифференциации - либо энергия (интегральный показатель), либо мощность (первая производная энергии). Надо учитывать, что генеральным производственным показателем эффективности использования энергии является энергоёмкость продукции, поэтому все виды результатов энергетического воздействия должны быть приведены к энергетическому (интегральному) показателю. Понятие «определённый интеграл» предполагает, что показатель, характеризующий результат, в любом случае должен быть представлен в данных по измерениям как функция времени. По этому определению можно сказать, что в измерениях, обслуживающих экспертизу энергетической эффективности, одна и та же физическая величина может рассматриваться в различных энерготехнологических процессах и как интегральная, и как дифференциальная. Минимально допустимый расход энергии на единицу результата определяется (рассчитывается) по научным, нормативным или экспериментальным данным как теоретический. В МКО расчётные выражения приводятся к виду [3]:
(}т = (}уд-11; Рт = РУД-Я. (4)
Потребительские производственные энергетические системы (ПЭС) являются частным видом действующей технической системы (ДТС), создаваемой для производства продукции по определённой технологии, осуществляемой путём действия энергии в совокупности ЭТП, создающих для выпускаемой продукции весь набор необходимых результатов.
Особенностью ПЭС является существование дополнительной (по отношению к энергоёмкости результатов) - энергоёмкости продукции. Эта оценка является рыночной и двойственной:
- по удельным денежным затратам на получение результата;
- по влиянию на доходность предприятия при реализации (по конкурентоспособности).
Обе оценки имеют прямое отношение к затратам энергии. Таким образом, в ПЭС оценки действия энергии выходят за рамки, установленные технологией производства к значениям результатов действия, и входят в сферу общих для предприятия, региона, страны экономических результатов.
Для анализа показателей энергоэффективности предлагается графическое отображение МКО в виде диаграммы в четырёх квадрантах. Использование диаграммы на уровне предприятия позволило выявить основные особенности, связывающие все составные части производства (технологию, энергетическое и техническое обеспечение) в систему с единым показателем - энергоёмкость продукции, обосновать два варианта развития практического энергосбережения (экстенсивное и интенсивное) (рис. 1).
При реализации экстенсивного энергосбережения снижение потребления энергии (СЬ—>СЬ) влечет за собой снижение мощности до величины Рг = tgau. Во втором квадранте рабочей точкой является точка 2, соответствующая прежнему объему выпуска продукции П при соответствующей сниженной энергоемкости СЬг = tgyu.
МЕХАНИЗАЦИЯ II ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ а
Рис. 1. Универсальная энергетическая диаграмма
Вариант энергосбережения, при котором потребление энергии возвращается к прежнему уровню и достигается увеличением масштабов производства при сниженной энергоемкости и прежней мощности Pl=tga, предлагается считать интенсивным. Достигнутое повышение эффективности использования энергии за счет мер по энергосбережению (0П2> ОпО направлено на увеличение выпуска продукции +ДП. Если реализуется тактика интенсивного энергосбережения, то при прежнем энергопотреблении <3 и соответствующей ему мощности Р1 рабочий режим во втором квадранте из точки 1 перемещается в точку 3, что соответствует уменьшенной энергоемкости СЬг- Следует отметить, что увеличение выпуска продукции +ДП должно быть обеспечено возрастанием производственной мощности до значения МП2 = tgBu.
Применение диаграммной техники для анализа энергоэффективности отдельного ЭТП потребовало специальной адаптации методики построения. В статье [3] рассмотрены особенности построения энергетической диаграммы и пример её дальнейшего использования для оценки и анализа энергоэффективности отдельного ЭТП - нагрев воды. Данный процесс является весьма распространённым в АПК и в нем зачастую наблюдаются существенные потери энергии.
В ходе исследований установлено, что анализ энергоэффективности с помощью диаграммы следует начинать с построения её теоретического контура (рис. 2) по расчётным значениям параметров, используемых в МКО: теоретическое количество энергии ,
/-чУД
теоретическии удельный расход энергии ц/т на единицу результата, теоретическое время процесса 1:т.
0,кДж
Рис. 2. Теоретический контур энергетической диаграммы
Исходным расчётным выражением примем общую формулу МКО для определения интегральных энергетических показателей:
QT = Q™-R (5)
Важной особенностью действующих систем является то, что они включают в свой состав как технические элементы, так и среды, на которые оказывается энергетическое действие в ЭТИ. Эти среды, названные технологическими средами (ТС), как правило, занимают определенный объем, ограниченный размерами и формой соответствующего технического элемента. В рассматриваемом примере, ТС - объём нагреваемой жидкости, который ограничен баком нагревателя.
Анализ параметров ТС позволяет осуществить переход к удельному количеству энергии необходимому для достижения единицы результата процесса в виде увеличения температуры в объёме жидкости на 1 °С:
QyTfl = с ■ m, (6)
где с - удельная теплоёмкость жидкости, кДж-кг/°С; m - масса нагреваемой жидкости.
С помощью выражения (5) расчётным путём может быть получено теоретическое количество энергии QT, необходимое для обеспечения требуемого технологией результата процесса R:
Qt = с ■ m ■ Тк — Тн = Q™ ■ R (7)
Теоретическое количество энергии QT и номинальная мощность оборудования Рном (результат выбора оборудования), реализующего процесс нагрева, позволяют рассчитать теоретическое время процесса:
tT = (8) *ном
Первый квадрант диаграммы используется для построения дифференциального параметра энергии, т.е. номинальной мощности Рном, которая изображается в виде прямой линии (поскольку ТЭН имеет постоянную мощность), соединяющей начало координат с точкой, определяемой значением энергии QT.
Следует отметить, что в действующих технических системах, обязательно включающих ЭТП, существует два вида энергоемкости результата - абсолютная Qv;i и относительная Q3, определяемая МКО. Второй квадрант диаграммы отражает абсолютную энергоёмкость Qv;i единицы результата R . Важной особенностью параметра Q^4 в теоретическом контуре является постоянство, отражающее его научное содержание:
<йд = * = const. (9)
Теоретическое значение энергии действия QT определяется по известному выражению (4), из которого так же может быть получено выражение для расчёта относительной энергоемкости результата. Для теоретического контура:
Q3=^=i,o (ю)
Следовательно, в случае, если вся потреблённая энергия расходуется на достижение результата процесса, относительная энергоёмкость минимальна (Q3 = 1,0) [4]. Это значение может рассматриваться как предел оптимизации при разработке мер по совершенствованию энергоэффективности на этапе проектирования.
В третьем квадранте теоретического контура функция получения результата RT(t) отображается в виде прямой линии, проведенной из начала координат в точку, соответствующую времени tT и интегральному значению R. В этом случае производная функции RT(t) - теоретическая скорость получения результата R^ является максимальной и постоянной в течение всего процесса и определяется из выражения:
R'T = -= const. (11)
tj.
Оси для построения теоретического контура диаграммы обозначаются по аналогии с энергетической диаграммой для предприятия. Значения параметров, полученных в ходе
теоретического расчета, отмечаются на диаграмме в виде точек и формируют базовый контур (рис. 2, «Теория»), Теоретический контур диаграммы в виде квадратов фиксирует численные значения базовых параметров процесса, при которых целевое функционирование ЭТП происходит с максимальной эффективностью, так как не учитывает потери энергии (AQ = 0).
Масштаб осей диаграммы подбирается так, чтобы теоретический контур отражал базовые значения дифференциальных параметров: Рном = 1.0, R^. = 1.0, Q^4 = 1.0, иными словами, tgaT = tg ßT = tgyT = 1-0 , следовательно, ат = ßT = ут = 45° . При дальнейшем анализе этот приём позволяет вести сравнение фактических параметров процесса с базовыми в относительных величинах.
Таким образом, при использовании диаграммы в анализе энергоэффективности кроме оборудования включается технологический процесс действия, результат которого обеспечен теоретическим или нормативным показателем удельного (минимального) расхода энергии. Метод конечных отношений не только раскрывает содержание относительной единичной энергоемкости, но и придает ей важное аналитическое качество - предельность. Переход от ПЭС к действующим техническим системам расширяет использование МКО для определения энергоэффективности на мобильные процессы с использованием топлив, на процессы выращивания растений с использованием естественной и искусственной световой энергии, на содержание животных и птицы с расходованием кормов [5]. Это создает уверенность в том, что вся продовольственная отрасль АПК, имеющая чрезвычайно сложную структуру энергопотребления, может иметь собственную отраслевую методическую базу управления энергоэффективностью.
Литература
1. Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш. Способ диагностики состояния энергетических элементов, контроля и управления энергетической эффективностью потребительских энергетических систем // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. -2011. -№22.-С. 314-320.
2. Юлдашев З.Ш., Немцев A.A., Немцев H.A. Методические основы повышения энергоэффективности АПК // Международный журнал экспериментального образования. -2015,-№7. -С. 144-145.
3. Немцев A.A. Теоретические положения комплексного подхода к определению энергетической эффективности// Известия Санкт-Петербургского аграрного университета. -2015.-№39.-С. 346-350.
4. Юлдашев З.Ш., Немцев А., Немцев H.A. Определение энергоемкости результата технологического процесса // Международный журнал экспериментального образования. -2015.-№8-3.-С. 421-422.
5. Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш., Немцев A.A., Немцев H.A. Концепция оценки топливно-энергетической эффективности производства в АПК // Известия международной академии аграрного образования. - 2014. - № 20. - С. 35-41.
