CC BY
26
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА
УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА М.С. Бойцов, аспирант,
А.В. Вязигин, аспирант,
В.М. Каравайков, д-р техн. наук, профессор Костромской государственный технологический университет, г. Кострома
Разработана трехуровневая система управления энергоэффективностью текстильного производства, которая носит иерархический характер, предусматривающий сочетание централизованного управления или контроля с автономностью ее частей. На каждом уровне анализируются соответствующие энергетические балансы
В своем выступлении на заседании президиума Госсовета РФ по проблемам модернизации текстильной отрасли 20-го июня 2008 г. Президент РФ Д.А.Медведев отметил необходимость качественно модернизировать отрасль, внедрить передовые технологии, повысить производительность труда, увеличить субсидии на техническое перевооружение.
На данном этапе развития промышленное текстильное производство обременено высокой энергоемкостью производимой продукции, что увеличивает ее себестоимость и снижает конкурентоспособность. Российские текстильщики испытывают конкуренцию как со стороны Китая и стран юго-восточной Азии, поставляющих дешевую продукцию массового спроса, так и со стороны европейских производителей, ориентированных на рынок более дорогой, но высококачественной продукции. Такое положение недопустимо в условиях вступления России в ВТО. Ориентация исключительно на импорт в таких важных отраслях как производство продуктов питания, одежды и других товаров первой необходимости не соответствует требованиям экономической безопасности страны.
Основой конкурентоспособности в современных условиях является снижение энергоемкости и повышение качества продукции [1]. Имеющийся нереализованный значительный потенциал энергосбережения в текстильной промышленности указывает на одно из важнейших высокоэффективных направлений экономического роста промышленного производства - повышение эффективности использования энергии. Это
положение в разной степени осознается специалиста-ми-технологами, проектировщиками и производителями оборудования. Ведутся разработки и внедряются проекты по повышению эффективности использования энергии [2] (например, по компенсации реактивной мощности, внедрение частотных преобразователей для управления электродвигателями, утилизация тепловой энергии, теплоизоляция и т.д.).
Однако, реализация энергосберегающих мероприятий на отдельных установках на практике часто не дает ощутимого экономического эффекта в целом по предприятию. Энергоемкость промышленной продукции остается недопустимо высокой. Одной из главных причин такого положения является отсутствие действенной системы управления энергоэффективностью текстильного производства, включающей нормирование потребления энергии, мониторинг энергопотребления в производственных процессах, координацию различных производств для сокращения энергопотребления, рациональное распределение финансовых средств, выделяемых на энергосбережение, повышение уровня подготовки сотрудников и рабочих, информационное обеспечение, совершенствование мотиваций энергосбережения и др.
Для разработки системы управления энергоэффективностью промышленного производства мы использовали методы и принципы теории автоматического управления [3]. Схема реализации комбинированного принципа автоматического управления показана на рис.1.
f(t)
Объект 3-<t>
управления
j L
q(t) G<t) y(t)
Устройство управления
Рис. 1. Схема ^дмбшшвшшшвм. САУ
Энергопотребляющие объекты относятся к каждом уровне и в целом для системы применяется сложным инерционным объектам. В связи с чем, на комбинированный принцип управления. В комбини-
рованных системах автоматического управления (САУ) используется информация одновременно о трех воздействиях: q(t) - заданное воздействие (жесткое управление), уф - управляемый параметр и ОД -внешнее возмущающее воздействие. Заданное воздействие q(t) формируется на основе нормирования потребления энергоресурсов, исходными данными для которого являются энергетические балансы объекта, производства (цеха), предприятия в целом.
Система управления носит иерархический характер, предусматривающий сочетание централизованного управления или контроля с автономностью ее частей.
Выделены три уровня управления:
1-й уровень - управление работой оборудования и технологическими процессами, в том числе и на основе анализа энергетических балансов отдельных объектов.
2-й уровень - оперативное управление ходом производственного процесса по направлениям использования энергии на основе анализа энергетических балансов производственного подразделения (цеха).
3-й уровень - планирование работы и формирование управляющего воздействия на основе нормирования расходов энергии, разработки и реализации программы управления энергопотреблением на предприятии на основе анализа энергетических балансов предприятия.
% г *
В сложившейся практике отечественного текстильного производства специалисты проводят анализ энергетического баланса отдельных установок. Это важно, но недостаточно для организации энергоэффективного производства в целом по предприятию, по отрасли. Только сводный энергетический баланс позволяет представить интегральную картину [4].
Различают три основных вида энергобалансов
[5]:
1.Синтетические (фактические), отражающие общее потребление и распределение топливноэнергетических ресурсов по подразделениям и отдельным элементам объекта при сложившихся производственных условиях.
2.Аналитические (нормализованные), оценивающие эффективность энергоиспользования и учитывающие возможности рационализации и оптимизации энергопотребления и снижения потерь энергии в энергопотребляющих установках и при ее транспортировке.
3.Перспективные, составляемые с учетом прогнозируемого развития производства и его качественных изменений на ближайший период (до 5 лет) или на более длительный срок.
Для составления сводного энергетического баланса исследуемого объекта можно воспользоваться обобщенной моделью, приведенной на рис.2[5].
________і.
/г/ ¿¡г
Рис.2. Обобщенная модель исследуемого объекта:
Qi и QJ -потоки теплоты, поступающие и удаляемые из объекта с потоками веществ Gi и Gj, например, с паром и конденсатом, топливом и уходящими газами и т.п.; Qo ,■ и Qo j - потоки теплоты, подведенные к объекту и отведенные от него теплоносителями, циркулирующими по замкнутым контурам, например, сетевой или оборотной водой; QF i и QP j - потоки теплоты, подведенные и отведенные через ограждения (стены, окна, полы, перекрытия зданий и др.); и Щ
- подведенная электрическая или механическая энергия.
На данной схеме I Ф ], поскольку в производстве имеют место многочисленные слияния и разделения потоков веществ, химические превращения, преобразования одних видов энергии в другие.
В соответствии с моделью (рис.2) уравнение энергобаланса объекта может быть представлено в виде
(1)
I Ql + 1 Qв¡ + 1 Qrt + 1 w¡ = Х QJ + 1 Qoj + 1QFJ + 1 wJ
Правая часть уравнения включает как полезно используемые в дальнейшем потоки теплоты '£Qjп
+^^^п, так и рассеиваемые в окружающую среду
^0,]ос+ Щорс + ]■ Поэтому уравнение (1) может
I й, +1 ав> +1 а* +1 w¡ = х буп + X
В уравнении (2) отсутствуют составляющие потоков теплоты через ограждения зданий, наружные поверхности оборудования и трубопроводов, расположенных на улице, так как они учитываются как потери в окружающую среду. Т.е. Ейууо.с= Ейуу. Кроме того, большая часть электрической и механической энергии, используемой в производстве, затрачивается на электротермические процессы, преодоление сил трения и превращается в теплоту, рассеиваемую в окружающую среду. Следовательно, учитывается суммой Ей уос + ^йоуос-
Рассеивание теплоты в окружающую среду имеет место при выбросе в атмосферу уходящих газов за печами и котельными агрегатами; удалении вытяжного вентиляционного воздуха из помещений; потерях теплоты через наружные поверхности трубопроводов и оборудования, находящихся вне помещений; охлаждении оборотной воды в градирнях; сбросе сточных вод и конденсата в канализацию; хранении продукции и полуфабрикатов на открытых площадках; вследствие теплопотерь через ограждения помещений. Тепловые потери от наружных поверхностей внутренних трубопроводов и оборудования, тепловыделения от персонала, продукции и полуфабрикатов внутри помещений учитываются при расчете тепловых потерь через ограждения зданий.
На текстильных предприятиях имеются системы или установки с периодическим режимом работы. Кроме того, системы и установки, основным режимом работы которых является установившийся, характеризующийся постоянством расходов и параметров энергоносителей и обрабатываемых веществ и материалов, периодически включаются и выключаются из работы. Часть рабочего времени они эксплуатируются при неполной загрузке, на холостом ходу. Завоз сырья и отгрузка готовых изделий или отходов осуществляется не непрерывно, а периодически. Поэтому для предприятий, так же как и для установок, работающих в периодическом или переменном режиме, энергобаланс составляют не для произвольного момента, а для интервала времени, в течение которого производственный цикл полностью заканчивается. В качестве такого интервала могут быть выбраны технологический цикл, рабочая смена, сутки, месяц, квартал, календарный год. Правильный выбор указанного периода позволяет использовать уравнения вида (1) и (2), не вводя в них дополнительные члены, для учета накопления или убыли энергии в элементах объекта во времени.
Общие резервы экономии энергии подразделяются на текущие ДЭт, осуществляемые с малыми затратами в текущем периоде, и перспективные ДЭп, реализация которых возможна в более отдаленной перспективе (3-5 лет и более) за счет проведения мероприятий, требующих дополнительных затрат [4].
Текущие резервы определяются сравнением фактического энергобаланса объекта с его энергобалан-
быть преобразовано к виду
Яо}п+Х + Х йоуоу + Х а у + Х wJ (2)
сом, составленным на базе технически обоснованных отдельных потерь.
а зт = х (дп -дл*)
(3)
где п - число мероприятий, направленных на снижение потерь; ДПР и ДПц - потери энергии в каждом 1-м объекте соответственно до и после проведения мероприятий.
С учетом текущих резервов экономии составляются аналитические (нормализованные) энергетические балансы, являющиеся основой для нормирования энергопотребления на технологические процессы изготовления готовой продукции.
Перспективные резервы определяются сравнением двух аналитических энергобалансов - технически обоснованного ДПц и экономически обоснованного (перспективного) ДПэ1:
„ (4)
1=1 1=1
Основными видами энергии, потребляемой в текстильной промышленности являются тепловая и электрическая энергии. Нами были составлены балансы потребления тепловой и электрической энергии текстильным производством. В основу составления энергетических балансов положены данные ГУ «Ко-стромагосэнергонадзор» и обследования технологических и энергетических характеристик оборудования текстильных предприятий Костромской области.
Анализ сводных по отрасли фактических энергобалансов показывает, что 60% электроэнергии и 32% тепловой энергии, потребляемых текстильным предприятием расходуется в технологических процессах. Величина потерь тепловой энергии при транспортировке, через ограждения помещений и других составляет 22%, что, очевидно, недопустимо. По каждому из направлений использования энергии должен рассчитываться энергобаланс по уравнениям (1, 2). Текущие и перспективные резервы экономии энергии определяются из уравнений (3, 4).
Нами составлены энергетические балансы отдельных технологических стадий текстильного производства: льночесания, прядильно-
приготовительной, прядения, сушки, крашения и беления пряжи и ровницы, ткацко-приготовительной, ткачества, отделки ткани. По каждой из этих стадий определяются приоритетные направления энергосбережения.
Нормы расхода ТЭР разрабатываются на единицу готовой продукции (тонну, м3 и т.д.) или единицу работы (компрессор, холодильник и т.д.), выраженную в натуральных единицах, принятых в планировании. В отраслях промышленности, выпускающих продукцию широкой номенклатуры, нормы расхода, можно устанавливать на 1000 руб. товарной продукции.
В сложной системе производственного потребления какого-то энергоресурса, состоящей из п элементарных систем, в каждой из которых потребление
1 п
У = а + ^ 1 ? 1( Коэффициенты В, С1 определяются из уравнений энергобалансов, 8 - коэффициент, учитывающий стохастический характер связей.
Групповую норму расхода топлива, тепловой и электрической энергии можно записать в виде:
Н = Нит + Нт + 8 = Н F Кит К, (6)
где F - соотношение норм технологической и средневзвешенной;
Кит - коэффициент учета нетехнологических расходов энергии;
К - нормативный коэффициент;
Нит - нормы нетехнологических расходов;
Нт - нормы технологических расходов. Нормативный коэффициент представляет собой отношение групповой нормы расхода к ее аналитической составляющей
К = Н /(Нт + Нит) = 1+8/(Нт + Нит) (7)
Фактические значения нормативного коэффициента Кф определяются по формуле
Кф = У / (Нт + Нит) ф. (8)
Плановая величина нормативного коэффициента определяется на основе данных о его фактическом значении за ряд лет по динамической, статической модели временного ряда.
Наличие в модели системы нормативного коэффициента К позволяет в процессе управления осуществлять обратную связь планируемого показателя с его фактическими значениями, т.е. реализовать принцип управления замкнутыми системами. Поэтому модели (6) являются моделями управления с обратной связью, а нормативный коэффициент К, учитывая его роль, можно назвать коэффициентом обратной связи.
Внешнее воздействие ^) (изменения количества, качества, параметров энергии, внедрение энергосберегающих проектов, выполнение мероприятий по энергосбережению, например, частотно-
регулируемый электропривод, теплоизоляция, утилизация тепловой энергии и т. д.) изменяются по известным и случайным законам. Протеканию технологических процессов, связанных с преобразованиями энергии, сопутствует действие множества факторов, влияющих на его ход и имеющих чаще всего случайный характер. Детерминировать процесс таким образом, чтобы все факторы в любой момент времени были бы заранее учтены, невозможно. Учет возникающих ситуаций с целью воздействия на процесс таким образом, чтобы его ход отвечал задачам, которые ре-
данного ресурса зависит только от переменной Х1, удельный расход этого ресурса на единицу объема V производства
В 1Х 1 + С 1Х ■ +
) + 8
£ - + RwW + ^ВПр
(5)
шает этот процесс, возможно только путем управления за счет оперативного вмешательства в процесс каждый раз, когда появляются тенденции к отклонению или сами отклонения в ходе протекания процесса. Так формируется управляющее воздействие G(t). Управляемый параметр уф - показатель эффективности энергоиспользования
- коэффициент полезного использования нормативной работы у потребителя
Ц-£п / £ (9)
где е - прямые обобщенные энергозатраты
(10)
где Е - расход электроэнергии;
W - расход тепловой энергии;
Впр - расход топлива прямого использования;
RE , RW, RB - энергетические эквиваленты условного топлива;
еп - обобщенные конечные энергозатраты (полезная работа), определяемые нормативным методом по измеряемым расходам электрической энергии, тепла, топлива прямого использования в силовых Вс и тепловых Вт установках:
£п — В-еЕЛе + RwWЛw + ^ ВсЛс + В-вВтЛт (11) где Пе, Пс, ПТ - средневзвешенные коэффици-
енты полезного использования энергоресурсов в процессах потребления электроэнергии, тепла, топлива прямого использования в силовых и тепловых установках соответственно;
RTB - энергетический эквивалент условного топлива теоретический.
Значения Е, W, Впр, ВС, ВТ определяются из уравнений энергетических балансов, составляемых на всех уровнях управления (например, [5]).
В системе управления предусмотрено дополнительное управляющее воздействие Gд(t), направленное на повышение уровня подготовки сотрудников и рабочих в вопросах энергосбережения, обеспечение инженеров и рабочих информацией о методах и средствах повышения эффективности использования энергии.
Структурная схема разрабатываемой системы управления энергоэффективностью представлена на рис.3.
Рис.3. Схема системы управления:
УСПД - устройство сбора, обработки и передачи данных; НПЭ - нормирование потребления энергии; ЭБ -энергетический баланс; УУ - устройство управления; ОУ - объект управления.
Выводы
1.Для разработки системы управления энергоэффективностью текстильного производства использованы методы и принципы теории автоматического управления.
2.Предлагаемая трехуровневая система управления носит иерархический характер, предусматривающий сочетание централизованного управления или контроля с автономностью ее частей. На каждом уровне анализируются соответствующие энергетические балансы.
3.В качестве управляемого параметра предлагается показатель эффективности энергоиспользования
- коэффициент полезного использования нормативной работы у потребителя. Определены возможные задающие и возмущающие воздействия на объект управления.
Литература
1. Каравайков В.М. Энергосбережение при производстве натуральных волокон: учеб. пособие. - Кострома: Костромской гос.технол.ун-т, 2001. - 111 с.
2. Руководство по повышению энергоэффективности в пищевой промышленности / Stefan Kohler, Deutsche Energie-Agentur GmbH, И.А.Башмаков, Центр по эффективному использованию энергии. М., 2002.- 188 с.
3. Теория автоматического управле-ния./В.Н.Брюханов, М.Г.Косов и др.; Под ред. Ю.М.Соломенцова. -3 изд., стер. -М.: Высш. шк., 2000. - 268 с.
4. Энергоаудит и нормирование расходов энергоресурсов: Сб. метод. материалов/Н.Новгород:
НГТУ, НИЦЭ, 1998.-260 с.
5. Каравайков В.М. Энергетический баланс текстильного производства// Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности. 2003, №2.
@ (4942) 31-69-91
Ключевые слова: текстильное производство, энергоэффективность, энергоемкость, конкурентоспособность, энергетические балансы, система управления энергоэффективностью
