CC BY
110
структурой на базе блочно-модульного рассадного комплекса перемещается в интервал «Очень хорошо» ((D=0,8—1,0). Более того, по этой технологии за счет технологических приемов производятся более жизнестойкие растения, имеющие мощную и развитую «живую» вегетативную корневую систему и выращивается рассада других ценных культур - томатов, перца и баклажан.
Литература
1. Модестова Н.А. Выращивание рассады овощных культур под пленкой. - Л.: Колос,1978. - 112 с.
2. Нестяк В.С. Механико-технологические аспекты защиты корневой системы рассады в процессе ее производства // Науч.-техн. бюл. / РАСХН. Сиб. отд-ние СибиМЭ. - Новосибирск, 1994. - Вып. 2. - С. 8-15.
3. Пат. 2145473 Российская Федерация, МКИ А 01 G 1/00. Способ выращивания рассады / В.С. Нестяк.
- № 97114038/13; заявл. 11.08.97; опубл. 20.02.2000. Бюл. № 5.
4. Пат. 2318367 Российская Федерация, МКИ А 01 G 1/00. Способ выращивания рассады / В.С. Нестяк, С.В. Нестяк. - № 2005130423/12; заявл. 30.09.2005; опубл. 10.04.2008. Бюл. № 7.
5. Нестяк В.С., Каширский А.И. Новые подходы механизации производства рассады // Достижения науки и техники АПК. - 2004. - № 10. - С. 7-10.
6. СахалД. Технический прогресс: концепции, модели, оценки. - М.: Финансы и статистика, 1985. - 368 с.
УДК 631.37 В.Н. Карпов, З.Ш. Юлдашев, Р.З. Юлдашев
ЗАДАЧИ И МЕТОД ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ УСТАНОВКАХ АПК
Предложенный авторами статьи метод энергосбережения может рассматриваться как методическая основа решения приоритетной отраслевой проблемы - снижения энергоемкости продукции. Его оригинальность уже подтверждена патентом на изобретение «Способ контроля и управления энергопотреблением».
Ключевые слова: энергосбережение, энергетическая система, потребитель, энергоемкость, энерготехнологический процесс.
V.N. Karpov, Z.Sh. Yuldashev, R.Z. Yuldashev POWER-SAVING PROBLEMS AND METHOD IN CONSUMER INSTALLATIONS OF AGRARIAN AND INDUSTRIAL COMPLEX
The power -saving method offered by the authors of the article can be considered as a methodical basis for solution of the priority branch problem which is decrease in power intensity of production. Its originality is already confirmed by the patent for the invention «Way of power consumption control and management».
Key words: power-saving, power system, consumer, power intensity, power and technological process.
Энергосбережение предполагает повышение эффективности использования энергии у потребителя. Для разработки методов энергосбережения необходимо описать энергетические процессы и условия их осуществления. Технической основой организации движения энергии и различных процессов является искусственная энергетическая система (ИЭС) потребителя (рис.1). Основные особенности системы заключены в энергетических линиях, по которым энергия движется к месту ее использования, образующих энергетическую сеть путем разветвления в узлах. Линия или ее участок образованы последовательным соединением отдельных технических устройств (элементов), имеющих одно из специальных назначений. Например, передача энергии, трансформация параметров, преобразование в другой вид с соответствующим КПД (п). Таким образом, назначение элемента определяет вид происходящего в нем энергетического процесса, а сам элемент может рассматриваться в теоретическом отношении как базовая составляющая, образующая мезоско-
пический уровень энергетической системы, располагающийся между микроскопическим и макроскопическим (вся энергетическая система).
Условными границами ИЭС являются: на входе - место установки прибора учета потребляемой энергии 0, на выходе - место учета продукции П для реализации на рынке (для производственных потребителей). Такая установка границ ИЭС предопределяет, во-первых, возможность сопоставления затрат на энергию (при тарифе Ст) и получаемого дохода (при цене Ц), во-вторых, необходимость рассмотрения приемников энергии как оконечных элементов в энергетической линии с соответствующим энергетическим процессом. Определяющим в данном случае является назначение потребленной энергии. Можно назвать три основных назначения:
- производство продукции для реализации;
- обеспечение условий жизнедеятельности (обогрев, освещение, вентиляция, кондиционирование помещений и т.п.);
- подготовка производственного процесса путем, например, предварительного нагрева, сушки, увлажнения, дробления, прессования других воздействий на материальные компоненты производственного процесса.
Рис. 1. Искусственная энергетическая система (ИЭС) потребителя
Все указанные процессы в соответствии со складывающейся классификацией могут быть отнесены к энерготехнологическим процессам (ЭТП) [1]. Таким образом, в ИЭС любое конечное ответвление энергетических линий должно заканчиваться энерготехнологическим процессом (исключением является только транспортирование энергии через систему потребителя). Техническое обеспечение ЭТП, как правило, не ограничивается только энергетическим элементом, а включает в себя технические элементы, обеспечивающие управление движением материальной составляющей, участвующей в ЭТП.
Представление ИЭС в виде энергетических линий с разветвлениями соответствует реальному исполнению. С теоретической точки зрения контроль энергопотребления возможен на основе расчета параметров потока энергии в любой точке энергетической сети. Однако такая возможность существует только при наличии гладкой функции по всей длине линии. В энергетике потребителя это исключено, так как линии включают в себя элементы, реализующие энергетические процессы, основанные на разных физических явлениях. Это
приводит к разрыву функции в линии. Поэтому для практического контроля движения энергии нужны специальные методы, основанные на учете свойств каждого элемента.
Рассмотрим особенности отдельного элемента в энергетической линии. Во-первых, он ограничен в координатах, т.е. имеет реальные или расчетные размеры, в частности, длину при одномерной его интерпретации. Во-вторых, поскольку в системе потребителя осуществляется однонаправленное движение энергии, в каждом элементе она перемещается всегда от начала к концу. В пределах координат элемента, как правило, возможно применение непрерывной функции для описания характеристик и расчета производной энергии по координате. В реальной системе несколько различается значимость параметров в его начале и конце. Конечный параметр отражает количество востребованной энергии, поэтому параметр в начале должен с учетом закона сохранения энергии превышать конечный на величину потерь. Таким образом, конечный параметр является задающим в энергетическом процессе. Именно такой подход реализуется в практике расчета и эксплуатации энергетических потребительских систем, когда потребная мощность рассчитывается по максимуму и в пределах этого максимума удовлетворяется любое востребованное количество энергии. Однако такой автоматизм, стабилизирующий энергообеспечение, допускает отклонения в эффективности энергопотребления. В частности, потери в элементе и начальные параметры энергии могут возрастать или уменьшаться как независимо, так и в функции от конечного параметра. При этом для принятия мер по стабилизации эффективности необходимо иметь значения всех трех параметров (начальный, конечный и потери), а наиболее вероятной реальной мерой должно стать управление всем энергетическим потоком для обеспечения заданного значения конечного параметра. Подобная система управления является сложной как в части получения информации, так и в части управления, поскольку не определены критерии эффективности для элемента и связь этих критериев с общей эффективностью системы. Существующая возможность измерения энергии в конце каждого элемента дает возможность разработки новых принципов контроля и управления эффективностью энергопотребления.
Важным принципом оценки начальных и конечных измерений на элементе является взаимная адекватность определяемых параметров. При соблюдении этого требования и с учетом того, что конечный параметр является задающим, отношение начального параметра к конечному может рассматриваться как относительный параметр эффективности энергетического процесса в элементе, поскольку он определяет кратность подводимой энергии Он по отношению к необходимой Ок (конечной), и может быть назван относительной энергоемкостью процесса в элементе и обозначен как Оэ = Он/Ок- Преобразование уравнения сохранения энергии Он = Ок + АО с переходом на этот параметр придает ему другой вид и новое содержание:
Оэ=1 + Л(Г, (1)
где АО* - относительные потери (АО* = АО/Ок). Это равенство отражает предельное (минимальное) значение энергоемкости процессов, равное 1,0 в идеальном случае, когда АО = 0. Балансовое уравнение Он = Ок +АО обладает привлекательным свойством сохранения синхронности изменения параметров. Если, к примеру, найти механизм обеспечения постоянства отношения Ок и АО к 0„, то любой множитель, увеличивающий или уменьшающий Он, будет тем же самым и для Ок и АО в соответствии с требованием закона сохранения. Равенство коэффициентов, определяющих изменение Ок и АО, означает постоянство соотноше-
ния АО/Ок. Таким образом, поддерживая условно (искусственно) равенство коэффициентов при Ок и АО, можно перейти к выражению инварианта сохранения в относительных параметрах
^ = 1 + ^ (2)
О О
или Оэ=1 + АО*. (3)
Основная особенность инварианта заключается в сохранении значений параметров (при соблюдении указанного выше условия) при любых множителях п (т.е. в динамике):
п-(2э=п-(1 + Д(2*). (4)
Поскольку относительные параметры являются чрезвычайно важными для оценки эффективности энергетических процессов (энергоемкость и относительные потери энергии) и очевидным является требование минимизации их, возникает задача поиска приемлемого сочетания искусственной стабилизации относительных потерь и минимального уровня их значения (считаем, что Ок должно изменяться). Указанное свой-
ство инварианта сохранения может быть подтверждено графически. На рис. 2 показано построение для случая линейной зависимости ДQ от Qк в системе координат ^; Qк) - линия "а". Эта же прямая показывает связь между Qн и Qк. Если бы ДQ=0, то геометрическим местом точек соответствия Qн и Qк была бы прямая "в", проведенная под углом 45о. Для трех вариантов значение Qн и Qк на рис. 2 соблюдается условие постоянства их отношения:
Он
Qk
= tg(a + 45°) = const.
(5)
1.2.3
Рис. 2. Линейная зависимость Qh от Qk
В то же время очевидно, что это постоянство потребовало изменения AQ в соответствии (пропорционально) с изменением QK.
te(a + 45°)= Qk+AQ + =i + AQ* = const. (6)
Qk Qk
Отсюда следует условие постоянства Qe в виде AQ/Qk = const.
Наиболее важным выводом из этого уравнения является значимость нового фактора - соответствия (синхронности) изменения начального Qн и конечного Qk значения энергии. Если синхронность соблюдается, то относительная энергоемкость остается постоянной, при этом должны оставаться постоянными относительные потери, т.е. AQ/Qk = const. Таким образом, становится ясным, что управление эффективностью возможно только за счет управления потерями. Из уравнения (3) ясен закон этого управления.
Для осуществления оперативного контроля и управления процессами передачи и преобразования энергии в элементах сетей потребителя, контроля и управления эффективностью процессов получения продуктов энерготехнологических процессов (ЭТП) в предприятиях разработан способ контроля и управления энергопотреблением на основе единого параметра - относительной энергоемкости любого энергетического процесса и повышения эффективности общего энергоиспользования по результатам анализа величин относительной энергоемкости по всем энергетическим процессам в системе [2].
Энерготехнологические процессы, завершающие энергетические линии у потребителя, создают продукт, ради которого и потребляется энергия. Содержание понятия "энерготехнология" дано в [3] применительно к химической промышленности: "...совокупность знаний о совместном производстве продуктов и энергии в химической технологии, а также об экономном расходовании ресурсов". Это определение позволяет использовать понятие энерготехнологии в любой отрасли и для любого процесса, образующего какой-либо продукт, который может иметь численное выражение. В энергетических системах потребителя такими
продуктами являются производимая продукция и создаваемые производственные или бытовые условия (температура, освещение и др.).
Способ основан на измерении энергии на входе к потребителю, контроле режима работы энергетического оборудования и архивировании их параметров.
На рис. 3 приведен один из возможных вариантов энергетической схемы потребителя.
Рис. 3. Энергетическая система потребителя: а - измерители энергии;
ЭТП1, ЭТП2, ЭТП3 - энерготехнологические процессы; ЭР - электронный регистратор;
/ - номера элементов, образующих энергетическую линию от счетчика на входе к потребителю до энерготехнологического процесса получения ]-го продукта, включаемого в линию как элемент ]
Рассмотрим поэтапную схему реализации способа контроля и управления энергопотреблением.
1. Вся энергетическая система потребителя разбивается по видам энергии от входного счетчика на элементы с определенным функциональным назначением, включая энерготехнологические процессы получения продукта, энергетические линии, образованные последовательно соединенными элементами, узлы, от которых отходят два и более элемента, образующих в совокупности энергетическую сеть. Например, на рис. 3 энергия, потребляемая первым ЭТП1 0=1), передается от входного счетчика через элементы i (1 - 2 - 3) до элемента ] =1, ЭТП2 - через элементы i (1 - 2 - 4) до ] =2, ЭТП3 - через элементы i (1 - 2 - 4 - 5) до ] =3.
2. Измерители энергии устанавливаются перед каждым элементом или перед частью линии из однотипных элементов и измеритель для измерения полученного продукта в ЭТП. Устанавливают измерители энергии таким образом, чтобы была возможность получить значение энергетического параметра в начале
и в конце каждого контролируемого элемента, за исключением конечных энерготехнологических
процессов, у которых конечным параметром является продукт (результат) энергоиспользования.
3. Производится измерение и регистрация показаний измерителей энергии и полученного продукта на электронном регистраторе за время измерения.
4. Определяется относительная энергоемкость ЭТП как элементов сети QЭj по формуле:
О, =<2Л<2Т‘ -рЛ <7>
где биг- - показание последнего в линии измерителя энергии, предшествующего ЭТП; 2Урдтт - минимальная удельная энергоемкость Ко продукта; Р. - величина Ко продукта, полученного за время изме-
рения.
5. Определяется относительная энергоемкость передачи энергии через каждый контролируемый элемент по формуле:
а,=а,/&,. (в)
где 0н. - показания измерителя энергии в начале ко элемента; - показания измерителя в конце
ко элемента, являющегося начальным для 0+1) элемента, или сумма показаний начальных измерителей в элементах, отходящих от узла, завершающего ьй элемент.
6. Определяется удельная энергоемкость каждого продукта по потребленной на его получение энергии по формуле:
/=л
0И=0^-0Э]-П0ЭП (9)
где i - номера элементов, образующих энергетическую линию от счетчика на входе к потребителю, до энерготехнологического процесса получения ко продукта, включаемого в линию как элемент ^ П - оператор умножения.
7. По относительным энергоемкостям каждого контролируемого элемента 0э. и энергоемкости самого ЭТП ^ . можно определить, сколько потрачено энергии на любой произведенный продукт р из общего объема ее потребления, зафиксированного входным измерителем энергии ^:
i=n
(10)
8. Оптимизируется (минимизируется) удельная энергоемкость за счет регулирования параметров изменения режимов или замены элементов и энерготехнологических процессов получения продукта, составляющих энергетическую систему потребителя.
9. Для обеспечения максимального энергосбережения из выражения для Qj получаем формулу, определяющую максимальный ресурс энергосбережения для каждого продукта Pj в виде отношения:
О / Р '="
к7 = ^± = оЭ]-поЭ1. (11)
У'и
Полученное последнее выражение показывает, что ресурс энергосбережения определяется величинами относительных энергоемкостей энерготехнологических процессов ^ . и элементов соответствующих
линий 0э.. Знание величин этих энергоемкостей, полученных с помощью разработанного способа, позволяет целенаправленно и последовательно управлять эффективностью энергопотребления, снижая с помощью известных приемов и средств (регулирование, управление режимами и др.) энергоемкости элементов или заменяя их на новые с лучшими энергетическими параметрами, фиксируя достигнутый результат в виде реализованной доли максимального ресурса.
Описанный в статье метод может рассматриваться как методическая основа решения приоритетной отраслевой проблемы - снижения энергоемкости продукции.
Литература
1. Карпов В.Н. Энергосбережение. Метод конечных отношений. - СПб.: СПбГАУ, 2009. - 137 с.
2. Пат. Российская Федерация № 2212746. Способ контроля и управления энергопотреблением. Опубл. 20.09.2003.
3. Теория и практика химической электротехнологии / И.Л. Лейтес [и др.]. - М.: Химия, 1988. - 280 с.
--------♦'-----------
