Исследование и математическое моделирование потребления электроэнергии при производстве твердых сплавов

После распада СССР и перехода предприятий на новые экономические отношения, создание ОАО, ООО и т. д. на базе бывших государственных предприятий произошёл существенный спад производства и ухудшение энергоэкономических показателей работы предприятий.

Нерациональному использованию топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) способствовало обострение энергетического кризиса в Российской Федерации. •.

Эффективность использования ТЭР остаётся на низком уровне, а наибольшие потери, примерно, 40% приходятся на производственное электропотребление [89].

Принятый Закон РФ «Об энергосбережении» № 28-ФЗ от 3.04.1996 г. [7]- Федеральная целевая программа «Энергосбережение России» (1995;2000 г. г.), утверждённая постановлением правительства РФ от 24.01.1998 г. № 80 и ряд нормативных документов по энергосбережению направлены на решение актуальной проблемы рационального и эффективного использования ТЭР, имеющей первостепенное, государственное значение. Снижение энергоёмкости отечественной промышленной продукции должно обеспечить переход российской экономики на энергосберегающий путь развития. Российская экономика, уступая по удельной энергоёмкости экономикам других стран, располагает значительным потенциалом энергосбережения, формирование энергетической составляющей которого производится проведением технологических, организационных мероприятий и внедрением автоматизированных систем управления энергопотреблением.

В программе энергосбережения в области «электроэнергетика» на 1999;2000 годы и на перспективу до 2005;2010 г. г. [5]отмечается: — теоретический потенциал снижения электрической и тепловой нагрузки у потребителей за счёт управления режимами составляет, примерно, 20%.

Это означает снижение вводов пиковых мощностей в перспективе не менее чем на 10% и экономию инвестиций в размере 50−60 млрд. рублей в ценах января 1998 г. (8−10 млрд. долларов) — - осуществление энергосберегающих мероприятий у потребителей позволяет снизить загрузку перегруженных сетей и трансформаторов, уменьшить объём инвестиций в развитие электроэнергетики и снизить инвестиционную составляющую в тарифе. Реализация даже 20% потенциала электрои теплосбережения у потребителей (соответственно 20 млрд. кВт-ч и 40 млн. Гкал) снизит потребность в новых мощностях на 5−6%, что соответствует экономии инвестиций в размере 25−35 млрд руб. (4−6 млрд. долларов).

Абсолютным приоритетом среди энергосберегающих мероприятий являются так называемые «беззатратные» мероприятия, осуществляемые за счёт улучшения организации функционирования предприятий, материального стимулирования, наведения элементарного порядка. По имеющемуся опыту, таким образом можно реализовать от 5 до 25% всего потенциала экономии на предприятии. Экономию до 5% даёт внедрение автоматизированных систем коммерческого учёта электроэнергии (АСКУЭ).

Решению важной и актуальной проблемы энергосбережения, расчёта электрических нагрузок и повышения эффективности использования электроэнергии в промышленности посвящены фундаментальные работы научных школ МЭИ (ТУ), МГТУ (МГИ), МГТУ, НГТУ, ЮРГТУ (НПИ), СамГТУ, СевКавГТУ и др. 15, 17, 35, 41, 52, 57, 80, 91, 95, 99,101, 105, 110, 117].

Большой вклад в решение различных аспектов этой проблемы применительно к промышленным предприятиям внесли учёные Арзамасцев Д. А., Вагин Г. Я., Васильев И. Е., Доброжанов В. И., Гамазин С. И., Гнеденко Б. В., Гордеев В. И., Жежеленко И. В., Железко Ю. С., Жилин Б. В., Каялов Г. М., Куренный Э. Г., Ляхомский A.B., Михайлов В. В., Надтока И. И., Никольский O.K., Олейников В. К., Папков Б. В., Праховник A.B. Прокопчик В. В., Сальников В. Г., Фёдоров A.A., Фокин Ю. А., ХронусОв Г. М., Черепанов В. В., Шевченко В. В., Щуцкий В. И. и др.

Большой вклад в развитие метода рангового Н-распределения расчёта электрических нагрузок внесли Кудрин Б. И., Гнатюк В. И., Исаев A.C., Ла-гуткин O.E., Орлов Ю. К., Ошурков М. Г., Фуфаев В.В.

Известные методы расчёта электрических нагрузок от эмпирического метода и метода упорядоченных диаграмм [35, 126], до методов вероятностного моделирования графиков нагрузки [51, 52, 63, 127, 128], комплексных методов расчёта [41, 81, 94, 97, 98, 102] и методов ранговых //-распределений [38, 59, 80, 82, 130] позволяют с той или иной степенью точности решать важные практические задачи в СЭС промышленных предприятий.

Анализ источников позволил обобщить теоретический и практический опыт использования различных методик расчёта энергетических показателей промышленных предприятий, выявить имеющиеся недостатки, определить цель работы и решаемые научные задачи.

Цветная металлургия является одной из ведущих отраслей промышленности, потребление электроэнергии в которой составило в 1990 году около 140 млрд. кВт-ч или около 15% всего электропотребления в бывшем СССР.

Впервые в отрасли для предприятий по производству твёрдых сплавов расчёт и анализ электрических нагрузок проводился по комплексному методу, включающему экспертные оценки, вероятностно-статистический и ранговый методы расчёта, что позволило минимизировать ошибку при построении моделей прогнозирования.

В настоящее время на предприятиях цветной металлургии вопросы энергосбережения и автоматизированного управления электропотреблением стоят особенно остро. На многих предприятиях значительно снизился объём выпускаемой продукции при одновременном резком увеличении удельного расхода электроэнергии [25].

Так, например, на одном из крупнейших предприятий цветной металлургии по производству твёрдых сплавов не только PCO-Алания, но и РФОАО завод «Победит» проведён статистический анализ и прогнозирование основных энергоэкономических показателей за период 1987;2001 г. г. Основными показателями, принятыми за 100% в базисном 1990 г. являются: В — объём валовой продукции, тыс. руб (%) — W — потребление электроэнергии, тыс. кВт-ч (%) — со — удельный расход электроэнергии, кВт-ч/руб (%) — Р30 — максимальная тридцатиминутная активная мощность, тыс. кВт-ч.

Временной ряд приведенных значений показателей по ОАО завод «Победит» с учётом ежегодных темпов инфляции представлен на графике (рис. 1).

1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001.

Рж. 1. График временного ряда показателей ОАО завод 'Победит" .

— еОбъём валовой продукции, В, % -еПотребление электроэнергии, % Удельный расход электроэнергии, щ % * Максимальная тридцагиминугаая активная мощность, Р30, %.

Из графика (рис. 1) следует, что объём валовой продукции в 2000 г. по отношению к 1990 г. составил менее 20%, потребление электроэнергииоколо 30%, максимальная тридцатиминутная мощность — около 20%.

Резко ухудшился важнейший показатель — удельный расход электроэнергии. После пика роста, пришедшегося на 1993 г., и составившего 450%, к 2000 г. он уменьшился, но и в настоящее время составляет, примерно, 160% по отношению к 1990 г.

Энергетическая составляющая затрат в себестоимости продукции возросла в 10 раз, с 1,5% в 1990 г. до 15% в 2000 г.

Количественной характеристикой уровня рационального потребления электроэнергии является её удельный расход. Результаты анализа (рис. 1) подтверждают важность и актуальность разработки методов и средств по энергосбережению и снижению удельного расхода электроэнергии при производстве твёрдых сплавов.

В условиях ныне существующих реалий нарушения экономических связей между поставщиками сырья, производителями и заказчиками, постоянного недостатка оборотных средств, спада производства и простоя до 80% технологического оборудования удельный расход электроэнергии по отдельным агрегатам и установкам, отдельным технологическим процессам и цехам, по предприятию в целом должен быть привязан к единому временному интервалу, в пределах которого, влиянием вышеперечисленных отрицательных реалий в процессе производства можно было бы пренебречь. В качестве такого временного интервала предполагается использовать 1 час. Тогда удельный расход электроэнергии (кВт-ч/ед. продукции) будет равен удельной активной мощности (кВт/ед .продукции), где ед. продукции — объём продукции в натуральном или денежном выражении, произведенной в течение 1 часа.

Дополнительным преимуществом введения временного интервала в 1 час является возможность прямой оценки эффективности использования установленной мощности энергетических установок.

Постоянный рост тарифов на электроэнергию и, как следствие, повышение себестоимости и снижение конкурентоспособности продукции определяет необходимость и актуальность введения единого обобщённого показателя эффективности использования электроэнергии.

Таким обобщённым показателем эффективности использования электроэнергии является удельная стоимость энергетической составляющей затрат в себестоимости выпускаемой продукции. Научное обоснование этого показателя базируется на решении ряда актуальных проблем, связанных с повышением эффективности использования электроэнергии при производстве твёрдых сплавов.

Такими проблемами являются:

• исследование графиков нагрузки и энергетических характеристик технологического оборудования;

• получение новых математических моделей электропотребления с учётом потребителей-регуляторов (ПР) электроэнергии;

• использование математических моделей для разработки автоматизированной системы диспетчерского управления электропотреблением (АС-ДУЭ) на базе современной системы учёта энергоресурсов — автоматизированной системы коммерческого учёта электроэнергии (АСКУЭ).

Цель работы. Минимизация энергетической составляющей затрат в себестоимости производства твёрдых сплавов: Зэ (0 где 33(t) -энергетическая составляющая затрат в себестоимости продукции за время t, руб.;

B (t) -выпуск продукции за время t, ед. продукции- ¿—рассматриваемый интервал времени, час.

1. Двухставочный тариф:

3 (t) = а Р +bW (t).->min, э 1 30 1 где Рзо-максимальная активная 30-мин. мощность, кВт;

— потреблённая активная электроэнергия за время t, кВт’чаг-тариф за 1 кВт заявленной мощности, руб/кВт- ¿-¡—тариф за 1 кВтч потреблённой электроэнергии, руб/кВтч.

2. Одноставочный тариф, дифференцированный по зонам времени суток: 3.

3 (t)= X Ъ •W (t) -" min, э2 j=1 2j j где? у-тариф за 1 кВт ч потреблённой электроэнергии по зонам времени суток (У=1, 2, 3), руб/кВт ч;

— потреблённая активная электроэнергия за время tj, кВт’ч.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач, перечень которых включает:

1. Выявление технологических показателей, оказывающих существенное влияние на потребление электроэнергии на основе экспертных оценок и кластерного анализа.

2. Исследование и анализ теплоэнергетических показателей технологического оборудования на основе всестороннего энергетического обследования (энергоаудита).

3. Определение ПР электроэнергии и разработка математических моделей электропотребления на основе полного факторного эксперимента (ПФЭ).

4. Прогнозирование и математическое моделирование потребления электроэнергии на основе Н-распределения по отдельным кастам технологического оборудования.

5. Разработка алгоритма функционирования АСДУЭ на основе полученных математических моделей и АСКУЭ.

Методы исследования. Решение поставленных задач базируется на системном подходе, включающем инструментальные методы исследования (энергоаудит), экспертные оценки, кластерный анализ, ранговое распределение, математическое моделирование, факторный анализ, методы математической статистики, применение ПФЭ, энергоэкономический анализ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием методов исследования, соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований при принятом уровне значимости 0,05, адекватностью полученных математических моделей, внедрением алгоритма АСДУЭ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Использование методики экспертных оценок и кластерного анализа потребления электроэнергии.

2. Исследование теплоэнергетических характеристик показателей производства твердых сплавов.

3. Математическая модель электропотребления основных ПР электроэнергии.

4. Прогнозирование и математическое моделирование потребления электроэнергии на основе Н-распределения.

5. Алгоритм функционирования АСДУЭ на основе разработанных математических моделей.

Научная новизна.

1. Впервые применена методика экспертных оценок и кластерного анализа для определения технологических показателей, оказывающих существенное влияние на потребление электроэнергии.

2. Определены доверительные интервалы удельного расхода электроэнергии по основным технологическим процессам производства твердых сплавов.

3. Разработаны на основе ПФЭ математические модели ПР, позволяющие контролировать, управлять и прогнозировать потребление электроэнергии.

4. Выявлена закономерность в описании математической модели прогнозирования электропотребления по отдельным кастам Н-распределения технологического оборудования.

5. Формализована задача использования математических моделей в алгоритме функционирования АСДУЭ.

Практическая значимость.

1. Разработана программа и методика проведения энергоаудита на предприятиях по производству твёрдых сплавов.

2. Основные результаты работы использованы для разработки целого ряда «беззатратных» рекомендаций по оптимальной загрузке цеховых трансформаторов, повышению уровня эксплуатации энергоустановок и др.

3. Разработан алгоритм управляющих действий диспетчера в АСДУЭ, внедренной на ОАО «Победит» — крупнейшем предприятии России по производству твёрдых сплавов.

4. Получен экономический эффект в размере 3,6 млн руб. в ценах 2002 г., подтвержденный актом внедрения на ОАО «Победит».

5. Результаты работы используются в учебном процессе СКГТУ при подготовке инженеров-электриков по специальности 10.04.00 «Электроснабжение (по отраслям)», в частности, в лекционных курсах «Повышение эффективности использования электроэнергии на промышленных предприятиях», «Планирование экспериментов в электроэнергетике», «САПР СЭС», курсовом и дипломном проектировании.

Апробация и реализация работы.

Работа включена в «Программу обязательных энергетических обследований организаций РСО-Алания», разработанную в соответствии со статьёй 10 Федерального Закона «Об энергосбережении» и утверждённой правительством РСО-Алания 17.09.1998 г.

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» СКГТУ по научному направлению НИР кафедры «Повышение эффективности использования электроэнергии на промышленных предприятиях», является определённым вкладом в выполнение Закона РСО-Алания «Об энергосбережении» № 1-РЗ от 17.01.2001 г.

Основные положения и результаты исследования докладывались и получили одобрение на ежегодных НТК СКГТУ (1998;2002 г. г.), конференции молодых специалистов электроэнергетики-2000 (Москва), международных конференциях: «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими» (Новочеркасск), «Актуальные проблемы современной науки» (Самара), «Студенческая наука — экономике России» (Ставрополь), научно-технической конференции (Новомосковск), XXIII сессии Всероссийского.

14 научного семинара Академии наук РФ «Кибернетика электрических систем» по тематике «Электроснабжение промышленных предприятий» (Новочеркасск), I Всероссийской научной конференции «Перспективы развития горнодобывающего и металлургического комплексов России» (Владикавказ), НТС ОАО завода «Победит».

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 18 печатных работах.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 260 страниц текста, включая 89 рисунков, 73 таблиц, 142 наименований литературных источников, 47 стр. приложений.

4.3. Выводы.

1. Впервые выявлена закономерность изменения потребления электроэнергии технологическим оборудованием при производстве твёрдых сплавов по всем кастам рангового распределения. Установлено, что эта закономерность описывается достаточно универсальной адекватной математической моделью в виде затухающей гармонической функции: и / и) = соз (и0/ +)е ^ +и3.

2. Ретроспективная проверка относительной ошибки прогнозирования потребления электроэнергии показала, что, для полученной модели !?(?, и) она не превышает 2%, что значительно ниже по сравнению с рядом прогнозных моделей других типов. Полученная модель рекомендуется для целей краткосрочного прогнозирования потребления электроэнергии при производстве твёрдых сплавов.

3. Для предприятий по производству твёрдых сплавов разработан алгоритм функционирования автоматизированной системы диспетчерского управления электропотреблением (АСДУЭ), совместимой с АСКУЭ. АСДУЭ позволяет осуществлять своевременный контроль и управление энергетическими и технологическими параметрами основных производственных подразделений и предприятия в целом.

4. На основе представительных статистических данных по электропотреблению, полученных с помощью АСКУЭ, проведено сравнение стоимости оплаты за электроэнергию по двухставочному и одноставочному тарифам на ОАО «Победит». Установлено, что для предприятий по производству твёрдых сплавов, более предпочтительным является одноставочный тариф, дающий экономию, порядка, 3 млн. руб в год.

5. Разработаны мероприятия, позволяющие снизить мощность в часы максимума нагрузки и электропотребление на ОАО завод «Победит». Годовой экономический эффект по одноставочному тарифу составил 3,6 млн руб.

Заключение

.

1. Впервые использована статистически обоснованная методика экспертных оценок и кластерного анализа, позволившая определить технологические показатели, оказывающие наибольшее влияние на потребление электроэнергии при производстве твердых сплавов.

2. Проведенное в условиях действующего производства всестороннее энергетическое обследование (энергоаудит) позволило установить, что нагрузка потребителей при уровне значимости 0,05 подчиняется нормальному закону распределения, и рассчитать доверительные интервалы изменения удельного расхода электроэнергии по всем основным типам технологического оборудования.

3. Экспериментально определены теплоэнергетические показатели и построены математические модели режимов работы основного технологического оборудования (печи ВКП, ТП, электролизеры), используемого в качестве ПР.

4. На основании ПФЭ по ПР разработаны адекватные математические модели для расчета оптимального удельного расхода электроэнергии.

5. Результаты рангового анализа показали устойчивость и эффективность использования Н-распределения для расчета потребления электроэнергии по технологическому оборудованию ноевой и пойнтер каст при производстве твёрдых сплавов.

6. Выявлена закономерность изменения потребления электроэнергии по всем кастам рангового распределения, которая описывается адекватной математической моделью в виде затухающей гармонической функции. Полученная модель существенно повышает точность прогнозирования электропотребления. По результатам ретроспективной проверки относительная ошибка прогноза не превышает 1,4%.

7. Для предприятий по производству твёрдых сплавов разработан алгоритм функционирования АСДУЭ, совместимой с АСКУЭ, позволяющий осуществлять оперативный контроль и оптимальное управление энергетическими и технологическими параметрами основных производственных подразделений и предприятия в целом.

8. Разработан и внедрен комплекс мероприятий, позволивший по ОАО завод «Победит» снизить:

— потребляемую активную мощность в часы максимума нагрузки на.

20%;

— удельный расход электроэнергии на 14%;

— стоимость энергетической составляющей в себестоимости производства твёрдых сплавов на 3%.