Обоснование ресурса энергосбережения и мер по его реализации на предприятиях АПК методом конечных отношений

Актуальность работы. Энергосбережение как направление деятельности существует сравнительно непродолжительное время, многогранно по содержанию (правовые, организационные, научные, производственные, технические и экономические меры) и имеет цель — повышение эффективности использования энергии. Возрастающая востребованность энергосбережения диктует необходимость конкретизации возможностей достижения указанной цели применительно к определенному объекту путем разработки метода реализации этих возможностей и их предельного уровня. В качестве объектов приняты потребительские установки предприятий и сети, обеспечивающие их электроснабжение. Ограничение принято в виде технически и технологически достижимого уровня повышения эффективности использования энергии в производстве, образующего при сравнении с существующим ресурс энергосбережения. Предварительный анализ состояния вопроса был посвящен поиску методики энергосбережения, соответствующей указанной задаче. Прежде всего анализу подверглись стандарты по энергосбережению. Кроме терминологического содержания ими определены методические требования к методической стандартизации энергосбережения в виде соблюдения восьми принципов, основные из которых — энергетическая системность, функциональная взаимосвязанность, рыночная конъюнктурность. Только использование этих принципов при анализе многочисленных научных и методических публикаций сделало возможным обобщение достижимого ресурса энергосбережения применительно к теме настоящего исследования. В диссертации показано, что в публикациях даже последних лет как по промышленным предприятиям, так и по агропромышленным далеко не в полной мере и не комплексно учтены принципы стандартизации энергосбережения. Для диссертационного исследования выбран разработанный в СПбГАУ метод конечных отношений (МКО) как в большей степени соответствующий принципам стандартизации.

Цель и задачи исследования

С целью разработки методов определения технически достижимого ресурса энергосбережения необходимо решить следующие задачи.

1. Обосновать положения теории, соответствующие анализу получаемой по показаниям счетчика энергии, связывающему интегральный и дифференциальный (мощности) параметры в функциональном- (для элемента) процессе при отсутствии заданной функции.

2. Ввести понятие ресурса энергосбережения для потребительских энергетических систем, составленных из единиц оборудования, выбранного по максимальной нагрузке, как максимально достижимого результата при энергосбережении.

3. На основе теоретических положений МКО сформулировать требования * к информационно-измерительной системе и испытать ее опытный образец на оборудовании производственного объекта АПК.

4. Обобщить по литературным источникам возможность и эффективность использования МКО в характерных для АПК энерготехнологических процессах и их режимах.

5. Провести экспериментальную проверку эффективности применения МКО на предприятиях АПК Крайнего Севера и сопоставить их результаты с результатами и методами ранее проведенных исследований энергосбережения в сетевых объектах промышленного предприятия.

6. Обосновать метод оценки экономической эффективности энергосбережения по экспериментальным данным МКО. Объект исследования — процессы в энергетической структуре предприятия и интегративный параметр, идентифицирующий структуру как систему, унифицированный относительный параметр энергоемкости, определяющий энергоемкость продукции и ресурс энергосбережения.

Предмет исследования — энергетические и энерготехнологические процессы, теория линейных и нелинейных интегральных и функциональных приращений и ограничений, накладываемые на них техническими характеристиками энергетического и технологического оборудования, определяющие ресурс энергосбережения.

Методика исследования — интегральное и дифференцированное исчисление, теоремы о приращениях применительно к функциям и их первообразным, полученных с помощью измерительных приборов в энергетических системах производственного потребителя.

Научная новизна:

— использование теоретических положений математического анализа (теоремы приращений) к процессам в энергетической системе потребителя;

— обоснование ресурса энергосбережения для конкретных случаев использования энергии;

— учет в ресурсе энергосбережения не только технических характеристик оборудования, но и энергетических характеристик технологического процессасодержание понятия «структура ресурса энергосбережения», учитывающего специфику каждого конкретного производстваобобщение и анализ нереализованных инновационных энергосберегающих решений для типичных электротехнологических процессов в АПК как существенной составляющей ресурса;

— данные практического мониторинга энергетических систем предприятий АПК Мурманской области (в приложении к диссертации) и практическое построение и использование «паспортной» энергетической характеристики оборудования для контроля динамики ресурса энергосбереженияматематическое доказательство правомерности введения и использования понятия частной доходности энергии при энергосбережении на предприятии.

Достоверность основных результатов по методике определения ресурса энергосбережения обеспечена применением теорем математического анализа о приращениях к кривым измеряемых энергетических процессов, подтверждена использованием имеющейся энергетической информации по электродвигателям.

Внедрение результатов исследования осуществлено в учебном процессе Мурманского государственного технического университета, на фермах КРС ГОУСП «Тулома» (19 регистраций) и на «Свинокомплексе Пригородный» (24 регистрации) Мурманской области.

Положения, выносимые на защиту:

— теоретическое обоснование пригодности метода конечных отношений для анализа приборных данных по процессам в потребительских системах;

— методика определения ресурса энергосбережения в потребительских системах АПК;

— методика обработки данных ИИС для определения ресурса энергосбережения;

— методика анализа объемной энергетики технологических процессов для обоснования инновационных энергосберегающих решений.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на секции НСАНСССР, г. Аппатиты в 1989 г., г. Норильск, в 1989 г.- на отраслевой научно-технической конференции, г. Москва в 1990 г., на 9−1 научно-технической конференции МГТУ, г. Мурманск, в 1998 г., на международной научно-технической конференции МГТУ, г. Мурманск, в 2004 г., на международной научно-технической конференции Бел. ГАТУ, г. Минск, в 2007 г., на международной конференции, г. Харьков, в 2007 г.

Публикации. Результаты исследований отражены в 15 научных публикациях в ведущих журналах и сборниках научных трудов.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Анализ требования стандартов к методическому обеспечению энергосбережения и публикаций по разработанным и используемым методикам для электрических сетей, производственных потребительских установок и для предприятий АПК показал, что наибольшим соответствием требованиям обладает разработанный в СПбГАУ метод конечных отношений,.

— рассматривающий потребительскую систему как совокупность технических элементов (единиц оборудования) и происходящих в них идентичных энергетических и энерготехнологических процессов, базирующийся на универсальном параметре — относительной энергоемкости, прямо связанном с энергоемкостью продукции (целевым минимизируемым параметром при энергосбережении);

— содержащий системный параметр (AQ/QK), превышающий сумму значений, определяемых свойствами каждого элемента, что и позволяет потребительскую техническую структуру считать системой;

— позволяющий сопоставить энергетические и экономические параметры всего производства, т. е. учитывающий рыночную конъюнктуру.

2. На основе теоремы Лагранжа о приращениях применительно к регистрируемым кривым счетчиков энергии установлено, что при отсутствии функции для регистрационной линии после построения линейной функции в определенном интервале времени величина расхождения приращений в любой точке этого интервала полностью определяется отношением соответствующих производных, что позволяет использовать такое отношение, соответствующее относительной энергоемкости МКО, для анализа любых энергетических процессов, связанных законом сохранения энергии и описываемых двумя интегральными линиями (то есть доказана правомерность МКО для регистрационных кривых счетчиков энергии).

3. Обоснованное понятие ресурса энергосбережения представлено в исследовании как разность между энергетическим параметром оборудования или процесса в фактическом режиме и этим же параметром в оптимальном (номинальном, теоретическом, расчетном для определенных условий) режиме, что позволяет при проведении энергосберегающих мероприятий иметь численное значение результата в виде отклонения от технического (т.е. реального) оптимума.

4. Использование созданной под требования МКО в СПбГАУ информационно-измерительной системы (ИИС) на двух предприятиях АПК Мурманской области заложило основу продолжительного эксперимента на наиболее подготовленном к энергосбережению оборудовании — асинхронных электродвигателях, обеспеченных необходимой для определения ресурса энергосбережения информацией в виде энергетических характеристик r|=f (P2). По результатам регистрационных измерений, расчетов и табличным данным определены паспортные значения относительной энергоемкости, по которым при последующих измерениях за весь срок эксплуатации периодически будет определяться изменение ресурса энергосбережения в различных режимах, включая режим автоматического управления мощностью. Целью продолжения эксперимента является новое направление использования МКОконтроль технического состояния оборудования.

5. Исследование по литературным источникам позволило установить, что применяемые энерготехнологические процессы в АПК, особенно с использованием потока электромагнитной энергии, создают потери, сопоставимые с суммарными потерями в электроприводах и электронагревательных установках и не заменяются более эффективными, несмотря на то, что научные разработки по ним есть, и они могут быть признаны инновационными. Основная причина сдерживания внедрения — отсутствие методического обобщения по способам оптимального (по ' потерям) сочетания объемных характеристик электромагнитного потока с объемными характеристиками движущейся или неподвижной технологической среды. Это должно стать задачей расширения возможностей МКО в энергосбережении.

6. Сравнение результатов экспериментального исследования потерь энергии в электрических сетях предприятия и в потребительской системе сельскохозяйственного производства с использованием ИИС показало, что методическое и инструментальное обеспечение во втором случае более совершенно, так как включает в анализ эффективность процессов использования энергии (а не только передачи и преобразования) и ориентировано на снижение обобщающего для производства энергетического параметра — энергоемкости продукции, при этом результат приближения к объективному минимальному значению имеет численное выражение.

7. Сопоставление цены реализации продукции и ее энергоемкости в виде гиперболической функции роста частной доходности энергии является не только методическим расширением МКО на экономические параметры производства, но и свидетельствует о существенном расширении сферы влияния энергетического менеджмента.