автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Методы контроля и обеспечения энергосбережения в электротехнологиях, электро- и теплогенерирующем оборудовании для устойчивого развития сельской энергетики

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Основные положения энергетической безопасности.

1.2. Общее состояние энергосбережения.

1.3. Методические принципы энергосбережения в электрои теплотехнологиях.

Актуальность работы. Состояние энергообеспечения сельскохозяйственного производства в настоящее время характеризуется высокой энергоемкостью продукции (в 2-5 раз выше, чем в передовых странах) и продолжающимся ее повышением (на 15-20% в последние годы), низкой энерго- и электровооруженностью труда (в последние годы снизилась на 25%), низким годовым потреблением энергии в расчете на одного сельского жителя (существенно меньше, чем на городского жителя). Состояние энергетического оборудования характеризуется чрезвычайно большим с износом, составляющим для электрических систем по весьма оптимистичным оценкам более 30%. Привлеченные обобщенные оценки ставят перед сельской энергетикой тройственную задачу: уменьшить энергоемкость продукции, увеличить энерговооруженность труда и обеспечить надежность энергоснабжения. Актуальность этих задач усугубляется тем, что хозяйственные реформы привели к снижению экономического уровня предприятий АПК, перераспределению собственности и, как результат, к утрате возможности управляемого согласованного развития экономики и энергетики на уровне хозяйств и даже сельских районов. Сложившийся ранее затратный подход к энергетике, предполагавший возможность увеличения расхода энергии на повышение экономического уровня производства перестал быть результативным в новых экономических условиях. Потребовались новые методы расчетов, которые, в частности, базировались бы не только на соотношениях рыночных цен на продукцию и энергию, но и учитывали бы тенденцию их изменения. Для некоторых видов сельскохозяйственной продукции вполне оправданно говорить о противоположной тенденции: принудительном (под влиянием зарубежного рынка) снижении цен на продукцию и повышении тарифов на энергию. В таких условиях недостаточно знать только о наличии ресурса энергии, необходимо учитывать его экономическую доступность. Поскольку на сельском хозяйстве лежит ответственность за продовольственную безопасность страны, следует более глубоко учитывать особенности сельской энергетики. Одной из важных является высокая степень совмещения на сельских территориях производственных, социальных и бытовых потребителей энергии. В новых условиях должны быть разработаны новые методы оценки состояния и расчета технико-экономических параметров. Решению этой задачи и посвящена выполненная диссертационная работа.

Исследование соответствует Федеральной программе "Разработать научные основы развития системы технико-технологического обеспечения сельскохозяйственного производства, создания машин и энергетики нового поколения, формирования эффективного инженерно-технического сервиса в условиях рыночной экономики" 1996-2001 гг., Федеральной программе "Создание техники и энергетики нового поколения и формирование эффективной инженерно-технической инфраструктуры агропромышленного комплекса" 2001-2005 гг., а также основным положениям энергетической безопасности России, подробный анализ которых приведен в диссертации.

Цель работы. Разработать методическую основу оценки и мониторинга энергетики сельских районов, пригодную для условий реформирования, определить требования к энергетическому оборудованию, способному снизить уровень монополизации энергообеспечения и осуществить его производство. Поставленная цель достигнута решением следующих задач;

1. Обосновать основной расчетный и измеряемый параметр, характеризующий эффективность всех энергетических процессов в системе потребителя, с помощью которого можно было бы раскрыть содержание зависимостей и характеристик общепринятой обобщающей величины - энергоемкости продукции.

2. Разработать принципы схематичного представления энергетики потребителя, включающего все энергетическое оборудование и все энерготехнологические процессы, методы расчета основных параметров, эквивалентных преобразований энергетических схем и показателей эффективности функционирования.

3. Разработать метод более объективной оценки роли энергосбережения в образовании доходов предприятий, который мог бы быть положен в основу механизма самоокупаемости мероприятий по повышению эффективности энергоиспользования.

4. Разработать основные положения, определяющие методику расчета эффективности энергоиспользования в случае совмещенного энергопотребления, характерного для сельских районов (совмещение производственной, бытовой, жилищно-коммунальной и социальной сфер).

5. Показать возможность создания системы мониторинга энергопотребления в сельских районах на основе предложенных параметров и методов.

6. Осуществить разработку и производство современного энергогенерирующего оборудования и комплексов, обеспечивающих своими характеристиками улучшение общих показателей эффективности электропотребления в сельских районах (энергоемкость, энерговооруженность, надежность и др.).

Очевидная комплексность цели и задач потребовала проведения совместных исследований кафедры энергообеспечения производств в АПК СПбГАУ и ЗАО "НЭК", выполненных в соответствии с договором о творческом сотрудничестве.

Предмет исследования -эффективность использования энергии потребителем. Объект исследования - параметры потока энергии в энергетике потребителя в зависимости от условий ее движения и целей использования.

В качестве методической основы использованы дифференциальные уравнения движения энергии в средах в частных производных, основы метода конечных разностей, методы математического анализа и основные соотношения термодинамики. Разработанный и использованный в исследовании метод конечных отношений (МКО) основан на учете результатов измерений потоков энергии; основные экспериментальные исследования созданного оборудования проводились в виде его производственных испытаний.

В исследовании использованы методические разработки и публикации ряда ведущих учреждений и организаций: Сибирский энергетический институт СО РАН (СЭИ), МЭИ, НПАВОК, ВИЭСХ, МГАУ, СПбГАУ, академический центр ТЭЭТ, СПбГТУ, БИТУ, СПбГАСУ, СЗНИИМЭСХ, ин-т Гипронисельпром, ОАО "Институт Западселюнершпроею' и др.

Научная новизна работы. Использовано понятие относительной энергоемкости процесса и технического элемента, .значение которого определяется измерениями и характеризует изменение потока энергии. Получены уравнения движения энергии в энергетических линиях. Введено понятие энергоемкости результата, полученного в энерготехнологическом процессе, позволившее перейти от энергетической к энерговалютной системе и частной доходности энергии при энергосбережении. Получено простое линейное (в стационарном режиме) выражение, связывающее количество потребляемой энергии и результат ее использования у потребителя.

Практическая значимость. Наибольшую практическую значимость имеют разработанные и изготовленные в процессе исследований образцы электро- и теплогенерирующего оборудования, параметры и характеристики которого соответствуют требованиям реформирования энергетики сельских районов. Значимость разработанных методов, в том числе диаграммного, заключается в том, что они позволяют определять нужные параметры оборудования, контролировать эффективность использованной энергии и визуализировать процессы на компьютере.

Положения, выносимые на защиту:

- гипотеза о более близкой связи энергосбережения с измеряемыми параметрами энергии, чем с параметрами оборудования

- понятие относительной энергоемкости и метод ее определения (МКО) для процесса, элемента, энергетической линии;

- диаграммный метод иллюстрации энергетических и производственных процессов у потребителя;

- понятие энерговалютной системы и методы определения ее параметров;

- компоновочные решения, эксплуатационные параметры и характеристики спроектированного и эксплуатируемого энергетического оборудования; Внедрение результатов работы. Основные положения и методы расчетов используются в учебном процессе СПбГАУ (для специальностей 3114 -электрификация и автоматизация с.х. и 1016 - энергообеспечение предприятий) и при проектировании и изготовлении энергетического оборудования на предприятии ЗАО "НЭК", в ОАО "Институт Западсельэнергопроект".

Изготовленное оборудование. Из 19 единиц энергетического оборудования, выпущенных ЗАО "НЭК" с 1990 г. 13 эксплуатируются в сельских районах Северо-Запада, европейского Севера и Севера Сибири, из них 8 - для энергообеспечения сельскохозяйственных предприятий и поселков, 5 - для обслуживания газо- и нефтепроводов предприятий ТЭК на сельских и неиспользуемых территориях.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов СПбГАУ в 20002002 гг., на международной научной конференции по энергосбережению в сх в Полтавской СХА (Украина) в 2001 г., на выставках, совещаниях и семинарах по энергетике, проводимых различными организациями России (полный список в приложении к диссертации) - 1997 г. - 1 (СПб), 1998 г. - 3 (Москва, СПб, Владивосток), 1999 г. - 3 (Иркутск, СПб, Нижний Новгород), 2000 г. - 4 (Казань, Саратов, Уфа, Казань), 2001 г. - 4 (Иркутск, Уфа, Томск, Казань).

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проанализированные официальные материалы по состоянию сельской энергетики и прогнозам ее развития с учетом происходящего хозяйственного реформирования и изменение в собственности энергетического оборудования не дают надежд на то, что сохранившееся централизованное энергоснабжение удовлетворит в перспективе потребности в энергии сельских районов, рассчитанных прежними "затратными" методами. Поэтому необходимы новые методы расчета.

2. Понятия и положения энергетической безопасности позволили раскрыть всесторонние последствия неэффективного использования энергии у потребителя (производственные, социальные, экономические, экологические и др.) и определили предпочтительность осуществления стабилизации всех видов энергообеспечения одновременно, а не отдельных видов.

3. Обоснованный параметр относительной энергоемкости, основанный на традиционных измерениях энергии, подтвердил плодотворность гипотезы о переходе в энергосбережении на параметры энергии, позволил получить простую математическую модель энергосбережения, на основе которой может строиться соответствующая государственным целям энергосберегающая политика в сельских районов в период стабилизации, направленная на одновременное повышение энергетической эффективности вырабатывающего энергию и потребляющего оборудования (политика системной энергоэффективности).

4. Применение понятия результата энерготехнологического процесса, в котором продукция является частным случаем, позволило перейти от оценок эффективности в отдельных энерготехнологических процесса к общей оценке энергоэффективности потребителя, что особенно важно для энергетики сельских районов, где совмещены производственная, бытовая и социальная нагрузки.

5. Предложенный метод определения роста частной доходности энергии как результата энергосбережения создал основу для разработки механизма самоокупаемости мероприятий по энергосбережению и для разработки методов обоснования инвестиционной привлекательности проектов энергосбережения.

6. Использование разработанного метода оценки энергоэффективности при производстве энергогенерирующего оборудования определило конкретные параметры и ^характеристики, улучшение которых максимально адаптировало его к требованиям энергетики сельских районов, что позволяет считать проблему стабилизации энергетики практически решаемой и в этом аспекте.

7. Обоснованность и завершенность методической части работы создали основу для развития энергосбережения до уровня управления эффективностью энергопотребления.

1. Бушуев В.В. и др. Энергетическая безопасность России. - Новосибирск: Наука, 1998.-302 с.

2. Закон РФ . О безопасности.3. "Концепция национальной безопасности РФ". Указ Президента РФ.

3. Журнал "Энергосбережение", № 1, 2000.

4. Журнал "Энергосбережение", № 4, 2001.

5. Журнал "Энергосбережение", № 5, 2001.

6. Метод, вопросы развития энергетики сельских районов /Барбанер Х.З. и др. Иркутск: СЭИ,Л989. - 260 е. г

7. Энергосберегающие технологии в сельском хозяйстве. М.: ВИЭСХ, 1994.- 162 с.

8. Энергетика и электромеханизация сельского хозяйства. М.: ВИЭСХ, 2000.-328 с.

9. Энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 2-й Межд. науч.-тех. конф. М.: ВИЭСХ, 2000. 488 с.

10. Основы энергосбережения: Цикл лекций /Под ред. Н.Г.Хутской. -Минск: Технология, 1999. 100 с.

11. Научный вестник. Львовская акад. ветерин. медицины. Том 2, 4.4. Львов, 2000. - 42-47 с.

12. Поспелова Т.Г. Основы энергосбережения. Мн.: УП "Технопринт", 2000.-353 с.

13. Аграрная энергетика в XXI веке: Материалы Межд. науч.-техн. конф. Мн.: 2001.-342 с.

14. Везиришвили О.Ш., Меладзе Н.В. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабжения. М.: Изд-во МЭИ, 1994. - 160 с.

15. Методика энергетического анализа технологических процессов в сельскохозяйственном производстве. М.: РАСХН, ВИМ, ЦНИИМЭСХ, ВИЭСХ.-М.: 1995.-93 с.

16. Биофункциональные производственные системы птицеводства. Энергосбережение. Нормативы расхода эл. энергии. М.: ВИЭСХ, 1997. -48 с.

17. Ключников А,Д. Критерии энергетической эффективности и резерва энергосбережения теплотехнологий, установок, систем и комплексов. Уч.пособие. М.: Издательство МЭИ, 1996. 37 с.

18. Умов^, Н.А. 'Избранные сочинения. Государственное * издательство технико-теоретической литературы. -M.-JL, 1950. 540 с.

19. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимации. Пер. с англ. М.: Мир, 1986.-318 с.

20. Патент РФ. Способ объемного электромагнитного облучения поглощающих сред. Патент РФ № 2073527. Опубл. 20.02.97. Бюл. № 5. Автор Карпов В.Н.

21. Карпов В.Н. Введение в энергосбережение на предприятиях АПК. -СПб.: СПбГАУ, 1999. 72 с.

22. Государственное управление и местное самоуправление /Под ред. В.Н.Ивановой. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2000. - 212 с.

23. Менеджмент территории: стратегия развития района рекреационного типа /Под ред. В.Н.Ивановой, Т.И.Безденежных, Ю.Н.Гузова. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2000. - С. 180.

24. Мелентьев JI.A. Системные исследования в энергетике. М.: Наука, 1983.-454 с.

25. Карпов В.Н. Признаки и свойства объемных облучателей //Механизация и электрификация с.х., 1980, № 7.

26. Карпов В.Н. Некоторые аспекты прикладной сельскохозяйственной фотометрии //Механизация и электрификация с.х., 1981, № 11.

27. Карпов В.Н., Хейсин Д,Е. Математическое моделирование поточной технологии инфракрасной дезинсекции зерна //Доклады ВАСХНИЛ, 1981, №:.

28. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1984.

29. Аветисян Д.А. Автоматизация проектирования электрических систем. -М.: Высш.шк., 1998. 331 с.

30. Кайзер Дж. Статистическая темординамика неравновесных процессов. Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 608 с.

31. Хаазе Р. Термодинамика необратимых процессов. Пер. с нем. М.:1. Мир,-1967.-544 с. ( (

32. Белоусов В.Н., Копылов Ю.В. Пути экономии энергоресурсов в народном хозяйстве. М.: Энергоатомиздат, 1986.

33. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. -М.: Энергоиздат, 1981.

34. Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление М.: Стройиздат, 1991. -735 с.

35. Ионин А.А. Надежность систем тепловых сетей. М.: Стройиздат, 1989.-268 с.

36. Карпов В.Н. Энергия как валютная компонента в производственном процессе при энергосбережении. Сб. науч.трудов СПбГАУ. Энергосбережение. СПб.: 2000. - 18-25 с.

37. Карпов В.Н. О параметрах компонент энерговалютной системы в производственном процессе применительно к целям энергосбережения. Сб. науч.трудов СПбГАУ. Энергосбережение. СПб.: 2000. - С.62-68.

38. Бушуев В.В. Энергоэффективность как направление новой энергетической политики России. Ж. Энергосбережение, № 4, 199. 3238 с.

39. Долан Э.Дж., Линдсей Д. Микроэкономика /Пер. с англ. СПб.: 1997. -448 с.

40. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике /Персонал. М.: Наука, 1973.-832 с.

41. Новые идеи в энергетике. Научные труды. Т. 85. М.: ВИЭСХ, 199. -240 с.

42. Энергосберегающие технологии и" технические средства в тепловых! процессах сельскохозяйственного производства. Научные труды. Т.84. 1. М.: ВИЭСХ, 1998.- 100 с.

43. Перебийнос В.И., Малыш М.Н. Энергоемкость сельскохозяйственного производства: Методологические и организационно-экономические аспекты. Новогород: СПбГАУ, Нов.СХА, 1996. - 232 с.

44. Martin W.F., Imai R., Steeg H. Energiesicherheit im globalen Kontext. Ein Bericht andie Trilaterale Kommission. Bonn: Europa Unionverlag, 1997.

45. Северо-Запад России: доклад по энергетике. Oko-Institut. Институт прикладной экологии. Итоговый доклад по поручению Greenpeace International. Май 1997 г.

46. Концепция развития электрификации сельского хозяйства России (проект). МСХ РФ, Минэнерго, РАСХН, ВИЭСХ. М.: 2001 г.

47. Расстригин В.Н., Быстрицкий Д.Н., Андреева Н.Н. Использование установок прямого и аккумуляционного электронагрева на фермах. -Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства, 1978, № 10.

48. Расстригин В.Н., Быстрицкий Д.Н., Андреева Н.Н. Выбор мощности электрических вентиляционно-отопительных установок. Техника в сельском хозяйстве, 1977, № 10.

49. Расстригин В.Н. и др. Электронагревательные установки в сельскохозяйственном производстве. -М.: Агропромиздат, 1985.

50. Расстригин В.Н. Основы электрификации тепловых процессов в сельскохозяйственном производстве. М.:Агропромиздат, 1988. - 255 с.

51. Рекомендации по применению электротепловых установок в сельскохозяйственном производстве. -М.: Колос, 1981.

52. Рекомендации по расчету, проектированию и применению систем электротеплоснабжения животноводческих ферм. Запорожье, ЦНИПТИМЭЖ, 1985.

53. Растимешин С.А. Локальный обогрев молодняка животныхf fмонография). Теория и технические средства. М.: ВО Агропромиздат, 1991.- 140с.

54. Растимешин С.А. Микроклимат животноводческих ферм. Аналитический обзор. М.: АгроНИИТЭИИТО, 1990. - 56 с.

55. Растимешин С.А. Обоснование параметров и разработка установок локального электрообогрева ягнят. Автореф. дисс. . канд.техн.наук. -М.: ВИЭСХ, 1985.- 19 с.

56. Растимешин С.А., Расстригин В.Н., Лямцов А.К. Расчет необходимой энергетической освещенности, создаваемой инфракрасным излучателем в установке комбинированного обогрева ягнят. Электротермия, 1983, № 11 (249). С.13 -14.

57. Растимешин С.А. Особенности распределения расхода электроэнергии на обогрев овчарни для ягнения. НТБ по электрификации сельского хозяйства, № 2 (48). М.: ВИЭСХ, 1983. - С.3-9.

58. Растимешин С.А. Разработка локальных электронагревателей для животноводства и птицеводства. Вестник сельскохозяйственной науки, 1991, № 6. - С. 150-152.

59. Растимешин С.А. Технические средства для местного обогрева. М.: Росагропромиздат, 1990. - 78 с.

60. Растимешин С.А. Обоснование параметров локальных• элетрообогревателей для молодняка сельскохозяйственных животных.

61. Автореф.дисс. . докт.техн.наук. -М.: ВИЭСХ, 1006. -38 с.

62. Стребков Д.С., Тихомиров А.В. Проблемы энергосбережения в сельском хозяйстве /Энергосбережение в с.х. Труд ы 2-й межд. и-т конф. М.: ВИЭСХ, 2000. С.8-14.

63. Лямцов А.К. Экономия электроэнергии на освещение в сельском хозяйстве /Энергосбережение в с.х. Тезисы докл.межд.конф. М.: ВИЭСХ, 1998. - С.215-217.

64. R.Dijan, C.'Medan: "Substitution rationalle de 1" 'electricite aux hydrocarbures dans 1 "industrie", X Congress UIE, n.1.12. Stockholm, June, 1984.

65. M.Setterwall: "Role of Electroheat Economics Aspects", X UIE Congress - Stockoholm, June 1984, session report la.

66. UIE Working Group: "Advantages of electricity in industry", XII UIE Congress Electrotech 92, Montreal, 1992/

67. R.Le Goff: "New Technologies and Applications: Industrial Sector", UNIPEDE 2nd Conf. on.

68. Internal information of ABB, Industrietechnik AG. Dortmund, Germany.

69. A.Muhlbauer (Hrsg.): "Industrielle Elektrowarmetechnik", Vulkan-Verlag Essen. 1992.

70. H. Conrad, A. Mtihlbauer, R. Thomas: "Elektrothermische Verfahrenstechnik", Vulkan-Verlag Essen 1993.

71. RWE Energie Bau-Handbuch, 11. Ausgabe Energie-Verlag GmbH, Heidelberg

72. Biasin. K.Die neue Warmeschutzverordnung Konzept und Auswirkunden IKZ-Haustechnik. Heft 14/1994

73. Lighting Manual, Philips Lighting B.V. Netherland, 1993.

74. Lighting Handbook / Illuminating Engineering Society of North America (IESNA), Mark S. Rea, Ph. D. Fies, New York, 1995.

75. G.H.Heydt: "Electric Power Quality", Stars in a Circle Publicationns, West LaFayette, USA, 1991.

76. R.C.Dugan, M.F.Granaghan, H.W.Beaty: "Electrical Power Syatems Quality", McGrow-Hill, New York, 1996

77. R. Caldon, M. Fauri, L. Fellin: "Susceptibility and requirements of user equipment: analysis of the effects of power disturbances on industrial installations". Proc. of EMC, St. Petersburg, 1993.

78. R.Caldon, M.Fauri: "A methodology for evaluating the impact of voltage dips on industrial processes", 5th Conference "The power Quality Implications of Demand- Side Management Initiatives", Calgary, Alberta, Canada, oct. 1993.

79. Карпов B.H. Классификационный признак комбинированных облучателей /Механизация и электрификация с.х., № 8, 1980.

80. Карпов В.Н., Безверхний Э.И., Зарубайло В.Т. Экспериментальное исследование физической модели объемного облучения /Доклады ВАСХНИЛ, № 3, 1984.

81. Карпов В.Н. Термодинамические аспекты методологии энергосбережения в сельскохозяйственных электротехнологиях оптического облучения /.Известия РАН. Энергетика. М., 1994.

82. Карпов ВН. Щур И.З. Энергетика технологических процессов оптического облучения объектов АПК /Известия РАН. Энергетика, № 4, 1997.

83. Новая технология производства энергии /Энергетика за рубежом. Выпуск 1, 2002. С.25-27.

84. Автономные системы энергоснабжения /Энергетика за рубежом. Выпуск 1, 2002. С.34-38.

85. Комбинированное производство тепловой и электрической энергии в• Дании /Энергетика за рубежом. Выпуск 2, 2002. С.33-35.

86. Виссарионов В.И., Данилевич Я.Б. Использование в электроэнергетике децентрализованных источников и независимых производителей энергии /Энергосбережение, № 2, 2002. С.31-33.

87. Виссарионов В.И. Проблемы разработки региональных программ использования возобновляемой энергии в России. Сб. докл.межд. конгресса "Энергетические решения для устойчивого будущего". -СПб., 1994.

88. Данилевич Я.Б. и др. Малая тепловая электростанция с парогазовой установкой. Изв. РАН. Энергетика, 1996, № 4.

89. Данилевич Я.Б., Хуторецкий Г.М. Турбогенераторы на рубеже 21 века. Изв. РАН, Энергетика, 2000, № 1.

90. Амерханов Р. А., Драганов Б.Х. Проектирование систем теплоснабжения сельского хозяйства. Под ред. Драганова Б.Х. -Краснодар, 2001. - 200 с.