CC BY
14
Ьйег а1;иг а
1. БеггиЬееуа М.М., Уо1коу У.8. Issledovanie 8е1ек11упо811 ргоее88а izmel'chenija ша1ег1а1оу V je1ektromagnitnyh mehanoaktivatorah // Izvestija Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2017. № 47. - S. 288 - 294.
2. Е1г1еЬе8кауа 8и8ЬеЬпо81' eh1ektromagnitnogo вровоЬа eh1ektromagnitnoj шекЬапоакйуаеп (izme1'cheniya) // A1'manah pedagoga ИКЬ: https://a1manahpedagoga.ru/servisy/pub1ik/pub17id =16533 (data obrashcheniya: 01.10.2017).
3. Ana1iticheskij оЬгог izoЬreteпij // he1piks.org иКЬ: http://he1piks.org/7-87654.htm1 (data obrashcheniya: 01.10.2017).
4. БezzuЬеeуa М.М., Уо1коу У.8. K1assifikaciya eh1ektromagnitnyh mekhanoaktivatorov po tekhno1ogicheskomu naznacheniyu // Mezhdunarodnyj zhurna1 ehksperimenta1'nogo obrazovaniya. - 2015. - № 8-1. - S. 25-27.
5. Bessonov Ь.А. Teoreticheskie osnovy eh1ektrotekhniki. EH1ektromagnitnoe po1e. - М.: YUrajt, 2016. - 318 s.
УДК 621.311
Доктор техн. наук В.Н. КАРПОВ (СПбГАУ, [email protected])
НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВУЮЩИХ
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Современные измерительные средства, например, счетчики энергии и расхода материального носителя энергии создают новые возможности для анализа энергетических процессов, поскольку измерители являются техническими интеграторами и определяют значение интеграла (энергии), которое не всегда можно получить математически. Однако дифференцирование такого интеграла с целью получения функции мощности имеет ограниченные возможности, что существенно ограничивает и анализ энергетических процессов.
Цель исследования - обосновать новые методы получения показателей эффективности использования энергии у потребителя при современных возможностях измерений и обработки данных.
Материалы, методы и объекты исследования. Аналитически и экспериментально обоснован для технических элементов новый показатель энергоэффективности -относительная энергоемкость и новый метод анализа - метод конечных отношений (МКО), позволяющий дифференцировать энергию на совершающую действие и потери. Объекты исследования - энергетические процессы, востребованные технологией и происходящие в потребительской системе. С возникновением потребности в энергосбережении, то есть в определении энергоемкости процессов, происходящих в потребительских системах, специально под возможности получения и использования интеграла был введен новый энергетический показатель - относительная энергоемкость [1].
Для отдельного проходного технического элемента (ТЭ) этот показатель равен отношению энергии (начальной), подведенной к элементу, к энергии, прошедшей через элемент (конечной). Поскольку ТЭ имеет объем (как правило, упорядоченный), то обозначение конечного и начального энергетического показателя означает вовлечение соответствующих плоскостей ТЭ (начальной и конечной) и его размера вдоль направления движения энергии, в анализ энергетических процессов. Обе плоскости доступны для анализа, так как измерениями могут быть получены интегралы мощности по времени (то есть,
значения подводимой и отводимой энергии) и определено делением рациональное
(относительное) число, превышающее единицу и означающее по содержанию относительную энергоемкость процесса передачи энергии от начала к концу ТЭ.
В [1] показано и подтверждено расчетными примерами, что в последовательной линии ТЭ общая относительная энергоемкость определяется произведением энергоемкостей ТЭ, составляющих линию, и что включение в линию ТЭ, преобразующего энергию из одного вида в другой, не только не меняет этого инновационного правила, но и в определенных условиях подтверждает его. Этот же источник ввел энергетическую диаграмму в четырех квадрантах как способ анализа энергоэффективности и в качестве уже графического примера показал, что возможно экстенсивное и интенсивное энергосбережение по величине показателя энергоемкости продукции предприятия. Это следует понимать как инновационное расширение сферы действия введенного нового показателя энергоэффективности.
Относительная энергоемкость, обозначаемая и имеющая выражение
Л = — > может быть сама подвергнута математическому анализу. Для определения максимального значения этого показателя продифференцируем его выражение и приравняем
^ О- О -
производную нулю. Получим выражение = ^ • Это выражение означает, что постоянное
значение относительной энергоемкости должно поддерживаться постоянным значением отношения начальной и конечной мощностей. В пределах одного технического элемента проходящая через него энергия разделяется на две составляющие - конечная энергия и потери. Эти составляющие образуют следующее выражение:
Сн-<?к = л<Э. (1)
Преобразуем это выражение в относительные величины, включающие относительную энергоемкость:
Сравнение двух выражений, определяющих относительную энергоемкость, наводит на мысль о том, что второе выражение при определенных условиях может означать единичное (равное единице) относительное значение энергоемкости как минимальное, а относительные потери - аддитивное дополнение, которое может быть выражено десятичной дробью после запятой. Для проверки этого предположения необходимо было провести эксперимент только на энерготехнологическом процессе (ЭТП), то есть на процессе действия энергии, поскольку процесс прохождения энергии через ТЭ не создает возможность сравнительного анализа. Такой эксперимент был проведен на установке для электронагрева воды с ТЭНом постоянной мощности в качестве нагревателя. Предварительно был проведен расчет необходимого количества теплоты на нагрев от начальной до определенной конечной температуры по формуле:
Было определено также время нагрева путем деления расчетной теплоты на мощность нагревателя t = Я Если принять С) как конечную энергию процесса, то начальная,
необходимая для определения показателя относительной энергоемкости, может быть определена измерением подводимой энергии при практическом нагреве. Обратим внимание на то, что время как показатель процесса, не входит прямо в расчетное выражение, однако любое значение энергии является интегралом, поэтому отражает определенный промежуток времени. Предварительное расчетное определение абсолютного значения потерь -практически невыполнимая задача.
Результаты исследования. Проведенный эксперимент показал, что фактические затраты энергии и время нагрева оказались больше расчетных. Первое объяснение, подсказанное математической индукцией, - влияние потерь энергии. Однако очевидно и другое объяснение - увеличение потребления энергии происходило с уменьшением мощности подводимого к воде тепла (от этого возрастает время нагрева). Общий вывод, который следует из эксперимента, заключается в том, что даже при постоянной мощности нагревателя время нагрева и количество энергии, потребленной непосредственно на нагрев, связаны особым образом. Можно по результатам эксперимента в теоретическом расчетном выражении заменить С) произведением + где М - приращение времени, определенное в эксперименте, и в правую часть добавить ¿р (потери). Это приведет к новому равенству, соответствующему закону сохранения энергии.
Разделим обе части нового равенства на мощность, получим подтверждение структуры общего времени процесса. Однако выражение содержит и некоторые особенности имеющихся зависимостей. Например, сумму правой части логичнее было бы делить отдельно на соответствующие составляющие сумму времени, тогда мы получили бы реальную начальную мощность, но в двух значениях. Наоборот, при математически правильном делении правой части на суммарное время получим правильное, в общем случае среднее, значение мощности, но физически трудно объяснимое по структуре, так как не ясен принцип перехода постоянной мощности в меньшее значение средней, которая еще и является суммой двух слагаемых. Очевидно, необходима разработка теоретических положений действий энергий для различных ЭТП предприятий, методов получения информации о них и о возможностях перехода к энергоемкости продукции. Этот вывод имеет серьезную основу, поскольку приведенный пример проверялся экспериментально неоднократно. Основной задачей экспериментов являлось подтверждение возможности получения численного значения нового показателя энергоэффективности - относительной энергоемкости. Во всех случаях экспериментов на примере одного энерготехнологического процесса (ЭТП) с использованием электронного регистратора с простой математической обработкой данных нужный показатель апостериорно вычислялся и выводился на экран дисплея, то есть становился оперативным показателем.
Аспиранты Немцев А. и Немцев И. [2] кроме вычислительных методов [3,4,5] использовали графический метод анализа с помощью энергетической диаграммы, являющейся принадлежностью метода конечных отношений (МКО), но адаптированную экспериментаторами к непосредственной задаче эксперимента, обусловленной структурой потребительской энергетической системы (ПЭС), представленной на рис. 1. и содержащей много различных ЭТП.
Таким образом, экспериментально подтверждена правильность и перспективность предложенного в источнике [1] представления потребителя энергии технической системой (ТС), в энергетических линиях которой возникают потоки энергии, определяемые технологией производства продукции, точнее, востребованными этой технологией результатами действия энергии. Следует особо подчеркнуть, что эти результаты заданы технологией численно, что обязывает технологов устанавливать систему контроля, которая для всего множества ЭТП предприятия может быть названа системой информационного сопровождения производства продукции. Только точное соблюдение технологии создает основу для перспектив ее энергетического совершенствования в соответствии с уменьшением потерь, с развитием научно-технического прогресса в части эффективного оборудования, точного проектирования, автоматизации управления процессами, роботизации отдельных процессов с переходом к «умным» системам управления. Это говорит о том, что сама системная энергоэффективность является и следствием и особым интегральным направлением научно-технического прогресса, естественно, только потребления энергии, что также отмечено в источнике [1] и не отдельной фразой, а специальным разделом 9. «Энергосбережение как фактор научно-технического прогресса». В
настоящее время, к примеру, через семнадцать лет с момента издания [1], прогресс проявился в виде появления светодиодов и перехода электроснабжения к «умным сетям» с высокотемпературными сверхпроводниками и с цифровыми подстанциями. Российская концепция перехода к «умным» сетям предусматривает перевод потребительских энергосистем в «умные микросистемы» с распределенным локальным и автоматически управляемым энергоснабжением.
Прибор учета энергии
Рынки предложен и
Рынок энергии С>;СТ
Рынок энергетического оборудования
Рынок оборудования ВИЭ
Рынок технологического оборудования
Рынок сырья
Прибор учета продукции
Потребительский рынок продукции
Окружающая среда
Рынок технологий
Рис. 1. Энергетическая схема ПЭС
Для агропромышленного комплекса такой переход - не текущее совершенствование, а кардинальное реформирование отраслевой производственной энергетики, которое все риски, связанные с энергетикой, перенесет на потребителя. К примеру, обязательное использование местного энергетического ресурса возобновляющихся источников и биоотходов, осуществленное без предварительного перевода потребительской системы в состояние максимальной энергоэффективности, окажется не освобождением от уплаты высоких тарифов централизованной энергии, а переходом к потреблению более дорогой энергии. Отметим некоторые другие особенности отраслевой энергетики АПК, без учета которых нельзя определять направления технического совершенствования. Прежде всего, это значительные объемы работ, выполняемых силовой мобильной техникой, потребляющей значительное количество топлива. Во-вторых, участие в создании пищевой продукции, содержащей необходимую для пищи биоэнергию, биологических объектов - растений и животных. Основные виды продукции производятся этими объектами непосредственно. При этом основным энергетическим потоком для животных являются корма, приготовляемые из растительных продуктов. Поскольку растения синтезируют биоэнергию (фотосинтез) из поглощаемого и не учитываемого солнечного излучения, то необходимо оценить, как и через какие процессы сказывается на энергоемкости продукции АПК оплачиваемая (поэтому
тщательно учитываемая) энергия топливно - энергетического комплекса РФ, потребляемая отраслевой техносферой (электричество, газ, топливо).
Для более конкретного представления об энергетических связях в подотраслях АПК в рамках одного предприятия была составлена совместно с малым инновационным предприятием СПбГАУ «АНАНТА» процессовая схема, представленная на рис. 2, в которой техносфера представлена не просто разнообразным оборудованием, а в виде целенаправленно действующей энергетической системы (ПЭС), с предположительной возможностью контролировать и управлять системным показателем энергоэффективности.
Общая отраслевая энергетическая схема дает основание отметить некоторые важные особенности. Источником пищевой биоэнергии в основной продукции АПК является не антропогенная энергия, а энергия солнечного излучения, синтезируемая растительными объектами в пищевую биоэнергию. Энергоемкость производства продукции в общепринятом понимании создается технической системой при технологическом обслуживании растениеводства и животноводства, то есть, энергоэффективность предприятий АПК зависит полностью от энергоэффективности используемого энергетического оборудования. Как показал описанный в этой статье эксперимент, техническое оборудование, обеспечивающее осуществление энерготехнологического процесса, может рассматриваться как ТЭ, к которому подводится энергия, создается и контролируется технологический результат действия энергии, но процесс действия является единственным (среди процессов передачи и преобразования энергии), в котором идентифицируются потери энергии, повышающие энергоемкость продукции. Это наглядно показано в статьях, содержащих диаграмму электронагрева воды [2].
Рис. 2. Схема технологических связей биологической и топливной энергий в производственных процессах АПК
Учитывая высокую актуальность энергоэффективности, высокую методическую значимость технических потребительских систем и уникальную роль в этих системах действия энергии как определителя потерь, предлагается выделить в особый класс действующие технические системы. К этому классу должны быть отнесены производственные технические системы, к которым подводится энергия с целью получения
заданных технологией результатов действия, обеспечивающих производство продукции. Такие системы должны характеризоваться вторым (наряду с прочностью, надежностью) контрольным показателем - высокой энергоэффективностью. Нужно отчетливо понимать, что техническая система, сохранившая в процессе эксплуатации работоспособность, надежность, прочность, может продолжать работать с недопустимо высокой энергоемкостью вырабатываемых технологических результатов, что повлечет за собой недопустимо высокую энергоемкость продукции и утрату ею конкурентоспособности и снижение экономической устойчивости всего предприятия. Поэтому обязательной составляющей действующей технической системы должны быть системы информационного сопровождения производства продукции, формирующего показатель энергоемкости продукции и его системную структуру. В основу такой структуры должны быть положены энергоемкости результатов всех ЭТП потребительской системы, получаемых за счет действия энергии и являющихся первичным показателем энергоэффективности, поскольку он получен в самом конце энергетической линии подвода и использования энергии. При воображаемом перемещении точки определения этого показателя ближе к источнику энергии его значение будет только расти за счет потерь энергии в технических элементах, составляющих линию передачи. Именно по этой причине в линиях передачи энергии до потребителя не может быть определено объективное значение эффективности ее использования.
Выводы:
1. АПК имеет два разобщенных ввода энергии в производственную сферу предприятия -от естественных возобновляющихся источников (эта энергия переходит в пищевую биоэнергию пищевой продукции АПК) и от объектов ТЭК. То есть энергетика АПК представляет собой уникальный комплекс разных видов энергий, нуждающихся в более тесном и эффективном сопряжении.
2. Подлежащая анализу на показатель эффективности энергетическая установка предприятия должна рассматриваться как структурная (в физическом смысле) потребительская энергетическая система, которая множеством процессов и свойств разных видов энергии и оборудования функционально связывает две интегральные величины -подводимую энергию и выпускаемую продукцию. Для анализа энергоэффективности такой системы должны быть разработаны специальные методы.
3. Основные процессы, осуществляемые энергией в ПЭС в соответствии с технологией производства должны быть объединены общим термином - процессы действия, поскольку именно в этих процессах создаются необходимые для технологии результаты, только в этих процессах формируется энергоемкость результатов действия, переходящая в энергоемкость продукции и только эти процессы, дают возможность с использованием научных данных перевести энергоемкость в показатель энергоэффективности. По этой причине и производственные потребительские системы АПК, подчиненные специальной теории, методам анализа и управления, должны быть отнесены к особому виду - к действующим техническим системам.
4. Экспериментальные исследования показали, что потребительские системы содержат как линии передачи энергии, так и элементы, участвующие в процессах действия энергии, в которых создаются первичные для энергетической системы показатели энергоэффективности. Несмотря на понимание очевидной возможности управления показателем эффективности через воздействие на потери, обобщенных на системный показатель методов расчета и реализации практического управления в образовательных программах аграрных вузов нет. Поэтому первоочередной задачей исследования действующих технических систем является изучение и обобщение новых системных знаний для подготовки профессиональных кадров.
Литература
1. Карпов В.Н. Введение в энергосбережение на предприятиях АПК: Монография. - СПб.: СПбГАУ, 1999. - 73 с.
2. Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш., Немцев А.А., Немцев И.А. Энерготехнологический процесс как ключевой элемент для управления энергетической эффективностью в действующих технических системах // Известия МААО. - Вып. № 31. - 2016. - С. 33-40.
3. Практикум и индивидуальные задания по интегральному исчислению функции одной переменной: Учебное пособие. - СПб.: Издательство «Лань», 2012. - 336 с.
4. Пантина И.В., Синчуков А.В. Вычислительная математика: Учебник. - М.: Московский финансово-промышленный университет «Синергия», 2012. - 176 с.
5. Сасскинд Л., Грабовски Дж. Теоретический минимум. Все, что нужно знать о современной физике. - СПб.: Питер, 2014. - 288 с.
Literatura
1. Karpov V.N. Vvedenie v energosberegenie na predpriyatiyakh APK: Monografiya. - SPb.: SPBGAU, 1999. - 73 s.
2. Karpov V.N., Yuldashev Z. Sh., Nemtsev A.A., Nemtsev I.A. Energotekhnologicheskiy protsess kak kluchevoy element dlia upravleniya energeticheskoy effektivnostyi v deystvuyushikh technicheskich sistemakh // Izvestiya MAAO. - Vipusk №31. - 2016. - S. 33-40.
3. Praktikum i individualnie zadaniya po inntegralnomu ischisleniu funkcnii odnoy pepemennoy: Uchebnoe posobie. SPb.: Izdatelstvo «Lan», 2012. - 336 s.
4. Pantina I.V., Sinchukova A.V. Vichisliteknaya matemetika: Uchebnik. - M.: Moskovskiy finansovo-promishlenniy universitet «Sinergiya», 2012. - 176 s.
5. Sasskind L., Grabovski Dg. Teoreticheskiy minimum. Vse, cho nujno znat o sovremennoy fisike. - SPb.: Piter, 2014. - 288 s.
УДК 621.311(075)
Канд. техн. наук Д.А. ИСАЕНКО (СПбГАУ, [email protected]) Канд. техн. наук А.Г. ПИРКИН (СПбГАУ, [email protected])
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ПО ОБСЛУЖИВАНИЮ И РЕМОНТУ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Энергоэффективное функционирование систем энергообеспечения различных объектов невозможно без быстрого и качественного обслуживания энергетического и энерготехнологического оборудования. В связи с этим необходимо уделять должное внимание решению задач обеспечения эффективной работы систем по обслуживанию и ремонту вышеназванного оборудования.
Системы, обеспечивающие обслуживание и ремонт энергооборудования, следует отнести к системам массового обслуживания (СМО). Характерной особенностью этих систем является то, что протекающие в них процессы являются случайными процессами с дискретными состояниями и непрерывностью во времени [ 1, 2].
Дискретность состояний в СМО определяется тем, что они меняются скачком в моменты появления определенных событий (приход новой заявки, окончание обслуживания заявки, выход заявки из очереди).
