Методология управления предприятия через интегральные энергетические показатели и производственные энергетические функции

В.И. Игонин,

проф. каф «ТГВС», д. т. н., проф., 

А.С. Пешков,

доц. каф. «АВТ», к.т.н., gasproject@mail.ru
ВоГТУ, г. Вологда

Фрагменты работы изложены в работах [1], [3], [4] в рамках темы «Поиск обобщенного интегрального энергетического показателя в условиях интеграции и трансформации наук существующего знания». В [1] обоснована назревшая необходимость в решении проблемы. На основе положений и в соответствии с рекомендациями указанными в книге «Энергетическая стратегия России до 2020г.» выбран для анализа энергетической системы предприятия обобщенный интегральный показатель в виде потенциала энергоемкости выпускаемой продукции, [2]. В [3], [4] с помощью понятий энергетического пространства состояния энергетической системы (ЭС) проведен анализ процессов энергосбережения для реального источника тепломеханической энергии. Показана методика использования этого показателя через удельные потенциалы теплоемкости, электроемкости выпускаемой продукции. Обосновано применение удельного потенциала энергоемкости к определению потенциала энергосбережения энергетического объекта. Получены обобщенные аналитические выражения для координатных функций описывающих энергетическое состояние объекта исследования. Определены особенности выбора энергосберегающих мероприятий из условия минимума диссипативной, составляющей исследуемой энергетической системы. Проведена структуризация реального энергетического объекта и определены параметры состояния идентифицированных структур. Даны практические рекомендации для построения модели ЭС на основе понятий потенциалов энергосбережения и определены условия выбора энергосберегающих мероприятий. Определены и внедрены для энергетической системы структуры, для которых в первую очередь проведен выбор энергосберегающих мероприятий. Найдены эффективные методы понижения потенциала энергосбережения с целью обеспечения условий максимальной экономии энергетических ресурсов. Начальный и мониторинговый энергоаудит проводился для схемы одного из заводов по производству керамических изделий. По результатам энергоаудита установлена действительная балансовая картина потребления, выработки, утилизации основных энергоресурсов.

В технологическом цикле производства наиболее энергоемкими являются энергосистемы сушки и обжига выпускаемых изделий. Печи обжига, как правило, имеют самостоятельный топливный энергоресурс при наличии на заводе котельной. Тепловые схемы печи и котельной не связаны между собой. Котельная обеспечивает теплом промышленные и жилые здания поселка, где живет обслуживающий предприятие персонал. Получается так, что два теплотехнически организованных цикла практически связаны между собой только на уровне поддержания комфортных энергетических условий персонала, обеспечивающего технологический процесс производства.

Таким образом, предприятие покупает для изготовления кирпича сырье, электрическую и топливную энергии для воспроизводства кирпича, тепловой энергии и рабочей силы.

Термодинамический анализ условий воспроизводства показал, что энергетический потенциал теплоносителя выходящего из котлов в виде пара явно превышает требуемый для потребителя уровень. После печи обжига температура уходящих газов завышена. Поэтому излишки теплоты сбрасываются в окружающую среду. Конструктивные недостатки в конструкции горелочных устройств ведут к излишней аккумуляции теплоты в ограждающих поверхностях печи и как следствие потерям через их поверхности. Тепловые сети изношены и разрегулированы.

Для такой типичной схемы и схемы организации энергопроизводства по нормативным параметрам построены математические модели. Определены энергетические потенциалы, характеризующие их энергетические состояния. Разность полученных мониторинговых потенциалов состояния определила соответствующие потенциалы энергосбережения. На основе найденной функции потенциала энергоресурсосбережения предложен оригинальный комплекс технических решений, приводящих к устойчивому функционированию предприятия с одновременным накоплением инвестиций на реконструкцию.

Внедрена последовательность технических решений: установка газо-водяного теплообменника на пути уходящих газов печи обжига, что дает возможность использовать вторичные энергоресурсы для получения горячей воды; провести оптимизацию работы тепловых сетей предприятия и жилой зоны; осуществить перевод работы котельной на водогрейный режим; ввести в энергетическую схему газо-поршневую электрогенераторную станцию; сделать реконструкцию горелочных устройств печей обжига с целью сокращения потерь теплоты от избыточного нагрева ограждающих поверхностей; провести наладку режимов горения.

Приведенные выше научные и практические результаты получены путем одновременного проведения численного и натурного промышленного экспериментов. Эффективность полученных решений подтверждена их промышленным внедрением со значительным экономическим эффектом.

Выбран следующий алгоритм моделирования процесса модернизации реальной ЭС.

В терминах пространства энергетического состояния алгоритм преобразования выглядит следующим образом - A_S [<входные параметры z₀ - начальные условия; временные параметры >  < параметры состояния z(t) >  < выходные характеристики системы - Y(t)] , где интервалы квантования процесса по времени. Для данного производственного процесса математическое описание модели реконструкции предприятия имеет вид (1)

Y(t) = F_{алг.преобр.} (Z₀,t) = F_1s (Z₀; Z_i=1..5; t), (1)

где Z₀= Y1, Z_i=1...5 = (Y_1г; Y_2г; Y_3г; Y_4г Y_5г; Y_норм.;). Период преобразования системы 0 t  5, шаг квантования t = 1год. Энергетическое пространство состояния получено с помощью параметров системы эндогенного и экзогенного характера, сформированных из начальных и граничных условий функционирования реального производственного процесса получения керамического кирпича.

За период реконструкции предприятия построена последовательность из энергетического состояния шести функциональных моделей представленных в виде балансовых схем. Комплекс F1;F2;F3;F4;F5;F6 –координатных и временных функций описывает энергетическое состояние каждого блока (подсистемы), которые через потоковые связи функционально определяют энергетическое состояние всей ЭС. Из шести балансовых схем описанных в (1) одна схема построена по нормативным данным, что позволяет разработать соответствующую нормативную балансовую схему потребления энергоресурсов для стандартной технологии пластического формирования кирпича при выпуске продукции в 30 млн. шт. в год.

Сделан вывод о том, что в основном существующие технологи изготовления кирпича однотипны. Одна из типичных схем энергетического цикла производства керамических изделий принята за базовую. Энергетическое состояние схемы определяют начальные условия моделирования следующего вида (2)

Y_норм1.=F_норм1.(F₁F₂;F₃;F₆;), (2)

где представлены четыре основных узла: F₁ -подготовки кирпича сырца, F₂ -сушки, F₃ -обжига, F₆ -котельной. В узле один готовится исходный материала, из которого формируется масса кирпича сырца. Во втором начинается и заканчивается процесс сушки продуктами сгорания печи обжига. В три осуществляется обжиг заготовки за счет энергии топлива преобразующейся в теплоту в горелочных устройствах. В узле шесть (котельной) производится теплота в виде пара и воды для отопления, горячего водоснабжения, вентиляции цехов предприятия и жилой зоны.

В соответствии с алгоритмом (1) сформировано несколько моделей. Система функциональных уравнений с учетом (2) имеет вид (3-6)

Y₂ =F₂ (F₁ ;F₂;F₃;F₅;F₆;). (3)

Y₃=F₃ (F₁ ;F₂₂;F₃₂;F₅₂₃;F₆₂;). (4)

Y₄=F₄(F₁ ;F₂₂;F₃₂; F₄ ;F₅₂;F₆₂;). (5)

Y₅=F₅(F₁ ;F₂₂;F₃₂; F₄₅ ;F₅₂;F₆₂;). (6)

На основе (2)-(6) разработаны последовательности структурных схем с подробным описанием каждой структуры и потоковых связей.

Как правило, на предприятии такого типа установлены мощные паро-генерирующие установки промышленно-отопительного типа. Однако мощности котельной практически не задействованы в основном производстве, поскольку теплогенерирующие установки обеспечивают тепловой энергией только промышленные, административные здания и жилой микрорайон, в котором живут рабочие завода. С другой стороны, тепломеханическое оборудование котельной потребляет значительное количество электроэнергии и топлива. Предприятие вынуждено платить за заявленную электрическую мощность. С целью поддержания комфортных условий для воспроизводства и существования рабочей силы проведена регулировка тепловых сетей для жилой и промышленной зон предприятия, что позволяет снизить потребление электрической энергии. Чтобы уменьшить расход топлива часть котлов котельной переведено на водогрейный режим работы. Поскольку тепловые сети изношены, то снижены параметры водного теплоносителя на выходе из котельной. Все перечисленные мероприятия проведены за первый и второй год перестройки энергетического режима работы ЭС. Они практически не повлияли на схемотехнические параметры определяющие режимы работы завода. Однако, поскольку котельная принадлежит субъекту, то изменились финансовые условия за счет сокращения расхода топлива, электроэнергии, потерь теплоты в сетях, снижения аварийности. Появились средства на модернизацию тепловой схемы обеспечивающей технологический процесс. Для определения потенциалов энергосбережения найдены производственные функции удельных потенциалов теплоемкости, электроемкости, энергоёмкости. Например, траектория изменения потенциалов электроемкости для каждого узла системы имеет вид (7):

Yэл. = f эл.[Эл _F1; Эл _F2; Эл _F3; Эл _F4; Эл _F5; Эл _F6,t], (7)

матрица электроемкостей блоков после первого года работ (8)

{0,027 0,118}

М_1эл (кВт*ч/шт.) = {0,044 0.0 } (8)

{0,036 0.0}

Для прогнозирования параметров схемы изначально заданы линейные функции изменения потенциалов. По ходу внедрения измерены ежегодные фактические экспериментальные значения основных потенциалов ЭС.

На рис.1 приведены результаты аппроксимации среднеинтегрального координатного потенциала теплоемкости для завода полиномом пятой степени.

рис.1. Экспериментальное изменение координатной функции

Аналогичные представления получены и для потенциала энергосбережения. Координатная функция потенциала энергосбережения для каждого узла схемы приведена на рис.2.

рис.2 Координатно-временное изменение потенциала энергосбережения

Функция (1) энергетического состояния завода за период реконструкции в пять лет имеет вид (9)

Z _i=1...5 = (Y_1г; Y_2г; Y_3г; Y_4г Y_5г; ) = (8137204; 7996669; 7904322; 7894560; 7170670) (9)

Как видно из (9) в результате мониторингового управления системой энергосбережения удалось достичь значительной экономии энергоресурсов. Экономия составила в т.у.т. с первого по пятый год =8137204-7170670=966534 т.у.т./год.

Таким образом, применение субъектом методики функционального моделирования и параметра обобщенного энергетического потенциала для анализа и синтеза нового технологического процесса выработки кирпича позволяет за выбранный период модернизации упорядочить процессы внедрения энергосберегающих мероприятий. Получить возможность осознанного управления энерготехнологической составляющей производства из условия минимума потерь обобщенной энергии. Планово по мере получения информации о нарушении условий минимума потерь принимать меры по устранения перерасхода энергии.

Литература

1. Игонин, В.И. Пути повышения эффективности теплоэнергетических систем: Монография./ В.И. Игонин. – Вологда: ВоГТУ, 2007. – 119 с.

2. ГОСТ Р 51750-2001.Методика определения энергоемкости при производстве продукции и оказании услуг в технологических энергетических системах.- М.: ИПК Издательство стандартов, 2003.

3. Игонин В.И. Методика определения координатных функций потенциала энергосбережения для объекта через понятия энергетического пространства состояния. Журнал РАЕН "Современные наукоёмкие технологии" №3, 2013 год стр. 29-32. .

4. Игонин, В.И. Методология научных исследований и научно-техническое развитие субъекта. Учебное пособие для магистров./ В.И. Игонин. – Вологда: ВоГТУ, 2013. – 111 с.