Содержание к диссертации
Введение 6
1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПУТЕЙ И
МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ 12
Общая постановка проблемы повышения эффективности энергообеспечения сельскохозяйственного производства 12
Состояние энергообеспечения сельскохозяйственного производства и быта сельского населения 14
Методы исследования систем энергообеспечения сельских районов 22
1.4. Обзор исследований по оценки эффективности управления
режимами энергопотребления 30
1.5. Выводы и постановка задач исследования 35
2.ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ 37
Технико-экономические показатели систем энергообеспечения... 37
Энергетические и экологические показатели систем энергообеспечения 48
2.3. Параметры режимов работы систем энергообеспечения 50
2.4. Анализ технических средств обеспечения режимов
потребления тепловой энергии 52
2.5. Анализ результатов исследования технико-экономических
показателей систем энергообеспечения 54
3. МЕТОДОЛОГИЯ ОБОСНОВАНИЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ
ПРОЦЕССОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ 61
3.1. Обоснование системы энергообеспечения сельскохозяйственного производства как самостоятельного объекта исследования и оптимизации
в рамках народнохозяйственного комплекса страны 61
3.2. Методология обоснования рациональных систем энергообеспечения
сельскохозяйственных потребителей 68
(j 3.3. Методика выбора систем энергообеспечения тепловых процессов
сельскохозяйственного производства и быта сельского населения 85
4. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ
ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ 98
4.1. Основные допущения и ограничения принятые при построении
математических моделей 98
4.2 Моделирование воздействия сельскохозяйственного производства
и энергетики на макроэкономические показатели системы 110
^ 4.3. Обоснование и построение модели "Энергообеспечение" 121
Обоснование и построение модели "Агроэкосистема" 135
Моделирования воздействия сельскохозяйственного производства и энергетики на численность и структуру населения 150
Моделирования воздействия сельскохозяйственного производства и энергетики на окружающую среду 156
4.7. Оценка устойчивости, чувствительности и адекватности
используемых моделей 161
5. РАЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ И
СТРУКТУРЫ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ В ТЕПЛОВЫХ
ПРОЦЕССАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА И
БЫТА СЕЛЬСКОГО НАСЕЛЕНИЯ 164
Исследование влияния параметров и структуры потребления энергоресурсов на динамику сложных хозяйственных систем 164
Оценка динамики рациональной структуры топливно-
* энергетического баланса сельских районов Сибири 181
5.3. Результаты расчета по определению эффективного энергоносителя
для тепловых процессов сельскохозяйственного производства и быта
(^ сельского населения 196
5.4. Рациональные структуры потребления энергоресурсов в техноло
гических процессах сельскохозяйственного производства и быта
сельского населения (тепловые процессы) 212
6. РАЦИОНАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ
ПРОЦЕССОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА И
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ 222
6.1. Комплексное использование систем энергообеспечения
сезонными потребителями тепловой энергии 224
ф 6.2. Исследование режимов производства и потребления
энергоресурсов на многоотраслевых сельскохозяйственных фермах 228
6.3. Обоснование целесообразности использования переменных
температурно-влажностных режимов в животноводческом
помещении 238
Исследования зависимости режимов работы систем энергообеспечения сельскохозяйственных предприятий от температуры наружного воздуха 253
Обоснование метода управления режимом производства тепловой энергии 258
6.6. Технические устройства для реализации оптимальных режимов
работы систем энергообеспечения тепловых процессов 267
6.6.1. Обоснование структуры и параметров программно-технических
систем по реализации рациональных режимов работы тепловых
установок 267
Ф 6.6.2. Устройство управления режимами энергопотребления
животноводческих ферм 272
Блок автоматического управления энергосберегающей системой обеспечения температурно-влажностного режима животноводческого помещения 278
Программно-технический комплекс по оптимизации режимов производства и потребления тепловой энергии 282
7. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ
РАЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ СЕЛЬСКО
ХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ 288
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ 297
ЛИТЕРАТУРА 301
ПРИЛОЖЕНИЕ А 325
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 328
ПРИЛОЖЕНИЕ В 330
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 332
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 336
Введение к работе
Актуальность темы. Общее потребление энергоресурсов в сельском хозяйстве Сибири оценивается величиной порядка 12...16 млн т у.т. Затраты на энергообеспечение сельских районов составляют около 1/6 всех затрат на энергоснабжение народнохозяйственного комплекса региона. Примерно 40% энергоресурсов расходуется в производственной, а 60% - в непроизводственной сфере. Основной потребитель энергоресурсов - тепловые процессы (до 80% по районам Сибири).
Доля энергозатрат в структуре себестоимости продукции растениеводства составляет 30...55%, животноводства - до 13...18%. При этом наблюдается устойчивая тенденция к росту данного показателя. Стоимость отпускаемой тепловой энергии достигает 400...500 р/МДж. Среднегодовой коэффициент использования топлива в сельскохозяйственном производстве не превышает 0,30...0,40.
Учитывая предстоящую реконструкцию системы электроснабжения сельских районов, принципиально важным является определение доли электроэнергии в структуре топливно-энергетического баланса тепловых процессов региона.
Для достижения требуемого уровня обеспечения продовольствием необходимо в два раза увеличить производство сельскохозяйственной продукции. При существующих технологиях увеличение производства сельскохозяйственной продукции на 1% требует увеличения потребления энергии примерно на 3...4%. Достижение необходимого объема производства сельскохозяйственной продукции, при указанных значениях коэффициентов эластичности между производством продукции и потреблением энергоресурсов, трудноосуществимо.
Изменившиеся социально-экономические условия в стране, переход к рыночной экономике, необходимость реализации ресурсосберегающих технологий, ужесточение требований по экологической безопасности производства требуют пересмотра методической базы по обоснованию параметров систем энергообеспечения сельскохозяйственных потребителей и создают проблемную ситуацию, заключающуюся в необходимости увеличения объемов производства сельскохозяйственной продукции до требуемых, при улучшении качества жизни населения, снижении энергопотреб-
ления на единицу производства сельскохозяйственной продукции и техногенной нагрузки на экосистему. Поэтому решение научной проблемы - разработки методоло-(Ф гии обоснования ресурсосберегающих систем энергообеспечения тепловых процес-сов, учитывающей социальные и экологические последствия принимаемых решений в рамках всего народнохозяйственного комплекса, является актуальной народнохозяйственной задачей.
В связи с этим, целью диссертационной работы является разработка ресурсосберегающих систем энергообеспечения и технических средств управления тепловыми процессами в АПК Сибири для повышения энергетической эффективности сельскохозяйственного производства и улучшения качества жизни населения.
Объект исследования - системы энергообеспечения тепловых процессов производства и быта населения сельскохозяйственных районов Сибири.
Предмет исследования - закономерности, связывающие параметры систем энергообеспечения технологических процессов сельскохозяйственного производства с показателями энергетической эффективности и качества жизни населения.
Для достижения поставленной в работе цели исследования сформулированы следующие задачи.
Провести технико-экономический анализ существующих систем энергообеспечения сельскохозяйственного производства и быта сельского населения.
Разработать методологию обоснования рациональных параметров систем энергообеспечения тепловых процессов сельскохозяйственного производства и быта сельского населения.
3. Обосновать критерии оценки эффективности и разработать математические мо-
дели для выбора рациональных систем энергообеспечения сельскохозяйственного производства.
4. Обосновать рациональную структуру потребления энергоносителей в тепловых процессах сельскохозяйственного производства и быта сельского населения на перспективный период.
Ф 5. Провести исследования по обоснованию рациональных режимов энергопотреб-
ления тепловых процессов сельскохозяйственного производства и разработать
технические средства управления рациональным энергопотреблением.
6. Провести оценку эффективности реализации основных результатов исследова-
(ф ния.
Методы исследования. При выполнении работы применялись основные положения системной динамики, методы многоцелевой оптимизации, теории нечетких множеств, энергетического анализа и имитационного моделирования.
Исследования, на основе которых выполнена работа, проведены в СибИМЭ СО РАСХН в соответствии с заданиями 08.01 (1995-2000 гг.) «Разработать теоретические основы построения систем энергообеспечения всех типов сельских товаропроизводителей на основе оптимального сочетания традиционных и альтернативных источников энергии, методику и технические средства электрофизического воздействия на биологические объекты»; 03.01(2000-2005 гг.) «Разработать методы ^ обоснования рациональной структуры потребления энергоресурсов в технологических процессах сельскохозяйственного производства и быта сельского населения».
Научную новизну исследований представляют:
методология обоснования рациональных систем энергообеспечения тепловых процессов сельскохозяйственного производства, основанная на методах системной динамики;
обоснование использования критерия «качество жизни населения» при определении рациональных систем энергообеспечения тепловых процессов;
система математических моделей для обоснования эффективных систем энергообеспечения сельскохозяйственного производства;
Ф - закономерности формирования рациональных режимов работы систем энер-
гообеспечения тепловых процессов и их влияния на эффективность использования энергоресурсов в технологических процессах.
Практическую значимость работы представляют:
- метод обоснования рациональной структуры потребления энергоносителей
в тепловых процессах сельскохозяйственного производства и быта сельского насе-
Ф ления, позволяющий определить эффективные объемы потребления энергоносителей по технологическим процессам и обеспечить управление развитием данных
систем;
- методика и алгоритмы выбора энергоносителя для тепловых процессов сель-
(Ф скохозяйственного производства и быта сельского населения хозяйствующих субъ-
ектов, позволяющая определить наиболее эффективный энергоноситель для тепловых процессов;
рациональные режимы работы систем теплоснабжения животноводческих помещений, позволяющие на 10...15% снизить издержки на производство продукции;
система технических средств для управления рациональными режимами производства и потребления тепловой энергии в технологических процессах сельскохозяйственного производства, защищенная авторским свидетельством.
Реализация результатов исследования.
* Разработанные в диссертации методы, модели и результаты оптимизации пара
метров систем энергообеспечения были использованы в Западно-Сибирском отде
лении института «Сельэнергопроект» (схемы развития сельских электрических се
тей областей Западной Сибири в 1985-2000 гг.), Совете по изучению производи-
тельных сил при Госплане СССР, зональном институте «СибЗНИИЭПсельстрой»,
в хозяйственных субъектах пяти областей Сибири.
Материалы диссертационной работы рассматривались и получили положительную оценку на двух научно-технических советах: НТС Российской Федерации - методика обоснования рациональных уровней потребления электроэнергии на тепловые цели и обоснование эффективности переменных режимов потребления энергии
в животноводческих помещениях; на НТС Молдавской ССР - обоснование рацио-
It
нальной структуры потребления энергоресурсов для АПК; на пяти научно-
технических советах субъектов Российской Федерации (Иркутская область, Красно
ярский край, Кемеровская область, Новосибирская область) - обоснование рацио
нальной структуры потребления энергоресурсов, разработка систем управления ре
жимом энергопотребления (1982 - 2001 гг.).
а Результаты работы внедрены на сельскохозяйственных и промышленных пред-
> приятиях Новосибирской (постановление №83 Новосибирского областного совета
народных депутатов от 04.09.1986; постановление главы администрации Новосибирской области от 20.03.2002 г. № 273), Кемеровской и Омской областей с суммар-(щ ной тепловой мощностью более 600 тыс. кВт (1990 - 2003 гг.).
Результаты исследований использованы при подготовке рекомендаций по расчету, проектированию и применению систем энергообеспечения животноводческих ферм и комплексов, утвержденных Министерством сельского хозяйства СССР (в соавторстве с другими научными организациями страны).
Основные положения, выносимые на защиту:
методология обоснования рациональных ресурсосберегающих систем энергообеспечения тепловых процессов сельскохозяйственного производства и быта сельского населения с использованием векторных критериев, включающая показатели энергетической эффективности производства, мультипликативные показатели качества жизни населения и учитывающая энергетические, экономические, экологические и социальные последствия принимаемых решений в рамках всего народнохозяйственного комплекса;
система математических моделей для обоснования рациональных систем энергообеспечения, включающая продукционные модели в растениеводстве и животноводстве, модели энергетических, материальных и инвестиционных потоков, воспроизводства трудовых ресурсов, воздействия выброса вредных веществ на экосистему и оценки эффективности структуры потребления энергоресурсов, учитывающая функциональные связи между параметрами системы энергообеспечения и показателями функционирования моделируемых отраслей производства;
- результаты расчета по оценке влияния параметров энергообеспечения сель-
скохозяйственного производства на динамику сложных хозяйственных систем, определяемые на основе системных критериев эффективности;
- результаты расчета рациональной структуры потребления энергоносителей
на тепловые цели в технологических процессах сельскохозяйственного производст
ва Сибири, учитывающие различные концепции развития систем энергообеспечения
щ посредством изменения приоритета и количественной оценки целей;
результаты экспериментальных исследований параметров систем энергообеспечения сельскохозяйственных потребителей, температурно-влажностных режимов животноводческих помещений и энергопотребления технологических процессов сельскохозяйственного производства;
принцип построения рациональных систем энергообеспечения животноводческого помещения с учетом формирования генотипа животных в ходе эволюции при переменных температурно-влажностных режимах среды обитания и технические средства для реализации рациональных режимов производства и потребления тепловой энергии.
Апробация работы. Основные материалы работы были доложены на научно-технических конференциях по энергообеспечению и энергосбережению в сельском хозяйстве - (ВИЭСХ: 1994, 1998, 2000, 2003, 2004 гг.); всесоюзных конференциях по развитию производительных сил Сибири, секция "Топливно-энергетические проблемы Сибири", (Новосибирск, Якутск, Иркутск), 1981- 1989 гг.; международных конференциях по инженерным проблемам сельскохозяйственного производства Китай, 1988 г.; Монголия, 1999 г.; Казахстан, 2000, 2003 г.; Санкт-Петербург, 1999 г.); годичном собрании Сибирского отделения РАСХН - 2000 г.; научной сессии РАСХН (13-14 октября 2003 г., г. Москва).
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 68 научных работах, включая монографию по проблемам энергообеспечения (20 печ. листов).
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы и приложений; объем диссертации 350 стр., в том числе 324 стр. основного текста, 107 рисунков, 67 таблиц, список использованной литературы состоящей из 231 источника.
