Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса нормирования электропотребления электротехнического комплекса 7
1.1. Введение 7
1.2. Анализ параметров электропотребления электротехнического оборудования 8
1.3. Аналитический обзор методов определения удельных норм 19
1.4. Постановка задачи исследования рационального использования электроэнергии 24
Глава 2. Исследование влияния факторного пространства на параметры удельных норм 27
2.1. Введение 27
2.2. Математическое моделирование влияния технологических факторов на параметры электропотребления 30
2.3. Регрессионная модель влияния производственных факторов на удельные нормы 35
2.4. Формирование корреляционной матрицы параметров электропотребления 41
Глава 3. Разработка методов алгоритмов удельного электропотребления в условиях нестационарных режимов нагружения электротехнического оборудования 47
3.1. Общие положения 47
3.2. Методические и методологические основы разработки методов оценки удельных норм 53
3.3. Расчетно-статистические методы 63
Глава 4. Построение модели оперативной оценки динамики изменения параметров электропотребления электротехнического комплекса 75
4.1. Численные методы расчета и прогнозирования норм удельного электропотребления 75
4.2. Энергетический баланс объединения 81
4.3. Модели оперативной оценки динамики изменения параметров электропотребления 89
4.4. Технико-экономическое обоснование работы 95
Заключение 102
Список литературы 104
Приложение №1 116
- Анализ параметров электропотребления электротехнического оборудования
- Математическое моделирование влияния технологических факторов на параметры электропотребления
- Методические и методологические основы разработки методов оценки удельных норм
- Численные методы расчета и прогнозирования норм удельного электропотребления
Введение к работе
Рост объемов электропотребления электротехническим комплексом повышает требования к проблеме эффективности эксплуатации оборудования, так как затраты на любые технические мероприятия по экономии электроэнергии значительно (в 3-5 и более раз) ниже затрат на расширение энергетической базы.
В этой связи возникает необходимость разработки более совершенных методов и алгоритмов оценки параметров энергосбережения с учетом функциональных особенностей электротехнического комплекса. Это позволит за счет рациональной эксплуатации электрических машин, трансформаторов и других элементов системы снизить их электропотребление.
Цели и задачи исследования: Целью работы является снижение электропотребления электротехнического комплекса ОАО «Нижнекамскнефтехим» с использованием методов и алгоритмов адекватного оценивания энергетических параметров элементов системы и разработка расчетно-экспериментальных методов оценки параметров удельных норм электропотребления электрическим оборудованием электротехнического комплекса.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие научно-технические задачи:
1. Исследование энергетических параметров электротехнического оборудования в условиях нестационарных режимов работы.
2. Вероятностно-статистическое моделирование параметров удельных норм электропотребления электротехнического комплекса.
3. Формирование математических моделей, характеризующих функциональную связь параметров удельных норм и объемов производства. Основные положения работы, выносимые на защиту: Основываясь на результатах проведенных аналитических и экспериментальных исследований, сформулированы следующие научные положения, выносимые на защиту:
- многопараметрическая классификация, формируемая на основе факторного пространства, характеризующая условия эксплуатации электрического оборудования электротехнического комплекса;
- обобщенные математические модели, позволяющие с высокой точностью оценить уровень удельных норм;
- аналитические методы расчета базовых удельных норм электропотребления в условиях нестационарных режимов нагружения электротехнического комплекса.
Научная новизна работы. Впервые для расчета удельных норм расхода электроэнергии разработан и отработан в условиях производства алгоритм и методы расчета удельных норм электропотребления с использованием энергетических характеристик электротехнического комплекса в условиях нестационарных режимов загрузки производства.
Практическая ценность. Разработана и внедрена на предприятиях ОАО «Нижнекамскнефтехим» методика нормирования удельных расходов электроэнергии на единицу продукции, основанная на аппроксимировании функций на базе экспериментальных данных методом наименьших квадратов, позволяющая получать адекватные, несмещенные и состоятельные оценки параметров. Показана возможность применения разработанного метода для оперативной оценки и контроля динамики изменения параметров электропотребления промышленного предприятия (цеха) в целом за определенный период времени.
Предложенный метод расчета удельных норм не требует дополнительного расширения сложившейся системы учета. Условный экономический эффект от внедрения удельных норм расхода электроэнергии, рассчитанных по предложенной методике на ОАО «Нижнекамскнефтехим» по данным 2001г., составляет не менее 15,28 МВт-ч. в год.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- международной научно-технической конференции «Энергосбережение - 98», г. Тула, 1998 г.;
- научной конференции научно-технического общества энергетиков Республики Татарстан, г. Казань, 2000 г.;
- ежегодных научно-технических конференциях и семинарах КГЭУ по проблеме энергетики 1997-2004.;
- всероссийском научно-техническом семинаре 26-28 мая 2004 г. «Энергосбережение в электрохозяйстве предприятия» г. Ульяновск
- IV Международной (XV Всероссийской) конференции по «Автоматизированному электроприводу в XXI веке: пути развития», 14-17 сентября 2004 года г. Магнитогорск.
Анализ параметров электропотребления электротехнического оборудования
Для нефтеперерабатывающей промышленности нормы расхода ТЭР подразделяются по процессам на технологические (индивидуальные) и общепроизводственные (групповые). Технологической нормой называется норма расхода топлива, тепловой и электрической энергии, которая учитывает их расход на основные и вспомогательные процессы производства данного вида продукции (работы), расходы на поддержание технологических агрегатов в горячем резерве, на их разогрев и пуск после текущих ремонтов и холодных простоев, а также технически неизбежные потери энергии при работе оборудования технологических агрегатов и установок. Общепроизводственная норма расхода тепловой и электрической энергии по процессам включает технологическую норму, а также отнесенные на производство данной продукции нормативные расходы на вспомогательные нужды производства, ее потери в сетях и преобразователях предприятия [5]. В работе [6], в которой наиболее глубоко рассматриваются вопросы экономии электрической энергии, основные мероприятия разделены на два направления: первое, на ближайшую перспективу, - реализация мероприятий по рациональному использованию и экономии ТЭР, не требующих значительных затрат (совершенствование учета и нормирования ТЭР, повышение роли экономического стимулирования, замена и модернизация устаревшего энергетического и технологического оборудования и т.п.); второе - внедрение новых энергосберегающих технологий, реконструкция действующих производств и т.д. [7, 8]. Для реализации второго направления необходимо проведение системного анализа режимов энергопотребления промышленного предприятия, наиболее полно отраженного в [9]. В частности, системный анализ режимов электропотребления предполагает проведение комплексного анализа функционирования всей иерархической структуры топливно-энергетического комплекса с учетом влияния региональных, временных и технологических факторов. Для решения подобных задач используются современные экономико - математические методы с учетом достаточной достоверности и качества получаемой информации, детального анализа технологических факторов анализируемой системы, выбора основных приоритетных направлений при формировании целей исследования. Анализируя энергетическое хозяйство промышленного предприятия как сложную систему, целесообразно рассматривать функционирование отдельных элементов данной системы в их взаимосвязи. В частности, данное требование необходимо обязательно учитывать и при выборе условий нормирования, учете электропотребления, формировании рациональных графиков электрической нагрузки и т.п. [10, 11].
Основные проблемы энергосберегающей политики на современном этапе можно решать в двух направлениях: первое, стратегическое, основанное на системном подходе к решению рассматриваемой проблемы, включает в себя главные вопросы технической политики, решаемые на уровне региональных правительств, министерств и ведомств, и требует значительных капитальных вложений; второе, тактическое, решаемое на уровне объединений, предприятий, не требует больших затрат на разработку энергосберегающих мероприятий, экономический эффект от внедрения которых может быть получен в ближайшее время [12].
В настоящее время все в большей степени возрастает актуальность второго направления [13]. Кроме того, нормы расхода ресурсов все больше будут выступать как расчетные показатели при реализации своей основной функции - определение потребления ресурса. Поэтому в [14] выделяются две группы показателей эффективности энергоиспользования. Первая - показатели энергосбережения, формирующиеся путем сопоставления ожидаемых затрат с результатами, полученными на основе обобщенных энергозатрат. При этом индивидуальные нормы и соответствующие им удельные энергозатраты по технологическим объектам используются для сравнительного анализа энергоэкономичности производства одноименной продукции различными технологическими способами. Групповые же нормы служат для комплексной оценки эффективности использования энергии в целом по хозяйственному объекту [15].
Состав второй группы показателей эффективности энергоиспользования, как утверждают авторы [14], изучен еще недостаточно, как и проблема воздействия энергопотребления на интенсификацию производства. Поэтому в качестве основы формирования этих показателей предлагается принять полезную работу, как энергетическую меру результатов производства. Даже краткий анализ, приведенный выше, позволяет отметить, что существующая система нормирования электроресурсов, основанная на действующих методических доку-ментах, применительно к существующим технологическим процессам и оборудованию, работающим в нестационарном режиме и в условиях электронасыщенного производства не учитывает в полной мере экономической целесообразности и специфики изменений, связанных с внедрением научно-технического прогресса, и на их основе дальнейшей интенсификации производства. На наш взгляд, предложенная нами методика расчета удельных энергозатрат [65, 66] в значительной степени восполняет пробел в нормировании подобных производств.
Математическое моделирование влияния технологических факторов на параметры электропотребления
В 1998 г. произошла структурная перестройка, которая изменила внутреннее содержание некоторых заводов, но она практически не повлияла на состояние энергетического комплекса объединения. ОАО является крупнейшим потребителем энергоресурсов, в том числе и электрических: годовое потребление электрической энергии в настоящее время перешагнуло рубеж 2,0 Гвт-ч., на предприятии установлено более 25 тыс. электродвигателей и электроаппаратов, что делает данный объект электронасыщенным.
В диссертации были собраны, проанализированы, обобщены и сделаны выводы по теме работы на базе основных электротехнических и технико-экономических показателей указанных выше предприятий за 1994 - 2003 г г. В ряде случаев контрольными были данные работы заводов за 1988 г., когда объединение в целом работало в режиме, близком к проектным заданиям.
Данная глава посвящена вопросам аналитического моделирования процессов влияния производственных факторов на расход электроэнергии. Математическое моделирование предусматривает использование для исследования системы совокупности математических соотношений (формул, уравнений, неравенств, логических условий, операторов и т.д.), определяющих структуру системы и описывающих ее поведение. Математическая модель реальной системы электропотребления является формально описанным объектом, изучение которого возможно математическими методами. Формализованная математическая модель отображает наиболее существенные закономерности изучаемого процесса, происходящего в реальной системе. Успешность решения задач анализа систем зависит в первую очередь от полноты аналитического описания поведения всей системы в целом. В соответствие с этим возможны следующие основные способы использования математических моделей для систем электроснабжения и электропотребления: - аналитическое исследование; - исследование с помощью численных методов; - моделирование на вычислительных машинах. Проведение аналитического исследования предполагает наличие достаточно полного и точного аналитического описания эволюции системы в целом.
Исследование процессов в реальной системе электроснабжения при помощи численных методов находит более широкое применение, особенно в связи с интенсивным внедрением быстродействующей вычислительной техники. Содержание работы при численном исследовании процессов, происходящих в системе электроснабжения, остается в основном тем же, что и при использовании аналитических методов.
Анализ производственных характеристик объекта невозможен без установления конкретных критериев оценки его показателей. Одним из важнейших , как указывалось в главе 1, является удельный расход электроэнергии. Изучение его свойств показывает, что он может влиять на основные результаты производственного процесса -себестоимость выпускаемой продукции и конкурентоспособность, энергосбережение и др.
На удельный расход электроэнергии существенное влияние оказывают как внутренние, так и внешние условия производства.
На практике внутренние факторы зависимости могут быть разделены на две группы: факторы, не зависящие от работы производственного персонала, и наоборот, зависящие от него. Например, к независящим факторам могут быть отнесены: заданная температура и длительность процесса разделения продуктов нефтепереработки, тип и производительность компрессора и заданное конечное давление воздуха - при производстве сжатого воздуха.
Зависящими факторами можно считать: степень загрузки рабочего объема технологического оборудования, длительность загрузки, длительность горячих и холодных простоев оборудования, сокращение межоперационных холостых ходов электротехнических и технологических агрегатов.
Общими факторами для всех заводов объединения, влияющими на расход электроэнергии, остаются: техническое состояние электроприемников и другого оборудования и режимы их работы, строгое соблюдение заданного режима технологического процесса.
Внутри объединения на каждом заводе могут быть специфические условия, влияющие на удельные расходы электроэнергии.
К ним можно отнести: различные условия производства, методы эксплуатации технологического и электротехнического оборудования, принятые технологические схемы переработки сырья (одно-, двухстадийные процессы, тип катализатора и т.п.), технический уровень оборудования и многое другое. Эти условия приводят к различным удельным расходам электроэнергии на производство одного и того же вида продукции на разных заводах объединения или даже внутри одного предприятия.
Методические и методологические основы разработки методов оценки удельных норм
Методологические подходы к формированию норм в основном обусловлены общей методологией разработки планов и в какой-то мере особенностями нормируемого ресурса. Известны два различных принципа формирования плановых показателей - их автономная разработка на каждом уровне планирования для перспективных планов и последовательное агрегирование показателей годовых планов снизу доверху,
В практике планирования находят применение также два разных способа установления показателей: непосредственное их определение прямым счетом для планируемых условий производства; 2) расчет от фактически достигнутого уровня, от какой - то «базы» [45],
Опыт нормирования показывает, что расчет норм «от базы»г т.е. от фактически достигнутого уровня удельных расходов ресурса, чаще всего дает менее обоснованные результаты по сравнению с результатами прямого расчета норм на планируемый год. Однако это не значит, что при установлении норм расхода топлива, тепловой и электрической энергии на планируемый год можно не учитывать достигнутый уровень фактических удельных расходов. Такой подход в нормировании означал бы отрыв планируемых показателей от реальной действительности. Поэтому обязательный учет в нормах фактически достигнутых удельных расходов ресурсов следует считать одним из методологических принципов нормирования и методы разработки норм должны обеспечивать в той или иной степени реализацию этого принципа.
Общепринято считать, что в практике нормирования в настоящее время установились три метода определения норм удельного расхода электроэнергии на производство единицы продукции; расчетно - аналитический, опытный и статистический. Отдельные исследователи опытный метод расчета называют расчетно - экспериментальным, а расчетно - аналитический - просто расчетным. Считается, что первые два метода позволяют наиболее обосновано и полно определять необходимую величину расхода электроэнергии на производство единицы продукции,
Расчетно - аналитический метод предусматривает определение норм расхода топлива, тепловой и электрической энергии расчетным путем по статьям расхода на основе прогрессивных показателей использования этих ресурсов в производстве, В свою очередь расчетно - аналитический метод разделяют, как мы видим, по способу расчета на два вида: нормативный при прямом счете и при расчете «от базы».
Опытный или расчетно - экспериментальный метод разработки норм основан на определении удельных затрат электрической энергии по данным, полученным в результате испытаний (эксперимента). Рекомендуется для разработки индивидуальных норм.
Статистический метод определения норм удельного расхода электроэнергии заключается в установлении удельной нормы по отчетно - статистическим данным о фактическом расходе электроэнергии, на основе анализа динамики фактических удельных расходов за предыдущий период с учетом технических изменений, прошедших в производстве продукции.
На ОАО «Нижнекамскнефтехим» приняты для учета удельного расхода электроэнергии так называемые технологические нормы, учитывающие потребление энергоресурса на одну тонну производственного продукта (каучука, бензола, стирола и т.д.). Такой подход определяется в первую очередь тем, что на предприятиях объединения электроэнергия используется, как правило, непосредственно на технологию и в особо энергоемких агрегатах и процессах, В технологическую удельную норму включаются все затраты электроэнергии на отдельный технологический процесс, затрачиваемые на физико-химические процессы производства, а также на потери в технологическом и энергетическом оборудовании, применяемом в данном технологическом процессе (электрические, тепловые, механические и др.).
Общецеховые нормы включают в себя весь расход электроэнергии по технологическим нормам, установленным в цехе для энергоемких агрегатов и все другие затраты, имеющие место в цехе как на основные и вспомогательные технологические процессы, так и на вспомогательные и подсобные нужды цеха, в том числе на освещение, вентиляцию, внутрицеховой транспорт, потери во внутрицеховых сетях, трансформаторах и преобразователях. Общецеховые нормы устанавливаются как для производственных, так и вспомогательных цехов предприятия
Общезаводская норма включает в себя весь расход электроэнергии по цеховым нормам и расход на общезаводские вспомогательные, технологические и подсобные нужды, а также на освещение, отопление, вентиляцию, межцеховой, общезаводской транспорт, потери энергии в общезаводских сетях и все другие расходы, связанные с производственной деятельностью предприятия.
Численные методы расчета и прогнозирования норм удельного электропотребления
Показанные выше условия аппроксимации, основанные на разработанном алгоритме, решаемом методом наименьших квадратов как обеспечивающем высокую устойчивость алгоритма на ЭВМ, заложены в рабочую программу компьютера В процессе работы исходные значения ; в нашем случае значения удельных расходов электроэнергии (со) и отвечающие им объемы производства продукции (П), выбираются пользователем и выдаются на экран монитора в виде точек. Параметры интерполирующей функции выводятся на экране справа от графика.
Результирующая функция зависимости удельного расхода электроэнергии от объема производства продукции выражается экспоненциальным уравнением в системе координат и описывается кривой аппроксимации на экране монитора.
Собственно, нахождение искомой (СО) - нормы удельного расхода электроэнергии сводится к решению уравнения (4.1) для заданного (планово - расчетного) объема производства (П) с учетом найденных коэффициентов аппроксимации a0,ai
Значения коэффициентов регрессии ao,ai. полученные методом наименьших квадратов, оказываются наилучшими и в случае отклонения от нормальности. Так, если проверяется гипотеза о линейной регрессии, то (4.3) где п и а - средние арифметические значения Пи со со и оценка q{co) = а0 + ах{о) будет несмещенной для q(co), а ее дисперсия будет меньше, чем дисперсия любой другой линейной оценки. В табл. 4.1 на рис. 4.1-4.3 приведены сведения по фактическим удельным расходам электроэнергии и объемам производства ряда продуктов заводами ОАО «Нижнекамскнефтехим» за 1994 -1998 г г. и данные по прогнозируемым объемам производства этих продуктов в 1999 г. (ПІ). Изложенным выше методом аппроксимации и путем решения уравнения (4.1) определены нормы удельного расхода электроэнергии на 1999 г. (см. Приложение табл. 9) по каждому из приведенных 16 -ти продуктов. Анализируя итоговые результаты расчета удельных норм расхода, показанные на рис. 4.1 - 4.3 и табл. 1, можно отметить ряд выводов: - подтверждено, что между удельным расходом электроэнергии и объемом производства имеется линейная зависимость: с ростом выпуска товарной продукции расход электроэнергии на расчетную единицу снижается (рис. 4.1 -4.3); - для небольшой группы продуктов (в нашем случае для этилкарбитола) с увеличением объемов производства имел место рост удельных расходов электроэнергии, что является иррациональным фактом и, видимо, он связан с непредвиденными потерями электроэнергии в производстве; - из рис 4.1 - 4.3 следует, что прогрессивные нормы удельного расхода энергоресурсов остаются только тогда, когда, расчетные объемы производства превышают ранее достигнутые показатели и, наоборот, при сокращении выпуска продуктов против достигнутых объемов расчетные нормы удельного расхода электроэнергии растут. Проведенный анализ связи между расчетными по предложенному способу нормами удельного расхода электроэнергии и фактически достигаемыми значениями расхода дал для большинства рассмотренных примеров достаточно высокий коэффициент корреляции (0,6 - 0,76), Таким образом, можно считать, что удельные электрозатраты зависят от сравнительно небольшого числа факторов, в то время как большое число учитываемых и не поддающихся учету явлений существенного влияния на величину нормы не оказывают Это обстоятельство может быть эффективно использовано при формировании норм по расчетно - статистическому методу по предложенной схеме (4.1), Важная особенность этой схемы расчета состоит в том, что модели, построенные по разработанному способу являются моделями управления с обратной связью прогнозируемой нормы расхода с фактическими удельными расходами электроэнергии, что предполагает наличие между ними, как мы видим значительной, корреляционной связи. Математическое выражение модели расчета такой нормы расхода энергоресурса (со) может быть условно представлено как состоящую из составляющих где сот технологическая норма расхода: нт -нормированные нетехнологические расходы; Э3 - общезаводские расходы и потери в заводских (цеховых) сетях и преобразователях. Действительно, при расчете по схеме (4.3) индивидуальной нормы расхода энергоресурса она представляется состоящей как бы из двух частей; аналитически по статьям расхода определяются наиболее энергоемкие элементы производственного процесса, остальные статьи расхода не выделяются, а рассчитываются в целом как статистическая часть нормы. Возвращаясь к сказанному выше, отметим еще раз, что анализируя конкретное производство и рассматривая изменение расхода электроэнергии, как детерминированный или вероятностный процесс целесообразно выбирать соответствующий метод разработки норм электропотребления Расчетно - аналитический и опытный методы определения расхода энергоресурса и его нормирование должны применяться при детерминированном подходе к анализу режимов энергопотребления Эти методы; как видим, будут приемлемы только тогда, когда факторы, формирующие режим работы технологического и электротехнического оборудования, будут вполне определенными и функционально g взаимосвязанными. Во всех остальных случаях целесообразно рекомендовать для расчета удельных электрозатрат использование расчетно статистических методов, например, предложенного нами.
Похожие диссертации на Разработка методов расчета удельного расхода электроэнергии в системе электротехнического комплекса
