Метод оценки энергоэффективности оборудования систем энергообеспечения предприятий агропромышленного комплекса

на 30%, выход сухого вещества с одного растения увеличивается на 33%, удельные затраты электроэнергии снижаются на 12%, экономия электроэнергии на облучение составляет 34%.

Литература

1. Smith Н. Light quality, photoperception, and plant strategy / Annu. Rev. Plant Physiol. -1982. -v.33.- p. 481-518.

2. Kim H. H., Wheeler R. M., Sager J. C. et al. Evaluation of lettuce growth using supplemental green light with red and blue light-emitting diodes in a controlled environment: a review of research at Kennedy Space Center //Acta Horticulturae. - 2006, vol. 711, p. 111-119

3. Shinomura Т., Uchida K, Furuya M. Elementary processes of photoperception by phytochrome A for high-irradiance response of hypocotyl elongation in Arabidopsis. Plant Physiol. -2000-v.122. - p. 147-156.

4. Nanya K., Ishigami Y., Hikosaka S., Goto E. Effects of blue and red light on stem elongation and flowering of tomato seedlings. Acta Horticulturae - 2012.-v.956.-p. 261-266.

5. Ракутько С.А. Спектральные отклонения и энергоемкость процесса облучения растений // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2008. - № 10. -С. 156-160.

6. Ракутько Е.Н., Ракутько С.А. Сравнительная оценка эффективности источников излучения по энергоемкости фотосинтеза // Инновации в сельском хозяйстве.-2015. -№2 (12).-С. 50-54.

7. Atherton J. G., Rudich J. The tomato crop. A scientific basis for improvement. - London, New York, 1986.-661 p.

8. Агрофирма Поиск [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://online.semenasad.ru (дата обращения 11.04.16).

УДК 662.6

Аспирант B.C. КАРАБУТА

МЕТОД ОЦЕНКИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО

КОМПЛЕКСА

Энергоэффективность, энергоустановка, теплосиловая установка, паротурбинная установка, методы термодинамического анализа, эксергия, эксергетический анализ, тепловой баланс, эксергетический баланс, коэффициент полезного действия

В связи санкциями и закрытием внутреннего рынка аграрной продукции в России, правительство дало сильный импульс развитию и модернизацией аграрным предприятиям страны. Разработанная концепция развития энергетического комплекса сельского хозяйства в соответствии с "Основными положениями энергетической стратегии России на период до 2030 г." устанавливает приоритетом повышение эффективности использования энергии в народном хозяйстве и определяет направления развития электрификации и энергетики отрасли на период до 2020 года. Стратегической задачей является формирование направлений развития энергетической базы сельского хозяйства, которые в максимальной степени способствуют эффективности сельхозпроизводства, росту его продуктивности и созданию комфортных условий жизни в сельских районах.

Сельская энергетика, являясь базой функционирования всех отраслей, обеспечивая электро-, холодо- и теплоснабжением производства и развитие социально бытовой сферы в сельских

районах, оказывает прямое влияние на экономику сельскохозяйственного сектора и условия жизни населения районов.

Последние годы характеризуются как ростом производства сельскохозяйственной продукции, так и ростом потребления и производства энергии. Наряду с распространением энергозатратных технологий и устаревшей техники отсутствуют организационные и экономические механизмы реализации мероприятий по энергосбережению. С учетом прогнозных показателей развития энергообеспечения на период до 2020 года можно ожидать увеличение потребности в электроэнергии в 1,5 раза, и коммунально-бытовой нагрузки - в 2 раза. При увеличении производственных мощностей планируется увеличение нагрузки на электрические, тепловые сети и оборудование объектов ЖКХ и социальной сфер. В то же время, оборудование объектов системы энергообеспечения предприятий АПК имеет чрезвычайно большой износ, составляющий для электрических систем более 25 %, для тепловых систем - более 30%.

Приведенные обобщенные оценки ставят перед сельской энергетикой краеугольную задачу уменьшения энергоемкости продукции, увеличения энерговооруженности труда и обеспечения надежности энергоснабжения. Надежность, энергобезопасность и эффективность систем энергообеспечения потребителей АПК являются важнейшими факторами, оказывающими влияние на экономические показатели Российской Федерации и связанными со своевременным и качественным обеспечением технического обслуживания, планово-предупредительным ремонтом.

Поэтому наряду с совершенствованием систем энергоснабжения, созданием сетей нового поколения особое значение имеет разработка мероприятий по совершенствованию методов оценки энерогоэффективности работы энергокомплекса АПК с целью определения и увеличения показателей надежности объектов электроснабжения, выявления и локализации (для последующего ремонта и реконструкции) повреждений оборудования, участков с повышенными тепловыми потерями, оценки величины сверхнормативных тепловых потерь объектов теплоэнергетики и теплоснабжения, ограждений зданий производственного назначения, жилищно-коммунальной и социальной сфер. Актуальным является освоение и реализация системы повышения энергоэффективности и обеспечения сбережения энергоресурсов как для экономики страны в целом, так и для аграрно-промышленного комплекса в частности.

В настоящее время складывается научное направление, в котором разрабатываются теоретические основы энергосбережения и энергоэффективности, а также накапливается опыт их практического внедрения. Основой данного научного направления является термодинамический анализ существующих или проектируемых систем, разработка тепловых схем на его основе, оптимизация параметров, интенсификация процессов теплопередачи и разработка новых энергоэффективных типов теплоэнергетического оборудования. При этом одним из основных вопросов является сравнительный анализ проектных и технических решений, проводимый по определенным термодинамическим показателям. Поэтому правильный и рациональный выбор метода анализа энергетических потерь в системах теплоэнергетики является залогом успешного решения поставленной задачи.

В настоящее время наиболее распространенным методом анализа является метод тепловых балансов, основанный на применении первого закона термодинамики. При расчете по этому методу составляются энергетические (тепловые) балансы, на основании которых определяются термодинамические показатели работы тепловых систем. Вместе с тем, являясь частным случаем закона сохранения массы и энергии, первый закон термодинамики не может дать ответа о степени термодинамического совершенства как отдельного элемента, так и всей теплоэнергетической системы. Причиной этого является свойство энергии оставаться постоянной величиной в замкнутой системе, т.е. она не может создаваться или уничтожаться. В силу этого метод тепловых балансов может выявлять лишь потери энергии через границы замкнутой системы. При таком подходе уже возникают некоторые неудобства по определению критериев энергоэффективности. Например, для теплового двигателя мерой

термодинамических потерь можно считать термический КПД ср , определяемый из соотношения

где 0} - теплота, подведенная к рабочему телу от горячего источника, и О-, теплота, отведенная от рабочего тела к холодному источнику.

По определению, кпд всегда меньше единицы. А вот, например, для холодильной установки таким критерием является холодильный коэффициент, для теплового насоса -коэффициент трансформации. Оба эти коэффициента больше единицы и не могут служить критерием термодинамического совершенства теплоэнергетического оборудования.

Исследования термодинамической эффективности и выбор разрабатываемого перспективного энергетического паросилового оборудования с учетом потерь в необратимых циклах [1-5] основываются на базе анализа и сравнения термических коэффициентов полезного действия при использовании либо коэффициента заполнения Т,в - диаграммы рассматриваемого цикла и цикла Карно, принимаемого за «эталон», (в том же диапазоне изменения температур и энтропий), либо на величинах средних температур подвода и отвода теплоты в цикле [9].

Второй метод оценки энергоэффективности теплоэнергетического оборудования основам на анализе потерь работоспособности рабочего тела в цикле (эксергетический метод).

Эксергия - максимальная работа, которая может быть совершена при обратимом переходе какой-либо термодинамической системы из состояния с заданными параметрами в состояние равновесия с окружающей средой [6]. Кроме того, эксергия является мерой, учитывающей качество энергии. Потеря работоспособности определяется выражением

где То - температура окружающей среды, а ДБ - изменение энтропии рассматриваемой системы.

Эксергетический метод позволяет учитывать различную ценность источников энергии или энергетических процессов в зависимости от параметров окружающей среды, составлять приходно-расходные балансы различных по своей физической природе видов энергии, количественно и качественно их сравнивать, определять необратимые потери в рабочих процессах, принимать режимные и конструктивные меры для снижения необратимых потерь или их недопущения.

Оценка эффективности энергетических процессов осуществляется на основе эксергетических балансов, отражающих равенство подведенной к системе эксергии и отведенной от нее эксергии и потерь.

Для составления эксергетического баланса необходимо знать технологическую схему установки или системы со всеми входящими и выходящими потоками вещества и энергии и их термодинамические параметры.

7= (0\~Яг) 0

I >

ЛЬ = ТоАБ,

К

у

Рис. 1. Схема эксергетических балансов системы

Для системы эксергетический баланс может быть записан в виде:

2 ^ ах. X &вых. 2 пот. э

гДе И евх. ~ суммарная эксергия на входе, включающая эксергии вещества, энергетических потоков, теплоты, топлива и т.д.; У ееш - суммарная эксергия на выходе и И епот. - суммарная эксергия потерь.

Важнейшим показателем энергоэффективности системы является эксергетический кпд, представляющий собой отношение полезно усвоенной эксергии к затраченной:

Иеполезн. Т,езатр.~Т,епот.

Че=Те-=-Те-'

¿-1 сзатр. ¿-1 сзатр.

К основным этапам эксергетического анализа и принятия решений относятся:

анализ всех энергоресурсов и энергоносителей, в т.ч. вторичных, в пределах одного технологического процесса и определение их термодинамических параметров; определение потерь эксергии на всех этапах преобразования и использования энергии во всех элементах технологических схем;

определение эксергетических показателей технологических процессов и степени термодинамического совершенства технических систем, установок, аппаратов по проектным и эксплуатационным данным;

оптимизация схемных решений и термодинамических параметров технологических процессов, агрегатов и систем. Основные зависимости для расчета эксергии Удельная эксергия вещества в объеме:

^ =

где и, 5 и V - внутренняя энергия, энтропия и удельный объем рабочего тела; и0,50,р0,У0 - внутренняя энергия, энтропия, давление и удельный объем при температуре окружающей среды Т0 соответственно. Эксергия вещества в потоке:

е„, = ц -Г0

где q - удельный тепловой поток, переносимый рабочим телом Эксергия химического источника энергии:

=

где (}свг - высшая теплота сгорания топлива; К - коэффициент, зависящий от вида топлива.

Например, для генераторного газа К=0, 97, для коксового газа К= 1,0 , для природного газа К= 1,04 [3 ].

Для твердых топлив эксергия определятся как

ех =

где ж- влагосодержание. Эксергия теплового потока:

е = ч{ 1-у),

выражение — иногда называется эксергетической температурой.

Таким образом, эксергетический анализ позволяет выявить наиболее слабые элементы теплосиловой установки с точки зрения энергоэффективности и определить меры и конструкторские решения по повышению их термодинамического совершенства. Вместе с тем эксергетический метод анализа имеет и недостатки. В частности, с его помощью достаточно сложно определять связи между эксергетическим кпд сложной системы и эксергетическими кпд ее элементов. Определение кпд системы как произведение кпд входящих в нее элементов будет истинно только для достаточно простых систем без промежуточных отводов и подводов эксергии в отдельных элементах теплосиловой установки.

Рассмотрим особенности, достоинства и недостатки эксергетического метода определения энергоэффективности конкретной теплоэнергетической системы по сравнению с традиционным (энтальпийным) методом тепловых балансов. В качестве примера рассмотрим тепловую конденсационную электростанцию (ТЭС), работающую по циклу Ренкина. Схема паротурбинной установки (ПТУ) приведена на рис. 1.

КА - котлоагрегат; Т - паровая турбина; Г - электрогенератор; К - конденсатор; ПН - питательный насос; ЭК - экоиомайзериый участок КА; ИСП - испарительный участок КА; ПЕ - перегревательиый участок КА

Тепловая (Т-Б) диаграмма процессов, происходящих в ПТУ приведена на рис. 2.

Основные процессы, происходящие в ПТУ:

1-2 - снижение параметров перегретого пара (потери) в паропроводе на участке котлоагрегат-турбина;

2-3 - расширение пара в турбине (полезная работа);

3-4 - конденсация пара (отвод тепла в цикле) в конденсаторе;

Рис. 1. Схема ПТУ:

Рис. 2. Тепловая диаграмма «условно реального» цикла ПТУ

4-5 - сжатие рабочего тела питательным насосом;

5-6 - нагревание рабочего тела (подвод тепла) в экономайзере котлоагрегата до температуры насыщения;

6-7 - испарение рабочего тела (подвод тепла) на испарительном участке котлоагрегата;

7-1 - перегрев пара (подвод тепла) на пароперегревательном участке котлоагрегата. Расчет потерь теплоты и эксергии в паротурбинной установке [9] позволил провести

сравнительный анализ двух методов определения энергоэффективности ПТУ.

Теплота топлим

Теплота. о!ааимаа • комаеисяторе

Преарашгтк • адгггро »мгрпоо

Потери а котле Р%

По1гри в

1 паррироаоае

юкри »| \yJmm 0,6? %

Пмсрн в

0.05"

Эксергии (вшюты выделившийся при сгорании топлива

Помезнаи работа - < -- Г4

Рис. 4. Диаграмма тепловых потерь в ПТУ

Рис. 5. Диаграмма потоков эксергии в ПТУ

Сравнительный анализ результатов теплового баланса и баланса эксергии в ПТУ показывает, что основными элементами, влияющими на энергоэффективность установки, являются котлоагрегат и конденсатор. С точки зрения потерь теплоты (что соответствует 1 закону термодинамики), котлоагрегат является весьма совершенным агрегатом с термическим кпд равным 91%. Кажущееся благополучие не вскрывает существо энергетических превращений в рассматриваемой системе и не позволяет правильно обосновать основные направления совершенствования как системы в целом, так и отдельных ее элементов. Вместе с тем с точки зрения потерь эксергии (что обусловлено 2 законом термодинамики), именно в котле теряется 51% всей эксергии, отдаваемой топливом при его сжигании. А ведь именно эксергия характеризует возможность источника энергии к совершению работы. Такой низкий эксергетический кпд котла Г)™ = 0,495 связан в основном с необратимыми потерями при сгорании топлива и теплопередачей от высокотемпературных продуктов сгорания к воде и водяному пару. Таким образом, эксергетический анализ котла показывает пути повышения его термодинамической эффективности за счет схемных и конструктивных решений. Решающим фактором будет уменьшение перепада температур между источником тепла и рабочим телом. Это можно сделать путем увеличения параметров пара, вырабатываемого в паровом котле, схемных решений (регенеративный подогрев конденсата, промежуточный перегрев пара и др.) и применением комбинированных циклов теплосиловых установок (бинарные ПТУ, парогазовые установки, установки с МГД-генераторами и т.д.).

Вторым элементом ПТУ, в котором проявляется противоречие двух подходов к анализу энергоэффективности теплосиловой установки, является конденсатор. Действительно, в конденсаторе отводится большое количество теплоты (56,8%). Однако рабочее тело в конденсаторе отдает низкопотенциальное тепло и, как показывает эксергетический анализ, обладает низкой эксергией (потери эксергии в конденсаторе составляют лишь 3, 59%), что делает его малопригодным к дальнейшему производству работы. Вместе с тем большое

количество отдаваемого низкопотенциального тепла делает перспективным его использование в системах теплоснабжения, теплонасосных системах и др.

Таким образом, эксергетический анализ позволяет выявить наиболее слабые элементы теплосиловой установки с точки зрения энергоэффективности и определить меры и конструкторские решения по повышению их термодинамического совершенства. Вместе с тем эксергетический метод анализа имеет и недостатки. В частности, с его помощью достаточно сложно определять связи между эксергетическим кпд сложной системы и эксергетическими кпд ее элементов. Определение кпд системы, как произведение кпд входящих в нее элементов, будет истинно только для достаточно простых систем без промежуточных отводов и подводов эксергии в отдельных элементах теплосиловой установки.

В настоящее время идеи эксергетического подхода получили определенной развитие в отечественной и зарубежной инжиниринговой практике. На базе теплового (энтальпийного) и эксергетический анализа разработаны методики, основанные на определении энергии или эксергии потоков в исследуемой тепловой системе [7]. Они используются также для построения энергетического или эксергетического баланса объектов, соединяемых этими потоками и позволяющих производить мониторинг этих объектов с точки зрения энергоэффективности, выявлять участки технологических процессов, где имеется потенциал энергосбережения. За рубежом, например, в Нидерландах этот подход используется инженерными подразделениями таких крупных компаний, как Shell, Dow Chemical, Unilever, DSM, AKZO NOBEL и т.д., а также некоторыми крупными инженерными компаниями [8]. По отзывам специалистов, эксергетический анализ позволяет компаниям получить ценную информацию, но требует много времени, кроме того, существует немного доступных данных, с которыми можно было бы сравнивать полученные результаты. Например, недостаток данных затрудняет сравнительный анализ эксергетических кпд. В условиях роста цен на топливо энергетика АПК обращается все к более экономичным технологиям производства энергии. Опыт западных стран и компаний, таких как Каргилл, VION Food Group и другие, показывают, что в рыночных условиях невозможно добиться устойчивого энергоснабжения при существовании энергосистемы с преимущественно со старыми изношенными энергоустановками и сетями. При строительстве и модернизации энергетических комплексов должны проводиться анализы и оценки эффективности оборудования и решений. Эксергетический метод позволяет повысить энергетическую безопасность, диверсифицировать топливно-энергетический баланс аграрного предприятия за счет увеличения использования местных видов топлива и иных видов энергооборудования, что соответствует современным мировым тенденциям энергоэффективности и энергосбережения отросли.

Литература

1. Кириллин В.А. Техническая термодинамика: Учебник для вузов / В.А. Кириллии, В.В. Сычев, А.Е. Шейидлии. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд. Дом МЭИ, 2008. - 495 е.: ил.

2. Юренев В.Н. Теплотехнический справочник; Под общей редакцией В.Н. Юреиева и П.Д. Лебедева. - в 2-х томах, изд. 2-е, перераб. - М.: Энергия, 1976, 897 е.: ил., т. 2, с. 436.

3. Казаков В.Г., Луканин П.В., Смирнова О.С. - Эксергетические методы оценки эффективности теплотехнологических установок: учебное пособие для студентов вузов и аспирантов СПб.: Гос. техиологич. университет растительных полимеров, 2013. - 93 е.: 20 ил.

4. Веретельщик Т.И. Эксергетический анализ химико-техиологических систем // Вестиик Наука, Образование, Общество, Техника / ЧГТУ. - 2008. - № 1. - С. 192-195..

5. Ильин P.A. Алгоритм оценки эффективности при создании и использовании теплоэнергетических установок различных видов // Вестиик АГТУ, серия "Морская техника и технология". - 2010. - № 2. - С. 79-82.

6. Данилов Н.И., Щелоков Я.М. Основы энергосбережения: Учебник - 2-е изд., доп. и перераб. /Под общ. ред. Н.И. Данилова. - Екатеринбург: Изд. дом «Автограф», 2010. - 528 с.

7. Александров A.A. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок. -М.: Издательство МЭИ, 2004. - 158 с.

8. Reference Document on Best Available Techniques for Energy Efficiency, http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/.

9. Лебедев В.А., Дресвянкин B.C., Карабута B.C. Оценка эффективности основных элементов оборудования паросилового цикла тепловой электростанции эксергетическим методом // Молодой ученый. - 2016. - №1. - С. 179-184.

УДК 631.334

Аспирант О.Н. ТЕПЛИНСКАЯ

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТУКОВЫСЕВАЮЩЕГО ПРИСПОСОБЛЕНИЯ КАК ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УДОБРЕНИЙ

Внесение удобрений, экологическая безопасность, припосевной способ, туковысевающее приспособление, модель функционирования, математическая модель

Управление продукционным процессом при интенсивном производстве растениеводческой продукции с помощью широкого использования средств химизации усугубило проблему сохранения экологического равновесия в агроэкосистемах. Во многом это вызвано низкой квалификацией работников, а также конструктивным несовершенством применяемой отечественной техники для выполнения агрохимических и фитосанитарных работ, приводящих к заметному антропогенному химическому загрязнению сельскохозяйственной производственной среды и продовольственной продукции. Поэтому в условиях осуществления интенсификационных процессов в земледелии обеспечение техногенной безопасности машиноиспользования при применении средств химизации приобретает первостепенное значение и требует заметного совершенствования теории безопасности функционирования сельскохозяйственных технологических систем.

Одним из путей решения данной проблемы является осуществление постоянной диагностики состояния сельскохозяйственной производственной среды по отношению к антропогенным загрязнителям [1]. Используя оперативные методы экологического мониторинга качества выполнения работ технологическими системами для применения средств химизации, возможно на ранней стадии прогнозировать нарушения установленных регламентов их функционирования.

Эффективным методом техногенного характера по предубеждению химического загрязнения агроэкосистемы при механизированном внесении удобрений является оснащение машинно-тракторных агрегатов автоматизированными устройствами оперативного контроля экологической безопасности применения агрохимикатов, выполненных в виде бортовых информационно-советующих систем [2].

В современном высокоинтенсивном производстве точное выполнение технологических процессов автоматизированными машинно-тракторными агрегатами обеспечивается на основе использования ГИС-технологий и глобальных навигационных систем [3,4]. Такое оснащение технологических процессов функционирования агрегатов для применения удобрений с использованием припосевного способа позволит в режиме реального времени обеспечить мониторинг хода технологического процесса функционирования туковысевающих приспособлений комбинированных посевных и посадочных машин. На основании результатов такого мониторинга человек-оператор машинно-тракторного агрегата сможет оперативно принимать оптимальные решения для наилучшего выполнения технологического процесса. В случае отклонения объекта контроля (технологического процесса) от правильного функционирования оператор сможет своевременно проводить его поднастройку (восстановление) дистанционно с рабочего места. При дополнительном оснащении машинно-тракторного агрегата устройствами активного контроля поднастройка технологического процесса выполняется автоматически. Оперативное восстановление правильного функционирования объекта контроля в режиме реального времени позволит