СИСТЕМА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
SYSTEM FOR SAVING ENERGY IN ENERGOTECHNOLOGICAL PROCESSES

Изобретение относится к энерготехнологическим процессам (ЭТП), основанным на преобразовании энергии, подаваемой на вход процесса, в продукцию на выходе, и может быть использовано для энергосбережения в этих процессах.
Известно понятие энергосбережения [Российская Федерация. Законы. Об энергосбережении: федер. закон: [принят Гос. Думой 13 марта 1996 г.: одобр. Советом Федерации 20 марта 1986 г.: в ред. Федерального закона от 05.04.2003 N 42-ФЗ]], в соответствии с которым энергосбережение - это реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов.
7
Известна система энергосбережения в энерготехнологических процессах [Пат. 2212746 Российская Федерация, МПК H02J 2/06. Способ контроля и управления энергопотреблением. / Карпов В.Н., Беззубцева М.М., Петров В.Ф.; заявители Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, Карпов В.Н., патентообладатели Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, Карпов В.Н. - №2001118101/09; заявл. 29.06.2001; опубл. 20.09.2003] за счет контроля и управления энергопотребления, в которой: разбивают всю энергетическую систему потребителя по видам энергии на элементы (в качестве которых могут быть энерготехнологические процессы получения продукта, энергетические линии, узлы энергетической сети); устанавливают измерители энергии перед каждым элементом и измеряют энергию на каждом элементе; определяют энергоемкость элементов; минимизируют ее за счет регулирования режимов или замены элементов.
Недостатком этого технического решения является его направленность на статический режим работы системы, отсутствие учета изменения энергоемкости в течение времени, т.е. в динамике.
7
Наиболее близким техническим решением является система управления энергоресурсами [Пат. 2315324 РФ, МПК G01R 11/00. Система управления энергоресурсами. / Лисиенко В.Г.; патентообладатель ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ. - №2006132144/28; заявл. 06.09.2006; опубл. 20.01.2008.], включающая:
объект управления,
блоки определения расходов энергоносителей, сквозных энергозатрат и производительности, при этом выходы объекта управления присоединены к входам блока определения расходов энергоносителей, блока определения сквозных энергозатрат и блока определения производительности;
блоки определения приращений расходов энергоносителей, сквозных энергозатрат и производительности;
блок динамической энергоемкости по расходам энергоносителей;
блок динамической энергоемкости по сквозным энергозатратам;
блок оценки объекта управления по расходу энергоносителей и блок оценки объекта управления по сквозным энергозатратам;
блок монитора-советчика оператора;
блок управления оператора;
блок задатчика моментов времени;
блок автоматизированного управления объектом, при этом выход блока задатчика моментов времени подключен к входам блока определения расходов энергоносителей, блока определения сквозных энергозатрат и блока определения производительности, выходы блока определения расходов энергоносителей, блока определения сквозных энергозатрат и блока определения производительности подключены к входам блоков соответствующих приращений, выходы блока приращения расходов энергоносителей и блока приращения производительности присоединены к входу блока динамической энергоемкости по расходам энергоносителей, выходы блока приращения сквозных энергозатрат и приращения производительности подключены к входу блока динамической энергоемкости по сквозным энергозатратам, выходы блока динамической энергоемкости по расходу энергоносителей, блока динамической энергоемкости по сквозным энергозатратам присоединены соответственно к входам блока оценки объекта управления по расходам энергоносителей и блока оценки объекта управления по сквозным энергозатратам, выходы блоков оценки объекта управления по расходам энергоносителей и сквозным энергозатратам присоединены к входу блока монитора - советчика оператора, выход которого присоединен к входу блока автоматизированного управления объектом.
Недостатками известного технического решения являются следующие.
1. Сложность технической реализации системы управления энергоресурсами;
2. Для функционирования системы требуется наличие оператора;
3. Не предусмотрен контроль внутренних параметров, характеризующих течение процесса (кроме количества подаваемой на входе энергии и количества продукции на выходе);
4. Реакция системы на снижение энергоемкости ЭТП происходит уже после того, как это снижение произошло.
Техническим результатом изобретения является обеспечение энергосбережения в ЭТП. При этом обеспечивается простота технической реализации системы; повышение степени автономности ее функционирования; возможность контроля внутренних параметров, определяющих течение процесса; повышение точности управления системой путем прогноза значения мгновенной энергоемкости по результатам анализа предыдущей динамики изменения энергоемкости.
Указанный результат достигается тем, что система энергосбережения в ЭТП включает
объект управления;
блок автоматизированного управления объектом;
поток энергоносителя и поток производимой продукции;
блоки определения расхода энергоносителя и производительности,
при этом поток энергоносителя является первым входом блока автоматизированного управления объектом, выход блока автоматизированного управления объектом присоединен ко входу блока определения расхода энергоносителя, выход блока определения расхода энергоносителя присоединен ко входу объекта управления, первый выход объекта управления присоединен к входу блока определения производительности, выходом блока определения производительности является поток производимой продукции;
блок задатчика моментов времени, выход которого подключен ко вторым входам блока определения расхода энергоносителей и блока определения производительности;
блоки определения мгновенных значений расхода энергоносителя и производительности, при этом выход блока определения расхода энергоносителя подключен ко входу блока определения мгновенных значений расхода энергоносителя, а выход блока определения производительности подключен ко входу блока определения мгновенных значений производительности;
блок определения мгновенного значения энергоемкости, при этом выходы блока определения мгновенных значений расхода энергоносителя и блока определения мгновенных значений производительности присоединены к первому и второму входам блока определения мгновенного значения энергоемкости;
блок определения характеризующего процесс параметра, при этом его вход подключен ко второму выходу объекта управления, а выход подключен к третьему входу блока определения мгновенного значения энергоемкости;
блок прогноза энергоемкости, при этом выход блока определения мгновенного значения энергоемкости подключен ко входу блока прогноза энергоемкости;
блок принятия решения, при этом выход блока прогноза энергоемкости подключен ко входу блока принятия решения, выход которого подключен ко второму входу блока автоматизированного управления объектом.
Новыми существенными признаками является то, что система дополнительно снабжена блоками определения мгновенных значений расхода энергоносителя и производительности, при этом выход блока определения расхода энергоносителя подключен ко входу блока определения мгновенных значений расхода энергоносителя, а выход блока определения производительности подключен ко входу блока определения мгновенных значений производительности;
блоком определения мгновенного значения энергоемкости, при этом выходы блока определения мгновенных значений расхода энергоносителя и блока определения мгновенных значений производительности присоединены к первому и второму входам блока определения мгновенного значения энергоемкости;
блоком определения характеризующего процесс параметра, при этом его вход подключен ко второму выходу объекта управления, а выход подключен к третьему входу блока определения мгновенного значения энергоемкости;
блоком прогноза энергоемкости, при этом выход блока определения мгновенного значения энергоемкости подключен ко входу блока прогноза энергоемкости;
блоком принятия решения, при этом выход блока прогноза энергоемкости подключен ко входу блока принятия решения, выход которого подключен ко второму входу блока автоматизированного управления объектом.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
х
х
Q
На фиг.1 показана зависимость (в отн.ед.) количества производимой продукции Р и энергоемкости ЭТП ε от характеризующего процесс параметра X, т.е. функции Р и ε, а также зависимость параметра X от величины подводимой энергии Q, т.е. функция Х.
Логистическая цепочка: величина подводимой энергии (Q) - характеризующий процесс параметр (X) - количество продукции (Р), характерна для многих ЭТП, особенно в сельском хозяйстве.
Примером могут служить следующие ЭТП. В агрономии: затраты на внесение удобрений (Q) - создаваемая в почве концентрация активного элемента (X) - урожайность выращиваемых культур (Р). В животноводстве: энергия на создание микроклимата (Q) - температура воздуха в животноводческом помещении (X) - продуктивность животных (Р). В светокультуре: энергия на создание радиационного режима в теплице (Q) - облученность в теплице (X) - урожайность облучаемых растений (Р).
Q
х
Пример 1. Для условий светокультуры определены численные значения энергии, затрачиваемой на создание радиационного режима в теплице (Q), создаваемая при этом облученность в теплице (Х) и соответствующая урожайность облучаемых растений (Р), представленные в табл.1.
Значения энергоемкости ЭТП облучения рассчитаны по формуле
Таблица 1
Численный пример показателей ЭПП для светокультуры, отн.ед.
Q
Х<sub>Q</sub>
Р<sub>х</sub>
ε<sub>х</sub>
3
10
20
0,15
5
20
40
0,13
10
30
50
0,20
18
40
35
0,51
х
x
По представленным численным значениям построены графики, представленные на фиг.1. Анализ графиков показывает, что при увеличении количества затрачиваемой энергии растет значение величины облученности, что (до некоторых пределов) приводит к росту урожайности облучаемых растений, при этом оптимум урожайности соответствует точке «А» (максимум на кривой зависимости урожайности от облученности Р). Однако с точки зрения энергозатрат оптимальным является режим, соответствующий точке «В» (минимум энергоемкости процесса облучения в зависимости от создаваемой облученности ε). Таким образом, задачей энергосберегающего алгоритма регулирования ЭТП является поддержание минимального значения энергоемкости в любой момент времени.
i+1
i-2
i-1
i
i
i
На фиг.2 показан принцип прогноза значения энергоемкости ε для следующего момента времени i+1 по результатам по крайне мере трех измерений мгновенного значения энергоемкости: в двух предшествующих моментах времени ε, ε и текущий момент времени ε. Для выполнения прогноза необходимо найти функцию зависимости энергоемкости ε от параметра X в различные моменты времени, т.е. функцию ε. Решение этой задачи может быть получено методом наименьших квадратов (МНК) путем аппроксимации функции ε, например, квадратичной параболой вида
где а, b, с - искомые постоянные коэффициенты.
С помощью полученного уравнения производится прогноз величины энергоемкости в следующий момент времени.
Пример 2. Получены следующие значения мгновенной энергоемкости, представленные в таблице 2.
Таблица 2
Численный пример значений мгновенной энергоемкости, отн. ед.
i
Показатель
Значение
0
ε<sub>i-2</sub>
11
1
ε<sub>i+1</sub>
6
2
ε<sub>i</sub>
3
Обработка данных таблиц по МНК позволяет описать тренд изменения энергоемкости квадратичной параболой
i
2
ε=i-6i+11.
i+1
Прогноз значения энергоемкости на следующий момент времени дает величину ε=2. Это меньше, чем текущее значение энергоемкости, значит, минимум энергоемкости еще не достигнут и следует увеличить энергозатраты.
i+1
i
Если прогнозируемое значение энергоемкости на следующий момент времени ε больше, чем текущее значение энергоемкости ε, значит, минимум энергоемкости достигнут и энергозатраты следует зафиксировать на текущем уровне.
На фиг.3 показана структурная схема системы энергосбережения в энерготехнологических процессах. Она содержит: блок автоматизированного управления объектом 1; блок определения расхода энергоносителя 2; объект управления 3; блок определения производительности 4; блок задатчика моментов времени 5; блок определения характеризующего процесс параметра 6; блок определения мгновенных значений расхода энергоносителя 7; блок определения мгновенного значения энергоемкости 8; блок определения мгновенных значений производительности 9; блок прогноза энергоемкости 10; блок принятия решения 11, а также включает в себя поток энергоносителя Q и поток производимой продукции Р.
Система работает следующим образом. На вход объекта управления 3, под которым подразумевается любой ЭТП, через блок автоматизированного управления объектом 1 и блок определения расхода энергоносителя 2 подается поток энергоносителя Q. Результатом ЭТП является производство продукта, количество которого в виде потока производимой продукции Р проходит через блок определения производительности 4. На выходе блока 6 формируется значение характеризующего процесс параметра X.
Q
Х
Х
i
i
Задатчик моментов времени 5 с некоторым интервалом (величина которого определяется скоростью изменения зависимостей X, Р и ε) выдает метки времени, в соответствии с которыми изменяется количество подаваемого на объект управления энергоносителя, а в блоках 7 и 9 вычисляются соответственно мгновенные значения расхода энергоносителя Q и мгновенные значения производительности P.
i
i+1
В блоке 8 производится определение мгновенного значения энергоемкости ε в заданные моменты времени при текущем значении характеризующего процесс параметра X. В блоке 10 по результатам анализа динамики изменения энергоемкости до текущего момента времени производится прогноз ее значения ε на следующий момент времени. В блоке 11 производится принятие решения о необходимости изменения количества подаваемого на объект управления энергоносителя. Соответствующий сигнал подается на через блок автоматизированного управления объектом 1.
Пример 3. Система энергосбережения реализуется в светокультуре. Объектом управления (блок 3) является ЭТП облучения растений в теплице. Техническое средство, соответствующее этому ЭТП, - облучательная установка. На вход облучательной установки, через блок автоматизированного управления 1 и блок определения расхода энергоносителя 2 подается электроэнергия Q. Результатом ЭТП является продуктивность облучаемых растений Р, которая фиксируется блоком 4. На выходе блока 6 формируется значение определяющего процесс параметра X - облученности растений.
i
i
Задатчик моментов времени 5 с некоторым интервалом выдает метки времени, в соответствии с которыми изменяется количество подаваемой на облучательную установку электрической энергии, а в блоках 7 и 9 вычисляются соответственно мгновенные значения расхода электроэнергии Q и мгновенные значения продуктивности растений Р.
i
В блоке 8 производится определение мгновенного значения энергоемкости в те же моменты времени при текущем значении облученности, т.е. значений функции ε в заданные моменты времени.
Численный пример мгновенных значений формируемых и измеряемых параметров приведен в таблице 3.
Таблица 3
Численный пример мгновенных значений показателей ЭТП для светокультуры, отн. ед.
i
Q<sub>i</sub>
X
Р<sub>i</sub>
ε<sub>i</sub>
0
10
10
1.7
6
1
30
20
10
3
2
60
30
30
2
В блоке 10 по результатам анализа динамики изменения энергоемкости до текущего момента времени производится прогноз ее значения на следующий момент времени.
Для численного примера из таблицы 3 обработка данных по МНК позволяет описать тренд изменения энергоемкости квадратичной параболой
i
2
ε=i-4i+6.
i+1
Прогноз значения энергоемкости на следующий момент времени дает величину ε=3.
В блоке 11 производится принятие решения о необходимости изменения количества подаваемой на облучательную установку электроэнергии.
i+1
i
Поскольку прогнозируемое значение энергоемкости ε=3 больше, чем текущее значение энергоемкости ε=2, то минимум энергоемкости достигнут и энергозатраты следует зафиксировать на текущем уровне.
Соответствующий сигнал подается на через блок автоматизированного управления 1.
Применение данной системы обеспечивает энергосбережение в ЭТП при простоте технической реализации системы, повышении степени автономности ее функционирования, возможность контроля определяющих течение процесса внутренних параметров и точности управления системой.