Оптимизация энергоснабжения сельскохозяйственных объектов методом математического моделирования структуры энергетических потоков

УДК 631.152 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10006

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТОКОВ

Е.В. Тимофеев, канд. техн. наук; В.Н. Судаченко, канд. техн. наук;

А.Ф. Эрк, канд. техн. наук; В.А. Размук

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия

Сложная структура энергообеспечения сельскохозяйственного производства требует особого подхода к оптимизации системы энергоснабжения. В статье рассмотрен один из вариантов решения этой задачи. Необходимо определить такой вариант использования энергоресурсов, при котором суммарные энергозатраты достигают минимального значения, т.е. какой энергоноситель, и в каком количестве целесообразно использовать для обеспечения отдельной нагрузки. Энергетические потоки представляют собой передаваемую энергию в течение какого-либо промежутка времени. В основном это потоки электрической и тепловой энергии, которые могут быть получены от различных источников. Используя системный подход при выборе решений, в котором объект рассматривается как сложная система, состоящая из множества элементов, провели оптимизацию структуры энергетических потоков. Решение задачи оптимизации осуществляли с помощью аналитических и численных методов. При этом учитывали необходимые в каждом конкретном случае ограничения и соблюдали все условия сопоставимости при сравнении различных вариантов снабжения и использования энергии. Разработанная модель с учетом специфики предприятия и источников энергии реализуется с использованием табличного процессора MSExcel. Для оптимизации структуры энергетических потоков предприятия в программу необходимо закладывать исходные данные всех источников энергии, которые нужно получить на данной территории, в том числе, нетрадиционные. Приведен пример решения модели для одного из хозяйств Ленинградской области.

Ключевые слова: оптимизация, энергосбережение, модель, ВИЭ, экономический эффект.

Для цитирования: Е.В. Тимофеев, А.Ф. Эрк, В.Н. Судаченко, В.А. Размук. Оптимизация энергоснабжения сельскохозяйственных объектов методом математического моделирования структуры энергетических потоков // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 1 (94). С 48-55.

OPTIMISATION OF POWER SUPPLY OF AGRICULTURAL FACILITIES BY MATHEMATICAL MODELING OF POWER FLOWS STRUCTURE

E.V. Timofeev, Cand. Sc. (Engineering); A.F. Erk, Cand. Sc. (Engineering);

V.N. Sudachenko, Cand. Sc. (Engineering); V.A. Razmuk

Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production" (IEEP), Saint Petersburg, Russia

Complex structure of energy supply in agricultural production requires a special approach to optimization of the relevant supply system. The article considers an optimization option of this task. It is

necessary to find such a variant of energy resources use, under which the total energy consumption reaches a minimum value, i.e. to determine, what energy carrier and in what amount should be used to meet each individual demand. Energy flows are defined as the transmitted energy within a certain period. These are mainly the flows of electric and thermal energy generated by different sources. The structure of energy flows was optimized with a systematic approach to the choice of solutions, with the object being regarded as a complex system with many elements. Analytical and numerical methods were applied to solve the optimization problem. At the same time, in each case, all relevant necessary restrictions were considered and all comparability conditions were observed when comparing different options of energy supply and energy use. The created model was realized with the use of the table processor MS Excel with due account for specific features of the enterprise and energy sources. To optimize the structure of the energy flows on the enterprise, the initial data of all energy sources available in the area, including renewable ones, is to be entered in the program. An example of the model solution for one of the farms in Leningrad Region is presented.

Keywords: optimization, energy saving, model, renewable energy source, economic effect.

Введение

Территориальная рассредоточенность тепловых и электрических нагрузок (до 40км), наличие большого количества мелких объектов (до 50 единиц зданий и сооружений), использование нескольких видов энергоносителей (электроэнергия, природный газ, уголь, древесные отходы, моторное топливо, возобновляемые источники энергии, жидкое топливо) требует особого подхода к решению задачи энергообеспечения и энергосбережения сельскохозяйственных предприятий [1, 2].

Целесообразно определить такой вариант использования энергоресурсов, при котором суммарные энергозатраты достигают минимального значения, т.е. какой энергоноситель, и в каком количестве целесообразно использовать для

обеспечения отдельной нагрузки.

Энергетические потоки представляют собой передаваемую энергию в течение какого-либо промежутка времени. В основном это потоки электрической и тепловой энергии, которые могут быть получены от различных источников. Используя системный подход при выборе решений, в котором объект рассматривается как сложная система, состоящая из множества элементов, провели оптимизацию структуры энергетических

потоков методом математического моделирования.

Материал и методы

Математическая модель представляет собой систему уравнений и неравенств, отражающих взаимосвязи различных факторов в отдельных элементах объекта и между элементами, таких как потребители энергоресусов и различные источники энергоресурсов, включая возобновляемые [3,4]. Зная, для конкретного хозяйства, характеристику потребителей

энергоресурсов и потенциального источника энергии, определяем минимальные затраты на энергообеспечение производства требуемой продукции.

Решение задачи оптимизации осуществляется с помощью аналитических и численных методов. При этом учитываются необходимые в каждом конкретном случае ограничения и соблюдаются все условия сопоставимости при сравнении различных вариантов энергоснабжения и

энергоиспользования.

Использование нетрадиционных

возобновляемых источников энергии может рассматриваться как самостоятельная часть общей системы электроснабжения. Однако использование этих источников энергии будут накладывать определенные ограничения, связанные с неравномерностью

подачи энергии во времени. В связи с этим источниками энергии при электроснабжении необходимо решать задачу о рациональном потребителей[5].

соотношении

между

различными

Г "

Рис. 1. Предлагаемая структура энергопотребления для хозяйства ТП - трансформаторная подстанция, МТФ - молочнотоварная ферма

На рисунке 1 представлена предлагаемая структура для хозяйства, где стрелками показаны направления энергопотоков, количество потребляемой энергии - Х;,. Цифрами на рисунке обозначены источники энергии (1-5) и потребители энергии (7-14). На рисунке 1 стрелками показаны направления энергопотоков, количество потребляемой энергии - Х;,. Цифрами на рисунке обозначены источники энергии (1-5) и потребители энергии (7-14).

Оптимизационная задача представлена в виде целевой функции, минимум которой необходимо найти.

•а • х +

,q i,q i,j,q

J = у» у п .у р З

¿—1] =1 -¿—I1=1 ¿—I д=1 1,3,4

У" .уп .уР З' +у * З' .с шт

1=1 д=1 34 ¿—И=1 1 1

При этом на целевую функцию накладываются следующие ограничения

Z» ^ n

•У а

j=\ ¿—I i=1 >

x

i,q i,j q

А • y ± C

i,q У i i

yn •У' а • x =±C

¿-n=iL-i q=i i,q i,j ,q i

aU,q ^ ХШ ^ bU,q . 4 * С * B , Aj * С * B3-

1 = 1,2,..., п,3 = 1,2,...,т, 4 = 1,2,...,р

где З1,з, - энергетические затраты j-го

потребителя при использовании энергии вида q, поступающей от ьго источника, руб;

,4 - себестимость энергии ^¿-м источника,

руб ; Хз,4 количество передаваемой энергии

вида q от 1-го источника к ]-му потребителю,

единиц энергии в год; , - составляющая

приведенных затрат, отражающая капиталовложения и эксплуатационные издержки без учета энергетической

составляющей, руб./год; З1 - затраты на

энергию, поступающую дополнительно в систему или уходящую из системы по связи

1, руб./т. у. т.; - удельный расход

энергии на производство 1 кВт ч энергии,

вырабатываемой ьм источником; У( -количество произведенной продукции ьм источником, единиц энергии в год; а Ь ,

хг. . , А, В - предельные значения величины;

С; р - число видов энергоносителей .

Уравнения (1) и (2) решаются отдельно для источников и потребителей энергии. Ограничения представляют собой верхний (а) и нижний (Ь) пределы использования ресурсов. Переменными в модели являются связи х, выражающие годовое потребление энергоресурсов потребителями.

Используя только первую

составляющую целевой функции, можно определить энергозатраты в год без учета затрат на капиталовложения и эксплуатационные издержки, для учета которых необходимо использовать вторую составляющую целевой функции.

Если удается отбросить все элементы разбиения, то рекорд — оптимальное решение задачи. В противном случае, из неотброшенных подмножеств выбирается наиболее перспективное (например, с

использованием MSExcel. Для энергетических в программу

наименьшим значением нижней оценки), и оно подвергается разбиению. Новые подмножества вновь подвергаются проверке и т.д.

Результаты и обсуждение

Разработанная модель с учетом специфики предприятия и источников энергии реализуется с табличного процессора оптимизации структуры потоков предприятия необходимо закладывать исходные данные всех источников энергии, которые необходимо получить на данной территории, в том числе, нетрадиционные.

Пример расчета для конкретного сельскохозяйственного предприятия

приведен ниже. При этом в качетстве источника оптимизации выбрана молочно товарная ферма на 800 голов КРС. Исходные данные для расчета представлены в таблице 1. На рисунке 2 приведена возможная структура энергопотребления для

технологического процесса.

Рис. 2. Возможная структура энергопотребления коровника на 800 голов

Для оптимизации энергопотребления потребителей энергии. Ниже приведена согласно формул 1-3 составляются система уравнений для оптимизации ограничительные уравнения источников и энергопотребления коровника.

8 8

:а2  Х26 + а2 6 оз VI 5-Т  *6

Х27 + а2  Х37 ^ В7  ^7

Х18 ^ а2  Х28 ^ а2  Х38

2

2

Таблица

Исходные данные для расчета

Стоимость эл. Стоимость эл. Стоимость Стоимость энергии Стоимость энергии

энергии, руб.ч энергии от СЭП, руб.ч энергии от мини котельной, руб.ч от теплового насоса, руб.ч от гелиокол-лектора, руб.ч

6 12 0,9 0,8 1,1

Максимальная Максимальная Максимальная Максимальная Максимальная

мощность ТП, КВт.ч. мощность СЭП, КВт.ч. мощность мини котельной, КВт.ч. мощность теплового насоса, КВт.ч. мощность гелиоколлектора, КВт.ч.

100 10 80 5 10

Для автоматизации решений данных уравненй написана программа диалоговое окно которой приведена на рисунке 3.

Рис. 3 . Диалоговое окно программы оптимизации энергетических потоков 1 - Блок исходных данных, 2 - Блок комбинации расчетных показателей, 3 - Блок расчета структуры, 4 - Блок ограничений, 5 - Блок результатов расчета, 6 - Блок расчета экономических

показателей.

Программа учитывает имеющиеся в распоряжении предприятия энергетические ресурсы, максимальную мощность источника энергии и себестоимость получения 1 квт-ч. энергии от этих источников.

В блок 2 комбинирования закладываются ячейки,варьируя которыми программа находит оптимальное значение

необходимой мощности всех возможных источников энергии, которые могут быть использованы при производственной деятельности предприятия.

Расчетный блок 3, 5, 6 представляет собой практическую релизацию функций модели представленной в формуле (4). В его ячейках указываются процессы, на которые приходятся затраты энергетических 52

ресурсов, в соответствии с рисунком 2, в соответсттвии с направлением

энергетических потоков в зависимости от их применимости ставиться 1 или 0. Целевая функция в программе заложена в соответствии с формулой 1.

В блок ограничений 3 вводятся предельные значения энергозатрат на технологический процесс на еденицу времени в соответствии с существующим технологическим процессом предприятия. Блок вывода расчетов 5 показывает значения оптимальных мощностей всех возможных источников энергии, которые могут быть использованы для данного предприятия. Блок расчета экономических показателей 6 показывает экономический эффект полученный от разницы между существующей системой энергоснабжения и расчетной.

На рисунке 3 в качестве примера приведен расчет структуры

энергопотребления для животноводческого комплекса хозяйства Ленинградской области в которой все электроснабжение осуществляется от трансформаторной подстанции.

В качестве альтернативных источников энергии предложены:

• солнечная электростанция на базе фотоэлектрических модулей для получения электрической энергии;

• гелиокоолектор для получения тепловой энергии;

• котельная на дровах для получения тепловой энергии;

• тепловой насос для получения тепловой энергии.

В таблице 1 представлены исходные данные которые использованы в расчете

По результатам расчетов определена структура энергопотребления которая включала в себе электроэнергию от ТП 81 кВт-ч, тепло от теплового насоса 5 кВт-ч, тепло от котельной 34 кВт-ч.расчет экономических показателей производиться по формуле

Эг = Зс - З0

где Зс, Зо затраты на энергоносители по

существующей структуре и по оптимизированной структуре в месяц соответственно. Расчет показывает, что использование данной структуры позволяет получить ежемесячный экономический эффект в размере 148353,6 руб-месяц.

Выводы

Таким образом, разработанная модель позволяет оптимизировать энергетические потоки хозяйства путем подбора энергоисточников для каждого объекта с учетом его производственных особенностей. При решении задачи для каждого объекта подбирается с точки зрения себестоимости тип энергоисточника, который позволит снизить себестоимость продукции до минимума. При этом в модели закладываются все возможные типы энергоисточников, которые можно получить на данной территории.

Данную модель возможно использовать при оптимизации структуры

энергообеспечения на сельскохозяйственных предприятиях Северо-Запада РФ. Модель применима при обосновании мероприятий по энергосбережению и переходе на автономное энергосбережение объектов сельскохозяйственного предприятия с использованием нетрадиционных

источников энергии.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тимофеев Е.В. Повышение эффективности Северо-Запада Российской Федерации путем производства кормов из трав в условиях моделирования процессов кормо-

производства и формировании оптимальных технологий диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук // Северо-Западный научно-

исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства.Санкт-Петербург. 2010.182 с.

2. Валге А.М., Тимофеев Е.В., Структура алгоритма управления ресурсным обеспечением сельскохозяйственного производства // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2008. № 80. С. 169-177.

3. Валге А.М., Тимофеев Е.В. Проектирование технологий сельскохозяйственного производства на основе использования СУБД. // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2009. № 14. С. 210.

4. Тимофеев Е.В. Анализ эффективности ресурсного обеспечения производства сельскохозяйственной продукции математическими методами // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2007. № 79. С. 74-78.

5. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н., Размук В.А., Ковалева О.В. Результаты энергетического обследования сельхозпредприятий // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2014. № 85. С.100-105.

6. Бровцин В.Н., Эрк А.Ф., Ковалева О.В. Сравнительный анализ энергоэффективностисельскохозяйственных предприятий молочного направления // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2014. №5. С. 22-24

7. Бровцин В.Н., Эрк А.Ф. Математическая модель солнечной водонагревательной установки. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2013. № 84. С.90-112

8. Бровцин В.Н., Эрк А.Ф. Оптимизация параметров солнечной водонагревательной установки методом вычислительного эксперимента. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. № 84.С.112-125

9. Бровцин В.Н., Эрк А.Ф, Обоснование оптимальных параметров преобразователей энергии солнца и ветра в электрическую // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2014. № 85. С.82-95.

10. Тимофеев Е.В. Инфокоммуникационная система для мониторинга и управления сельскохозяйственных агрегатов // Материалы Международного агропромышленного конгресса «Сельское хозяйство - драйвер российской экономики».- СПб, 2016. С. 261-262.

REFERENCES

1. Timofeev E.V. Povyshenie ehffektivnosti proizvodstva kormov iz trav v usloviyah Severo-Zapada Rossijskoj Federacii putem modelirovaniya processov kormoproizvodstva i formirovaniya optimal'nyh tekhnologij. Diss. kand. tekhn. nauk [Improving the efficiency of grass forage making in the North-West of the Russian Federation by modeling the feed

production processes and formation of optimal technologies. Cand. techn. sc. diss.]. Saint Petersburg: SZNIIMESH, 2010: 182. 2. Valge A.M., Timofeev E.V., Struktura algoritma upravleniya resursnym

obespecheniem sel'skohozyajstvennogo

proizvodstva [Structure of control algorithm for resource support of agricultural production].

Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2008; 80: 169-177.

3. Valge A.M., Timofeev E.V. Proektirovanie tekhnologij sel' skohozyajstvennogo proizvodstva na osnove ispol'zovaniya SUBD [Creation of agricultural production technologies with the use of DBMS]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2009; 14: 210.

4. Timofeev E.V. Analiz ehffektivnosti resursnogo obespecheniya proizvodstva sel'skohozyajstvennoj produkcii matematicheskimi metodami [Effectiveness analysis of resource support of agricultural production by mathematical methods]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2007; 79: 74-78.

5. Erk A.F., Sudachenko V.N., Razmuk V.A., Kovaleva O.V. Rezul'taty ehnergeticheskogo obsledovaniya sel'hozpredpriyatij [Results of energy survey of agricultural enterprises]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2014; 85: 100-105.

6. Brovtsin V.N., Erk A.F., Bychkova O.V. Sravnitel'nyj analiz energoehffektivnosti sel'skohozyajstvennyh predpriyatij molochnogo napravleniya [Comparative analysis of energy efficiency of dairy farms]. Mekhanizaciya i

ehlektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. 2014; 5: 22-24.

7. Brovtsin V.N., Erk A.F. Matematicheskaya model' solnechnoj vodonagrevatel'noj ustanovki [Mathematical model of a solar water heating installation]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2013; 84: 90-112.

8. Brovtsin V.N., Erk A.F. Optimizaciya parametrov solnechnoj vodonagrevatel'noj ustanovki metodom vychislitel'nogo ehksperimenta [Optimization of parameters of a solar water heating installation through computational experiment]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2013; 84:112-125.

9. Brovtsin V.N., Erk A.F, Obosnovanie optimal'nyh parametrov preobrazavatelej ehnergii solnca i vetra v ehlektricheskuyu [Substantiation of optimal parameters of solar and wind energy converters into electricity]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2014; 85: 82-95.

10. Timofeev E.V. Infokommunikacionnaya sistema dlya monitoringa i upravleniya sel'skohozyajstvennyh agregatov. Materialy mezhdunarodnogo agropromyshlennogo kongressa "Sel'skoe hozyajstvo - drajver rossijskoj ehkonomiki".

УДК 631.152 Б01 10.24411/0131-5226-2018-10007

ПОТЕНЦИАЛ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СЕЛЬХОЗПРЕДПРИЯТИЙ МОЛОЧНОГО НАПРАВЛЕНИЯ

ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

Е.В. Тимофеев, канд. техн. наук; В.Н. Судаченко, канд. техн. наук;

А.Ф. Эрк, канд. техн. наук; В.А. Размук