.

Моделі і методи підвищення ефективності використання електроенергії у виробничих системах (на прикладі вугільних шахт): Автореф. дис… канд. техн. на

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 2600
Скачать документ

Інститут загальної енергетики
НАН України

Трифонов Дмитро Володимирович

УДК 621.311.004.14:622.012.2:622.33

Моделі і методи підвищення ефективності використання
електроенергії у виробничих системах
(на прикладi вугiльних шахт)

Спеціальність 05.14.01 – Енергетичні системи та комплекси

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Київ – 1998
Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”) Міністерства освіти України

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент
Розен Віктор Петрович, НТУУ “КПІ”
професор кафедри автоматизації
гірничої промисловості

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,
старший науковий співробітник
Новосельцев Олександр Вікторович,
Інститут загальної енергетики НАН України,
м.Київ, провідний науковий співробітник

кандидат технічних наук,
старший науковий співробітник,
Калінчик Василь Прокопович,
директор НДІ енергетики та
автоматики “Енергія”, м.Київ

Провідна установа Інститут електродинаміки НАН України, м.Київ

Захист відбудеться “¬¬21” січня 1999р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.223.01 Інституту загальної енргетики НАН України (254070, Київ–70, Покровська,11)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту загальної енергетики НАН України (254070, Київ–70, Покровська, 11)

Автореферат розісланий “¬¬10” грудня 1998р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Мельничук Л.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У загальному комплексі проблем розвитку електроенергетики України важливе місце в умовах сучасного дефіциту паливно-енергетичних ресурсів займають питання енергозбереження у всіх галузях промисловості, в тому числі і на гірничодобувних підприємствах. Питоме електроспоживання на різних шахтах складає 15…80 кВт·год/т і більше, а в цілому по Україні – одне із найвищих в Европі. Доля витрат на електроенергію у вугільної галузі за останні роки підвищилась на 3,5 %. Це пов*язано зі спадом виробництва та необхідністю підтримки підприємства в робочому стані. Незважаючи на це є значні можливості для економії енергетичних ресурсів, серед яких доля електроенергії в енергозбереженні складає в середньому 25–30 % або приблизно 2 % від рівня енергоспоживання. У зв*язку з цим енергозбереження вiдноситься до одного із основних напрямів підвищення ефективності промислового виробництва і є державною політикою України. Про що свідчить прийняття в 1994 р. Верховною Радою України Закону “Про енергозбереження” і у 1996 р. Комплексної державної Програми енергозбереження.
Підвищення енергоефективності на гірничодобувних підприємствах в сучасних умовах набуває особливої важності, коли можливості екстенсивного використання енергоресурсів стають все більше обмеженими, а питання економії витрат електроенергії часто вирішується шляхом формального виконання направлених “зверху” директивних вказівок без достатнього використання науково обгрунтованих показників енергоємності та електробалансів технологічних процесів. Для оцінок ефективності електровикористання необхiдно проведення об*ємних досліджень функціонування електрогосподарства, визначення факторного поля, формуючого електроспоживання, побудови багатомірних класифікацій гiрничодобувних пiдприємств.
Iснуючі підходи до економії електроенергії на шахтах не в повній мірі ураховують технологію вугледобування, зв*язані із збільшенням капітальних вкладень, не знижують строк окупності і, що особливо важливо, не використовують нові напрямки підвищення ефективності енергозбереження, наприклад, енергетичний аудит, якому за останні роки приділяється особлива увага і в Україні, і за кордоном. Зокрема, за кордоном вiн повинен бути обов*язковим для всіх підприємств як спосіб поліпшення розвитку виробництва, зниження собівартості і підвищення якості продукції.
Закордонний досвід показує, що в подальшому енергетичний аудит буде піднесено до рангу найважливішого засобу викриття резервів оптимізації режимів електроспоживання та стратегічного підходу до здобутку ефективності використання електроенергії у всіх сферах народного господарства. Це, в свою чергу, потребує розробки методичного, інформаційного та програмного забезпечення енергетичного аудиту з використанням сучасного математичного апарату. Аналіз стану розвитку вугільної промисловості, який показує на зміни пропорцій між економічним зростанням та енергоспоживанням підтверджує, що рушійною силою енергозбереження стає перехід до ресурсо- та енергозберігающого типу шахтних виробничих систем.
Значний внесок в розв*язання проблеми раціонального використання електроенергії у виробничих системах внесли роботи видатних вчених: Б.М. Авілова-Карнаухова, С.А. Волотковського, В.М. Винославського, М.М. Кулика, О.В. Новосельцева, Г.Г. Півняка, А.В. Праховника, В.Е. Тонкаля, А.К. Шидловського, В.П. Калінчика, В.П. Розена та ін.
Разом з тим, не дивлячись на велику кількість робіт і багаторічну працю в галузі економії електричної енергії, проблема ефективного електровикористання на гірничодобувних підприємствах в сучасних кризових умовах економіки країни є дуже важливою.
Зв*язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок досліджень пов*язаний з планом державної стандартизацiї України в частинi мiждержавної на 1995 р. Поз.2.187 (Договiр 721-95/827-95 вiд 07.06.1995 р. Укр.НДIССI Держстандарта України з IПЕ НАН України), а також з планом НДР кафедри електропостачання НТУ України “КПІ”.
Мета і задачі досліджень. Підвищення ефективності методичного та математичного забезпечення енергетичного аудиту (електрична частина) гірничодобувних підприємств.
Для її реалізації поставлені і розв*язані наступні задачі.
1. Теоретичне обгрунтування методичних положень енергетичного аудиту і моніторингу ефективності електровикористання у шахтних виробничих системах за допомогою сучасних методів дослідження, моделювання, оптимізації і прогнозування.
2. Обгрунтування і визначення інформативних факторів і показників енергоефективності із застосуванням факторного аналізу.
3. Типологічна класифікація шахтних виробничих систем методом рангової кореляції і дискримінантного аналізу.
4. Визначення однородності типових груп вугільних шахт по єлектровикористанню методом кластерного аналізу.
5. Побудова математичних регресійних моделей та їх оптимізація за критеріями: питомого електроспоживання, продуктивності та собівартості добувних ділянок вугільних лав.
6. Побудова і прогнозування комплексного показника енергоефективності шахтних виробничих систем за допомогою аналітичного та багатофакторного аналізу, методів класифікації і аналізу часових рядів.
7. Розробка методики енергетичного аудиту шахтних виробничих систем та її апробіція в умовах ДХК «Павлоградвугілля».
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Обгрунтована і виконана типологічна та політетична класифікація діючих гірничодобувних підприємств, яка спрямована на підвищення якості проектних та менеджерських рішень за критерієм енерговикористання.
2. Обгрунтована і вперше розроблена багатокритеріальна оптимізаційна модель визначення технологічних параметрів вугільних лав, що відрізняється від відомих обліком таких критеріїв як питоме електроспоживання, продуктивність та собівартість і дозволяє підвищити ефективність енерговикористання.
3. Запропоновано новий узагальнений критерій оцінки енергоефективності на основі теорії розпізнавання образів з урахуванням інформативного факторного простору, формуючого режим електроспоживання вугільних шахт.
4. Побудована аналітична модель комплексного таксономічного показника енергоефективності, котра дозволяє оцінити вплив на нього керованих факторів та розроблена методика його прогнозування, яка враховує динаміку споживання електроенергії і дозволяє проводити контроль за енергоефективністю шахтних виробничих систем.
5. Розроблена методика енергетичного аудиту (електрична частина) з використанням нових підходів під час оцінки енергоефективності шахтних виробничих систем.
Практичне значення одержаних результатів. Проведені дослідження дозволяють:
– зменшити питомі витрати електроенергії і підвищити енергоефективність механізмів вугільних лав шляхом застосування багатокритеріальної оптимізаційної моделі технологічних параметрів добувних ділянок;
– підвищити рівень методичного, інформаційного і програмного забезпечення енергетичної, диспетчерської та інших служб, зв*язаних з контролем та управлінням режимів електроспоживання на гірничодобувних підприємствах;
– підвищити надійність і якість проектних рішень на діючих гірничодобувних підприємствах за критерієм енерговикористання;
– якісно оцінити витрати електроенергії за допомогою нового комплексного таксономічного показника енергоефективності, ураховуючи динаміку електроспоживання на вугільних шахтах;
– забезпечити аудиторській групі коректне визначення факторів, за рахунок яких виникає неефективне споживання електроенергії та розробку управляючих дій для його підвищення;
– здійснювати прогнозну оцінку і випереджаючий контроль за енергоефективністю вугільних шахт;
– підвищити якість роботи груп енергоаудиторів при обстеженні електрогосподарства і оцінці ефективності електровикористання шахтних виробничих систем.
Одержані результати використані при розробці Державних стандартів з енергозбереження, які прийняті для застосування у вугільній промисловості України та державах СНД, а також доведені до методичних вказівок та фрагментів програмного забезпечення АРМ енергоаудитора, реалізовані при нормуванні витрат електроенергії, регулюванні режимів електроспоживання, розробці заходів для підвищення ефективності електровикористання на шахтах “Терновська”, “Самарська”, “Павлоградська” ДХК “Павлоградвугілля” згідно із запропонованою методикою енергетичного аудиту гірничодобувних підприємств. Річна економія витрат на електроенергію від реалізації результатів роботи на названих підприємствах складає 50 тис.грн.
Апробація результатів дисертацiї. Основні положення дисертаційної роботи і її окремі результати докладені на слідуючих конференціях та нарадах:
– 1-й Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці і електроенергетиці” (м.Львів, 1995р.)
– Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні технології економічного і безпечного виробництва та використання електроенергії” (м.Дніпропетровськ, 1997р.)
– технічному комітеті МТК № 111 “Енергозбереження” (м.Київ, 1995р.)
– щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Національного технічного університету України “КПІ” в 1995–1997р.р.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 наукових робіт (статті, державнi стандарти України, доповіді).
Структура і об*єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, містить 116 сторінок машинописного тексту, а також 17 ілюстрацій на 12 сторінках, 15 таблиць на 10 сторінках, список використаних джерел із 133 найменувань на 12 сторінках та 8 додатків на 69 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність і важливість проблеми, сформульована наукова новизна та практична цінність одержаних результатів.
У першому розділі проведений аналіз становища енергозбереження у вугільній промисловості як однієї із енергоємних галузей народного господарства країни.
Сучасна ситуація у структурi електровикористання гiрничодобувних пiдприємств досить складна. Спостерiгається зниження ефективностi споживання електричної енергiї. Необхiднi нові підходи для її підвищення, які були б обгрунтовані економіко-математично та здійснені технічно. Світовий досвід показує, що для розв*язання такої задачі у виробничих системах доцільно проведення енергетичного аудиту – ретельного обстеження електрогосподарства, оцінки енергоефективності та розробки заходів по економії електроенергії.
На базi системно-структурного аналізу сформульованi основні задачі енергетичного аудиту. Виконано аналіз моделей і методів математичного забезпечення на стадії проектного та енергоменеджерського розв*язання задач енергетичного аудиту.
Розглянута комплексна динамічна модель вугільної шахти, яка складається із трьох підмоделей енергоємних технологічних процесів енергоспоживання, управління і планування, із якої можна виділити сукупність критеріїв енергоефективності для побудови багатокритерiальних оптимізаційних регресійних моделей (питомого електроспоживання, продуктивності і собівартості добувних ділянок, надійності електропостачання та ін.).
Проаналізовані методологічні аспекти енергетичного аудиту шахтних виробничих систем (ШВС). З урахуванням системно-структурного пiдходу викладено поняття, показані цілі, нові способи і критерії оцінки енергоефективності. Сформульовані основні задачі дослідження.
У другому розділі обгрунтована інформаційна база енергетичного аудиту ШВС. Викладено теоретико-інформаційний підхід до розв*язання задачі класифікації вугільних шахт із урахуванням особливостей і факторів технології вугледобування, режимів роботи енергоємних процесів та електроспоживання. Для оцінки енергоефективності побудована схема Ісікава формування факторного взаємозв*язку, яка використовується для виявлення впливу складу факторів на об*єкт аналізу і з визначенням їх значущості, при цьому видiлени групи факторiв: гірничо-геологічні, технологічні, кліматичні, організаційно-економічні, технічні. Здійснена типологічна класифікація діючих вугільних шахт ДХК “Павлоградвугілля” на основі існуючої звітності за довгостроковий період (1973–1993 р.р.).
Формалізація факторного взаємозв*язку здійснювалась методом рангової кореляції з урахуванням 12 технологічних факторів: x1 – річне добування; x2 – загальний об*єм проведених виробок; x3 – кількість очисних забоїв; x4 – навантаження на очисний забій; x5 – потужність пласту; x6 – приплив води; x7 – кількість метана на 1 т.; x8 – чисельність персоналу; x9 – швидкість проведення підготовчих виробок; x10 – рівень комбайнового проведення виробок; x11 – довжина лави; x12 – глибина розробки. Побудована матриця рангів інформативних факторів і проведена перевірка надійності групової експертної оцінки за коефіцієнтом конкордації Кенделла W. Значущість фактичного коефіцієнту конкордації визначена за критерієм *2 Пірсона та при заданій надійності P= 0,95 та числі ступенів свободи f = 11 фактичне значення для рiзних шахт знаходиться в межах 0,8…0,88. Гiпотеза підтверджується достатньо високою ступінню узгодженості погляду експертів на всю сукупність об*єктів аналізу.
Для розв*язання оптимізаційних задач (3 роздiл) сформовано факторний простір і зроблено “стиснення” інформації методом головних компонент. Одержана ковариаційна матриця *y головних компонент y(1), … , y(p), визначена відносна доля дисперсії компоненти, складено алгоритм “стиснення” інформації і програма розрахунку на алгоритмічної мові “Паскаль”. Виділені найбільш значущі технологічні фактори (річне добування, навантаження на очисний забій, чисельність персоналу, довжина лави, приплив води в шахту), які чинять суттєвий вплив на формування електроспоживання вугільних шахт.
Одержані результати дозволили на основі дискримінантного аналізу виконати типологічну класифікацію вугільних шахт. При цьому сукупність об*єктів аналізу характеризується кінцевою множиною M і N n-мірного векторного просторового поля . Розділяюча поверхня T={ x * Rn : f( x ) = 0}, де f( x ) – функція від n змінних; x = ( x1, … , xn) – вектори технологічних факторів. Кінцева множина має вигляд:
N = ,
M = ,
Для розподiлу множин M і N складена система відношень:

Ураховуючи прийнятий клас F лінійних функцій
f (x)= f(x1, x4, x5, x6, x7, x8, x10, x11, x12)=a1x1+ a4x4+ a5x5+ a6x6+
+a7x7+a8x8+a10x10+a11x11+ a12x12
Відповідно визначеним інформаційним факторам складена система нерiвностей та знайдено рiшення з використанням симплекс-метода i одержана роздiляюча функцiя:
f(x)= -3,5 x1 + 6 x4 – 2500 x5 – 11 x6 +
+ 274 x7 + 24 x10 +14 x11 – 6,5 x12
Типологічна класифікація дозволила виділити дві однотипові групи близькі або однакові за умовами вугледобування, організації виробництва:
група I – шахти 7, 8, 9, 10; група – II шахти 1, 2, 3, 4, 5, 6.
Обгрунтована однорідність одержаних типових груп вугільних шахт по електровикористанню. З цією метою виконана політетична класифікація за допомогою кластерного аналізу із використанням базових електричних інформаційних характеристик. Складенi алгоритм та програма розрахунку кореляційної матриці, “евклідова” відстань і побудована дендограма кластерів вугільних шахт. Порівняння результатів типологічної і політетичної класифікіції показує, що номери шахт однотипових груп, одержаних методом дискримінантного аналізу, і однорідних по електровикористанню груп, створених кластерним аналізом, збігаються, тобто шахти однотипових груп є в той же час і однорідними по електровикористанню.
Результати класифікіції дозволяють аудиторській групі не тільки проводити якісний аналіз електровикористання, формувати базу даних про витрати електроенергії, але і ідентифікувати з даними кластерами іншi об*єкти, тобто установити їх належність до подiбної групи, і дати апріорну оцінку загальним характеристикам, ступеню енергоефективності та визначити умови для її підвищення.
У третьому розділі на основі аналізу запропоновано слідуючий підхід формування енергозберігаючих технологій ШВС: дослідження технологічних факторів, які в значній мірі визначають електроспоживання та допускають цілеспрямовані зміни у системі обмежень; побудова оптимізаційних моделей енергоефективності об*єкта управління; знаходження оптимальних значень при обмеженнях, які накладаються на керовані параметри.
Аналіз однотипових по технології і однорідних по електровикористанню груп вугільних шахт показує, що для реалізації наведених етапів вимагається не один, а декілька критеріїв, які впливають на ефективність роботи ШВС. З урахуванням результатів попередніх досліджень такими критеріями можуть бути: питоме електроспоживання Эу, продуктивність П та собівартість С, а в якості керованих факторів – річне добування вугілля х1, довжина лави х2, добове навантаження на очисний забій х3 і чисельність персоналу х4.
Оптимізаційна задача має вигляд:
Эу = f (x1, x2, … , xn) * min ,
П = f (x1, x2, … , xn) * max ,
C = f (x1, x2, … , xn) * min
при обмеженнях
xiн * xi * xiв, xi * 0, i = 1, … , n ,
де xiн , xiв – нижня та верхня межі модельованих керованих параметрів.
Побудованi статистичнi лiнейнi моделi функцiї цiлi мають вигляд:
Эу = b1x1 + b2x2 + b3x3 + b4x4 + aэ ;
П = с1×1 + с2×2 + с3×3 + с4×4 + aп ;
C = s1x1 + s2x2 + s3x3 + s4x4 + aс ,
де b1, b2, b3, b4 – коефіцієнти регресії моделі Эу;
c1, c2, c3, c4 – теж, але моделі П;
s1, s2, s3, s4 – теж, але моделі C;
aэ, aп, aс – невідомі випадкові похибки для керованих змінних.
Розрахункові значення коефіцієнтів моделей Эу, П і C для вугільних шахт наведені в табл.1.
Таблиця 1
Розрахункові значення коефіцієнтів регресійних моделей Эу, П і C
Мо-
дель Эу
П C
b1 b2 b3 b4 C1 c2 c3 c4 s1 s2 s3 s4

Знач.
Коеф.
0,8 x
x 10-2

-0,121

-0,3 x
x 10-1
0,11x
x 10-1
0,4 x
x 10-1
-0,2 x
x 10-1
0,24x
x 10-1
-0,13x
x 10-1
-0,3 x
x 10-1

-0,154
-0,5 x
x 10-1
0,31 x
x 10-1

Адекватність оптимізаційних моделей реальним умовам ШВС перевірена по F – критерію Фішера. Визначення оптимальних значень технологічних параметрів добувних ділянок здiйснено методом послідовних поступок. Для випадку мінімізації питомого електроспоживання Эу при обмеженні по продуктивності П і собівартості C функцію цілі можна записати:

де di, Di – межові значення параметрів x1, x2, x3, x4 моделей Эу, П, C;
Пзад, Cзад – відповідно, задані продуктивність та собівартість.
Аналогічно можна максимізувати продуктивність П і мінімізувати собівартість C.
Згідно з одержаними даними побудовані залежності Эу = f(П), Эу = f(C), Эу = f(L), а також П = f(L). Оцінка вкладення часткових функцій f в узагальнену функцію цілі F здійснюється методом скрутки часткових критеріїв, тобто
F= *1f1 (x1,x2,x3, x4) + *2f2 (x1,x2,x3, x4) * min

при заданій продуктивності і накладенні обмежень на параметри x1,x2,x3, x4. Задаючи значення вагомих коефіцієнтів *1 і *2 функції цілі, одержано області відносної важливості часткових функцій при оцінці енергоефективності добувних ділянок (рис.1).

1 – область більшого впливу собівартості і меншого питомого
електроспоживання (0 * *1 * 0,5);
2 – область рівного впливу в узагальнену функцію цілі (0,5 * *1 * 0,6);
3 – область більшої важливості питомого електроспоживання і меншої
собівартості (0,6 * *1 * 1)
Рис.1 Області відносної важливості часткових функцій цілі
У четвертому розділі викладена узагальнена оцінка енергоефективності гірничодобувних підприємств. Для опису функціонування електрогосподарства цих об*єктів прийнято комплексний підхід, ураховуючий базову інформацію – певну сукупність електричних інформативних показників і похідних від них коефіцієнтів: півгодинний максимум навантаження – Pм; середнє активне навантаження – Pс; річне число використання максимума навантаження – Tм; питоме електроспоживання – Эу; електрооснащеність праці – Эт; персонал шахти – Nэ; кількість електроспоживачів – n; коефіцієнти попиту – Kc, використання – Kи, заповнення графіку – Kз та ін.
В якості критерію оцінки енергоефективності запропоновано комплексний таксономічний показник, який є синтетичною величиною, утвореною із усіх значущих електричних показників досліджувальної однорідної сукупності вугільних шахт, тобто

де
,

– значення показників режиму електроспоживання;
* – об*єм статистичної інформації, контролюємого періоду;
* – число, яке характеризує надiйностi рiшень.
На практиці показник зручно зображати у вигляді модифікованого показника енергоефективності:

Чим ближче значення показника Kт до 1, тим вище ефективність електровикористання вугільних шахт.
З урахуванням стандартизованих показників енергоефективності та порядку їх внесення до технічної документації, досвід експлуатації і попередніх результатів даної роботи показано, що сукупність потенційних інформативних електричних показників завелика, а деякі із них однаково або практично схоже відображають одні і тіж властивості електровикористання і, окрім того, являються складовими коефіцієнтів, характеризуючих графік електричних навантажень вугільних шахт. Через те виділені значущі електричні показники, які створюють рівнодіючу таксономічного коефіцієнту енергоефективності Kт = f(Tм, Эу, Эт, Kc, Kи, Kз), де Tм – число часiв використання максимального навантаження, Эу – питоме електроспоживання, Эт – електроозброєння працi, Kc – коефiцiєнт попиту, Kи – коефiцiєнт використання, Kз – коефiцiєнт заповнення графiку.
Результативна матриця істотних інформативних показників має вигляд:

Складена програма розрахунку і побудовано річний графік зміни комплексного таксономічного показника енергоефективності Kт = f(t).
На основі даних про режими електроспоживання вугільних шахт ДХК “Павлоградвугілля” побудована аналітична модель комплексного таксономічного показника енергоефективності

за допомогою якої проводиться аналiз i визначаються фактори, за рахунок яких можливо впливати на показник енергоефективності. Крiм того, методом виваженого виділення тимчасового тренду виконано прогнозування комплексного таксономічного показника енергоефективності. Метод реалізовано при різній інформаційній значущості рівней динамічного ряду. З урахуванням цього прогнозу модель можна записати у вигляді:

де – оператор перетворення; – t-й рівень тимчасового ряду; – невідомий коефіцієнт при j-ому операторі перетворення; – випадкова складова.
Для урахування “цінності” або ваги інформації в різні моменти часу застосовують метод найменших квадратів з вагою. Метод найменших квадратів з вагою полягає в тому, що кожному відхиленню надається вага

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020