НОВЫЕ ПОДХОДЫ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Задача обеспечения высокой энергоэффективности промышленных предприятий является наиболее актуальной на современном этапе развития общества. В этой связи проводятся энергетические обследования, на основании результатов которых снижаются потери топливно-энергетических ресурсов, оптимизируется технологический процесс, устраняется нерациональное использование энергии, внедряются энергосберегающие технологии. К сожалению, вопросам разработки теоретической базы энергоэффективности промышленных предприятий на базе современной математики, термодинамики, системного анализа, компьютерных технологий уделяется недостаточное внимание. В целях восполнения указанного пробела в соответствии со статьей 17(2) Директивы 2008/1/EC (Директива по комплексному предотвращению и контролю загрязнений) Европейским бюро по предотвращению и контролю загрязнений по заказу Европейской Комиссии подготовлен «Справочный документ по наилучшим доступным технологиям обеспечения энергоэффективности» («Reference Document on Best Available Techniques for Energy Efficiency») [1]. В документе собраны и систематизированы понятия, теоретические подходы к обеспечению энергоэффективности промышленных предприятий.
В частности, энергоэффективность (и ее противоположность - неэффективность) в контексте установок предлагается рассматривать двумя способами: 1. Отношение затрат энергии к выходу технологического процесса (количеству произведенной продукции, услуг, работы или другой формы энергии). 2. Рациональное (или эффективное) использование энергии - использование энергии в оптимальных количествах, необходимым образом и в то время, когда это необходимо. Неэффективность (нерациональное и неэффективное использование) является результатом неоптимального соотношения между затратами энергии и потребностью в ней, что может быть следствием таких причин, как неадекватные проектные решения, эксплуатация или техническое обслуживание; эксплуатация оборудования (например, систем освещения) в отсутствие соответствующей потребности; реализация технологических процессов при температуре выше необходимой; отсутствие мер по адекватному хранению энергии и т.д. При определении энергоэффективности предприятия его следует разделить на компоненты, в числе которых будут как компоненты, обеспечивающие основной технологический процесс, так и вспомогательные компоненты. Потоки энергии, связанные с деятельностью предприятия, схематически представляются как показано на рис. 1 [1].
На рис.2 представлен рекомендованный в документе пример входных и выходных потоков производственной единицы, реализующей простой технологический процесс, в котором используется один вид сырья и производится один вид продукции. При этом процесс использует пар, электроэнергию и топливо.
На рис. 3. представлена более сложная ситуация, в которой учитываются как энергия, поставляемая за пределы системы, так и регенерация топлива в пределах подразделения или процесса.
В соответствии с изложенными требованиями ЕС в отношении системных подходов к исследованию энергоэффективности промышленных предприятий в настоящей работе представлен разработанный нами программный комплекс «Модель энергопотребления промышленных предприятий». Математическая модель энергопотребления производства разрабатывалась на основе методов системного подхода и определялась как система уравнений, связывающая энергозатраты с факторами (F), которые их определяют. На первом этапе построения модели образ технологического объекта промышленного предприятия представляется с помощью анимации. Поддержка анимации - одна из важнейших возможностей современных инструментов моделирования. Однако создание сложной анимации даже при использовании стандартной графической библиотеки (например, как OpenGL или DirectX) является сложной задачей даже для специалистов. Поэтому анимация технологического процесса осуществлялась посредством пакета Macromedia FLASH MX. Один из вариантов схемы технологического процесса производства цемента по сухому способу, смоделированный на базе предложенного выше способа, представлен на рис.4.
C использованием данного пакета проведено анимационное моделирование отдельных этапов всей технологической цепочки. На рис. 5 представлена модель процесса помола клинкера на цемент.
Элементы анимации при моделировании работы каждой единицы технологического оборудования позволяют вести визуальное наблюдение за протеканием конкретных технологических процессов. На основе данной технологической цепочки в программной среде Borland C++Builder разработан основной модуль для определения энергопотребления промышленного предприятия. На рис. 6 представлен общий вид основного модуля программы.
Базовый программный комплекс состоит из: а) Модуль сбора и обработки информации; б) Модуль анализа влияния различных факторов на энергопотребление; в) Модуль энергобалансов промышленного предприятия; г) Модуль расчета энергопотребления и параметров энергоэффективности; д) Модуль нормирования удельных расходов энергии на единицу продукции; е) Модуль прогнозирования расходов ТЭР; ж) Генератор отчетов.
Программный комплекс создавался по модульному принципу и позволяет производить многовариантные расчеты энергопотребления и удельных норм, прогнозировать энергопотребление, производить анализ энергоэффективности, формировать различный графический и отчетный материал.