2.15. Энергетические модели

2.15.1. Энергетические модели, базы данных и балансы

Общая характеристика

Энергетические модели, базы данных и балансы представляют собой полезные инструменты для комплексного и детального энергетического анализа, которые часто используются в рамках аналитических энергоаудитов, в т.ч. комплексных (см. раздел 2.11). Модель представляет собой схему или описание, отражающее использование энергии в рамках установки, подразделения или системы (это описание может храниться, например, в базе данных). Модель содержит техническую информацию об установке, подразделении и системе – тип оборудования, его энергопотребление и такие эксплуатационные данные, как, например, время работы. Полнота и степень детальности модели должны быть достаточными с точки зрения задач, возлагаемых на модель, но не чрезмерными. Модель должна быть легко доступна для сотрудников различных подразделений организации, включая ответственные за эксплуатацию, менеджмент энергоэффективности, техническое обслуживание, закупки, учет и т.д. Продуктивной является схема, при которой модель является частью системы поддержки технического обслуживания или связана с ней, что позволяет своевременно обновлять данные модели, например, внося в нее информацию о перемотке двигателей, датах калибровки оборудования и т.д. (см. раздел 2.9).

Любая энергетическая модель, база данных или баланс должны формироваться на основе установленных границ систем и подсистем (см. раздел 1.5.1), например, следующим образом:

•производственные единицы (подразделения, производственные линии и т.д.)

oсистемы

единицы оборудования (насосы, двигатели и т.д.)

•вспомогательные системы (например, обеспечение сжатым воздухом, вакуум, внешнее освещение и т.д.)

oединицы оборудования (насосы, двигатели и т.д.).

Аудитор (или другое лицо, ответственное за сбор данных) должен обеспечить внесение в базу данных информации о фактической энергоэффективности систем (см. раздел 1.5.1).

Поскольку энергетическая модель или база данных является стратегическим инструментом энергоаудита, разумно перед практическим использованием модели выполнить ее проверку. Первым шагом является сравнение общего энергопотребления согласно модели с фактическими данными учета. В случае сложной установки такие сравнения могут быть выполнены на уровне отдельных производственных единиц или систем (см. сведения о границах систем в разделе 1.5.1 и системах учета в разделе 2.10.3). Если расчетное и фактическое энергопотребление не совпадают, необходимо перепроверить используемые в модели данные, прежде всего, основанные на оценках и предположениях, например, коэффициент загрузки оборудования или время его работы. При необходимости следует уточнить эти данные. Еще одной причиной неточности модели может быть то, что в ней не отражено все энергопотребляющее оборудование.

Экологические преимущества

Наличие подробной информации об энергопотреблении обеспечивает более высокое качество планирования.

Воздействие на различные компоненты окружающей среды

Как предполагается, отсутствует.

116

Производственная информация

Электроэнергия

При отражении электрического оборудования в модели, базе данных или балансе для каждой единицы оборудования, включая двигатели и приводы, насосы, компрессоры, электропечи и т.д., должна быть внесена следующая информация:

•номинальная мощность;

•номинальный КПД;

•коэффициент загрузки;

•время эксплуатации (часов в год).

Если информация о номинальных мощности и КПД, как правило, легко доступна (указана на корпусе устройства или в документации), коэффициент загрузки и время эксплуатации должны быть оценены.

Примеры данных по электрическому оборудованию, собранных для простой модели, приведены в приложении 7.7.3.

Если, согласно предварительной оценке, коэффициент загрузки превышает 50%, он может быть оценен при помощи следующей формулы:

LF = P(эфф) η

P(ном)

где:

LF – коэффициент загрузки;

P(эфф) – средняя электрическая мощность, потребляемая устройством во время работы (кВт); P(ном) – номинальная мощность устройства (кВт);

η – номинальный КПД устройства (при полной загрузке).

При необходимости величина P(эфф) может быть измерена при помощи электрических счетчиков.

Следует отметить, что КПД и коэффициент мощности устройства зависят от коэффициента загрузки. На рис. 2.17 представлен пример такой зависимости для типичного двигателя.

Рисунок 2.17: Зависимость коэффициента мощности устройства от коэффициента загрузки

[11, Franco, 2005]

117

Тепловая энергия

Составление энергетической модели, базы данных или баланса для тепловых устройств или систем является более сложным, чем в случае электрических устройств. Как правило, для получения полной картины производства и потребления тепловой энергии составляются модели (базы данных, балансы) двух разных уровней.

Для составления модели первого уровня необходимо учесть все устройства, потребляющие любые виды топлива. Для каждого такого устройства (например, котла или печи) необходимо собрать следующие данные:

•тип и количество топлива, потребляемого за определенный период времени (как правило, за год);

•теплоноситель, поступающий в котел (например, вода под давлением): тип, массовый расход, температура, давление;

•конденсат: коэффициент регенерации, температура, давление;

•корпус котла: производитель, модель, год установки, тепловая мощность, номинальный КПД, площадь поверхности теплообмена, время эксплуатации (часов в году), температура корпуса, средний коэффициент загрузки;

•горелки: производитель, модель, год установки, тепловая мощность;

•отходящие газы: массовый расход, температура, среднее содержание CO2;

•теплоноситель, покидающий котел (например, пар): температура, давление.

Вмодели первого уровня («сторона производства») отражаются только устройства, потребляющие топливо и производящие тепловую энергию (см. табл. 7.9). Как правило, для облегчения дальнейшего анализа целесообразно привести все данные по энергопотреблению к первичной энергии или форме энергии, традиционной для данной отрасли (см. раздел 1.3.6.1).

Модели второго уровня («сторона потребления») составляются посредством учета всех устройств, потребляющих тепловую энергию в любой форме, но не топливо (эти устройства были учтены в модели первого уровня). Для каждой единицы оборудования необходимо получить следующие данные:

•тип используемого теплоносителя;

•время потребления тепла (часов в год);

•коэффициент загрузки, при котором потребляется тепловая энергия;

•номинальная тепловая мощность.

Пример организации данных энергетической модели приведен в приложении 7.7.3, табл. 7.9.

Модели второго уровня («сторона потребления») могут быть полезны для проверки сбалансированности между производством тепловой энергии (в котлах, теплогенераторах и т.д.) и потребностями в ней.

Если разница между производством и потреблением, определенная на основе двух моделей, является приемлемой, обе модели могут считаться взаимно подтвержденными. Если эта разница неприемлемо велика, необходимы более точные расчеты или дальнейшие исследования.

Если, несмотря на тщательную проверку данных и уточнение расчетов, разница остается значительной, это указывает на наличие существенных потерь при передаче теплоносителей (пара, горячей воды и т.п.) от производителей к потребителям. В этом случае необходимы меры по повышению энергоэффективности.

Применимость

Характер модели и степень ее детальности зависят от особенностей конкретной установки.

Анализ каждой единицы энергопотребляющего оборудования часто является невозможным или неоправданным. Для небольших установок можно ограничиться составлением модели,

118

охватывающей потребление электроэнергии. В условиях крупных предприятий может оказаться целесообразным создание детальных моделей, охватывающих как электрическую, так и тепловую энергию, для подробного анализа производственного процесса.

При определении приоритетов для сбора данных можно ориентироваться на максимальную экономическую эффективность, начав, например, с единиц оборудования, энергопотребление которых превышает определенный уровень, или с 20% оборудования, на которые приходится 80% энергопотребления. По мере реализации потенциала энергосбережения в приоритетных областях можно постепенно добавлять к модели данные по прочему оборудованию, также ориентируясь на определенные приоритеты.

Экономические аспекты

Зависит от конкретного предприятия.

Мотивы внедрения

Сокращение затрат.

Примеры

Примеры сводных данных по энергопотреблению и расчета балансов приведены в приложении

7.7.3.

Справочная информация

[127, TWG] [11, Franco, 2005]

2.15.2. Оптимизация использования энергоресурсов и управление ими на основе моделей

Общая характеристика

Подходы, предлагаемые в этом разделе, объединяют элементы методов, описанных в разделах 2.10.3–2.15, а также программного моделирования и/или систем управления технологическими процессами.

В условиях небольших предприятий и несложных производственных процессов доступность недорогих и простых средств мониторинга, измерения и управления позволяет организовать сбор данных, оценку потребностей производственного процесса в энергии, а также управление технологическими процессами. На начальном этапе мониторинг и управление могут сводиться к простому запуску и остановке процессов, контролю временных параметров, температуры и давления, фиксации данных и т.д. На последующих этапах возможна организация более сложного управления на основе программных моделей.

На крупных предприятиях могут быть реализованы еще более сложные подходы к автоматизации, подразумевающие измерение и контроль всех существенных параметров процесса, а также интеграцию АСУ ТП с другими информационными системам предприятия (системой выполнения заказов, системой управления производством и т.п.).

Одной из областей применения таких систем является управление производством или получением энергоресурсов («управление на стороне производства», «управление распределением» или «управление энергоресурсами»), см. «Применимость» ниже. Подобные системы представляют собой сочетание программных моделей и систем автоматизированного управления, используемых для управления энергоресурсами (электроэнергией, паром, холодом и т.д.) и оптимизации их использования.

Экологические преимущества

Сокращение энергопотребления и соответствующих загрязнений. См. «Примеры» ниже.

Воздействие на различные компоненты окружающей среды

Как правило, энергосбережение, достигнутое в рамках одной из подсистем, реализуется и на уровне системы в целом, однако если при оптимизации не учитывается сторона производства/распределения энергоресурсов, возможна и иная ситуация. Например, сокращение

119

потребления пара в одном из процессов может привести лишь к необходимости стравливания избыточного пара, если достигнутая оптимизация не учтена в системе производства и распределения пара.

Производственная информация

По мере возрастания сложности технологических процессов все большее значение для их оптимизации и повышения энергоэффективности могут иметь различные инструменты, находящиеся в диапазоне от простого моделирования на основе электронных таблиц и распределенных систем управления до более мощных систем управления энергоресурсами и оптимизации их использования (систем оптимизации энергоресурсов), основанных на моделях. Эти системы могут быть интегрированы с другими автоматизированными системами управления и информационными системами предприятия.

Система оптимизации энергоресурсов может использоваться сотрудниками различных подразделений, имеющими различный уровень подготовки (например, инженерами, операторами технологических процессов, менеджерами, снабженцами и представителями финансовых служб).

Кобщим требованиям к подобной системе относятся:

•простота использования: система должна иметь варианты пользовательских интерфейсов, адаптированные к потребностям различных категорий пользователей, а также поддерживать интеграцию с другими корпоративными информационными системами и базами данных для того, чтобы избежать необходимости повторного ввода данных;

•надежность: система должна выдавать пользователям адекватные и обоснованные рекомендации;

•реалистичность: система должна адекватно отражать условия предприятия (затраты, характеристики оборудования, время запуска и т.п.), в то же время избегая чрезмерной детализации, которая осложнила бы использование системы;

•гибкость: система должна быть достаточно гибкой для того, чтобы отражение изменений в условиях производства (например, временное сокращение производства, изменение затрат и т.п.) не требовало значительных усилий.

Система оптимизации энергоресурсов должна быть способна надежно оценивать эффект различных действий по оптимизации энергоэффективности (как в реальном времени, так и, например, при анализе возможных сценариев), внося таким образом вклад в формирование мотивации для необходимых изменений (см. раздел 2.5).

К основным требованиям к системе оптимизации энергоресурсов, основанной на моделях, относятся:

•наличие модели, охватывающей процессы приобретения или производства топлива, пара и электричества, а также системы распределения этих энергоресурсов. Как минимум, модель должна адекватно отражать:

oсвойства всех видов используемого топлива, включая низшую теплоту сгорания и состав;

oтермодинамические характеристики всех технологических потоков воды и пара на предприятии;

oэксплуатационные характеристики всего оборудования, имеющего отношение к энергоресурсам, в нормальных условиях эксплуатации;

•наличие модели всех контрактов на приобретение и продажу энергоресурсов;

•оптимизация методами частично-целочисленного программирования, позволяющая учитывать изменения режима эксплуатации оборудования, характера использования энергоресурсов, а также условий контрактов;

•проверка данных в реальном времени и оценка суммарной погрешности;

•возможность оптимизации по разомкнутому циклу;

120

•возможность оптимизации в реальном времени;

•возможность оценки эффекта различных сценариев (например, оценка результатов предлагаемых проектов или эффекта различных условий контрактов на поставку электроэнергии или топлива).

Применимость

Простые системы управления могут применяться даже в условиях небольших предприятий. Сложность систем растет по мере увеличения сложности предприятия и технологических процессов.

Методы оптимизации использования энергоресурсов актуальны, прежде всего, для тех предприятий, которые применяют несколько видов энергоресурсов (пар, холод и т.п.) и могут рассматривать различные способы их получения, включая, например, приобретение у различных поставщиков и/или собственное производство энергоресурсов (в т.ч. когенерацию или тригенерацию, см. раздел 3.4).

К числу важнейших требований к основанной на моделях системе оптимизации энергоресурсов относится наличие модели, охватывающей процессы приобретения или производства топлива, пара и электричества, а также системы распределения этих энергоресурсов. Как минимум, модель должна адекватно отражать свойства всех видов используемого топлива, включая низшую теплоту сгорания и состав. Это может оказаться невозможным при использовании топлива со сложным и непостоянным составом, например, бытовых отходов. Результатом может быть сужение диапазона возможностей для оптимизации производства энергии.

Экономические аспекты

См. «Примеры».

Мотивы внедрения

Основным мотивом внедрения является сокращение затрат. Точная оценка экономического эффекта в результате снижения энергопотребления может быть затруднена (см. раздел 7.11) вследствие таких факторов, как сложность структуры тарифов на рынках энергии (возрастающая по мере дерегулирования этих рынков), условия торговли электроэнергией и топливом, а также мониторинг выбросов, управление ими и условия торговли соответствующими квотами. В табл. 2.7 представлены основные бизнес-процессы, усовершенствование которых с помощью системы оптимизации энергоресурсов способно внести вклад в сокращение затрат.

121

122

Таблица 2.7: Бизнес-процессы, с которыми может быть связана мотивация для внедрения системы оптимизации энергоресурсов

Примеры

1. Schott AG, Германия. См. приложение 7.7.1 Затраты:

•программное обеспечение: около 50 тыс. евро;

•оборудование: около 500 евро на пункт измерения.

123