СПОСОБ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ Российский патент 2003 года по МПК H02J3/06 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для автоматического контроля и управления эффективностью энергопотребления предприятия.

Известен способ автоматического регулирования параметров энергосистемы (а. с. 1467664 Н 02 J 3/06), при реализации которого дополнительно измеряют нерегулируемые параметры энергосистемы, задают для регулируемых и нерегулируемых параметров энергосистемы уставки выбора состава, отстроенные от уставок регулирования регулируемых параметров и предельно допустимых величин нерегулируемых параметров на величину, кратную амплитуде нерегулярных колебаний, характерных для каждого параметра, определяют наличие отклонений каждого из параметров за эти уставки, для каждой регулирующей электростанции определяют требуемое направление изменения ее мощности для подавления каждого из имеющихся отклонений, обнуляя отклонения тех параметров, коэффициенты влияния, изменения мощности данной регулирующей электростанции которых меньше заданного минимального значения, при выходе регулируемых параметров за уставки регулирования формируют приращения управляющих воздействий только тем регулирующим электростанциям, каждой из которых для подавления всех рассмотренных отклонений как регулируемых, так и нерегулируемых параметров за уставки выбора состава требуется изменение ее мощности в одном и том же направлении, определяют время нахождения регулируемых параметров за уставками регулирования и, в случае нахождения какого-либо из регулируемых параметров за уставкой регулирования дольше заданного времени обнуляют отклонения нерегулируемых параметров за уставки выбора состава и формируют приращения управляющих воздействий тем регулирующим электростанциями, каждой из которых требуется изменение ее мощности в одном и том же направлении для подавления рассмотренных отклонений только регулируемых параметров за уставки регулирования.

Недостатком данного способа является отсутствие параметра, характеризующего эффективность использования энергии, например расход энергии на единицу выпущенной продукции.

Известно устройство для автоматического управления энергопотреблением (а. с. 1576990 Н 02 J 13/00), которое реализует способ, заключающийся в измерении текущей нагрузки, сравнении ее с заданной, и выборе отключаемых нагрузок.

Недостатком данного способа является отсутствие учета эффективности использования энергии в работающих и отключаемых нагрузках.

Известен способ автоматического управления энергопотреблением предприятия реализованный в системе ЭКОМ (Распутин А., Федоров И. Программно-технический комплекс ЭКОМ: учет и управление энергоресурсами. СТА (современные технологии автоматизации) 3, 2000 г. с.38-41. (www. cta.ru), которая может одновременно вести измерения, например, потребления электроэнергии с помощью счетчиков с телеметрическим выходом, расхода воды с использованием диафрагм и расхода пара с использованием объемных или массовых расходомеров. Кроме собственно измерения, ЭКОМ-3000 ведет архивирование в энергонезависимой памяти и передачу на верхний уровень текущих, интегральных (количество электрической энергии, количество тепловой энергии и энергоносителя) и средних (температура энергоносителя и давление в трубопроводе, калорийность газа, частота, напряжение электрической сети и т.д.) за интервалы архивирования параметров, показывает текущее и ретроспективное (включено-выключено) состояние дискретных каналов. Помимо этого ЭКОМ-3000 выдает дискретные сигналы на управление исполнительными механизмами как по команде оператора, так и по встроенным законам регулирования, введенным при конфигурации.

Недостатком способа является отсутствие контроля потерь в энергетических сетях предприятия, их распределения по единицам оборудования, контроля за получаемыми за счет энергии продуктами и их удельной энергоемкостью.

Задача изобретения - осуществление оперативного контроля и управления процессами передачи и преобразования энергии в элементах сетей потребителя, контроля и управления эффективностью процессов получения продуктов энерготехнологических процессов на основе единого параметра - относительной энергоемкости любого энергетического процесса и повышение эффективности общего энергоиспользования по результатам анализа величин относительной энергоемкости по всем энергетическим процессам в системе.

Поставленная задача решается за счет того, что измеряют энергию на входе к потребителю, контролируют режим работы энергетического оборудования и архивируют их параметры, разбивают всю энергетическую систему потребителя по видам энергии от входного счетчика на элементы с определенным функциональным назначением, включая энерготехнологические процессы получения продукта, энергетические линии, образованные последовательно соединенными элементами, узлы от которых отходят два и более элемента, образующих в совокупности энергетическую сеть, устанавливают измерители энергии перед каждым элементом или перед частью линии из однотипных элементов, измеряют энергию на элементах, энергию и полученный продукт в энерготехнологических процессах, определяют относительную энергоемкость электротехнологических процессов как элементов линии Q_Эj по формуле Q_Эj=Q_ni/Q_pjQ^удminP_j, где Q_ni - показание последнего в линии измерителя энергии, предшествующего энерготехнологическому процессу, Q_pjQ^удmin - минимальная удельная энергоемкость получаемого в энерготехнологическом процессе продукта, Р_j - величина полученного за время измерения продукта, затем определяют энергоемкость процессов в каждом из всех контролируемых элементов по формуле Q_Эi=Q_Hi/Q_Ki, где Q_Hi - показания измерителя энергии в начале i-го элемента, Q_Ki - показания измерителя в конце i-го элемента, являющегося начальным для (i+1) элемента, или сумма показаний начальных измерителей в элементах, отходящих от узла, завершающего i-й элемент, после этого определяют удельную энергоемкость каждого продукта по потребленной на его получение энергии по формуле

где i, j - номера элементов, образующих энергетическую линию от счетчика на входе к потребителю до энерготехнологического процесса получения j-го продукта, включаемого в линию как элемент j, и минимизируют ее за счет регулирования параметров, изменения режимов или замены элементов и энерготехнологических процессов получения продукта, составляющих энергетическую систему потребителя.

Новые существенные признаки:
1. Разбивают всю энергетическую систему потребителя по видам энергии от входного счетчика на элементы с определенным функциональным назначением, включая энерготехнологические процессы получения продукта, энергетические линии, образованные последовательно соединенными элементами, узлы, от которых отходят два и более элемента, образующих в совокупности энергетическую сеть.

2. Устанавливают измерители энергии перед каждым элементом или перед частью линии из однотипных элементов, измеряют энергию на элементах, энергию и полученный продукт в энерготехнологических процессах.

3. Определяют относительную энергоемкость энерготехнологических процессов как элементов линии Q_Эj по формуле Q_Эj=Q_ni/Q_pjQ^удminP_j, где Q_ni - показание последнего в линии измерителя энергии, предшествующего энерготехнологическому процессу, Q_pjQ^удmin - минимальная удельная энергоемкость продукта; P_j - величина полученного за время измерения продукта, затем определяют энергоемкость процессов в каждом из всех контролируемых элементов по формуле Q_Эj= Q_Hi/Q_Ki, где Q_Hi - показания измерителя энергии в начале i-го элемента, Q_Ki - показания измерителя в конце i-го элемента, являющегося начальным для (i+1) элемента, или сумма показаний начальных измерителей в элементах, отходящих от узла, завершающего i-й элемент.

4. Определяют удельную энергоемкость каждого продукта по потребленной на его получение энергии по формуле

где i, j - номера элементов, образующих энергетическую линию от счетчика на входе к потребителю, до энерготехнологического процесса получения j-го продукта, включаемого в линию как элемент j.

5. Минимизируют ее за счет регулирования параметров изменения режимов или замены элементов и энерготехнологических процессов получения продукта, составляющих энергетическую систему потребителя.

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Технический результат заключается в том, что осуществляют контроль и управление энергопотреблением предприятия по параметру удельной энергоемкости выпускаемой продукции и обеспечивают его снижение, при этом разбивают всю энергетическую систему потребителя, начиная от входных счетчиков, по видам энергии на элементы с определенными энергетическими процессами, включая конечные энерготехнологические процессы, на участки энергетических линий, образованных последовательно соединенными элементами, и узлы, соединяющие участки линий, образующие энергетическую сеть (фиг.1). Устанавливают измерители энергии таким образом, чтобы была возможность получить значение энергетического параметра в начале Q_Hi и в конце Q_Ki каждого контролируемого элемента, за исключением конечных энерготехнологических процессов, у которых конечным параметром является продукт (результат) энергоиспользования, измеряют энергию и продукт, рассчитывают относительную энергоемкость энерготехнологических процессов Q_Эj как элементов сети по известной минимальной удельной энергоемкости продукта Q_Р ^удmin и показанию предшествующего процессу измерителя энергии Q_ni по формуле Q_Эj=Q_ni/Q_РjQ^удminP_j, рассчитывают относительную энергоемкость передачи энергии через каждый контролируемый элемент по формуле Q_Эj=Q_Hi/Q_Ki, определяют энергоемкость единицы каждого продукта по потребленной энергии по формуле

при превышении этого значения над заданной величиной для каждого продукта определяют элемент, из-за увеличения энергоемкости которого произошло увеличение энергоемкости продукта, после чего регулируют или заменяют элемент, систематически сравнивают рассчитанные энергетические параметры всех элементов с параметрами, содержащимися в постоянно пополняемой базе для существующих аналогичных элементов, регулируют или заменяют элементы сети на лучшие, снижая соответственно задаваемое значение энергоемкости продукта.

В основу построения способа управления энергопотреблением предприятия положен метод конечных отношений /1/. Сущность метода заключается в том, что эффективность любого энергетического процесса оценивают объективным показателем - относительной энергоемкостью. Относительная энергоемкость - это отношение энергетических параметров на входе и выходе рассматриваемого структурного элемента, включающее сверх единицы в свое численное значение потери энергии в элементе, отнесенные к передаваемой энергии. Для элемента, передающего энергию без преобразования, относительная энергоемкость является безразмерной величиной, превышающей единицу на величину относительных потерь. Эффективность преобразования энергии в другой вид рассчитывают по тому же правилу (отношение начального значения энергии к конечному), но получают при этом результат в именованных единицах (единица измерения энергии первого вида к единице измерения второго вида). Относительную энергоемкость линии, образованной последовательными элементами, определяют перемножением относительных энергоемкостей элементов. Энерготехнологические процессы, завершающие энергетические линии у потребителя, создают продукт, ради которого и потребляется энергия. Содержание понятия "энерготехнология" дано в /2/ применительно к химической промышленности: "...совокупность знаний о совместном производстве продуктов и энергии в химической технологии, а так же об экономном расходовании ресурсов". Это определение позволяет использовать понятие энерготехнологии в любой отрасли и для любого процесса, образующего какой-либо продукт, который может иметь численное выражение. В энергетических системах потребителя такими продуктами являются производимая продукция и создаваемые производственные или бытовые условия (температура, освещение и др.). Во всех случаях энерготехнологического процесса существует минимально необходимое количество энергии для получения единицы продукта Q_pjQ^удmin, определяемое из теории, специально проводимых экспериментов или установленных норм. Практически используемое количество энергии всегда больше Q_pjQ^удmin из-за несовершенства процесса и неполного соответствия качества энергии (работоспособности) требованиям происходящего физического явления. Поэтому энерготехнологический процесс аналогичен любому техническому элементу энергетической линии и его эффективность также может быть оценена относительной энергоемкостью, если измерены энергия Q_j, подведенная к процессу, и значение полученного продукта Р: Q_Эj=Q_j/Р_jQ_pjQ^удmin. Это выражение одинаково применимо как для производимой продукции, так и для создания условий, когда P_j - потенциальный барьер, равный разности значений условия в помещении и в окружающей среде (например, ΔT для температурных условий), а Q_pj ^удmin - минимальное расчетное значение энергии на единицу этой разности (для температуры - определяемое тепловыми характеристиками ограждений). Таким образом появляется возможность характеризовать эффективность каждого элемента энергетики потребителя одним параметром - относительной энергоемкостью. После того, как определены энергоемкости всех элементов сети, появляется возможность определить, сколько потрачено энергии на любой произведенный продукт из общего объема ее потребления, зафиксированного входным счетчиком потребителя. При любой сложности энергетической сети однонаправленность движения энергии по ней позволяет определить, какие элементы составляют линию, связывающую вход с любым энерготехнологическим процессом. По относительным энергоемкостям Q_Эi этих элементов, включая энергоемкость самого энерготехнологического процесса, можно определить фактическое (в пределах системы потребителя) потребление энергии Q_j на производство каждого продукта Р_j:

(П - оператор умножения).

На чертеже схематично изображена энергетическая сеть потребителя.

На схеме обозначены: i -элементы; j - энерготехнологические процессы; Q_Э - относительные энергоемкости; а - места установки измерителя энергии; б - энерготехнологический процесс.

Способ контроля и управления энергопотреблением заключается в том, что вся энергетическая система разбивается на элементы, линии, узлы, энерготехнологические процессы. Устанавливают измерители энергии в начале каждого элемента. Производят измерения энергии и продукта, произведенного за счет этой энергии, за время измерения и рассчитывают относительную энергоемкость всех элементов Q_Эi и энерготехнологического процесса Q_Эj. Одним из путей расчета эффективности энергопотребления является определение энергоемкости каждого вида продукта по потребленной энергии. Для этого минимальная удельная энергоемкость продукта умножается на расчетное значение относительной энергоемкости энерготехнологического процесса и на произведение относительных энергоемкостей всех элементов, которые составляют цепь от входного счетчика энергии до последнего измерителя энергии, предшествующего этому энерготехнологическому процессу.

Например, в схеме на чертеже энергия, потребляемая первым энерготехнологическим процессом (j=1), передается от входного счетчика через элементы i (1 - 2 - 3) и элемент j =1, процесс 2 - через элементы i (1 - 2 - 4) и j =2, процесс 3 - через элементы i(1 -2-4-5) и j =3. При увеличении этого значения (Q_Pj) во время измерений определяется по архивным данным элемент, из-за увеличения относительной энергоемкости которого произошло возрастание энергоемкости какого-либо продукта. В этом случае данный элемент регулируют или заменяют на элемент с наилучшими энергетическими параметрами.

Для обеспечения максимального энергосбережения из выражения для Q_j получаем формулу, определяющую максимальный ресурс энергосбережения для каждого продукта в виде отношения

Полученное выражение показывает, что ресурс энергосбережения определяется величинами относительных энергоемкостей энерготехнологических процессов Q_Эj и элементов соответствующих линий Q_Эi. Знание величин этих энергоемкостей, полученных с помощью заявляемого способа, позволяет целенаправленно и последовательно управлять эффективностью энергопотребления, снижая с помощью известных приемов и средств (регулирование, управление режимами и др.) энергоемкости элементов или заменяя их на новые с лучшими энергетическими параметрами, фиксируя достигнутый результат в виде реализованной доли максимального ресурса.

Литература
1. Карпов В.Н. Основы энергосбережения на предприятиях АПК. СПб, СПбГАУ, 1999. - 72 с.

2. Лейтес И.Л. и др. Теория и практика химической электротехнологии. - М.: Химия, 1988. - 280 с.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для автоматического контроля и управления эффективностью энергопотребления предприятия. Техническим результатом изобретения является осуществление оперативного контроля и управления процессами передачи и преобразования энергии в элементах сетей потребителя, контроля и управления эффективностью процессов получения продуктов энерготехнологических процессов на основе единого параметра - относительной энергоемкости любого энергетического процесса и повышение эффективности общего энергоиспользования по результатам анализа величин относительной энергоемкости по всем энергетическим процессам в системе. Способ заключается в измерении энергии на входе к потребителю, контроле режима работы энергетического оборудования и архивировании их параметров, при этом разбивают всю энергетическую систему потребителя по видам энергии от входного счетчика на элементы с определенным функциональным назначением, включая энерготехнологические процессы получения продукта. 1 ил.

Способ контроля и управления энергопотреблением, заключающийся в измерении энергии на входе к потребителю, контроле режима работы энергического оборудования и архивировании их параметров, отличающийся тем, что разбивают всю энергетическую систему потребителя по видам энергии от входного счетчика на элементы с определенным функциональным назначением, включая энерготехнологические процессы получения продукта, энергетические линии, образованные последовательно соединенными элементами, узлы, от которых отходят два и более элемента, образующих в совокупности энергетическую сеть, устанавливают измерители энергии перед каждым элементом или перед частью линии из однотипных элементов, измеряют энергию на элементах, энергию и полученный продукт в энерготехнологических процессах, определяют относительную энергоемкость электротехнологических процессов как элементов линии Q_Эj по формуле
Q_Эj= Q_ni/Q_pj ^удminP_j,
где Q_ni - показание последнего в линии измерителя энергии, предшествующего энерготехнологическому процессу;
Q_pj ^удmin - минимальная удельная энергоемкость получаемого в энерготехнологическом процессе продукта;
Р_j - величина полученного за время измерения продукта,
затем определяют энергоемкость процессов в каждом из всех контролируемых элементов по формуле
Q_Эi= Q_Hi/O_Ki,
Q_Hi - показания измерителя энергии в начале i-го элемента;
Q_Ki - показания измерителя в конце i-го элемента, являющегося начальным для (i+1) элемента,
или сумма показаний начальных измерений в элементах, отходящих от узла, завершающего i-й элемент, после этого определяют удельную энергоемкость каждого продукта по потребленной на его получение энергии по формуле

где i, j - номера элементов, образующих энергетическую линию от счетчика на входе к потребителю до энерготехнологического процесса получения j-го продукта, включаемого в линию как элемент j,
и минимизируют ее за счет регулирования параметров, измерения режимов или замены элементов и энерготехнологических процессов получения продукта, составляющих энергетическую систему потребителя.