Нормы расходов энергоресурсов

Норма расхода топлива или энергии – максимально допустимые в прогрессивных условиях производств затраты топлива (энергии) на выпуск единицы продукции или выполнение единицы работы. Нормирование энергопотребления - один из эффективных инструментов управления рациональным использованием энергетических ресурсов на предприятиях.

В целях обеспечения рационального расходования энергоресурсов на предприятиях нормированию подлежат независимо от размеров потребления энергоресурсов и источников энергоснабжения все расходы топлива, тепловой и электрической энергии на основные технологические процессы, вспомогательные производственно-эксплуатационные нужды, а также потери энергии в сетях и преобразовательных и установках и пусковые расходы. Нормы устанавливают по каждому виду топлива и энергии. В нормы расхода топлива и энергии на производство продукции (работ) не разрешается включать расходы на строительство и капитальный ремонт зданий и сооружений, монтаж, наладку и пуск вновь установленного оборудования, а также на пуск оборудования после капитального ремонта, расхода энергии на непромышленные нужды предприятия. Указанные расходы учитывают и нормируют отдельно.

В соответствии с ролью, выполняемой в производстве, на предприятиях номы разделяют на следующие виды:

· технологические;

· цеховые;

· общезаводские;

· нормы расхода энергии на хозяйственно-бытовые нужды производств;

· нормы потерь энергии в распределительных сетях и преобразовательных установках;

· нормы расхода энергии на разогрев и пуск оборудования.

Технологические нормы учитывают расход энергии на выполнение основных технологических операций по изготовлению продукции. Технологические нормы подразделяют на двавида:1) технологические операционные; 2) суммарные технологические. Нормы первого вида учитывают расход энергии на выполнение отдельных технологических операций. Так как в большинстве случаев технологические операции закреплены за отдельными машинами (агрегатами), операционные нормы называютмашинными или агрегатными. Суммарные технологические нормы учитывают расход энергии на весь технологический процесс, выполняемый в границах участка, цеха или всего предприятия. Соответственно, норма устанавливается на единицу продукции (работы) участка, цеха или на единицу конечной продукции предприятия.

С помощью технологических норм контролируется эффективность использования топлива и энергии на отдел операциях, на отдельных видах технологических установок, служат критерием оценки качества работы персонала по обеспечению рационального использования энергетических ресурсов на предприятии. Именно в технологических нормах в первую очередь находит отражение экономия энергии, получаемая за счет внедрения различных энергосберегающих мероприятий.

Цеховые нормы кроме расхода энергии на технологические операции в пределах цеха учитывают расходы энергии на вспомогательные нужды цеха (отопление, вентиляцию, освещение, цеховой транспорт и др.), расходы энергии на хозяйственно - бытовые нужды цеха (уборка помещений, умывальники, душевые и пр.) и потери энергии в цеховых сетях и преобразовательных установках. Цеховые нормы необходимы для контроля использованием энергии в цехах, планирования потребности энергии и оценки результатов энергоиспользования в цехах.

Общезаводские нормы включают: а) все расходы энергии основных и вспомогательных цехов, участвующих в изготовлении данной продукции; б) расходы энергии на производственные, вспомогательные и хозяйственно-бытовые нужды общезаводских объектов (водоснабжение, канализация, склады, инженерные корпуса и др.); в) потери энергии в общезаводских сетях и преобразовательных установках. Общезаводские нормы используют при разработке планов энергоснабжения предприятий, оценке результатов энергоиспользования, организации премирования общезаводского персонала за экономию энергетических ресурсов.

Как технологические, так и цеховые и общезаводские нормы могут быть дифференцированными и укрупненными. Дифференциация и укрупнение норм возможны: а) при выпуске однородной продукции, разделяемой на подвиды, сорта, и т.п.; б) при выработке продукции одного вида на нескольких однотипных агрегатах.

Нормирование расходов топлива и энергии по технологическим операциям

Для установления нормы расхода энергии на агрегато-операцию необходимо иметь данные о производительности агрегата и расходу энергии за определенный отрезок времени. В зависимости от способов определения расхода энергии (топлива) на выполнение технологической операции различают следующие методы разработки норм: 1) экспериментальный;2) расчетный; 3) опытно-аналитический; 4) комбинированный (смешанный). При выборе того или иного метода учитывают возможность организации специальных испытаний оборудования, наличие достоверных данных энергетического учета, наличие точных методик расчета отдельных составляющих расхода энергии.

Экспериментальный метод предусматривает предварительную подготовку оборудования (приведение в нормальное техническое состояние, наладка) и замеры расхода энергии, какправило, по специально устанавливаемым приборам. Кроме того замеряют значения ряда параметров, необходимых длярасчета отдельных статей энергобаланса машины. Экспериментальный метод дает возможность разработать наиболее точные и прогрессивные нормы расхода энергии и топлива. Однако приходится считаться с тем, что метод требует проведения серьезной подготовительной работы: наладка оборудования, установка измерительной аппаратуры, согласование с руководством цеха режима работы испытуемого оборудования. Экспериментальный метод является наиболее трудоемким и дорогим и его применение оправдано на наиболее ответственных участках производства.

При расчетном методе нормы расхода энергии устанавливают путем определения отдельных составляющих расходной части энергетических балансов операций и агрегатов по физическим или эмпирическим формулам. Расчетный метод является менее трудоемким и более дешевым, чем экспериментальный. Значительным преимуществом расчетного метода является возможность определения расходов энергии при различных режимах работы оборудования и параметрах технологического процесса, что важно для разработки дифференцированных норм расхода. Теоретические расчеты, с другой стороны, дают более напряженные нормы расхода, чем опытный метод. Метод эффективен при разработке норм расхода топлива и тепловой энергии. Менее удовлетворительные результаты получаются при использовании метода для нормирования расходов электрической энергии, так как отдельные статьи электробалансов машин рассчитывают по приближенным эмпирическим формулам.

Опытно-аналитический метод разработки норм обоснован на обработке данных текущего заводского учета по выпуску продукции и расходу энергии. За норму обычно принимают средний рас ход энергии, получаемый путем деления сменных или суточных расходов энергии на соответствующий выпуск продукции. Такие нормы отражают фактически достигнутый уровень использования энергии и в большинстве своем не являются прогрессивными. Приведение к некоторому прогрессивному уровню Норм может быть достигнуто путем тщательного анализа статистических данных, проведения замеров расхода энергии и выполнения расчетов, позволяющих исключить потери и непроизводительные расходы энергии.

Наиболее эффективным методом разработки норм является комбинированный, при котором некоторые составляющие расхода энергии находят опытным путем, а другие составляющие расхода рассчитывают по формулам. Комбинирование расчетного метода с упрощенными испытаниями оборудования намного расширяет возможности анализа изменения удельных расходов энергии под воздействием ряда факторов, сокращает время и затраты, связанные с разработкой норм. В то же время обеспечивается необходимая прогрессивность норм.

Норма расхода энергии - синтетический показатель, зависящий от многих факторов.

Установлено, что наиболее сильное влияние на удельные расходы энергии оказывает изменение часовой, суточной производительности оборудования и режима его использованиями календарном времени. Зависимость между расходом энергии и

производительностью агрегата в единицу времени в энергетическом нормировании носит название энергетической характеристики агрегата. Энергетические характеристики оборудования составляют методологическую основу существующей в настоящее время практики нормирования расходов топлива и энергии на промышленных предприятиях.

В основе построения энергетических характеристик оборудования лежит разделение общего расхода энергии по агрегату на постоянную и переменную части. К постоянным относят расходы, абсолютная величина которых не зависит от объема выпуска продукции или производительности агрегата. В энергетических характеристиках оборудования это потери энергии в окружающую среду через ограждающие конструкции оборудования, потери на трение в движущихся частях машин и механизмов, затраты мощности нанамагничивание стальных частей электрических машин и трансформаторов. Так как при опытном способе определения расхода энергии указанные потери обычно находят путем постановки опыта холостого хода, эти потери называют «потерями холостого хода».

К переменным расходам, зависящим от производительности агрегата, в энергетических характеристиках относят полезный расход энергии и нагрузочные потери. Характер зависимости полезного расхода и нагрузочных потерь от производительности агрегата определяет форму энергетической характеристики, рис.2.5.1.

В промышленности имеется большое число агрегатов с прямолинейными или близкими к ним энергетическими характеристиками. Это небольшие по производительности паровые котлы, теплообменные аппараты, транспортеры, некоторые промышленные печи и др.

Рис. 2.5.1. Формы энергетических характеристик оборудования:

1 - линейная; 2 - криволинейная вогнутая; 3 – криволинейная выпуклая.

Линейные энергетические характеристики имеют уравнение:

Р = Р_Х+δА, (2.5.1.)

где Р - подведенная к агрегату за единицу времени энергия (мощность);

А - производительность агрегата за рассматриваемую единицу времени;

Р_х. - расход энергии (мощность) холостого хода за единицу времени;

δ - частичный удельный расход энергии, представляющий сумму полезного расхода и переменных потерь, отнесенных к производительности агрегата.

Частичный удельный расход представляет отношение бесконечно малого приращения подведенной энергии (мощности) dР к бесконечно малому приращению производительности агрегата dA, то есть, первую производную от подведенной энергии (мощности) по производительности. В прямолинейных энергетических характеристиках частичный удельный расход является постоянной величиной. При данном техническом состоянии агрегат частичный удельный расход зависит от технологических параметров процесса. Техническое состояние оборудования также влияет на величину частичного удельного расхода.

Характеристики вида 2 встречаются довольно часто и свойственны крупным котельным агрегатам, паровым турбинам крупным промышленным печам, поршневым воздушным компрессорам и некоторым другим видам оборудования.

Силовые трансформаторы и центробежные машины, и энергетические характеристики вида 3.

У характеристик вида 2 и 3 частичные удельные расходы энергии не являются постоянными величинами, поэтому характеристики не могут быть описаны формулой типа (2.5.1.). Требуются более сложные аналитические выражения. В целях обеспечения удобства в практическом применении характерно вида 2 приводят к более простому виду, применяя кусочно-линейную аппроксимацию (рис. 2.5.2.).

Рис. 2.5.2. Спрямленная энергетическая характеристика агрегата

Для спрямленной энергетической характеристики может быть применено достаточно удобное в практических расчетах аналитическое выражение

Р = Р +δ_экА_эк+δ_пА_п, (2.5.2.)

где δ_эк, δ_п - частичные удельные расходы энергии в экономической и перегрузочной зонах агрегата;

А_п - производительность агрегата в зоне нагрузок А_макс-А_эк.

В спрямленной энергетической характеристике расчетная величина потерь холостого хода Р'_х может существенно отличаться от действительного значения потерь холостого хода. Участок 0-А_мин представляет нерабочую зону характеристики, в пределах которой работа агрегата невозможна по техническим причинам, например, из-за появления вибрации машины при малых нагрузках, или экономически нецелесообразна. В формуле (2.5.2) использование расчетной величины Р'_х не дает какой-либо дополнительной погрешности сверх той, которая уже обусловлена спрямлением реальной кривой. В нерабочей зоне 0-А_мин, формула (2.5.2) не может быть использована.

Энергетические характеристики машин, как инструмент, как инструмент нормирования расходов топлива и энергии, используют, однако, не во всех случаях.

В зависимости от необходимости применения энергетических характеристик для разработки технологических норм расхода топлива и энергии все многообразие производственного оборудования можно объединить в следующие группы.

1. Оборудование непрерывного действия с переменной часовой производительностью и непрерывной работой в календарном времени.

2. Оборудование непрерывного действия с прерывистыми режимами работы.

3. Оборудование непрерывного действия с постоянной часовой производительностью.

4. Машины и аппараты с циклическими (периодическими) операциями.

Ниже рассматривается методика расчета норм расхода энергии по оборудованию указанных групп.

Оборудование непрерывного действия с переменной часовой производительностью и непрерывной работой в календарном времени

В эту группу входит энергогенерирующее оборудование, насосы, вентиляторы, печи, сушильные установки, транспортеры и многие другие виды оборудования. По производственной необходимости агрегатам при непрерывной работе в календарном времени за смену, сутки и т.д. может быть установлен различный план выработки продукции, который регулируют путем изменения часовой производительности агрегатов.

В связи с разным характером зависимости отдельных статей энергетических балансов агрегатов от изменения часовой производительности оборудования удельные расходы энергии по оборудованию данной группы не будут являться постоянными величинами, рис. 2.5.3.

Рис. 2.5.3. Зависимость полных и удельных расходов энергии от часовой производительности оборудования первой группы:

а) линейные энергетические характеристики агрегатов; б) криволинейные вогнутые энергетические характеристики агрегатов.

Для агрегатов с линейными энергетическими характеристиками нормы расхода энергии находим из уравнения (2.5.1), деля часовой расход энергии на часовую производительность агрегата

(2.5.3.)

Для расчета норм расхода по оборудованию с криволинейными вогнутыми характеристиками используют спрямленные характеристики агрегатов.

Для прямолинейных характеристик расход энергии за любой промежуток времени непрерывной работы Т_э при любом изменении нагрузки равен:

W=P_xT_э+ δZ, (2.5.4.)

где Z – выпуск продукции за время T_э.

Разделив обе части уравнения (2.5.4.) на время непрерывной работы, получим:

, (2.5.5)

где P_э – средняя мощность, подведенная к агрегату за время Т_э;

А_э – средняя производительность агрегата за время Т_э.

Используя формулу (2.5.5) для расчета нормы расхода, получим среднюю за период Т_э норму.

Оборудование непрерывного действия с прерывистыми режимами работы

Прерывистый режим работы может характеризоваться сочетанием периодов полезной работы с периодами холостых ходов или перерывов в работе (простоев). Специфика применения энергетических характеристик для нормирования расхода энергии по оборудованию данной группы обусловлена формами энергетических характеристик агрегатов.

A. Агрегаты с линейными энергетическими характеристиками

Расход энергии при работе агрегата с холостыми ходами для линейной характеристики находится по выражению:

W = Р_х(Т_э+Т_х) + δА_эТ_э=Р_хТ_м+δZ, (2.5.6.)

где А_э - средняя производительность агрегата за время Т_э;_:

Z - выпуск продукции за время включения агрегата Z=А_ЭТ_Э.

Разделив числитель и знаменатель формулы (2.5.6) на Т_м получим выражение для средней мощности, подведенной к агрегату за время его включения:

, (2.5.7.)

Средний удельный расход энергии за время Т_м:

(2.5.8.)

Для оценки влияния указанных факторов на энергопотребление выполним некоторые преобразования формул (2.5.7) и (2.5.8), введя понятия коэффициента нагрузки агрегата и коэффициента относительной продолжительности полезной работы.

Коэффициент нагрузки агрегата:

(2.5.9.)

где А_э - средняя производительность агрегата за время полезной работы Т_э;_:

A_макс – максимальная производительность агрегата.

Относительная продолжительность полезной работы – коэффициент полезного использования оборудования:

; (2.5.10)

С учетом формул (2.5.9) и (2.5.10):

А_м =γεА_макс (2.5.11)

Подставив в выражение для А_м в формулы (2.5.7) и (2.5.8) получим:

Р_м= Р_х+ γεδА_макс (2.5.12)

(2.5.13)

В таком виде энергетическая характеристика и уравнение удельного расхода позволяют исследовать влияние загрузки оборудования и холостых ходов на размеры энергопотребления.

Рассмотрим теперь аналитическое уравнение линейной энергетической характеристики при работе агрегата с остановами (отключениями).

При наличии простоев оборудования потенциальный фонд времени агрегата То (время, которое, теоретически можно использовать для выполнения работы), разделяется на три части: время полезной работы Т_э, время холостых ходов Т_х, время перерывов в работе Т_с. Здесь речь идет только о перерывах, обусловленных изменениями в производственной программе цеха или чисто экономическими соображениями.

В случае линейной энергетической характеристики энергии по-прежнему может быть определен по формуле (2.5.6.). Приведем уравнение (7.6) к потенциальному фонду времени агрегата. Для этого введем понятие относительной продолжительности времени включения агрегата σ = Т_м / То-(1 - σ) будет означать относительную продолжительность простоя агрегата,.

Тогда формулу (2.5.6) можно записать:

W = Р_xТ_м +δZ = Р_хσТ₀+δZ, (2.5.14)

Чтобы получить уравнение для средней мощности Р₀, подведенной к агрегату за весь период То, разделим обе части уравнения (7.14) наТ₀:

, (2.5.15)

где А₀ - средняя фактическая производительность агрегата время То, А₀=Z/Т₀.

С помощью уравнений (2.5.15), (2.5.16) может быть решена задача выбора энергетически наиболее выгодных режимов работы оборудования.

Б. Агрегаты с криволинейными вогнутыми энергетическими
характеристиками

У агрегатов с вогнутыми криволинейными характеристик как абсолютный расход энергии, так и среднее значение подведенной мощности и удельного расхода энергии за период работ с переменной нагрузкой являются сложными функциями, зависящими не только от величины средней текущей производительности Аэ, но и от характера изменения текущей производительности (графика нагрузки). У вогнутой характеристики Р=f(А) средняя подведенная мощность за время работы при переменном' режиме не будет совпадать с текущим значением мощности Р, соответствующим на характеристике среднему значению производительности А_э, рис.2.5.4.

Величина отклонения Р_э - Р означает дополнительные потери переменного режима, которые зависят от кривизны энергетической характеристики и от диапазона ∆А изменения текущей производительности за время Т_э, относительно ее среднего значения А_э, за этот же период.

Рис. 2.5.4. К оценке дополнительных потерь энергии при работе агрегата в переменном режиме

Оборудование непрерывного действия с постоянной часовой производительностью

В некоторых случаях регулирование объема выпуска продукции на участке, в цехе осуществляют путем изменения количества одновременно находящегося в работе однотипного оборудования при сохранении постоянства часовой производительности работающих агрегатов. Для оборудования с неизменной часовой производительностью энергетические характеристики не могут быть построены. Поэтому нормы расхода энергии устанавливают на основе построения нормализованных энергетических балансов применительно к заданной часовой производительности. Таким же образом определяют нормы расхода энергии по оборудованию поточных линий, если оно работает в режиме постоянной производительности.

Машины и аппараты с циклическими (периодическими) операциями

У оборудования циклического действия текущая производительность, являющаяся основным аргументом энергетической характеристики Р = f(A), зависит не только от загрузки оборудования, технологических параметров, но и от длительности отдельных составляющих полного рабочего цикла, куда входят время эффективной работы, время технологических пауз и холостых ходов. Выпуск продукции является, таким образом, функцией ряда переменных. Для оценки влияния указанных факторов на расход энергии надо строить не одну. а несколько частных энергетических характеристик, каждая из которых будет отражать влияние на расход энергии одного из переменных параметров. Кроме того, поскольку время на «перезарядку» оборудования циклического действия входит в общий цикл работы, в нормы расхода энергии необходимо включать расход энергии на разогрев агрегата после технологического простоя, что вносит дополнительные трудности при построении энергетических характеристик. Таким образом, учитывая особенности работы оборудования циклического действия, нормы расхода энергии по нему целесообразно устанавливать по нормализованным энергетическим балансам, составленным за полный рабочий цикл, а для приведения норм к планируемым условиям работы разработать систему поправочных коэффициентов.

Учет условий производства при планировании потребности в топливе и
энергии

Энергетические характеристики оборудования всегда строят для постоянных и строго определенных значений пара технологического процесса, определенного вида и качеств топлива, применительно к нормальному техническому состоянию оборудования и высокому качеству его обслуживания, условия называют характеристическими. В качестве переменной величины, как мы установили, берется производительность (нагрузка) агрегата. Нормы расхода энергии, установлении энергетическим характеристикам, справедливы только характеристических условий работы оборудования. В производстве конкретные условия работы оборудования далеко не всегда соответствуют характеристическим. Отклонения могут быть званы действием как внешних факторов, например, изменилось качество обрабатываемого сырья, так и заранее запланированных мероприятий.

Для того чтобы сделать энергетические характеристики универсальными, разработаны различные методы приведения расходов энергии, найденных по характеристике, к конкретным условиям производства. При изменении одного технологического параметра энергетическая характеристика может быть представлена в виде энергетической диаграммы, позволяющей учесть влияние этого параметра на абсолютный и удельный расход энергии. В качестве примера такой диаграммы на рис. 2.5.5. приведена энергетическая диаграмма электропечи для термообработки заготовок из металла. По диаграмме можно определить при различной производительности печи и температуре нагрева металла потребляемую электрическую мощность и удельный расход электроэнергии на термообработку.

Рис. 2.5.5. Энергетическая диаграмма электрической нагревательной печи

Если выполнение технологических операций может быть связано с изменением нескольких технологических параметров или качества первичной энергии, обрабатываемого сырья и т.п. необходимо по каждому из переменных факторов, влияющих на расход энергии, иметь специальные нормы- поправки к энергетической характеристике, чтобы привести расход энергии найденный по характеристике, к планируемым условиям работы. Такие нормы-поправки устанавливают на основе специальных испытаний оборудования, или расчетным путем, составляя энергетические балансы агрегатов для различных значений технологических параметров. Как показывает анализ, в ряде случаев величина нормы-поправки остается неизменной для всего размаха колебаний технологического параметра. Тогда норма-поправка задается постоянной величиной, например, нормы-поправки на начальные параметры пара к энергетическим характеристикам некоторых паровых турбин.

При наличии норм-поправок плановый расход энергии находят по формуле:

, (2.5.17)

Где W_хар – расход энергии, рассчитанной по энергетической характеристике агрегата;

∆Э_i; - норма-поправка на единицу отклонения технологического параметра от характеристического значения, процентов;

∆Х_i, - величина отклонения технологического параметра от характеристического значения, число единиц.

Если наблюдается одновременное изменение нескольких параметров, при этом отклонение одних ведет к увеличению, расхода энергии, отклонение других - к снижению расхода, в муле (2.5.17) надо учитывать алгебраическую сумму поправок всем факторам, изменение которых предвидится в плановом периоде:

(2.5.18)

где - алгебраическая сумма поправок к характеристическому расходу энергии.

В некоторых случаях целесообразно иметь заранее заготовленные графики зависимости удельных расходов энергии наиболее существенных факторов.