База данных для компьютерной модели системы автономного энерготеплоснабжения сельскохозяйственного производства

Автор: Пахомов Виктор Иванович, Камбулов Сергей Иванович, Шевченко Николай Васильевич, Богданович Виталий Петрович, Дмина Елена Борисовна, Колесник Валентина Владимировна

Журнал: Вестник аграрной науки Дона @don-agrarian-science

Рубрика: Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование

Статья в выпуске: 2 (34), 2016 года.

Бесплатный доступ

В южном регионе Российской Федерации существуют все предпосылки для развития малой и нетрадиционной энергетики. На современном этапе для сельскохозяйственной отрасли перспективным направлением является создание условий надежного и экономичного энергоснабжения сельхозпредприятий путем оптимального сочетания систем централизованного и автономного энергоснабжения на основе местных энергоресурсов. Научные исследования проводили на базе отдела механизации полеводства ФГБНУ СКНИИМЭСХ с использованием методик системного и экономического анализов; компьютерного моделирования сельскохозяйственных технических систем. В условиях дефицита углеводородных источников энергии все более востребованными становятся установки и устройства, которые используют нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (НВИЭ). Россия имеет огромные ресурсы возобновляемых источников энергии (ВИЭ), поэтому их использование является одной из самых актуальных проблем АПК и в частности для фермерских хозяйств. Энергетические установки на базе нетрадиционных источников - это не только путь к экономии органического топлива, электроэнергии, но и возможность обеспечения энергией в районах, отдаленных от источников централизованного энергообеспечения. Экологически чистые возобновляемые источники энергии способствуют уменьшению загрязнения окружающей среды. Для проектирования системы автономного энергообеспечения в сельском хозяйстве была научно обоснована база данных путем моделирования интегрированной системы автономного энерготеплоснабжения различных объектов сельскохозяйственного производства типоразмерного ряда модельных хозяйств. Определением экстремальных значений расчетных показателей были обоснованы типы и размеры полей баз данных. Номенклатура полей баз данных сформировалась согласно методике оптимизационных расчетов интегрированной системы автономного энерготеплоснабжения.

Еще

База данных, альтернативное энергообеспечение, внутрихозяйственный биоресурс, модель, автономное энергообеспечение, типоразмерный ряд, возобновляемые источники энергии, солнечная энергия

Короткий адрес: https://sciup.org/140204376

IDR: 140204376

Текст научной статьи База данных для компьютерной модели системы автономного энерготеплоснабжения сельскохозяйственного производства

Введение. Нехватка энергетических ресурсов - это глобальная мировая проблема, существующая как в высокоразвитых, так и в развивающихся странах.

Энергетическое хозяйство является жизненно важной частью всего производства, а также одним из основных элементов системы энергоснабжения всех областей производства, в том числе сельского хозяйства. С развитием теплоснабжения тесно связаны вопросы улучшения социально-бытовых условий сельской местности, увеличения поголовья в птицеводстве и животноводстве, производительности в растениеводстве, совершенствования заготовки, хранения и использования кормов.

С истеме теплоснабжения сельского хозяйства присущи обособленность и многообразие потребителей теплоты, неравномерные значения тепловых нагрузок. Поэтому в одних сферах сельскохозяйственного производства и быта предусматриваются децентрализованные, а в других -централизованные системы теплоснабжения, обеспечивающие наиболее экономное использование топлива и имеющие максимально высокие экономические показатели.

Эффективное решение проблемы энергосбережения в сельском хозяйстве возможно лишь при условии учета всех особенностей теплоснабжения.

Основное преимущество возобновляемых источников энергии (ВИЭ) - их неисчерпаемость и экологическая чистота. Поэтому прогнозируется заметное увеличение в будущем использования ВИЭ в мире [1].

Возобновляемые источники энергии в основном используются при создании малых энергоэкономических комплексов (МЭК), систем тепло-, водо-, газо- и электроснабжения. Ввиду этого они особо перспективны для сельскохозяйственного энергоснабжения. Несмотря на весьма оптимистические прогнозы их развития, возобновляемые энергоресурсы используются недостаточно. Это объясняется тем, что некоторые виды ВИЭ непостоянны и имеют низкую плотность энергии.

В энергетическом отношении использование возобновляемых источников энергии имеет три безусловно положительных аспекта [2] - экологический, региональный и инвестиционный.

Эффективное энергосбережение в сельском хозяйстве возможно при сбалансированности регионов по производству энергии, при развитии автономных источников, включая ВИЭ. При этом вырабатываемая электроэнергия должна отвечать предъявляемым к ним экономическим и экологическим требованиям [3]. Несомненно, что весьма существенным в каждом конкретном случае является решение оптимизационной задачи как в энергетическом, так и в экономическом отношениях.

Объектами исследований являлись альтернативные технологии автономного энергообеспечения в сельском хозяйстве и внутрихозяйственные биоресурсы.

Научные исследования проводили на базе отдела механизации полеводства с использованием методик системного и экономического анализов; компьютерного моделирования сельскохозяйственных технических систем.

Новизна исследований заключается в разработке специальной экономикоматематической модели оптимизации состава и технико-экономических параметров автономных систем электротеплоснабжения производственных объектов растениеводства, животноводства (КРС и свиньи) и кормопроизводства для многообразия условий сельскохозяйственных предприятий южных регионов РФ. Данная модель была интегрирована в модели линейного программирования, разработанные в СКНИИМЭСХ ранее: модели компьютерного проектирования комплектов техники для растениеводства, животноводства (КРС и свиньи), кормопроизводства с алгоритм-но-программным и информационным обеспечением.

Цель исследований состояла в обосновании базы данных состава интегрированной системы автономного энерготеплоснабжения сельскохозяйственного производства на основе внутрихозяйственных возобновляемых биоресурсов и солнечной, ветровой энергий, а также энергии рек и использования низкопотенциального тепла в южных регионах России.

Результаты и их обсуждение. Работа модели невозможна без наличия всех необходимых исходных данных, объединенных в соответствующие информационные таблицы баз данных (БД). Первоначальная структура базы данных была разработана ранее [4, 5, 6]. В этом году она была дополнена базами для расчетов по энерготеплоснабжению сельхозпроизвод-ства.

Структура информационного обеспечения модели системы автономного энерготеплоснабжения сельхозпроизводства [7, 8] представлена на рисунке.

Структура информационного обеспечения модели системы автономного энерготеплоснабжения сельхозпроизводства

В ее состав входит информационный блок, содержащий информацию по природно-климатическим условиям хозяйств и нормативно-справочную информацию по технологиям производства.

В блоке энергетических альтернатив хранится информация о наличии местных энергоресурсов и данные по альтернативным энергоисточникам. В качестве энергоресурсов в расчетах выступают: дизельное топливо покупное, газ сетевой, биогаз, солома, электрическая сеть, уголь, пиллеты, ветер, солнце, низкопотенциальное тепло, энергия реки. В случае отсутствия в конкретном хозяйстве какого-нибудь энерго ресурса данная ячейка базы блокируется, и в дальнейших расчетах этот вид энергоресурса не рассматривается в качестве альтернативы. Данные из этих блоков используются при формировании исходной информации для оптимизационной модели.

В блок оптимизации технологических процессов входит пять оптимизационных модулей, предназначенных для расчетов потребления топлива, электроэнергии и тепловой энергии по различным объектам сельскохозяйственного производства.

В модуле «Растениеводство» определяется потребность в дизельном топливе на полевой период работ, а также потребная мощность и потребность в электрической энергии по стационарным машинам и пунктам переработки продукции. Все расчеты осуществляются в подпрограмме получения технологических карт в модуле оптимизации технического оснащения растениеводства [9].

Дополнительно здесь производятся расчеты объема заготовки соломы и других пожнивных остатков для получения тепловой энергии путем сжигания ее в котлах для отопления производственных помещений, создания микроклимата в теплицах и на животноводческих фермах.

Модуль расчета отопления и создания микроклимата определяет мощность и график загрузки систем отопления производственных и жилых помещений, теплиц на основании тепловых характеристик объектов расчета и климатических условий их функционирования. Модуль расчета энер-готеплопотребления ферм КРС определяет потребность в электрической и тепловой энергии для осуществления технологических процессов на молочно-товарных и откормочных фермах КРС. Аналогичный модуль работает при расчетах свиноводческих ферм и комплексов.

Данные о потребляемой мощности оборудования животноводческих ферм заносятся в БД XARMASH и XARMALT (Характеристика машин и оборудования, альтернативы машин на технологических операциях) в поле «Часовой расход энергии». Фрагмент БД XARMALT представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Фрагмент базы характеристики машинных альтернатив в животноводстве

Шифр операции	Шифр машины	Марка машины	Расход энергии, кВт ч	Производительность, т/ч
001	001	ВУ-1,5-19	2,8	1,5
001	002	ВУ-5-30А	3,0	1,5
001	003	ВУ-10-80 А	4,5	10
001	004	ВУ-6,3-85	2,8	6,3
001	005	ВУ-16-75	5,5	16
001	006	ВУ-1-60	0,2	1,0
001	007	ВУ-16-28А	4,0	22,5
001	008	ВУ-26-24	5,5	26,0
001	009	ВУ-10-30 А	3,0	14,0
001	010	ВУ-45	0,2	1,0
002	011	БР-15	0	29,0
002	012	БР-25	0	41,0
002	013	БР-50	0	71,0
003	014	Водопровод	0	1,0
004	015	Установка	2,0	15,0
005	070	Новая	0	1,0
006	071	Новая	0	1,0
007	016	Трубы	0	1,0
008	017	САЗС-400	12	0,4
008	018	САЗС-800	18	0,8
008	019	САЗС-1200	18	1,2
008	020	САОС-400	12	0,4
008	021	САОС-800	18	0,8
009	022	ЭПЗ-100	100	3,4
009	023	ЭВ-Ф-15А	15	0,4
010	024	АП-1А	0	0,008
010	025	ПА-1Б	0	0,008

Для идентификации вида потребляемой энергии и времени ее потребления была дополнительно создана БД RAZ (Время суток потребления данного вида энергии). В этой БД по полю SHIFRO (Шифр операции) производится поиск соответствующих показателей в полях V1DEN (Вид потребляемой энергии) и CLOCK (Время суток выполнения технологической операции) для осуществления дальнейших расчетов энергопотребления оборудования животноводческих ферм и суммарного потребления энергии по видам (тепловая или элек трическая). Фрагмент БД RAZ представлен в таблице 2.

В БД TENISX (Исходные данные для расчетов) заносится суммарная информация по объектам энергопотребления рассматриваемых объектов. В ней приводится информация промежуточных расчетов по суммарным показателям энергопотребления по объектам в зависимости от сезона года (зима, лето по видам энергии) (таблица 3). В эту БД входят поля: шифр операции, расход энергии, признак сезона года выполнения операции, вид потребляемой энергии.

Таблица 2 - Фрагмент баз данных RAZ (время суток потребления данного вида энергии)

Шифр операции	Наименование	Временной период	Вид энергии
001	Подъем воды		Электрическая
004	Обработка воды		Электрическая
106	Создание микроклимата		Электрическая
022	Погрузка концентрированных кормов	1	Электрическая
069	Транспортирование навоза из помещений	1	Электрическая
200	Освещение	1	Электрическая
045	Измельчение грубых кормов	2	Электрическая
046	Мойка корнеклубнеплодов	2	Электрическая
047	Измельчение корнеклубнеплодов	2	Электрическая
079	Доение	2	Электрическая
113	Измельчение концентрированных кормов	2	Электрическая
009	Подогрев воды для производственных нужд	7	Тепловая
008	Подогрев воды для поения	13	Тепловая
009	Подогрев воды для производственных нужд	13	Тепловая
083	Очистка молока	16	Электрическая
086	Охлаждение молока	16	Электрическая
087	Получение холода	16	Электрическая
088	Хранение охлажденного молока	16	Электрическая
089	Перекачивание молока	16	Электрическая

Таблица 3 - Расчетные данные по объектам энергопотребления

Шифр операции	Расход электроэнергии, кВтч	Продолжительность периода, дней	Вид энергии (электрическая, тепловая)
069	7417	155	Электрическая
014	19019	210	Электрическая
083	5758	210	Тепловая

В базе TENCHAE с использованием данных баз RAZ и FCLOCK формируются почасовые загрузки энерготеплосетей. По каждому технологическому объекту заполняются поля: потребляемая мощность кВт, признак вида энергии (электрическая или тепловая), часы суток (0-24), сезон использования (зима, лето), время суток (ночь, день), признак расположения (ферма животноводческая, теплица, мастерская) (таблица 4).

Таблица 4 - Почасовые загрузки энергосетей

Расход энергии, кВтч	Продолжительность периода, дней	Вид энергии	Час работы	Время суток (ночь, день)	Сезон года (зима, лето)
0,42	155	Электрическая	6	Ночь	Зима
16,98	155	Электрическая	7	Ночь	Зима
12,58	155	Электрическая	8	Ночь	Зима
0,36	155	Электрическая	9	День	Зима

Для определения максимумов нагрузки служит БД TENCH AS (максимумы нагрузок). В полях «расход энергии», «вид энергии» и «час работы» хранятся данные о максимумах нагрузок энергопотребления.

Дополнительно в модуле «Животноводство» производится расчет выхода навоза, который может служить источником получения биогаза и тепловой энергии.

Данные, полученные в оптимизационных модулях по отраслям производства, транслируются в блок формирования характеристик объектов энерготеплопотреб-ления, где на основе объемов потребления различных видов энергоресурсов и потребной мощности из информационной базы формируются альтернативные варианты технологических схем энерготеплоснабжения по объектам сельхозпроизводства. Данные промежуточных расчетов заносятся в промежуточные базы хранения данных.

Матрица для оптимизационных расчетов формируется из вышеприведенных промежуточных баз данных с использованием базы альтернатив энергоисточников -ENMALT. В базе альтернатив энергоисточников по каждой энергомашине хранятся данные: шифр машины, марка машины, балансовая цена, руб., признак возможного времени работы (лето, зима, круг лый год), признак вида производимой энергии (электрическая или тепловая), расход электроэнергии на собственные нужды, кВт/ч, цена покупаемой электроэнергии, руб./кВт, удельный расход топлива, кг/кВт (м3/кВт), цена топлива, руб./кг (руб./м3), признак топлива (дизельное, газ, биогаз, солома, уголь, пиллеты, электроэнергия, Солнце, ветер, река, геотермальное).

Для расчета эксплуатационных затрат в этой базе хранятся следующие данные: часовая производительность электростанции или теплогенератора, кВт/ч (в когенерационных установках заполняются оба поля производительности, так как они производят одновременно два вида энергии -электрическую и тепловую), количество обслуживающего персонала, чел., часовая тарифная ставка, руб., коэффициент отчислений на реновацию, %, коэффициент отчислений на ремонт и техническое обслуживание, %, количество лет работы генератора энергии. В таблице 5 представлен фрагмент базы Альтернативы энергоисточников.

Сформированная матрица с учетом ограничений на использование (солнечные преобразователи только в дневной период времени, биогазовые установки в летний период) поступает в блок оптимизации.

Таблица 5 - Альтернативы энергоисточников

Шифр альтернативы	Марка машины	Балансовая стоимость, руб-	Продолжительность периода работы, дней	Вид энергии	Расход энергии, кВтч	Цена электроэнергии, руб./кВт
А01	ДЭС-5	70000	365	Электрическая	0,0000	3,7850
А02	ДЭС-50	900000	365	Электрическая	0,0000	3,7850
АОЗ	PREM1F25G	1000000	365	Универсальная	0,0000	3,7850
А04	PREM1F25B	1000000	155	Универсальная	0,0000	3,7850
А05	КОТЕЛ 600	1000000	365	Тепловая	0,5000	3,7850

Окончание таблицы 5

Расход топлива, кг (м³)	Цена топлива, руб./кг	Признак вида топлива	Мощность электрическая, кВт	Мощность тепловая, кВт	Отчисления на реновацию, %	Отчисления на ремонт, %
0,2400	30,5000	Дизтопливо	4,000	0,000	12,500	8,000
0,2400	30,5000	Дизтопливо	50,000	0,000	12,500	8,000
0,3000	5,0000	Газ	25,000	47,000	3,300	2,000
0,4500	2,0000	Биогаз	23,000	42,000	3,300	2,000
0,2500	0,8000	Солома	0,000	600,000	10,000	10,000

На основе полученных исходных данных в матрице расчета энерготеплопо-требления по сельскохозяйственным объектам хозяйства по каждому альтернативному энергоисточнику производится рас чет потребного количества, суммы эксплуатационных и приведенных затрат и потребных капитальных вложений (таблица 6).

Таблица 6 - Исходная матрица для оптимизации энергообеспечения объекта

Расход энергии, кВтч	Максимум нагрузки, кВт/ч	Продолжительность периода, дней	Вид энергии	Марка машины	Балансовая цена, руб.
7679	8,490	155	Электрическая	ДЭС-5	70000
7679	8,490	155	Электрическая	ДЭС-50	900000
7679	8,490	155	Электрическая	PREMI F25G	1000000
7679	8,490	155	Электрическая	ФЭМ-5	1604250

Продолжение таблицы 6

Вид энергии	Расход топлива, кг	Цена топлива, руб./кг	Признак вида топлива	Расход топлива, кг	Мощность электрическая, кВ	Мощность тепловая, кВт
Электрическая	0,2400	30,5000	Дизтопливо	1843	4,000	0,000
Электрическая	0,2400	30,5000	Дизтопливо	1843	50,000	0,000
Универсальная	0,3000	5,0000	Газ	2304	25,000	47,000
Электрическая	0,0000	0,0000	Солн.энергия	0	5,750	0,000

Окончание таблицы 6

Количество машин расчетное, шт.	Количество машин принятое, шт.	Затраты приведенные, руб.	Затраты итоговые, руб	Признак минимума затрат
2,123	3,000	162832,5	183102,8
0,170	1,000	И 1248,3	357817,7
0,340	1,000	50052,1	107066,6	MIN
1,477	2,000	284645,8	3 85420,6

Далее в модуле оптимизации производится выбор лучших альтернатив по каждому технологическому объекту из списка (таблица 3) согласно выбранному критерию. Минимум суммы приведенных затрат по всем технологическим объектам производства определяет выходные параметры в модуле оптимизации. Результат оптимизации сохраняется в блоке вывода результатов расчетов. Следующим шагом в модели оптимизации стоит расчет базового варианта. В базовом варианте все энергопотребление осуществляется за счет покупки электрической энергии от ЕЭС. Результаты расчетов (свиноферма откормочная на 2000 голов) сведены в таблицу 7.

Таблица 7 - Оптимальный вариант решения

Наименование показателя	Варианты решений по объектам
	Лето, электрическая энергия		Зима, электрическая энергия		Зима, тепловая энергия
	Оптимальный	Базовый	Оптимальный	Базовый	Оптимальный	Базовый
Расход энергии, кВт-ч	74	17	19019		5758
Максимум нагрузки, кВт/ч	5.8		17,9		13.7
Продолжительность периода, дней	155		210		210
Вид энергии	Электрическая		Электрическая		Тепловая
Марка машины	ФЭМ-20	ЭС 100 (1КМ)	ЭС 100 (1КМ)	ЭС 100 (1КМ)	Котел газов. 24	Электро-калорифер 16 кВт
Признак вида топлива	Солнечная	Электричество	Электричество	Электричество	Газ	Электричество
Расход топлива, кг/кВт (м7кВт)	0,0000	1,000	1,0000	1,000	0,1130	1,000
Мощность электрическая. кВ	0.200	100,000	100,000	100.000	0,000	0,000
Мощность тепловая, кВт	0.000	0,000	0,000	0,000	24,000	16,000
Количество машин расчетное, шт.	28,85	1,00	0,18	1,00	0,57	0,86
Количество машин принятое, шт.	29,00	0,28	1,00	0,72	1,00	1,00
Затраты приведенные, руб.	36032.67	39236,2	121653,61	100611,3	8588.85	19824,1
Затраты итоговые, руб.	36162,17	39236,2	121653,6	100611,3	12407,08	19824,1
Признак минимума затрат	MIN	MIN	MIN	min	MIN	MIN
Фактическая себестоимость, руб./кВт	3,57	5,29	6,40	5,29	1,64	3,09
ИТОГО по вариантам, тыс. руб.:	по оптимальному 170222,9 по базовому 190527.5

Из таблицы 7 видно, что в оптимальном варианте приведенные затраты уменьшаются на 10,7% по сравнению с базовым вариантом расчетов.

Выводы Представленная структура баз была разработана для обоснованных рядов модельных хозяйств различных направлений специализации с учетом различных типоразмеров энерготеплопотреб-ления. Наполнение баз данных исходной информацией обеспечивает работу модели системы автономного энерготеплоснабжения сельхозпроизводства. Модель системы автономного энерготеплоснабжения сельхозпроизводства позволяет определять оптимальные комплекты энергосредств и рассчитывать топливные, тепловые и энергетические балансы по объектам оптимизации энергообеспечения в сельскохозяйственном производстве.

Список литературы База данных для компьютерной модели системы автономного энерготеплоснабжения сельскохозяйственного производства

Амерханов, Р.А. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии/Р.А. Амерханов. -Москва: КолосС, 2003. -532 с.
Роль возобновляемых источников энергии в энергетической стратегии России//Труды международного конгресса «Бизнес и инновации в области возобновляемых источников энергии», 31 мая-4 июня 1999 г., Москва. -Москва, 1999. -С. 14-25.
Стребков, Д.С. Концепция и пути развития энергетики сельского хозяйства/Д.С. Стребков//Техника в сельском хозяйстве. -1995. -№ 6. -С. 2-5.
Свидетельство на базу данных №2003620083 РФ. База данных «Информационное обеспечение формирования механизированных технологий и технических средств для производства продукции полеводства»/Ю.И. Бершицкий, А.С. Болотов, Н.В. Шевченко, Ю.О. Горячев, А.Н. Головченко; заявитель и правообладатель ВНИПТИМЭСХ. -№2003620043, заявл. 11.032.2003; опубл. 30.04.2003//Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем. -2003. -№5. - С.57.
Комаров, Б.А. Особенности создания информационного обеспечения для автоматизации проектирования в свиноводстве/Б.А. Комаров, Н.В. Шевченко//В сб.: «Адаптивные технологии и технические средства в полеводстве и животноводстве». -Зерноград: ВНИПТИМЭСХ, 2000. -С. 244-254.
Разработать модель системы автономности и энергообеспечения в сельскохозяйственном производстве на основе использования возобновляемых источников энергии для южных регионов России/С.И. Камбулов, В.П. Богданович, Н.В. Шевченко, С.И. Бырько, Е.Б. Дёмина, В.В. Колесник//Отчет о НИР. -Зерноград: СКНИИМЭСХ, 2015. -69 с.
Структура информационного обеспечения модели системы автономного энерготеплоснабжения сельхозпроизводства/С.И. Камбулов, Н.В. Шевченко, Е.Б. Дёмина, В.В. Колесник//Сб. науч. докладов Международной научно-технической конференции: «Интеллектуальные машинные технологии и техника для реализации Государственной программы развития сельского хозяйства», 15-16 сентября 2015 г., Москва. Ч. 2. -Москва: ФГБНУ ВИМ, 2015. -С. 296-299.
Разработка модели системы автономного энергосбережения в сельскохозяйственном производстве на основе использования возобновляемых источников энергии для южных регионов России/С.И. Камбулов, В.П. Богданович, Н.В. Шевченко, С.И. Бырько, Х.Н. Дат, Е.Б. Дёмина, В.В. Колесник//Отчет о НИР. -Зерноград: СКНИИМЭСХ, 2014. -С. 91.
Свидетельство на программу для ЭВМ №2003611559 РФ. Определение оптимального состава машинно-тракторного парка сельхозпредприятия/ Ю.И. Бершицкий, А.С. Болотов, Н.В. Шевченко, Ю.О. Горячев, А.Н. Головченко; заявитель и правообладатель: ВНИПТИМЭСХ. - №2003611004; заявл. 05.05.2003; опубл. 27.06.2003//Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем. -2003. -№7. - С.14-15.

Еще

Статья научная