Основы оценки энергоэффективности технологических процессов и технических средств обработки почвы

Известные методики [1-5], применяемые при биоэнергетической и техникоэкономической оценке технологий производства сельскохозяйственной продукции, включают в себя детерминированные математические модели, не учитывают вероятностный характер внешних возмущающих процессов, и тем самым не позволяют прогнозировать показатели энергоэффективности технологий.

Методики определения энергоемкости технологических процессов, изложенные в работах [6-12], которые основаны на применение вероятностных математических моделей, учитывают вероятностный характер внешних возмущающих процессов и позволяют прогнозировать энергоемкость технологических процессов с высокой доверительной вероятностью.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показал актуальность разработки методики оценки энергетической эффективности отдельных технологических процессов и соответствующих технических средств которая позволит разъяснить недостающие фундаментальные основы определения энергоэффективности технологических процессов и технологий производства продукции в растениеводстве.

Достижение максимально возможного энергетического эффекта технологии невозможно без ясного прогноза и оценки основных оценочных показателей тех- нологического процесса и соответствующих технических средств.

Анализ показывает, что многие сельскохозяйственные машины не обеспечивают достижения эффективной потенциальной энергетической возможности энергетических средств по причине несовершенства действующих методик энергетической оценки технологий и технологических процессов и отсутствия методики определения энергоэффективности сельскохозяйственных агрегатов при их про- ектировании.

Фактически получаемые коэффициенты энергоэффективности СХА - КТ - Р - значительно меньше потенциально возможных их значений. По расчетным данным в растениеводстве среднее значение коэффициента Т-Р варьирует в пределах от 0,34 до 0,95. Примерно в 70-75 % случаев значения КТ - С находится в пределах 0,34-0,87. А в 25-30 % случаев значения КТ - Р варьирует в пределах 0,87-0,95. Это свидетельствует о том, что примерно 25-30 % используемых в растениеводстве сельскохозяйственных машин условно обеспечивают рациональную загрузку тракторов, и соответственно, в принципе могут обеспечить энергоэффективность выполняемых технологических процессов.

*

Для определения величины годового энергетического эффекта Э от использования МТА автором данной работы была предложена формула [7]:

э Г = ( э^ - э *) • w*

⋅ t г

,

где i - ^н базовое (или нормативное) значение энергоемкости технологического *

процесса, МДж/га; ⁱ оптимальное значение энергоемкости технологического *

процесса, МДж/га; Wч - оптимальное значение производительности МТА, га/ч; tг - зональная годовая загрузка МТА, ч.

Выражение (1) в целом позволяет прогнозировать размер годового энергетического эффекта использования СХА в течение года (или сезона) по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами или нормативными данными. При этом математическая модель (1) не позволяет оценить уровень энергетической эффек- тивности СХА по сравнению с потенциальной энергетической возможности исполь- зуемых технических средств.

За основной критерий энергетической оценки технологий производства сельскохозяйственной продукции принят показатель энергетической эффективности. Отношение энергии П , содержащейся в конечном сельскохозяйственном продукте, к энергии Е , затраченной на его производство, дает энергетическую эффективность ^R данной технологии [1, 2]:

П

Е

.

Применительно к производству сельскохозяйственной продукции формулу (2) можно представить в виде [1, 2]:

R _ ^а П "  Н У

Е , (3) где ^а п - энергетический эквивалент основной продукции, МДж/ц; Н У - урожайность основной продукции, ц/га.

Выражения (2) и (3) позволяют оценить уровень энергоэффективности технологии производства сельскохозяйственной продукции в целом. Для расчета показателя энергоэффективности технологии по технологическим картам необходимо, определить энергоемкость каждого технологического процесса в отдельности. В итоге, величина энергии, затраченной на производство продукции Е, представляет собой сумму энергоемкости всех технологических операций в технологии, то есть:

n

Е _ Е E i

_ 1

Значение показателя R энергетической эффективности технологии производства продукции зависит от показателей энергоэффективности технологических процессов Т-П -, а также использования (КПД) техногенной энергии.

В свою очередь Т-П - зависит от коэффициентов энергетической эффективности технических средств - Т-Р -, использования технологических материалов (удо- брений, семян, ядохимикатов и т.д.) - ТМ-, использования естественного плодородия почвы - П-П-:

R _ f ( К тп )

и

^КТ - П - = ^{f (} К Т - С КТ - М - ; ^КП - П - )

.

Кроме фактора использования техногенной энергии, другие перечисленные

выше показатели в принципе можно отнести к управляемым.

Значения коэффициентов использования технологических материалов (удобрений, семян, ядохимикатов и т.д.) - ^ТМ- и естественного плодородия почвы - ^П-^П- зависят от воздушного, водного, теплового режимов, а также режима питания растений, способов обработки почвы.

В общем случае, при определении значения коэффициента энергетической эффективности Т-П - технологического процесса необходимо учитывать коэффициент энергетической эффективности Т-С - соответствующего технического сред ства, его КПД - пТ, а также коэффициент полезного действия технологических материалов (семян, минеральных или органических удобрений, ядохимикатов и т.д.).

Значения коэффициента полезного действия технологических материалов зависят от способов обработки почвы, посева, внесения удобрений, ядохимикатов и множества других факторов. То есть показатель значимости технологического процесса в технологии производства продукции должен учитывать показатели эффективности использования технических средств, технологических материалов, агротехнологические показатели качества работы машин и т.д. При этом необходимо обосновать систему применения удобрений, правильное установление годовых норм их внесения с учетом зональных условий возделывания сельскохозяйственных культур. Такая же система должна быть обоснована в части применения химических средств защиты растений, нормы и способы посева семян.

Применительно к обработке почвы, без внесения технологических материалов, коэффициент энергетической эффективности технологического процесса

Т - П - имеет функциональную связь с коэффициентом энергоэффективности почвообрабатывающих машин:

^КТ - П - = f ^{( К}Т - Р . )

Энергоэффективность включает в себя решение вопросов рационального использования энергоресурсов, достижение экономически оправданной эффектив- ности при существующем уровне развития науки и технологии, увеличении произ- водства продукции при сохранении исходных затрат энергии.

Увеличение коэффициента энергетической эффективности технологических процессов и технологий должно обеспечиваться за счет снижения уровня потерь энергии и повышения КПД технических средств, применяемых в технологиях удобрений, семян, ядохимикатов и способов обработки технологических материалов, а также рационального использования естественного плодородия почвы.

Для раскрытия возможных способов увеличения коэффициента энергетической эффективности технологических процессов и технологий производства сельскохозяйственной продукции необходимо провести специальные исследования. Таким образом, имеется реальная возможность перейти на разработку научных основ (или методологии) повышения энергоэффективности технологий производства продукции в растениеводстве.

Увеличение коэффициента энергетической эффективности означает наиболее максимальное накопление потенциала энергосберегающих мероприятий в совокупности с эффективностью использования энергетических ресурсов и характеризует переход уровня развития растениеводства на более высокую ступень.

При этом фактически получаемые коэффициенты использования энергии приблизятся к потенциальному коэффициенту энергетической эффективности технологий.

Вместе с тем, процесс определения и анализа энергоэффективности технических средств вполне возможно выполнить с помощью разработанных нами математических моделей.

Для оценки уровня энергоэффективности технических средств, предлагается использовать коэффициент их энергетической эффективности Т - Р , определяемый из выражения:

К

Т - Р

_{Е i} опт

Е ТЕК

ОПТ где i оптимальное значение энергоемкости i -0 технологического процесса,

соответствующее максимуму КПД энергетического средства (или трактора) на за

ТЕК данном агрофоне его работы, МДж/га; Еi   энергоемкость технологического про- цесса, соответствующая текущему значению КПД энергетического средства на заданном агрофоне его работы, МДж/га.

ОПТ

Оптимальное значение энергоемкости технологического процесса i , соот- ветствующее максимуму КПД энергетического средства (или трактора) на ном агрофоне его работы определяется из выражения [7]:

задан-

Е ?” = [ g , ( а , + f т ) + g э ( к т + f э ) + g к ( к к + f к ) W + g у W? ' + g у W ’-'

Энергоемкость технологического процесса, соответствующая фактическому значению КПД энергетического средства на заданном агрофоне его работы (МДж/ га) можно определить по формуле [7]:

ЕГК = [ g т ( « т ^{+ f} т ^{) +} g э ⁽ к т ^{+ f} э ^{) +} g к ⁽ к к ^{+ f}к ⁾ Ж"‘ ⁺ g у W Г^{1 +} g у W Г¹

, где gт - количество израсходованного топлива, кг/ч; ат - теплосодержание топлива, МДж/кг; кэ, к к - коэффициент перевода 1 кВт^ч в 1 МДж (кэ =3,6) и 1 ккал в 1 МДж (к к = 0,00419); fт, fэ и fк - коэффициенты, учитывающие дополнительные энергозатраты на производство топлива (МДж/кг), электроэнергии (МДж/кВт×ч) и тепла (МДж/ккал); gэ и gк – израсходованное количество электроэнергии (кВт×ч) и тепла (ккал/ч); gу – условная часть энергозатрат, пропорциональная расходу материалов при выполнении технологического процесса; gуп – условно постоянная часть топливно-энергетических затрат; WЧ – среднее значение производительности МТА, га/ч.

Следует отметить, что предложенный коэффициент ^ТС - позволяет оценить уровень энергоэффективности применяемых в производстве МТА, определить величину резерва неиспользованной энергии энергетических средств и разработать технологические мероприятия по повышению энергоэффективности технических средств.

В процессе проектирования новых технических средств, прогнозирование значения коэффициента ^Т - Р - позволяет разработать конструктивные мероприятия и создать такие агрегаты, которые обеспечивали бы энергоэффективность новых машин, соответственно и технологических процессов.

Предложенный коэффициент ^Т - С - характеризует уровень использования эффективной потенциальной энергетической возможности технических средств, применяемых в растениеводстве.

Предложения по повышению энергоэффективности почвообрабатывающих агрегатов:

для проектируемых новых почвообрабатывающих агрегатов:

• -    обоснование рациональной потребной мощности, обеспечивающей достижение нормативного значения коэффициента полезного действия энергетического средства (для колесных тракторов - ^{П т} = ^0,6 ; для гусеничных тракторов ^ Т = 0,5 ) с учетом динамических характеристик машин;

• -    прогнозирование оптимальных конструктивно-технологических параметров,

скоростных и нагрузочных режимов работы;

для используемых в производстве почвообрабатывающих агрегатов:

• -    оптимизация оптимальных параметров, скоростных и нагрузочных режимов работы;

• -    совершенствование конструкции без ухудшения качества работы и эксплуатационно-технологических показателей машин;

• -    если оптимизация параметров, скоростных и нагрузочных режимов работы, совершенствование конструкции недостаточны для обеспечения рациональной потребной мощности, то предусмотреть выбор энергетического средства другого класса тяги.