Основы оптимизации режимов электрических станций и энергосистем. Структура задач оптимизации технологических режимов работы оборудования

Эффективность использования электрооборудования оценивает­ся по суммарным затратам на единицу наработки и зависит от мно­гих факторов. Большое влияние оказывает мощность нагрузки эле­ктрооборудования. Актуальность правильного выбора нагрузки возрастает в связи с широким применением автоматизированных электроприводов в производстве.

Для электроприводов зависимость критерия эффективности от нагрузки имеет сложный нелинейный характер. При малой нагрузке, т.е. при использовании, например, двигателя завы­шенной мощности, электропривод имеет низкие значения КПД и . Увеличение нагрузки приводит к улучшению энергетиче­ских показателей, но при этом возникают отрицательные по­следствия - перегрев и снижение надежности двигателя. Лишь при оптимальной мощности нагрузки суммарные затраты до­стигают наименьшего значения, а эффективность эксплуатации электропривода будет наивысшей. В соответствии с повсемест­ным применением двигателей даже незначительные погрешнос­ти выбора их нагрузки приводят к большому народнохозяйст­венному ущербу.

Задача обоснования оптимальной нагрузки электрооборудо­вания состоит в том, чтобы выявить и сравнить положительные и негативные последствия, т. е. конкурирующие эффекты, воз­никающие при увеличении нагрузки, и выбрать такую мощность нагрузки, при которой достигается наилучшее значение крите­рия эффективности эксплуатации. В частном случае таким кри­терием служат суммарные потери двигателя.

Оптимизация нагрузки двигателя по суммарным потерям. В теории электрических машин установлено, что суммарные поте­ри двигателя имеют наименьшее значение при коэффициенте нагрузки , равном корню квадратному из отношения потерь двигателя:

где , – потери холостого хода (постоянные) и короткого за­мыкания (переменные), о. е.

Полученный по (4.2) результат - итог решения частной зада­чи, в которой не приняты во внимание потери в системе элект­роснабжения. С целью более точного учета реальных факторов объектом изучения при оптимизации нагрузки должен быть не только двигатель, но и система. Комплексный учет ха­рактеристик двигателя и системы электроснабжения выполняют по выражению оптимальной нагрузки:

где – коэффициент увеличения потерь за счет системы электро­снабжения (=1,1…1,2); – эквивалент реактивной мощности, показывающий зна­чение активных потерь в сетях от каждого кВАр реактивной мощности двигателя (=0,12...0,18 кВт/кВАр); , – реактивные мощности холостого хода (намагничи­вания) и короткого замыкания (рассеивания), о.е.

Реактивная мощность намагничивания двигателя больше его мощности рассеивания и поэтому всегда >– Оптимальная нагрузка по критерию минимума потерь в системе все­гда больше нагрузки, оптимизирующей лишь КПД двигателя. Расчеты выявляют заметное отличие результатов оптимизации по разным критериям (=0,7...0,8; =0,80...0,95) и подтвержда­ют, что полный учет реальных факторов эксплуатации позволя­ет уточнить итоги оптимизации.

Вместе с тем следует отметить высокую устойчивость энерге­тических свойств асинхронных двигателей при изменении их нагрузки. Отступления от оптимума в пределах ±30% приводят к увеличению потерь не более чем на 7% от минимального уровня. Лишь при уменьшении нагрузки ниже 40% наблюдается интен­сивное снижение КПД. Для кардинального уменьшения потерь энергии, обусловленных электроприводами, важно не только правильно выбирать загрузку при эксплуатации двигателей, но и увеличивать номинальный КПД на стадии их разработки и внедрять компенсацию реактивной мощности. Способы сниже­ния потерь эффективны для низковольтных приводов в связи с низким КПД системы электроснабже­ния из-за большой ее протяженности и четырех-шестикратной трансформации электроэнергии.

Для обеспечения надежного энергоснабжения потребителей, безаварийной и экономичной работы оборудования электростанции необходимо установить рациональные режимы работы оборудования, учитывающие спрос на энергию, технические и экономические характеристики. Основным, нормальным является установившийся режим работы оборудования, при котором обеспечивается мощность в соответствии с графиком нагрузки и выработка основного количества энергии в заданный период времени.

Одной из важнейших задач эксплуатации является экономичное распределение энергетической нагрузки между электростанциями энергосистемы и отдельными их блоками и агрегатами. Одновременно должен решаться вопрос о числе рабочих агрегатов, пуске или остановке отдельных агрегатов.

Экономичное распределение нагрузки между работающими агрегатами, обеспечивающее минимальный расход тепла и топлива на электростанции и в энергосистеме, производится на основе метода удельных (относительных) приростов расхода тепла.

Для применения этого метода необходимо располагать энергетическими характеристиками агрегатов, устанавливающими зависимость расхода тепла Q i от нагрузки агрегата W i:

Q 1 = f (W 1); Q 2 = f (W 2); …;

Q z = f (W z). (9.1)

Если функции Q i , выраженные уравнениями (9.1), являются непрерывными с непрерывно возрастающими производными при увеличении нагрузкиW i , то применение метода удельных приростов может быть математически обоснованно следующим образом.

Суммарная нагрузка W является заданной величиной и равняется сумме нагрузок всех агрегатов

W= W 1 + W 2 +…+ W z . (9.2)

Условие (9.2) можно представить также в виде вспомогательной функции Лагранжа

Экономичное распределение заданной суммарной нагрузки между данными z агрегатами находят, исходя из того, что суммарный расход тепла, топлива

Q= Q 1 + Q 2 +…+ Q z . (9.1а)

должен бить минимальным. Пользуясь методом условного экстремума Лагранжа и обозначая неопределенный множитель через r, ищем минимум функции F=Q+r*φ или

.

Приравнивая нулю частные производные функции F по величинам W i и имея в виду равенство (9.3), получаем уравнения

;
;…;

(9.3)

Таким образом, для обеспечения минимального расхода тепла и топлива, нагрузка работающих агрегатов должна быть такой, чтобы величина удельного прироста расхода тепла этих агрегатов была одинакова:

(9.3а)

Действительная энергетическая характеристика турбоагрегата отличается от только что рассмотренной теоретической. Для применения данного принципа оптимизации необходимые характеристики сглаживают.

Одной из особенностей энергетического производства является баланс между производством и потреблением электроэнергии и теплоты. Выпуск электроэнергии и тепла зависит от их потребности в энергосистеме. При планировании деятельности предприятий энергосистемы необходимо учитывать, что часть показателей носит прогнозный характер.

Режимы работы предприятий в энергосистеме взаимосвязаны единым графиком электрических нагрузок энергосистемы и определяются в результате оптимального распределения нагрузки между параллельно работающими в одной зоне нагрузки электростанциями, исходя из экономичности работы в целом.

Экономичное распределение нагрузки между работающими агрегатами, обеспечивающее минимальный расход тепла и топлива на электростанции и в энергосистеме, производится на основе метода удельных (относительных) приростов расхода тепла.

Для применения этого метода необходимо располагать энергетическими характеристиками агрегатов, устанавливающими зависимость расхода тепла от нагрузки агрегата.

Энергетическая характеристика отражает зависимость между входными, выходными параметрами и потерями. Существует три вида характеристик.

Абсолютные (расходные) характеристики.

Относительные характеристики.

Дифференциальные характеристики.

Абсолютные (расходные) характеристики показывают взаимосвязь между первичной и вторичной энергией. К ним относятся зависимости:

Расхода топлива электростанции от ее мощности

В ст = f (P ст)

Расхода топлива котла от его теплопроизводительности

В к = f (Q ч)

Расход тепла турбин в зависимости от ее электрической мощности

Q ч = f (P т)

Расходные характеристики в свою очередь подразделяются на весовые и энергетические .

Весовые характеристики:

для котла В к = f (D к), [т.н.т. / час]

для турбины D т = f (P т), [т пара / час].

Они используются для определения абсолютных значений расходов топлива, определения необходимой производственной мощности: соответствия производственной мощности котла и турбины.

2) Энергетические характеристики:

В т = f (Q к), [т.у.т. / час]

Q т = f (P т), [ГДж / час].

Относительные характеристики используются для расчета первичной энергии при заданных нагрузках. К ним относятся удельные расходы топлива и теплоты и КПД.

b уд = f (P ст)

η ст = f (P ст).

Удельные расходы характеризуют экономичность работы:

для котла

для турбин

для блока или электростанции

,

где В ч – часовой расход топлива котлом, тут/ч;

Q к – часовая производительность котла по теплоте, ГДж/ч;

Q т – расход пара турбиной, ГДж/ч;

Р т, Р – электрическая нагрузка турбоагрегата и электростанции, МВТ.

Дифференциальные характеристики используются для определения оптимальных режимов работы агрегатов; т.е. нахождения условий, при которых расход топлива, теплоты или себестоимости энергии будет минимальным при условии соблюдения графика нагрузки.

∂ В ст ∆ В ст

= f (P ст) = f (P ст).

∂ Р ст ∆ Р ст

Энергетические характеристики котлов. Расходные характеристики – это зависимости между количеством подводимого топлива и получаемой теплоты.

Составляются эти характеристики для установившегося режима и характерных условий эксплуатации, т.е. когда давление пара, температура питательной воды, вид топлива соответствуют нормам эксплуатации. Если при эксплуатации условия отличаются, то применяются нормы-поправки. Характеристики получают в результате испытаний котлов при разных тепловых нагрузках.

Расходные характеристики паровых котлов строятся на основе их тепловых балансов. Тепловой баланс может быть представлен в виде:

Q час к = Q 1 + ∆Q ,

где ∆Q = ∆Q 2 + ∆Q 3 + ∆Q 4 + ∆Q 5 + ∆Q 6 , ГДж/ч

где Q 1 – полезно используемое тепло;

∆Q 2 – потери тепла с уходящими газами;

∆Q 3 – потери тепла от химической неполноты сгорания;

∆Q 4 – потери тепла от механической неполноты сгорания;

∆Q 5 – потери тепла в окружающую среду от наружной поверхности агрегата;

∆Q 6 – потери тепла с физической теплотой шлаков.

Зависимость отдельных видов потерь от полезной нагрузки устанавливаются на основе испытаний парового котла (рис. 9.1).

Q 1 min Q 1 mах

Рис. 9.1. Зависимость отдельных видов потерь от полезной нагрузки.

Характеристики строятся в пределах от минимальной нагрузки до максимальной. Минимальная нагрузка – наименьшая нагрузка, с которой котел может работать длительно без нарушения циркуляции или процесса горения. Обычно Q 1min зависит от вида топлива и типа котла: для газа-мазута Q 1min = 30% Q ном; для твердого топлива Q 1min = 50% Q ном.

Расходная характеристика котла может быть представлена выражением (рис. 9.2):

В = 0,0342 (Q 1 + ∆Q ), тут/ч, где

где 29,3 – теплота сгорания 1 тут, ГДж.

Удельный расход топлива:

b уд = 0,0342 (1 + ∆Q / Q 1), тут/ГДж.

тут/час потери

полезная теплота

Q 1 , ГДж/час

Рис. 9.2. Расходная характеристика котла.

Характеристика относительных приростов расхода топлива котлом (дифференциальная характеристика) отражает изменение часового расхода топлива при повышении отдачи теплоты на 1 ГДж/ч.

r к = ;

d ∆Q

r к = 0,0342 1 + .

Следовательно, для определения r к надо найти производную потерь по полезной нагрузке. Это делается путем аналитического или графического дифференцирования.

Взаимосвязь между удельным расходом топлива b, относительным приростом расхода топлива r к и кпд η. Тангенс угла наклона расходной характеристики к оси Q в каждой точке соответствует удельному расходу топлива b = В /Q . Как видно из рис. 9.3. угол наклона кривой, а следовательно, и его тангенс сначала уменьшаются, а затем в какой-то момент времени начинают увеличиваться. Соответственно и удельный расход топлива при росте нагрузки сначала снижается (b а >b б > b г ), а затем вновь начинает возрастать (b б = b д ).

В , 1

тут/час 2

б ● г

а ● ●

Q , ГДж/час

η ●

● ● ●

Q , ГДж/час

Рис. 9.3. Взаимосвязь между удельным расходом топлива, относительным приростом расхода топлива и КПД котла.

В точке г удельный расход равен относительному приросту расхода топлива b = r к, т.к. луч совпадает с касательной, а относительный прирост расхода топлива численно равен тангенсу угла наклона касательной к энергетической характеристике. В этой же точке (г ) достигается минимум удельного расхода топлива (b ) и максимальное значение КПД:

Зоны I и III характеризуются снижением КПД и невыгодны для нормальной работы энергооборудования. Наиболее предпочтительна работа в зоне нагрузок II, что соответствует наиболее экономичной работе агрегатов, КПД близок к максимальному.

Расходные энергетические характеристики турбоагрегатов. Расходные характеристики паровых турбоагрегатов зависят от системы их регулирования и представляют собой выпуклые кривые или сочетания таких кривых (рис.9.4).

При возрастании нагрузки угол наклона касательной уменьшается. Это объясняется постепенным открытием дроссельного клапана, пропускающего пар в проточную часть турбины, и снижением потерь дросселирования.

QQ I+II+III Q

Р Р Р

r т r т r т

Р Р Р

Рис. 9.4. Расходные характеристики паровых турбоагрегатов: а) дроссельное регулирование, б) сопловое или клапанное регулирование, в) обводное регулирование.

Использование в практических расчетах криволинейных характеристик весьма сложно. Поэтому их заменяют прямолинейными (рис.9.5). Обычно проводят прямую через точки характеристики, соответствующие нагрузкам 50 и 100%.

Расходные характеристики таких турбоагрегатов могут быть описаны выражением вида:

Q ч = Q хх + Q наг = Q хх + r т *Р ,

где Q хх – расход теплоты на холостой ход агрегата, ГДж/ч;

r т – относительный прирост расхода теплоты турбоагрегатом, ГДж/(МВт*ч);

Р – текущая электрическая нагрузка турбоагрегата, МВт.

Например: для турбины К-300-240 расходная характеристика имеет вид:

Q ч = 158,8 + 7,68*Р , ГДж/ч.

Для увеличения пропуска пара через проточную часть турбин большой мощности применяется обводное регулирование, т.е. при больших нагрузках генератора пар пропускается непосредственно в одну из промежуточных ступеней (в обвод первых ступеней).

QQ

●Q наг ●

Q хх Q хх

50 100 Р ,% 50 100 Р,%

Рис. 9.5. Расходные характеристики паровых турбоагрегатов при замене криволинейных зависимостей прямолинейными

При обводном регулировании расходная характеристика представляет собой сочетание двух выпуклых кривых, из которых последняя имеет больший угол наклона (рис.9.6).

r т r т 2

Q перег

Q нагр

P min Р кр Р P m ах

Рис. 9.6. Расходная характеристика паровых турбоагрегатов при обводном регулировании

В зоне действия I клапана: ∆Q Q кр – Q min

tgα 1 = = = r т1

∆P Р кр – Р min

В зоне действия I и II клапанов: ∆Q Q mах - Q кр

tgα 2 = = = r т2

∆P Р mах – Р кр

Таким образом, при обводном регулировании меняется вид расходной характеристики, который можно описать уравнением:

Q ч = Q хх + r т1 *Р кр + r т2 * (Р – Р кр)

Существует распространенное заблуждение, что все в жизни сводится ко времени. Ежедневно мы используем такие фразы:

«Если бы у меня было больше времени»
«Мне нужно еще несколько минут»
«Пара часов работы — только и всего»

Мы верим, что всего можно было бы достигнуть, будь у нас немного больше времени. Ошибочно полагаем, что все дело в его количестве, но наш рабочий день уже и так слишком длинный. Как все успевать и при этом не «сгореть на работе» — читайте в нашей сегодняшней статье.

Оковы свободы

С самого детства нас убеждают в важности распорядка дня, основанного на времени. Школьный день длится 8 часов, а структура урока подчиняется времени, а не тому, сколько должно быть изучено. Нас учат, что важнее уложиться в нужное время, чем закончить работу.

Однако сейчас мы все сильнее отходим от этой общепринятой практики. Все больше людей работает удаленно, частично, по контракту или вахтовым методом. Восьмичасовой рабочий день исчезает, но тот ли это отказ от временных рамок, на который мы так надеялись?

Свобода выполнять свои профессиональные обязанности где и когда угодно дает нам возможность работать по любому удобному графику. Это означает, что мы можем уложиться в короткие сроки или потратить на задачи массу времени — главное, чтобы работа была выполнена. Тем не менее исследования доказывают, что те, кому график позволяет работать меньше, в итоге трудятся значительно дольше.

Исследование, посвященное рабочему времени и продуктивности, проведенное Международной Организацией Труда, показало, что среднестатистический рабочий со свободным графиком работает 54 часа в неделю, а тот, кто подчиняется жесткому расписанию, всего 37. Эти 17 дополнительных часов являются следствием «свободы» устанавливать свой собственный график, но что еще хуже — эти часы не влияют на качество и продуктивность работы.

Когда Организация экономического сотрудничества и развития изучила влияние продолжительности работы на производительность в 18 европейских странах на протяжении 60-летнего периода, было обнаружено, что производительность в час при увеличении длительности рабочего времени всегда уменьшается. К тому же было замечено, что и результат ухудшается пропорционально росту рабочего времени.

После определенного момента все становится только хуже, ведь на следующий день часы будут потрачены на то, чтобы найти и исправить сделанные накануне ошибки.

Почему так получается?

Всем нам знакома ситуация, когда чувствуя сильную усталость и умственное истощение, мы продолжаем выполнять работу — просто для того, чтобы на свежую голову переделать большую ее часть. Возможно, это гордость или чувство ответственности, хотя более правильным кажется закон Паркинсона: «Работа занимает ровно столько времени, сколько на нее отведено».

Этот «закон» озвучил Сирил Норткот Паркинсон в рамках юмористического очерка в журнале «Экономист». Паркинсон приводит такой пример:

«Пожилая леди с массой свободного времени может потратить целый день на написание и отправление открытки своей племяннице в Богнор-Регис. Один час будет потрачен на поиски открытки, второй — на поиски очков, полчаса — на попытки вспомнить адрес, час с четвертью на написание и двадцать минут на то, чтобы решить — брать ли с собой зонт, чтобы дойти до почтового ящика на соседней улице. Вся работа, которая у занятого человека заняла бы не более трех минут, может заставить другого упасть замертво после целого дня сомнений, тревог и тяжелого труда».

Чем больше времени мы отводим на выполнение задания, тем больше времени мы на него тратим, а чем больше времени мы тратим, тем хуже в итоге выполняем само задание. Невозможно работать в полную силу в течение нескольких часов подряд. Мотивация, сила воли и сосредоточенность — это ограниченные ресурсы, которые надо использовать экономно в течение дня. Трата большего количества времени только убивает мотивацию и делает выполненную работу хуже.

Итак, если работать меньше, то можно показать высокую продуктивность?

Часто кажется, что у нас нет достаточно времени на встречи с друзьями, поддерживание отношений и все те вещи, которые делают нас счастливыми.

Даже учитывая, что отношения с семьей и друзьями — это основополагающие ценности, эта проблема все же является актуальной для большинства.

Возможность меньше работать дает время на общение и все те вещи, которые нужны для личного благополучия. Звучит безупречно, не так ли? Уделяйте меньше времени работе, и у вас будет больше времени на досуг и встречи с теми, кого вы любите.

Однако это не так.

Исследование Кристобаля Янга и Шаюна Лима из Стенфордского Университета показало, что из 500 000 рабочих у большинства уровень счастья зависит от продолжительности рабочей недели. Мы чувствуем себя абсолютно счастливыми в выходные и наименее довольными в понедельник и вторник. Очевидно, не так ли?

Удивительно, что та же тенденция существует и среди безработных: даже те, кому не нужно было присутствовать на рабочем месте в течение недели, все равно в будни чувствовали себя менее счастливыми. Янг и Лим связывают это с тем, что общение с другими людьми является более важным для нашего благополучия, чем просто свободное время: вы не получите полного удовольствия от выходного дня, если потратите день только на себя.

Уделяйте время только той работе, которая важна

Итак, мы не станем работать лучше, если потратим больше времени на работу, и мы не станем счастливее, если получим больше свободного времени.

Сфокусироваться на продуктивности, а не на конечном результате — вот наша цель.

Оправдывая работу затраченными ресурсами и временем, мы попадаем в ловушку: например, «Я потратил 60 часов/4 месяца/8 лет на это. Я заслужил успех».

Современная поговорка гласит, что дело не во времени, а в самой работе. Для многих удаленных сотрудников или тех, кто работает по гибкому графику, это означает выполнение любой ценой, но радоваться энному количеству затраченного времени вместо гораздо большего количества просто смешно. Если мы будем думать только о том, что сделано, не думая о том, как много времени потрачено на задание и какова продуктивность его выполнения, мы не увидим полной картины.

Как объясняет Линн Ву из Уортонской школы бизнеса, измерять продуктивность работы в ее результатах — бессмысленно. Продуктивность — это не только то, что сделано, но и то, как эффективно вы работали над заданием.

Недавнее исследование Джулиана Биркиншоу из Лондонской школы бизнеса показало, что большинство работников умственного труда — инженеров, писателей и тех, кто «думает, чтобы жить» — тратит в среднем 41% времени на работу, которую легко могли бы сделать другие.

Мы инстинктивно держимся за задания, которые делают нас «занятыми» (а значит, важными). Мы хорошо себя чувствуем, когда наш график расписан по минутам и приходится ждать, что вот-вот станет легче и появится время на наши жизненные потребности. Как ни парадоксально, все мы хотим больше свободного времени и при этом держимся за вещи, которые его отнимают.

Стремление работать более эффективно очень сложно отследить. Инвестирование в навыки, планирование или обучение других для того, чтобы освободиться самому, освобождают время для действительно важной работы — не просто для дел, которые делают нас «занятыми».

Переосмысление работы и жизни

Во всех аспектах жизни — как рабочих, так и личных — дело не в количестве времени. Мы никак не можем на это повлиять: не существует способа добавить часов в сутки. При этом комплексный эффект долгих рабочих дней и бессонных ночей заключается в том, что вы почти всегда показываете плохие результаты.

Дело в качестве, эффективности, умении определить, сколько времени потратить на работу и решить, как эффективнее использовать это время. Когда мы думаем так, мы перестаем воспринимать время как единицу измерения своего дня.

Существует несколько способов решить, как более продуктивно распорядиться своим временем — каждый из них может использоваться как индикатор вашей эффективности.

1. Планируйте задания, а не время

В своем эссе Пол Грэхем предполагает, что единицей измерения времени таких специалистов как писателей и программистов является как минимум половина дня, а не часовые или получасовые интервалы стандартного расписания.

Работа получается лучше всего тогда, когда она не требует соблюдения жестких дедлайнов и графиков. Чтение, сочинительство, редактура — все эти занятия получаются лучше, если не приходится растягивать время или, наоборот, спешить, чтобы уложиться в сроки.

Работа на результат дает ощущение успешности и помогает ответить на вопрос, эффективно ли вы работаете.

2. Когда смысл найден, продолжайте работать

Мотивация и энергия — ограниченные ресурсы, их растрачивание впустую сводит к нулю наши шансы и делает работу бессмысленной.

Эксперименты доктора Стила, посвященные мотивации и прокрастинации, показали, что значимость — самый важный аспект для поддержания мотивации. Когда выполняемая работа кажется нам важной, мы наиболее мотивированы на ее завершение. Так зачем же останавливаться? Встречи можно и перенести, а рабочий азарт не так просто восстановить.

3. Станьте лучше, быстрее, сильнее

Как сказал Генри Дэвид Торо, «Быть занятым недостаточно: таковыми бывают и муравьи. Вопрос в том, чем ты занят».

Необходимо учиться ежедневно сосредотачиваться на чем-то значительном, это позволит нам чувствовать себя состоявшимися.

Не стоит ходить на работу просто для того, чтобы отсидеть рабочий день и похвалить себя — сфокусируйтесь на том, чтобы выполнять свою работу и чувствовать удовлетворение от этого, и только после этого уходите.

Мы можем изменить то, как мы работаем, только если мы изменим свое мышление.

4. Просите помощи

Часто мы настолько погружаемся в работу, что забываем о возможности попросить помощи. Особенно в небольших компаниях, где кажется, что каждый сотрудник загружен работой по-максимуму, сама идея прервать чей-то рабочий процесс своей просьбой кажется странной.

Однако от одного маленького вопроса или коротенькой беседы может зависеть, потратите ли вы на задание 5 минут или целый час.

Используйте знания окружающих вас людей таким образом, чтобы вы вместе могли работать эффективно.

Вместо заключения

Вам не нужно больше времени — вам нужно время, потраченное с умом.
Это приходит только с пониманием, что долгие часы, затраченные на работу, не делают ее хорошей.

Как четко подметил Сет Годин: «Вам не нужно больше времени… вам просто нужно научиться принимать правильные решения». Время — это почти всегда вопрос качества, а не количества, поэтому определяйте цели и достигайте их.

В условиях современного производства основной частью нормы времени чаще всего является машинное (аппаратурное) время, величина которого определяется режимами работы оборудования. Так, при механической обработке машинное время рассчитывается на основе соотношения между длиной пути и скоростью перемещения инструментов. Эти величины, в свою очередь, устанавливаются исходя из параметров режима обработки: глубины, подачи и скорости резания.

Как было показано в разд. 2.8, при оптимизации технологического и трудового процессов должны указываться ограничения по необходимому производственному результату, условиям труда, использованию средств производства и объемам производственных ресурсов. Выбор оптимального варианта должен осуществляться по критерию минимума суммарных затрат на заданную программу выпуска продукции.

Рассмотрим структуру задач оптимизации режимов технологического процесса на примере обоснования режимов механической обработки деталей на металлорежущих станках. Эти задачи анализируются в технической и экономической литературе уже в течение десятилетий. Одна из первых попыток оптимизации режима резания была предпринята Ф. У. Тейлором, который известен своими работами не только по организации и нормированию труда, но и по технологии обработки металлов [Илек, Куба, Илкова. С. 85]. При оптимизации режимов резания определяются наиболее эффективные значения скорости резания (v), подачи (s) и глубины (t), т. е.

Область допустимых значений v, s, t определяет система ограничений. Прежде всего должны соблюдаться технические ограничения, обусловленные характеристиками предметов труда, инструментов, приспособлений и оборудования. К числу этих характеристик относятся свойства обрабатываемого материала, требуемая точность и чистота обработки детали, статические и динамические характеристики станка, конструкция, материал, геометрические параметры, допустимый износ инструмента, жесткость системы «станок - приспособление - инструмент - деталь» (СД) и т. д.

В частности, при установлении режима резания должны соблюдаться ограничения вида

где Q r (X) - усилие на r-й элемент системы СД, соответствующее определенному варианту режима резания; Q? - допустимое усилие на г -й элемент системы СД.

Так, допустимость той или иной подачи проверяется по прочности державки резца и пластинки твердого сплава, по величине прогиба детали, возникающего вследствие радиального усилия резания, и по прочности механизма подачи станка.

Наряду с ограничениями типа (5.3.2) должны соблюдаться ограничения, обусловленные параметрами применяемого оборудования. В частности, выбранное число оборотов шпинделя (п (X)) должно соответствовать допустимому числу оборотов (л д), указанному в паспорте станка.

В общем виде подобные ограничения записываются следующим образом:

Такая запись означает, что величины а е (Х) должны соответствовать множеству допустимых значений {а ?}.

Из группы ограничений по условиям труда следует учитывать требования, обусловленные необходимостью удобного и безопасного отвода стружки из зоны резания. Для этого выбирают соответствующую геометрию инструмента, параметры режима резания, защитные приспособления. Психофизиологические и социальные ограничения, обусловленные конструкцией оборудования, должны учитываться при его проектировании.

При выборе режима резания большое значение имеют ограничения по программе выпуска продукции и использованию фонда времени оборудования. В существующих методиках эти ограничения учитываются недостаточно, хотя для выбора экономически наиболее эффективного режима обработки они являются одними из важнейших.

Зависимость объема выпуска продукции от режима резания характеризуется двумя обстоятельствами. С одной стороны, увеличение скорости резания приводит к уменьшению машинного времени на единицу продукции, с другой - при увеличении скорости существенно уменьшается стойкость инструмента, увеличивается число его переточек и, как следствие, увеличивается время простоев оборудования, вызванных заменой инструментов.

Чтобы учесть эти обстоятельства при выборе оптимального режима резания, будем исходить из того, что на каждом станке можно выделить три состояния: машинную работу (резание), простой во время и в ожидании смены инструмента и простой по всем остальным причинам. Соответственно, можно записать:

где К м - коэффициент использования оборудования по машинному времени (удельный вес машинного времени в фонде времени работы станка); К и - доля времени простоев оборудования при замене инструментов; К п - доля времени простоев оборудования по остальным причинам.

Значениям ЛГ(т. е. скорости резания, подаче, глубине) соответствуют определенные величины машинного времени на единицу продукции. На основе этих величин для каждого X можно установить величину коэффициента использования оборудования по машинному времени (А"м (X)), необходимому для выполнения производственной программы:

где Р к - программа выпуска деталей к-то вида в планируемом периоде; (А) - машинное время на единицу продукции А:-го вида; F - располагаемый фонд времени одного станка в планируемом периоде; N - количество используемых единиц оборудования.

Наряду с коэффициентом машинного времени каждому варианту режима обработки соответствует коэффициент простоев, связанных с заменой инструментов, (К п (А)). Эта величина рассчитывается исходя из стойкости режущего инструмента, определяющей частоту его переточек, и времени на смену инструмента, которое зависит от организации обслуживания рабочих мест. В частности, если рабочий-станочник сам затачивает и меняет инструмент, время на смену инструмента будет включать продолжительность действия рабочего по снятию инструмента, его заточке, установке и переходов. При централизованной заточке и доставке инструмента на рабочее место время на смену инструмента будет определяться продолжительностью действий по снятию затупившегося и установке нового инструмента.

Величину К и (А) можно определить по формуле

где R (X) - среднее количество простоев оборудования во время замены или подправки инструмента за период F (при прочих равных условиях величина R(X) пропорциональна стойкости инструмента); t и (А) - среднее время на одну замену (подправку) инструмента.

Коэффициент машинного времени, который можно реально обеспечить при данной системе замены инструментов, устанавливается исходя из формул (5.3.4) и (5.3.6). Величина К„ в формуле (5.3.4) при расчетах режима резания может быть либо независимой от X (при обслуживании рабочим одного станка), либо связанной с ним зависимостью, близкой к функциональной (при многостаночной работе) . В дальнейшем будем считать, что величина К п однозначно определена. При этом на основе формул (5.3.4) и (5.3.6) имеем:

Таким образом, каждому варианту режима обработки и каждой системе организации обслуживания рабочих мест соответствуют определенные величины коэффициентов К" { (X) и Kl (X). Для выполнения программы выпуска продукции необходимо, чтобы соблюдалось ограничение:

Оптимальный вариант, удовлетворяющий ограничениям (5.3.2), (5.3.3) и (5.3.8), должен определяться по критерию минимума суммарных затрат на заданную программу выпуска продукции.

В условиях действующего производства при фиксированном количестве единиц используемого оборудования варианты режимов обработки будут различаться в основном расходами на оплату труда рабочих - S р (X), инструмент - S„ (20 и электроэнергию - S э (X). В этом случае целевой функции (5.3.9) будет эквивалентна функция

На основе соотношений (5.3.2), (5.3.3), (5.3.8), (5.3.9) структуру задачи оптимизации технологического режима в условиях действующего производства при фиксированном количестве единиц оборудования можно представить в следующем виде: найти

при котором

Расчеты при выборе оптимального режима резания выполняются в следующем порядке.

• 1. В соответствии с требованиями к точности и чистоте обрабатываемой поверхности и с величиной припуска устанавливается глубина резания (t). При черновой обработке стремятся работать с максимальной глубиной резания, допустимой системой СД. Чистовая обработка ведется при небольшой глубине резания. Так, если при обработке на токарном станке припуск составляет 5 мм, то черновая обработка может вестись при t - 4 мм, а чистовая - при t = 1 мм.
• 2. Исходя из принятой глубины резания выбирается подача, обеспечивающая выполнение требований к качеству обработки с учетом геометрии инструмента и допустимых усилий в системе СД. Величина подачи при чистовой обработке регламентируется в основном необходимым качеством обрабатываемой поверхности.
• 3. На основе глубины резания и подачи устанавливается скорость резания. При этом учитываются: требуемая точность и чистота обработки, геометрия и материал инструмента, механические характеристики и материал заготовки, допустимые усилия в системе СД, экономически наиболее эффективные периоды стойкости инструмента.
• 4. Для выбранной скорости резания определяются число оборотов шпинделя, необходимая мощность станка и двойной крутящий момент. Эти величины сопоставляются с паспортными данными станка. Исходя из уточненного числа оборотов шпинделя рассчитывается фактическая скорость резания.

В зависимости от конкретных производственных условий и возможностей применения вычислительной техники на практике используются различные методики установления режимов обработки. При оперативном нормировании чаще всего используются общемашиностроительные нормативы режимов резания, а также различного рода таблицы и номограммы, позволяющие сократить трудоемкость технологических расчетов. Наряду с этим все большее применение получают автоматизированные системы технологического проектирования и нормирования труда, важнейшей частью которых являются алгоритмы и программы оптимизации режимов обработки.

В связи с расширяющимся применением оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ) и гибких автоматизированных производств (ГАП) наиболее перспективными являются комплексные системы проектирования производственных процессов, включающие комплексы взаимосвязанных расчетов по выбору оптимальных вариантов последовательности обработки, технологического оборудования, инструмента, приспособлений, режимов резания, по определению всех составляющих нормы времени с учетом масштабов выпуска продукции и этапов ее освоения. Результаты расчетов выдаются в виде технолого-нормировочных карт, в которых для каждой операции указываются: оборудование, инструмент, приспособления, режимы обработки, норма времени и разряд работы. Наряду с этим при выполнении операции на станке с числовым программным управлением выдается программа работы станка.

После выбора оптимального варианта режима обработки машинное время на операцию однозначно определяется установленными значениями технологических параметров. Так, при обточке детали на токарном станке машинное время определяется по формуле

где L - длина пути инструмента в направлении подачи, мм; / - длина обрабатываемой поверхности, мм; 1 - длина врезания инструмента, мм; / 2 - длина перебега инструмента, мм; п - число оборотов в минуту; s 0 - подача в мм/об; s м - подача в мм/мин; i - число рабочих ходов (проходов), определяется соотношением припуска на обработку (И) и глубины резания (/) при каждом рабочем ходе, т. е. t + ti +... + = h.

• При многостаночной работе от стойкости инструмента зависит среднее время работы станка без участия рабочего. Это время непосредственно влияет на величину нормы обслуживания, а следовательно, и на среднее время простоя станкав ожидании обслуживания.

Математик. Окончил в 1961 году Уральский государственный университет по специальности прикладная математика, кандидат технических наук.

С 1967 года, занимается проблемами оптимизации режимов работы электростанций и энергосистем.
Защитил кандидатскую диссертацию по теме «Методы определения экономичных режимов гидротепловых энергосистем и ТЭС со сложными тепловыми схемами».
Подготовлена докторская диссертация – «Оптимизация режима работы электростанций и энергосистем – основа модели оптового рынка электроэнергии».
Автор более 50 статей.
Разработчик программно-технического комплекса «Многофункциональная математическая модель тепловой электростанции», который в составе проекта, направленного на энергосбережение и повышение энергетической эффективности. Лауреат конкурса Российской ассоциации инновационного развития.

Сложность проектирования моделей оптового рынка электроэнергии во многом определяется особенностью энергетической отрасли, продукт производства которой (электроэнергию) нельзя произвести впрок. Объём производства электроэнергии тесно связан с объёмом её потребления. Электроэнергии производится ровно столько, сколько требует потребитель, поэтому избытка её в принципе быть не может. Эта особенность существенно влияет и определяет структуру оптового рынка электроэнергии. Поэтому при проектировании модели такого оптового рынка возникает далеко непростой вопрос: «Какова должна быть архитектура рыночной модели электроэнергии»?

Здесь уместно напомнить одну из основных целей перехода на рыночные отношения – повышение экономической эффективности производства электроэнергии. Стало быть, механизм конкуренции, закладываемый в модель оптового рынка электроэнергии, должен с неотвратимой неизбежностью в каждом случае приводить к поставленной цели.
Электроэнергия – это социально значимый и высоколиквидный продукт, поэтому общество заинтересовано в производстве его с минимально возможными издержками. Это, в свою очередь, улучшит экологическую ситуацию и создаст благоприятные условия для снижения тарифов. Такой подход необходимо рассматривать как важную составляющую общей проблемы энергоэффективности и энергосбережения, реализуемую на этапе производства электроэнергии. Степень эффективности мероприятий по энергосбережению на этом этапе сопоставима с аналогичным показателем на этапе энергопотребления. Это обстоятельство диктует необходимость комплексного подхода к решению проблемы.
Актуальность решения проблемы энергосбережения резко возросла в связи с переходом энергетики на рельсы рыночной экономики в секторе производства электроэнергии.
Анализ результатов функционирования существующей модели оптового рынка электроэнергии дает основание утверждать, что предложенный механизм далёк от совершенства. Он не соответствует требованиям обеспечения минимизации затрат на топливо при производстве электроэнергии (это легко показать) и потому в принципе не может быть энергосберегающим. Главная причина неэффективности существующей модели оптового рынка электроэнергии заключается в отсутствии в механизме аукционной покупки-продажи электроэнергии оптимизационной процедуры распределения нагрузки между электростанциями, опирающейся на их энергетические характеристики (характеристики относительных приростов затрат на топливо – ХОПЗ).
В основе оптового рыка электроэнергии лежит аукцион ценовых заявок. Это обстоятельство делает ценовую заявку ключевой позицией, определяющей эффективную работу оптового рынка электроэнергии. Поэтому исчерпывающее определение и разъяснение существа (а не только формы) ценовой заявки архиважно. В первую очередь, это важно для обеспечения эффективной работы единой энергетической системы.
Практика работы субъектов рынка, между тем, показывает, что отсутствие каких-либо единых правил формирования ценовых заявок не только по форме, но и по содержанию приводит на деле к поиску некоего эффективного способа их задания, основанного на анализе предшествующих результатов работы на оптовом рынке. Таким образом, лишь опыт и интуиция определяют каждый раз вид ценовой заявки. По существу идёт игра ценовыми заявками. Но никакая игра ни при каких обстоятельствах в принципе не может обеспечить экономически эффективное производство электроэнергии. Налицо несоответствие принятой модели рынка такой специфичной отрасли, как энергетика. А специфика энергетического производства (электроэнергии не может производиться в избытке) не может не накладывать на модель оптового рынка электроэнергии определенного отпечатка.
Чтобы понять, какое влияние оказывает упомянутая специфика энергетической отрасли на модель оптового рынка электроэнергии, проанализируем механизм использования её ключевого звена – ценовой заявки.

Существующий подход предполагает подачу всеми субъектами оптового рынка электроэнергии ценовых заявок для участия в аукционе по продаже электроэнергии на предстоящие сутки. Заявки поступают к администратору торговой системы как от покупателей электроэнергии, указывающих требуемые объёмы электроэнергии и собственные возможности по их оплате, так и от поставщиков, указывающих объёмы гарантированной поставки электроэнергии по ценам, сформированным с учётом всех видов затрат. Для поставщика электроэнергии, однако, весьма проблематично предугадать полные затраты на производство электроэнергии для расчёта ожидаемой цены, поскольку неизвестно, каков будет объём произведенной электроэнергии в предстоящие сутки. Поэтому поставщик электроэнергии, стремясь получить максимальную прибыль, пытается спрогнозировать, исходя из опыта и результатов предыдущих суток, наиболее эффективный уровень цен для разных объёмов реализуемой электроэнергии. По заявкам покупателей строится кривая спроса, а по заявкам поставщиков – кривая предложения (рис. 1 презентации).

В.М.Летун.Рисунки к статье " Оптимизация режимов работы энергосистем - основа модели оптового рынка электроэнергии"

В.М.Летун.Рисунки к стать...ого рынка электроэнергии"

Желание покупателей электроэнергии приобрести бóльший объём электроэнергии по более низкой цене остается неудовлетворённым. Необеспеченный спрос части субъектов рынка может быть реализован на свободном рынке.
Объём Wп является предельным при продаже-покупке электроэнергии на взаимовыгодных условиях, и ему соответствует цена Цп. Таким образом, точка пересечения кривой спроса и кривой предложения соответствует предельной по объёму продажи (покупки) электроэнергии и цене на взаимовыгодных условиях.
Эта нехитрая схема аукциона, реализующая приоритетную покупку дешевой электроэнергии и, тем самым, минимизирующая затраты на покупку электроэнергии, определяет соответствующую загрузку электростанций по активной мощности. Из этого, однако, не следует, что затраты на производство электроэнергии при такой загрузке будут минимальными. Скорее всего, при таком подходе они никогда не будут минимальными, а степень отклонения (по затратам) полученного режима от оптимального будет во многом определяться заданными ценами в ценовых заявках субъектов оптового рынка.
В подобном подходе надежды на «невидимую руку» рынка совершенно беспочвенны. Надо хорошо представлять себе, что «невидимая рука», о которой говорили отцы рыночной экономики, это вовсе не какой-то мистический пассаж в модели рынка, а тонкий экономический инструмент, призванный сделать модель максимально эффективной.
В описанной схеме модели отсутствует такой инструмент, поэтому она изначально запрограммирована на заведомо неэффективное решение с точки зрения затрат при производстве электроэнергии несмотря на некий рыночный антураж. Во главу угла, по существу, ставится конкуренция цен на электроэнергию, которая, в свою очередь, порождает массу негативных явлений (игра с ценовыми заявками, коррупция и т.п.), которые усугубляют неэффективное функционирование энергетики.
По существу произошла замена задачи минимизации затрат на производство электроэнергии задачей минимизации затрат на покупку электроэнергии.
Можно воспользоваться рекомендацией РАО «ЕЭС России». В пункте 12.3 приказа РАО «ЕЭС России» № 52 от 24.01.2006г. «О подготовке к запуску нового оптового рынка электроэнергии (мощности) переходного периода (далее НОРЭМ) с 1 апреля 2006 г.», рекомендуется «считать целесообразной подачу конкурентных ценовых заявок на продажу электроэнергии на основе предельных переменных затрат». По общепринятому определению предельные переменные затраты или маржинальные затраты это первая производная по мощности от функции затрат на производство электроэнергии или, что то же, характеристика относительных приростов затрат.
Воспользуемся этой рекомендацией и зададим в качестве ценовых заявок маржинальные затраты (ХОПЗ), тогда решение, полученное в этом случае, будет заметно ближе к оптимальному в части затрат на производство электроэнергии. Но в этом случае возникает вопрос со смысловой интерпретацией точки пересечения (если она будет) кривой спроса и кривой предложения, так как маржинальные затраты, строго говоря, не есть цена произведенной электроэнергии. Продавать электроэнергию в данной ситуации по цене Цп крайне невыгодно для поставщика, ибо маржинальные затраты всегда меньше реальной цены на электроэнергию.
В этой ситуации напрашивается естественный выход – вести расчёт цен на электроэнергию постфактум, зная объём и график загрузки каждого поставщика электроэнергии и их актуальные энергетические характеристики.
Если посмотреть на проблему более строго, то необходимо изменить архитектуру модели оптового рынка электроэнергии с включением в неё полнокровной системы оптимизации режима загрузки электростанций по критерию минимизации затрат на сжигаемое топливо при производстве электроэнергии. Это и есть «невидимая рука», которая сделает модель эффективной, и это единственно возможный путь сокращения издержек на производство электроэнергии, по максимизации прибыли в целом по единой энергосистеме, по созданию объективных предпосылок для снижения тарифов на электроэнергию.
За основу модели оптового рынка целесообразно взять хорошо в прошлом проработанную иерархическую систему оптимизации режимов работы энергосистем с привязкой к ней системы взаиморасчётов за проданную (купленную) электроэнергию. При таком подходе автоматически решается проблема оптимального производства электроэнергии в указанном выше смысле. Предметом конкуренции становятся экономические характеристики субъектов рынка, которые во многом (если не в основном) определяются использованием высокотехнологичного оборудования, высокой культурой технической эксплуатации этого оборудования и, наконец, оптимальным управлением режимом его загрузки. Субъекты рынка, обладающие такими качествами, будут иметь конкурентное преимущество, которое, в конечном счете, обеспечит им производство электроэнергии в большом объёме и с наименьшими издержками. И в этом гвоздь вопроса.
Теперь скажем несколько слов об общих принципах организации системы взаиморасчётов. Оптимизация режимов на верхних уровнях иерархии сводится к определению объёмов межсистемных перетоков активной мощности. Каждый из перетоков может быть вызван либо дефицитом мощности в соседней энергосистеме, либо замещением «дорогой» электроэнергии, либо тем и другим.
Взаиморасчеты при ликвидации дефицита мощности в соседней энергосистеме. Это классический случай торговых взаимоотношений двух сторон поставщик – потребитель, поэтому в такой ситуации все расчёты за поставленную электроэнергию осуществляются по тарифу, в котором учтены все виды затрат на произведенную электроэнергию.
Взаиморасчеты при замещении «дорогой» электроэнергии. Это вполне реальный вариант установления торговых отношений между двумя самодостаточными энергосистемами, выгодных при определенных условиях для каждой из сторон.
Слово дорогой взято в кавычки по той простой причине, что оно выражает не общепринятый смысл – достаточно большие средние за определенный период затраты на производство 1 МВт∙ч электроэнергии по топливной составляющей, а нечто иное. Это иное можно сформулировать следующим образом: под понятием дорогая электроэнергия подразумевается большой по величине в рассматриваемый момент времени прирост затрат на топливо при увеличении выработки электроэнергии на 1 МВт∙ч. В этом смысле статус электростанции (энергосистемы) – «дорогая» или «дешевая» – может меняться в зависимости от ситуации. Количественную сторону этих приростов затрат отражает характеристика относительных приростов затрат (ХОПЗ).

Таким образом, если две соседние энергосистемы А и В, имеющие эквивалентные ХОПЗ (см. рис. 2 презентации), при покрытии нагрузки потребления вышли на относительные приросты eА и eВ, то у них есть реальная возможность осуществить взаимовыгодную торговую сделку: энергосистема А может заместить свою дорогую мощность в объёме DР (МВт), соответствующей мощностью, купленной в энергосистеме В.
Объём D Р рассчитывается таким образом, чтобы выполнялось соотношение:

e А (Р А потр - D Р ) = e В (Р В потр + D Р ) = e ц . (1)

Выводы:

1. Переход от конкуренции цен на электроэнергию к конкуренции технологий, конкуренции владения культурой технического обслуживания оборудования, конкуренции в оптимальном управлении загрузкой электростанций и энергосистем, которая найдет свое выражение в ХОПЗ, обеспечит максимальное сокращение издержек на производство электроэнергии.

2. Реализация такого подхода повысит надежность работы единой энергетической системы за счет следующих факторов:
исключения из технологических функций системного оператора при оптимальном управлении режимом работы энергосистем различных коммерческих наслоений, отвлекающих от решения производственных задач;
распределенного по уровням диспетчерского управления технологических задач (например, выбор состава оборудования) по принципу наступления события и учета места их возникновения.

3. Система становится в высокой степени контролируемой. Показатели ХОПЗ (эквивалент ценовых заявок), подаваемые электростанциями на уровень РДУ, могут быть легко проверены аналитическими службами РДУ.

4. Система оказывает стимулирующее влияние на внедрение новых технологий, на повышение культуры технического обслуживания оборудования, на развитие принципов оптимального управления режимами загрузки основного оборудования электростанций и в целом энергетических систем.

5. Повышается ответственность системного оператора (РДУ) по бесперебойному снабжению электроэнергией потребителей региона.

6. Высокий уровень и объективность производственно-экономической информации в результате функционирования такой системы дают богатую пищу для эффективного выбора вектора развития энергетических систем.

Список литературы :

1. Стивен Стофт. Экономика энергосистем. Введение в проектирование рынков электроэнергии.: Пер. с англ. – М.: Мир, 2006.
2. Марков М.В. Микроэкономика.- СПб.: Издательский Дом «Нева», 2003.