The methodology for determining of the energy costs for the probabilistic nature of the load of a machine-tractor unit

Full Text

Введение Разнообразные конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы являются основными причинами случайного характера нагрузки и других оценочных показателей машинно-тракторных агрегатов (МТА) при выполнении ими технологических процессов. К таким факторам относятся техническое состояние тракторов и сельскохозяйственных машин, ширина захвата отдельно взятого рабочего органа и в целом агрегата, глубина обработки, рельеф местности, профиль поверхности поля, каменистость, физико-механические характеристики почвы и т.д. Исследования показывают, что случайный характер нагрузки служит основной причиной ухудшения эксплуатационных показателей МТА. Колебания нагрузки в достаточно широких пределах способствуют затратам энергии на технологические процессы. Широко используемые в настоящее время методы оценки производства сельскохозяйственной продукции по затратам труда и экономическим показателям в ряде случаев недостаточны, поскольку эти показатели имеют существенные колебания, определяемые политикой ценообразования, и не позволяют установить уровень необходимых затрат энергии на производство продуктов. Сущность энергетического анализа технологических процессов и технологий возделывания сельскохозяйственных культур сводится к оценке затрат на производство продукции и количества заключенной в ней энергии, выраженных в сопоставимых единицах. При этом принимают во внимание теплосодержание использованных нефтепродуктов, энергозатраты на их производство, энергоемкость машин, удобрений и энергосодержание сельскохозяйственной продукции в МДж или ккал/кг [1]. Энергетический анализ позволяет оценивать существующие и планируемые технологии, технологические процессы и операции, их перспективность с точки зрения энергоэффективности по сравнению с типовыми технологиями. Анализ показывает, что существующие методики энергетической оценки технических средств не учитывают особенности работы ГТД в составе различных МТА. В связи с этим возникла необходимость в разработке методики определения прямых топливно-энергетических затрат МТА с ГТД при вероятностных условиях их функционирования. Следует отметить, что влияние случайного характера нагрузки на энергетические параметры и технико-экономические показатели МТА с различными типами двигателей рассматривались в трудах ученых В.Н. Болтинского, А.Б. Лурье, С.А. Иофинова, Л.Е. Агеева, В.С. Шкрабака, В.Г. Еникеева, А.В. Николаенко, Саакяна, Е.И. Давидсона, Н.И. Джабборова, А.П. Савельева и их последователей. Оценке эффективности применения тракторных газотурбинных двигателей (ГТД) на тракторах посвящены работы профессоров Н.С. Ждановского, А.В. Николаенко, В.С. Шкрабака, Л.Е. Агеева, А.В. Соминича, Н.И. Джабборова и других ученых [2-4]. Цель исследований Целью исследования является разработка методики определения прямых топливно-энергетических затрат МТА, оснащенных тракторными газотурбинными двигателями, с учетом случайного (вероятностного) характера внешних воздействий. Материалы и методы Предложенная методика разработана на основе системного подхода, обобщения и анализа экспериментальных данных, математического моделирования процессов. Экспериментальные исследования проведены на лабораторных установках и в полевых условиях с использованием современных средств измерений и регистрации опытных данных. Результаты и обсуждения Как известно, одним из основных резервов экономии нефтепродуктов в различных отраслях сельскохозяйственного производства является эффективное использование техники. В условиях дороговизны и дефицита энергетических ресурсов топливно-энергетический анализ стал одним из основных методов оценки технологий и использования техники в целом. В качестве основного критерия оценки энергетической эффективности технологий производства сельскохозяйственной продукции предложен показатель - коэффициент энергетической эффективности [1]: R = П/Е, (1) где П - энергия, содержащаяся в конечном сельскохозяйственном продукте, МДж; Е - энергия, затраченная на производство сельскохозяйственной продукции, МДж. Полные энергетические затраты на производство сельскохозяйственной продукции можно определить по формуле [1]: , (2) где ЕП - прямые затраты энергии, выраженные расходом топлива, МДж/га; Ео - затраты энергии на производство удобрений, ядохимикатов, семян и других технологических материалов, МДж/га; ЕЖ- энергетические затраты живого труда, МДж/ч; ЕТ, ЕМ, ЕС - энергоемкость трактора, машины, сцепки на единицу сменного времени, МДж/ч; WЧ - сменная производительность МТА, га/ч. Результаты анализа составляющих энергетических затрат (2) и технологий возделывания сельскохозяйственных культур в различных почвенно-рельефных и климатических условиях свидетельствуют о том, что прямые топливно-энергетические затраты, выраженные расходом топлива, электроэнергии и тепла, составляют 20-25 %, а косвенные (энергоемкость тракторов, сельскохозяйственных машин, удобрений, ядохимикатов, живого труда и других технологических материалов) - 75-80 % от общих энергетических затрат на производство единицы производимой продукции. Энергетические затраты Ео, ЕЖ, ЕТ, ЕТ, ЕМ и ЕС составляющие выражения (2), кроме ЕП, тесно не связаны с эффективным и качественным функционированием МТА, расходом нефтепродуктов непосредственно при выполнении технологических процессов. Методика определения прямых энергетических затрат, предложенная в работе [1], не учитывает специфики работы МТА и динамики выполнения ими технологических процессов и не всегда пригодна для прогнозирования количественных характеристик энергетических затрат с высокой степенью достоверности. По разработанной нами методике МТА рассматривается в виде модели (рис. 1). В качестве аргумента х принят момент сопротивления на валу тяговой турбины ГТД МТ. Выходными параметрами У (функции) являются эффективная мощность ГТД Ne, удельный эффективный расход топлива ge и зависящие от них производительность МТА WЧ и прямые топливно-энергетические затраты ЕП. Рис. 1. Одномерная модель «вход - выход» (а) и схема (б) к определению вероятностных оценок энергетических параметров ГТД В общем случае математические ожидания энергетических параметров ГТД при случайном аргументе МТ рассчитываются по формуле: , (3) где - плотность распределения вероятностей случайной величины У (или выходного параметра) ГТД; - плотность распределения случайной величины x (входного параметра). С учетом выражений (2) и (3) прямые топливно-энергетические затраты МТА с ГТД определяются выражением: , (4) где GЧ - часовой расход топлива ГТД на определенном рабочем режиме (табл. 1). Для установленного режима работы и уровня реализации частоты вращения вала тяговой турбины значение часового расхода топлива ГТД остается постоянным, то есть GЧ = const (табл. 1); Gx, G0 - значения часового расхода топлива ГТД, соответственно, на поворотах и переездах и во время остановок МТА при работающем ГТД, кг/ч; ; ; - коэффициенты; Tp, Tх; T0 - соответственно, основное время работы, общее - на повороты и переезды и время остановки МТА с работающим двигателем; -энергосодержание топлива, применяемого для ГТД, МДж/кг; - энергетический эквивалент топлива (т.е. затраты энергии на производство 1 кг топлива, МДж). Производительность МТА WЧ в час основного времени можно представить в виде: , (5) где - тяговый коэффициент полезного действия (КПД) трактора на рабочем режиме; - удельное сопротивление агрегата, кН/м; Nе - эффективная мощность ГТД, кВт. Среднее значение эффективной мощности ГТД с учетом влияния коэффициента вариации нагрузки vм определяется по формуле: = с, (6) где с = 9554-1 - поправочный коэффициент; А, В - соответственно, постоянная величина и угловой коэффициент, определяемые по параметрам стендовой характеристики ГТД (табл. 1); МТ - момент на валу тяговой турбины ГТД, Н∙м; vм - коэффициент вариации нагрузки ГТД. Выражение (4) можно представить в виде: , (7) где - основные прямые топливно-энергетические затраты, то есть затраты энергии на установившемся нагрузочном (или рабочем) режиме ДПМ (после затухания переходных процессов) МТА при выполнении технологического процесса, МДж/га; - дополнительные прямые топливно-энергетические затраты, то есть затраты энергии при работе ГТД без нагрузки (на остановках) и с неполной нагрузкой (на поворотах и переездах), МДж/га. Анализ показывает, что в зависимости от видов технологических операций и процессов значения дополнительных прямых энергозатрат находятся в пределах 10-15 % от . Существенную экономию прямых энергетических затрат ЕП можно достичь путем оптимизации , зависящей от эффективного использования МТА с ГТД при выполнении механизированных полевых работ. С учетом выражений (4)-(7) основные прямые топливно-энергетические затраты равны: . (8) Используя выражения (7) и (8), можно прогнозировать значения прямых топливно-энергетических затрат с большой доверительной вероятностью, с учетом случайного характера внешней нагрузки на работу МТА с ГТД. Оптимальное значение основных прямых топливно-энергетических затрат определяется с учетом экстремальных значений эффективной мощности ГТД и производительности МТА, соответствующие критериям: - максимум КПД трактора на данном рабочем режиме, т.е. ; - минимум прямых топливно-энергетических затрат, т.е. . При этом экстремальное (оптимальное) значение эффективной мощности ГТД определяется по формуле: , (9) где - экстремальное значение момента на валу тяговой турбины ГТД, Н∙м. Экстремальное значение часовой производительности МТА (га/ч) можно представить в виде: . (10) С учетом выражений (4), (7), (9) и (10) оптимальное значение прямых топливно-энергетических затрат определяется по выражению: ; (11) . (12) В качестве примера в таблице 2 приведены расчетные оптимальные значения прямых топливно-энергетических затрат пахотного агрегата, состоящего из газотурбинного трактора ГТТ «Кировец» с газотурбинным двигателем ГТД-350Т, и плуга ПНИ-8/9-40. Установлено, что при уровне реализации частоты вращения турбокомпрессора = 1,0 (100 %) и колебания коэффициента вариации нагрузки от 0 до 0,333 оптимальные значения прямых топливно-энергетических затрат пахотного агрегата увеличиваются от 543,0 до 723,12 МДж/га. Такая же тенденция увеличения прямых топливно-энергетических затрат МТА наблюдается и на других уровнях реализации частоты вращения турбокомпрессора ГТД. Следует отметить, что с уменьшением уровня реализации частоты вращения турбокомпрессора ГТД прямые топливно-энергетические затраты увеличиваются. Например, при фиксированном значении коэффициента вариации нагрузки vм = 0,333 значения прямых топливно-энергетических затрат пахотного агрегата увеличивается от 634,18 МДж/га (при = 1,0) до 792,22 МДж/га (при = 0,8). Выводы При энергетической оценке технологических процессов следует учесть случайный характер внешних воздействий, из-за которых постоянно возникают естественные отклонения энергетических параметров и технико-экономических показателей МТА от их базового значения. Учет этих отклонений позволяет с наибольшей достоверностью прогнозировать эксплуатационные показатели МТА. Увеличение меры рассеяния нагрузки vм способствует снижению производительности и увеличению прямых топливно-энергетических затрат МТА. Прямые топливно-энергетические затраты следует подразделить на основные (затраты энергии, выраженные расходом топлива на рабочем режиме двигателя) и дополнительные (затраты энергии, выраженные расходом топлива на остановках с работающим двигателем, поворотах и переездах). Таблица ١ Основные энергетические параметры, установленные по типовым характеристикам ГТД-٣٥٠Т µ А, мин-1 В, мин-1/Нм GЧ, кг/ч Nен, кВт 1,0 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,60 2,040 2,045 0,050 2,055 2,060 2,065 2,070 2,075 10820 10285 9530 8920 8220 6980 6270 4930 -11,79 -12,24 -12,18 -12,31 -12,35 -12,84 -12,98 -14,39 94 84 76 68 60 47 40 27 260 226 195 169 143 99 79 44 Примечание - уровень реализации частоты вращения вала тяговой турбины; , nтн - соответственно, текущее и номинальное значения частоты вращения тяговой турбины, мин-1; µ = Mmax / Mн - кратность моментов, или коэффициент приспособляемости ГТД; Mmax, Mн - соответственно, максимальное и номинальное значения крутящего момента на валу тяговой турбины, Нм; - постоянная величина, равная максимальной частоте вращения вала тяговой турбины, мин-1; - угловой коэффициент, мин-1/Нм; nmin - минимальное значение частоты вращения тяговой турбины, мин-1; GT - часовой расход топлива ГТД, кг/ч; Nен - номинальная мощность ГТД, кВт. Таблица ٢ Прямые топливно-энергетические затраты пахотного агрегата ГТТ «Кировец»+ПНИ-٨/٩-٤٠ (η = ٠,٧; Ка = ٦,٠ кН/м)) , кВт GЧ, кг/ч vм, % , га/ч , Дж/га , МДж/га , МДж/га 1,0 260 239,92 222,65 207,87 194,92 94 0 8,3 16,7 25,0 33,3 10,92 10,07 9,35 8,73 8,20 74,72 81,03 87,27 93,47 99,51 468,27 507,80 546,91 585,75 623,61 543,0 588,83 634,18 679,22 723,12 0,9 195 180,16 167,19 156,10 146,37 76 0 8,3 16,7 25,0 33,3 8,19 7,57 7,02 6,55 6,15 99,63 107,79 116,24 124,58 132,68 504,81 546,16 588,95 631,21 672,26 604,44 653,95 705,19 755,79 804,94 0,8 143 132,20 122,68 114,53 107,40 60 0 8,3 16,7 25,0 33,3 6,0 5,55 5,15 4,81 4,51 136,0 147,03 158,45 169,65 180,93 544,0 588,11 633,77 678,58 723,73 680,0 735,14 792,22 848,23 904,66

About the authors

N. I Dzhabborov

Federal State Budget Scientific Institution «Institute of Agroengineering and Ecological Problems of Agricultural Production» (IAEP)

Email: nozimjon-59@mail.ru
DSc in Engineering

V. S SHkrabak

Saint Petersburg State Agrarian University (St.Petersburg State Agricultural University)

Email: v.shkrabak@mail.ru
DSc in Engineering

References

Supplementary files