//Электрика. – 2010. – № 5.– С. 20–24.

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ – ИДЕОЛОГИЯ, МЕРЫ И ПРИЛОЖЕНИЯ –

НА ПРИМЕРЕ МОРСКИХ И РЕЧНЫХ ПОРТОВ

В. А. Шошмин, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой, ep-spguvk@bk.ru

Санкт-Петербургский гоcударственный университет водных коммуникаций

Энергосбережение неожиданно для нашей страны приобрело актуальность после выступления Президента Дмитрия Медведева о необходимости замены ламп накаливания на энергосберегающие лампы.

Сразу можно отметить, что эта единичная акция – частная задача энергосбережения, а у Президента недостаточно квалифицированные в этом вопросе советники. Доступные сегодня потребителю энергосберегающие лампы – это люминесцентные лампы со светоотдачей 33 лм/Вт. Они не имеют энергетических преимуществ перед криптоновыми биспиральными лампами накаливания со светоотдачей до 16 лм/Вт, а тем более перед кварцево-галогенными лампами накаливания – 22 лм/Вт, поскольку норма освещённости для газоразрядных ламп вдвое выше, чем для ламп накаливания.

Упоминание светодиодных источников света в энергосбережении может рассматриваться как альтернатива существующему освещению только на уровне 2020–2030 гг. – сейчас они имеют высокую стоимость, к тому же исследования о влиянии данного источника света на зрение (что очень важно!) не проведены, нет норм и руководств по проектированию таких систем освещения.

Однако важен сам факт, что в выступлении Президента прозвучала как одна из важнейших задач экономики – энергосбережение.

Проблема рационального использования электроэнергии в нашей стране имеет давнюю и не слишком радостную историю. Автор в своё время проанализировал решения конференций по этому вопросу с 1937 по 1987 гг. и с удивлением обнаружил, что они практически повторяют друг друга.

Недавние попытки создать и реализовать государственную программу по энергосбережению предполагали следующие меры.

В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986–1990 годы и на период до 2000 года" ставилась задача реализовать "Энергетическую программу СССР", снизить энергоёмкость национального дохода не менее чем в 1,4 раза.

В "Энергетической программе СССР на длительную перспективу" (апрель 2003) можно выделить следующие основные задачи для промышленной электроэнергетики:

• улучшение нормативов, использование материальных и моральных стимулов в борьбе за экономию, более строгий спрос за перерасход, превышение норм и лимитов;

• проведение активной энергосберегающей политики на базе ускорения научно-технического прогресса во всех звеньях народного хозяйства;

• коренное совершенствование структуры энергопотребления путём экономии топлива и энергии во всех сферах народного хозяйства за счёт совершенствования технологии производства, создания и внедрения энергосберегающих оборудования, машин и аппаратов, перестройки структуры экономики в направлении снижения удельной энергоёмкости общественного производства;

• экономия энергетических ресурсов должна осуществляться по следующим основным направлениям: переход на энергосберегающие технологии производства; сокращение его материалоёмкости; повышение уровня организации производственных процессов; создание и внедрение в производство более эффективных в энергетическом отношении транспортных средств, машин и механизмов; сокращение всех видов энергетических потерь, улучшение структуры производства, преобразования и использования энергетических ресурсов.

В более раннем документе – "Решении общего собрания отделения физико-технических проблем энергетики АН СССР и АН УССР" (Москва, 1980) – указано также на необходимость совершенствования систем планирования, хозяйственного управления и экономического стимулирования оптимального электропотребления, для чего следовало шире развернуть научные исследования по разработке конкретных рекомендаций с целью достижения оптимальных уровней электризации всех отраслей народного хозяйства и основных производственных процессов.

Как видно, слова были сказаны правильные, задачи намечены актуальные, но и сегодня наша страна – одна из самых энергетически расточительных стран: энергоёмкость нашего национального дохода в 2009 году была в 5 (!) раз выше, чем в передовых развитых странах. Такое положение было и 25 лет назад.

Основные положения по энергосбережению. Энергосбережение – это любое сокращение потребности в энергии. Однако для проведения энергосберегающей политики необходимо ясно представлять, за счёт каких факторов установился существующий уровень энергоёмкости.

Прежде всего, надо разделить энергопотребление на две составляющие: избыточное (расточительное) потребление и объективную потребность в энергии данного потребителя. Если с первой составляющей имеется определённая ясность, то второе понятие требует детального рассмотрения. Сделаем это на примере электроэнергии.

Потребность в электроэнергии возникает как необходимость выполнения работы на электрифицированной технологической установке (производстве). Увеличиваясь за счёт потерь при преобразовании, распределении и передаче, а также за счёт избыточности параметров электроустановок и технологического оборудования, исходная потребность превращается в конечном итоге в спрос потребителя на электроэнергию от энергосистемы. Следовательно, для обоснованного определения потребности в электроэнергии и параметров электроустановок, удовлетворяющих эту потребность, необходимо рассмотреть особенности техники, технологии и применяемых электроустановок на каждом конкретном производстве. С этой целью введём понятие объективной потребности в электроэнергии в противовес фактической потребности. Смысл вводимого понятия заключается в следующем.

Каждому виду техники, технологии и организации производства должна соответствовать объективная потребность в электроэнергии, определяющая энергоёмкость производства.

Иначе говоря, объективная потребность в электроэнергии – это потребность, объективно обусловленная факторами, характеризующими применяемую технику и технологию, принятую организацию производства.

Таким образом, объективную потребность электроэнергии определяют три группы факторов.

1. Физико-технические, связанные с закономерностями преобразования электроэнергии в установке определённой конструкции:

1.1. законы преобразования электроэнергии;

1.2. конструкция электроустановки;

1.3. законы управления электроустановкой.

2. Технологические, в основу которых могут быть положены:

2.1. параметры (регламенты) технологии;

2.2. нормативы труда.

3. Организационные, определяемые в первую очередь следующими положениями:

3.1. организацией производства;

3.2. организацией эксплуатации.

Подробная, точная формулировка проблемы имеет главной целью связать параметры производства с его энергоёмкостью таким образом, чтобы по изменению первых можно было определить изменение вторых.

Возвращаясь теперь к понятию экономии электроэнергии, предлагается определить его так: экономия электроэнергии – это снижение объективной потребности в ней за счёт совершенствования техники, технологии и организации производства, т. е. это разница между двумя уровнями объективной потребности (старым и новым). Разница между фактической (существующей) и объективной потребностями есть избыточный расход ресурса.

Меры по проведению энергосберегающей политики. Энергетика во многих странах определяет внутреннюю и внешнюю государственную политику. Особенно это справедливо для стран, лишённых собственных (достаточных) энергетических ресурсов.

При нашем энергетическом богатстве можно было до поры до времени мириться с расточительством. Но, тем не менее, и в нашей стране в соответствии с современными требованиями эффективности любой деятельности нужна государственная программа по энергосбережению, директивно определяющая следующие основные меры энергосберегающей политики.

Во-первых, это разработка аналитических методик определения объективной потребности в электроэнергии всех разнообразных потребителей и создание на этой основе реальных энергетических паспортов объектов электроснабжения. В соответствии с принятыми регламентами такая работа ведётся. Но, по опыту автора, разработанные паспорта составляются так, что указывают сложившийся уровень электропотребления со всеми его недостатками.

Во-вторых, необходимо преодолеть существующую пропасть между разработчиками-производителями техники и проектировщиками электроснабжения. Сегодня при использовании электроустановок проектировщик получает установленную мощность при неизвестной степени её использования. Для электродвигателей машин и механизмов это даже не потребляемая мощность, а мощность на валу. Таким образом, энергетическая информация, известная при создании установок, не может быть использована при проектировании их электроснабжения. Поэтому следует законодательно утвердить требования к производителям электрифицированного оборудования о включении в его паспортные данные энергетических характеристик, показателей режима потребления (пиковых нагрузок, средних мощностей за цикл работы и др.) и удельных расходов энергии.

В-третьих, законодательно ввести ограничения на выпуск продукции с удельными расходами, превышающими установленные нормативы рационального потребления энергии.

В-четвёртых, всемерно пропагандировать и внедрять меры по борьбе с расточительностью, включая изменение психологии населения в направлении энергосберегающего поведения, внедрить повсеместно простейшие устройства автоматизации включения электроустановок по потребности.

В заключение этого раздела следует заметить, что основные направления рационального использования электроэнергии специалистам хорошо известны, поэтому здесь не приводятся.

Приведённые меры должны стать государственной политикой по энергосбережению, поскольку самая дешёвая энергия – это энергия сбережённая.

Прикладные результаты энергосбережения в портах. Анализ энергоёмкости, результатов выполненных исследований и моделирования на ЭВМ помогли выявить особые пути реального сокращения расходов электроэнергии и повышения энергетической эффективности работы портов.

Пóрты, установленная мощность электроприёмников которых достигает 100 МВт , годовой расход – 60 млн кВтч и максимум нагрузки – 16 МВт, по сравнению с промышленными предприятиями обладают рядом особенностей как по составу электроприёмников, так и по условиям формирования систем электроснабжения. Это, прежде всего, сезонность работы, спрос на электроэнергию, определяемый стохастическим транспортным процессом (даже при его регулировании), условия функционирования электроустановок, режим их работы и линейное размещение основного энергоёмкого оборудования, а также организация производства, под которым понимаются погрузо-разгрузочные работы.

Такими путями для основного технологического оборудования портóв – перегрузочных машин – являются:

•совершенствование электрооборудования и, прежде всего, электроприводов основных механизмов;

•рациональное использование перегрузочной техники и совершенствование технологии грузовых работ;

•повышение квалификации операторов перегрузочных машин.

Ниже приводятся подтверждения целесообразности реализации предлагаемых путёй с точки зрения энергетической эффективности.

Моделирование различных систем электропривода на ЭВМ показало, что совершенствование систем управления на основе замены торможения противовключением на динамическое для электроприводов с асинхронными электродвигателями и резисторами в цепи ротора обеспечивает повышение КПД в среднем на 7 %, а замена этого типа электропривода на электропривод постоянного тока с параметрическим управлением – на 20–23 %. Полученные методы аналитического определения удельной энергоёмкости погрузочного оборудования дают возможность оценивать экономию электроэнергии. Средняя годовая наработка кранов в речных и морских портах на навалочных грузах составляет:                                       тыс. т

Альбатрос, 10 т                                  554

Кировец, 10 т                                      710

Кировец, 16 т                                      970

Ганц, 16 т                                            218

В соответствии с этим можно оценить возможность экономии электроэнергии за счёт совершенствования электрооборудования кранов (табл. 1). При расчёте была принята средняя норма расхода, рассчитанная для этой группы кранов и равная 0,26 кВтч/т. Анализ удельных расходов даёт основание полагать, что рациональное использование портальных кранов при выполнении грузовых работ также обеспечивает экономию электроэнергии.

1. Экономия электроэнергии портальным краном

на навалочном грузе, тыс. кВтч/год

Наработка, тыс. т	Снижение энергоёмкости, %
	1	5	7	20	25
200 400 600 800 1000	0,52 1,04 1,56 2,08 2,60	2,60  5,20  7,80 10,40 13,70	3,64  7,28 10,92 14,56 18,20	10,40 20,80 31,20 41,60 52,00	13,00 26,00 39,00 52,00 65,00

В табл. 2 приведены соотношения удельных расходов при перегрузке кранами разной грузоподъёмности (навалочный груз – 5–16 т, штучный груз – 3–16 т) для одного и того же варианта переработки груза (судно–склад).

2. Соотношение удельных расходов электроэнергии для различных грузов

Груз	wmax/wmin	wmax/wc
Навалочный:      соль      уголь      песок, ПГС      щебень, гравий      лес (грейфером) Штучный:      пакеты      ЖБИ      контейнеры (3 т)      контейнеры (5 т)      овощные контейнеры      кабельные барабаны      пиломатериалы      трубы      автомобили	2,22 2,2 2,16 2,24 2,35 3,72 2,06 2,22 2,08 3,95 5,12 3,28 3,14 3,14	1,36 1,37 1,34 1,22 1,24 1,59 1,4 1,21 1,19 1,58 1,52 1,48 1,46 1,47

Рассмотрение этих данных показывает значительное расхождение удельных расходов для навалочных грузов (более чем в 2 раза), а максимальный расход превышает средний более чем на 20 %. Это означает, что при нерациональном выборе техники для переработки таких грузов возможный перерасход за навигацию может составить 30–35 тыс. кВтч на один кран.

Для штучных грузов характерен ещё больший разброс указанных соотношений. Хотя доля штучных грузов в большинстве речных портов составляет 3–8 % грузооборота, однако энергоёмкость переработки этих грузов в среднем в 1–8 раз выше, чем навалочных. Кроме того, для ряда речных портов (например, Осетрово, на р. Лене, Красноярск; Южный, Москва) и для большинства морских эта группа грузов во многом определяет потребление электроэнергии пóртом. Следовательно, рациональный выбор техники для конкретного груза может обеспечить значительную экономию электроэнергии.

Немаловажное значение имеет и технология грузовых работ для одного и того же груза. Так, например, расчёты показали, что при перегрузке контейнеров краном "Ганц 5×30" по варианту судно–склад стропами и специальным захватом удельные расходы электроэнергии при второй технологии меньше на 18 %. Рост удельных расходов электроэнергии наблюдается и при необоснованном выборе типа грейфера на навалочных грузах, при низкой квалификации крановщиков.

С целью проверки последнего положения был проведён эксперимент по анализу работы пяти крановщиков кранов Кировец (16 т) в Череповецком порту, перегружавших рудный концентрат по варианту судно–склад. Нормативная производительность крана Н_норм=380 т/ч, а нормативный (рассчитанный) удельный расход электроэнергии W_норм=0,227 кВтч/т. Результаты эксперимента и сравнительные данные представлены в табл. 3. Величины удельных расходов достаточно тесно связаны с производительностью, и, следовательно, их величины могут служить характеристикой эффективности труда.

3. Сравнительный анализ влияния квалификации на удельный расход электроэнергии

Показатели	Крановщики
	1	2	3	4	5
Время цикла, с Средний ток, А Удельный расход, кВтч/т Производительность, т/ч wi/wн Нi/Ннорм	55,9 215 0,179 464 0,79 1,23	60,3 256 0,231 430 1,02 1,14	77,8 203 0,236 333 1,04 0,88	73,5 217 0,238 353 1,05 0,93	74,6 220 0,245 347 1,08 0,92

Анализ результатов экспериментов и расчётов убеждает, что более квалифицированный крановщик работает не только более производительно, но и с меньшими затратами энергии*. В целом можно считать, что полученная экспериментальная база создаёт условия для обоснования и проведения (даже при существующей механизации погрузо-разгрузочных работ) энергосберегающей технологии и организации работ.

Исследования показывают, что нормирование удельных расходов на базе персональных ЭВМ по разработанной методике позволяет учесть все специфические особенности технологии конкретного пóрта, обеспечить необходимое обобщение расходов по родам грузов, погрузочной технике, причалам и порту в целом. Это даёт возможность избежать применения для целей нормирования статистических методов, эмпирических коэффициентов. Повышение обоснованности нормирования будет способствовать стимулированию передовых методов труда, совершенствованию перегрузочной техники, технологии и организации производства погрузо-разгрузочных работ.

Массовые расчёты по оценке технического состояния систем электроснабжения портов выявили, что потери мощности и энергии составляют значительную величину. В табл. 4 приведены результаты выборочного анализа величины потерь.

4. Потери в системах электроснабжения в портах

Порт	Потери, %
	ТП	Сеть	Всего
Тольятти Самара Пермь, Заостровский район Пермь, Городской район Омск Ярославль Волгоград	3,6 4,1 6,1 3,2 5,3 3,2 3,6	13,7   8,6 11,4   4,1 17,3   3,9   5,2	17,3 12,7 17,5   7,3 22,6   7,1   8,8

Снижение потерь электроэнергии может быть достигнуто путём:

• оптимизации параметров систем электроснабжения;

• компенсации реактивной мощности на перегрузочном оборудовании и трансформаторных подстанциях;

• автоматизации включения/выключения трансформаторов в функции нагрузки на двухтрансформаторных подстанциях.

Расчёты по оптимизации систем электроснабжения показывают, что в оптимальных вариантах величина потерь составляет: для трансформаторных подстанций 3,2–3,9, для электрических сетей 4,3–5,6 %.

Для эффективной компенсации реактивной мощности необходимо обоснование рационального распределения мощности компенсирующих устройств между индивидуальными (перегрузочные машины) и централизованными (трансформаторные подстанции) способами компенсации. Решение задач общей оптимизации электроснабжения позволяет это сделать.

И, наконец, повышение точности определения параметров электропотребления, установление функциональных связей между технологией и организацией производства и электропотребления открывают путь к нормализации графиков нагрузок. Требование нормализации графиков вытекает из существующих соотношений для реальных графиков. Анализ показал, что для большинства портов отношение максимальной нагрузки и средней составляет 1,41–1,89, а максимальной и минимальной – 2,1–5,5 в навигационный период, причём нередки случаи, когда соседние ординаты на графиках нагрузки P=f(t) отличаются в 1,8–3 раза. Упорядочение по результатам расчётов технологического процесса обработки судов и вагонов без ущерба для производительности убеждает, что вполне реально снизить неравномерность графиков до следующих значений отношений нагрузок: максимальной и средней – 1,14–1,23, максимальной и минимальной – 1,34–1,5. Это приведёт к снижению договорного максимума, уменьшению потерь и повышению качества электроэнергии.

Автоматизация включения/выключения трансформаторов на двухтрансформаторных подстанциях имеет для портов важное значение. Перегрузочная техника, использующая 65–80 % от общего потребления электроэнергии порта, имеет обоснованный коэффициент использования по времени навигации порядка 0,3. Период максимальной перегрузки чередуется с периодами ожидания работы. Практика показывает, что оборудование подстанции устройствами для автоматического включения/выключения позволяют снизить потери на 8 % и окупить затраты на переоборудование менее, чем за год.

Заключение. Приведённые соображения и результаты показывают, что энергосбережение может приносить существенную экономию электроэнергии и экономические выгоды. Задача лишь в том, чтобы эта работа стала государственной политикой, подкреплённой законодательно и материально.

---

* В работе О. Е. Лагуткина такая зависимость в электропотреблении от квалификации обслуживающих бригад отмечена при анализе работы ДСП.