// Журнал «Промышленная Энергетика», 2011 - № 11, стр. 14-21

Энергосбережение и повышение экономической эффективности предприятия

путем управления загрузкой производственных агрегатов

Копцев Л. А., канд. техн. наук

ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат"

       Рассмотрены возможности снижения себестоимости продукции вследствие повышения эффективности использования энергоресурсов и снижения энергозатрат, необходимых для выполнения производственной программы. Этого можно достичь путем целенаправленного распределения загрузки производственных агрегатов, выпускающих однородную продукцию, на основе зависимостей потребления энергоресурсов от объема производства.

Под энергосбережением подразумевается снижение физических объемов потребления энергоресурсов предприятием на производство единицы продукции. Основные направления энергосберегающей деятельности — это повышение эффективности использования энергоресурсов в технологических процессах и уменьшение потерь при распределении по сетям. Энергосберегающий эффект обеспечивается также при контроле эффективности использования энергоресурсов, управлении энергопотреблением и за счет оптимизации энергобаланса. Важнейшим результатом энергосбережения является сокращение энергозатрат (т. е. финансовых затрат для обеспечения производственных процессов энергоресурсами) и в конечном итоге - уменьшение их доли в суммарных затратах на производство продукции.

         Существенный энергосберегающий эффект за счет оптимизации энергобаланса предприятия может быть получен при реализации мероприятий, которые целесообразно назвать структурными [1]. Объединяющей их основой является целенаправленное распределение объемов производства между цехами и агрегатами, выпускающими однородную продукцию. Например, в ОАО "ММК" это сталеплавильные цехи — конвертерный и электросталеплавильный [2], цехи горячей прокатки ЛПЦ-10 и ЛПЦ-4, агломерационные фабрики № 2, 3 и 4, компрессоры, подающие воздух на блоки разделения воздуха в кислородном цехе и др.

         Необходимые условия реализации предлагаемого подхода к повышению энергоэффективности предприятия - раздельный учет объемов производимой продукции и соответствующих расходов энергоресурсов, а также знание количественных характеристик зависимостей расхода энергоресурсов от объемов производимой   продукции   для   каждого   из рассматриваемых цехов (агрегатов). Последнее условие обеспечивается в ОАО "ММК" практикой нормирования и прогнозирования потребления электроэнергии на основе таких зависимостей, формируемых по результатам математической обработки статистических отчетных данных об объемах производства и фактических удельных расходах электроэнергии для всех производственных подразделений [3, 4].

         Применение статистических зависимостей удельного расхода электроэнергии нормируемым подразделением (или потребляемой им активной мощности) от объема производства вместо общепринятой "нормы" расхода энергоресурса, утверждаемой на квартал или другой, более продолжительный период, дает возможность рассматривать и анализировать потребление электроэнергии производственными подразделениями, а тем более их комплексами как бы в динамике [5]. Совместное рассмотрение характеристик потребления электроэнергии несколькими производственными объектами (подразделениями), анализ скоординированной степени загрузки которых проводится в комплексе, позволяет получить некоторую обобщенную характеристику сформированного виртуального производственного объединения. Изучение вновь полученной характеристики гипотетического производственного объекта (безусловно, существующего в реальности в виде организационно отдельных подразделений) свидетельствует, что она, как правило, имеет минимум в той или иной области, и свойства ее существенно изменяются со временем. Происходит это из-за изменения условий работы входящих в рассматриваемую группу подразделений, а также при смене сезонов.

         Из перечисленных производственных объектов  рассмотрим  комплекс,  состоящий  из трех агломерационных фабрик, имеющих различный по количеству и характеристикам состав основного оборудования — агломашин: на аглофабриках № 3 и 4 — по четыре, а на аглофабрике № 2 — пять. Аглофабрика № 4, построенная последней, оборудована более производительными машинамисодержащими зоны охлаждения агломерата. В составе аглофабрик № 2 и 3 недавно были сооружены узлы стабилизации агломерата (УСА). За аглофабрикой № 4 работают очистные сооружения. На каждом из указанных объектов ведется отдельный учет потребления электроэнергии, и на каждой аглофабрике — учет произведенного агломерата. Это позволяет построить зависимости потребления электроэнергии от объемов произведенного агломерата для каждого объекта, получить суммарные зависимости для трех производственных комплексов (АФ-2 - УСА, АФ-3 - УСА, АФ-4 _ очистные сооружения) и в конечном итоге сформировать искомую зависимость потребления электроэнергии для всего рассматриваемого производственного комплекса.

         В соответствии с методом и практикой нормирования, изложенными в [41, информация об электропотреблении (фактическом удельном расходе и объеме произведенной продукции) каждого нормируемого подразделения по итогам завершившегося месяца вносится в соответствующий набор данных и постоянно обновляется. Характеристики потребления энергоресурса производственными объектами изменяются в пределах сезона, а тем более при смене сезонов, поэтому зимние и летние характеристики обрабатываются и формируются раздельно.

         Из рассмотрения зависимостей расхода электроэнергии от объема производства агломерата трех производственных комплексов (АФ-2 - УСА, АФ-3 - УСА, АФ-4 - очистные сооружения) в январе (рис. 1, а) и сентябре (рис. 1, б) 2010 г. становится очевидным, что соотношения этих зависимостей имеют разный характер. Поскольку максимальная производительность аглофабрик различна, на приведенных диаграммах для наглядности демонстрации соотношений зависимостей показан несколько расширенный по отношению к рабочему диапазон загрузки фабрик.

         В ходе дальнейшего анализа были получены обобщенные характеристики суммарного расхода электроэнергии всем производственным комплексом по производству агломерата в зависимости от загрузки самой производительной аглофабрики АФ-4 (рис. 2). Основываясь на этом, провели сравнение фактического расхода электроэнергии в рассматриваемом комплексе с теоретически достижимым и определили возможную экономию электроэнергии в физическом (млн. кВт • ч) и финансовом (млн. руб.) выражении. Результаты приведены на диаграммах для января (рис. 2, а) и сентября (рис. 2, б) 2010 г.

         Серия аналогичных расчетов по определению суммарных характеристик потребления электроэнергии комплексом агломерационных фабрик в зависимости от загрузки АФ-4 (при условии выполнения суммарной фактической производственной программы для соответствующего месяца) для нескольких месяцев 2010 г. и двух первых месяцев 2011г. (см. табл. 1) позволяет сделать следующий важный вывод: из условия получения минимальных затрат электроэнергии на производство продукции целесообразна в летний период максимальная загрузка АФ-4, а в зимние месяцы - по остаточному принципу.

         Безусловно, при проведении подобных исследований необходимо учитывать реальные диапазоны загрузки производственных агрегатов, особенно их максимальные границы производительности. Были проведены расчеты "теоретического" потребления электроэнергии по сформированным обобщенным зависимостям от загрузки аглофабрик для покрытия реальных объемов производства в соответствующие месяцы в трех вариантах распределения загрузки между аглофабриками. Результаты расчетов даны в табл. 2, где выделено оптимальное распределение. Там же приведены значения "теоретического" потребления электроэнергии комплексом аглофабрик при фактическом распределении объемов производства агломерата между фабриками и отклонения минимальных значений суммарного потребления электроэнергии при оптимальном распределении загрузки аглофабрик от необходимого при фактически сложившемся распределении. Полученные данные позволяют подтвердить ранее сделанный вывод и дополнить его следующим заключением: для получения минимальных затрат электроэнергии на производство агломерата в сложившихся условиях целесообразно в летний период аглофабрики АФ-4 и АФ-3 загружать максимально, а АФ-2 - по остаточному принципу, в зимние же месяцы - АФ-4 - по остаточному принципу, а АФ-3 и АФ-2 — максимально.

Рис. 1

         Необходимо отметить, что теоретически возможная (без учета реальных ограничений по производительности фабрик) экономия энергозатрат на обеспечение производства агломерата электроэнергией на основе выполненных расчетов в разные месяцы достигала от 0,33 до 5,17 млн. руб. Определяли ее из условия снижения покупки электроэнергии из энергосистемы.

         Значительный интерес с точки зрения снижения себестоимости производства за счет перераспределения загрузки структурных подразделении и на этой основе уменьшения энергозатрат при получении заданного (определяемого портфелем заказов) суммарного объема продукции представляет совместное изучение потребления энергоресурсов двумя цехами горячей прокатки — ЛПЦ-10 и ЛПЦ-4. Цехи реализуют одинаковую технологию и выпускают в значительной степени перекрывающийся сортамент продукции. Необходимо отметить, что теоретически возможная (без учета реальных ограничений по производительности фабрик) экономия энергозатрат на обеспечение производства агломерата электроэнергией на основе выполненных расчетов в разные месяцы достигала от 0,33 до 5,17 млн. руб. Определяли ее из условия снижения покупки электроэнергии из энергосистемы.

         Значительный интерес с точки зрения снижения себестоимости производства за счет перераспределения загрузки структурных подразделении и на этой основе уменьшения энергозатрат при получении заданного (определяемого портфелем заказов) суммарного объема продукции представляет совместное изучение потребления энергоресурсов двумя цехами горячей прокатки — ЛПЦ-10 и ЛПЦ-4. Цехи реализуют одинаковую технологию и выпускают в значительной степени перекрывающийся сортамент продукции.

Рис. 2

         В каждом из рассматриваемых цехов неразрывный технологический тандем образуют методические нагревательные печи и непрерывный стан горячей прокатки. Слябы нагреваются в печах до температуры около 1200 °С и с минимальной задержкой по времени, необходимой для транспортировки рольгангом до первой клети, обжимаются в клетях стана. Очевидно, чем выше температура нагрева металла в печах (и соответственно больше расход топлива), тем меньше потребление электроэнергии на обжатие, и, наоборот, чем ниже температура нагрева в пределах технологических допусков (и меньше расход   топлива),   тем   выше   потребление электроэнергии на обжатие. Поэтому нужно рассмотреть и сравнить потребности для осуществления технологического процесса сразу двух энергоресурсов - электроэнергии и топлива. Из двух рассматриваемых цехов ЛПЦ-10 — более современный, производительный и мощный. Недавно в нем сооружена и запущена в эксплуатацию четвертая нагревательная методическая печь. В качестве топлива в цехе используется природный газ. В ЛПЦ-4 установлены шесть нагревательных печей другого типа, основным топливом в них являются природный газ и частично его смесь с коксовым газом.

Таблица 1

Загрузка АФ-4, тыс. т	Суммарный расход электроэнергии, млн. кВт*ч
	2010 г.								2011 г.
	май	июль	август	сентябрь	январь	март	октябрь	декабрь	январь	февраль
150	40,20	38,49	36,67	35,60	29,28	32,64	33,07	32,07	33,38	27,93
160	39,61	37,95	36,23	35,16	29,25	32,55	32,98	32,00	33,30	27,89
170	39,05	37,45	35,81	34,75	29,24	32.4N	32,91	31,94	33,23	27,86
180	38,52	36,97	35,41	34,35	29,23	32,41	32,85	31,90	33,17	27,83
190	38.01	36,51	35,04	33,98	29,23	32.36	32,79	31,86	33,11	27,81
200	37,53	36,09	34,69	33,63	29,24	32,31	32,74	31,82	33,07	27,79
210	37,08	35,68	34,35	33,30	29.25	32.27	32,70	31,80	33,03	27,78
220	36,66	35,31	34,04	32,98	29,28	32,24	32,67	31,78	33,00	27,78
230	36,26	34,95	33,75	32,69	29,31	32,22	32,64	31,77	32,98	27,79
240	35,89	34,62	33,48	32,42	29,35	32,21	32,63	31,77	32,97	27,80
250	35,54	34,31	33,23	32,16	29,40	32,20	32,62	31,78	32,97	27,82
260	35,21	34,03	32,99	31,93	29,45	32,21	32,63	31,80	32,97	27.85
270	34,91	33,77	32,77	31,71	29,52	32,22	32,64	31,83	32,98	27,89
280	34,63	33.52	32,58	31,51	29,59	32,25	32,66	31,86	33,01	27,93
290	34,37	33,30	32,40	31,33	29,67	32,28	32,69	31,90	33,04	27,98
300	34,13	33,10	32,23	31,16	29,76	32,33	32,73	31,95	33,08	28,04
310	33,92	32,92	32,09	31,01	29,86	32,38	32,77	32,01	33,12	28,10
320	33,73	32,76	31,96	30,88	29,97	32,44	32,83	32,08	33,18	28,18
330	33,56	32,63	31,85	30,76	30,09	32,52	32,89	32,16	33,25	28,26
340	33,40	32.50	31,75	30.67	30,21	32,60	32.97	32,25	33,32	28,35
350	33,27	32,40	31,67	30,58	30,35	32,69	33,05	32,35	33,41	28,44
360	33,16	32,32	31,61	30,51	30,49	32,79	33,15	32,45	33.50	28,55
370	33,07	32,26	31,56	30,46	30,65	32,90	33,25	32,57	33,60	28,66
380	33,00	32,21	31,53	30,43	30,81	33,03	33,36	32,69	33,72	28,78
390	32,94	32,18	31,52	30,40	30,98	33,16	33,48	32,82	33,84	28,91
400	32,91	32,17	31,51	30,40	31,16	33,30	33,62	32,97	33,97	29,05
410	32,89	32,18	31,53	30,41	31,35	33,46	33,76	33,12	34,11	29,20
420	32,89	32,21	31,56	30,43	31,56	33,62	33,91	33,28	34,27	29,35
430	32,91	32,25	31,60	30,47	31,77	33,80	34,07	33,46	34,43	29,51
440	32,95	32,31	31,66	30,52	31,99	33,98	34,25	33,64	34,60	29,69
450	33,01	32,39	31,74	30,59	32,22	34,18	34,43	33,83	34,78	29,87

         Как уже отмечалось, в практике нормирования, прогнозирования и анализа электропотребления в ММК используются изменяющиеся со временем зависимости потребления электроэнергии от объемов произведенной продукции для всех производственных подразделений, в том числе для горячекатаного проката в ЛПЦ-4 и -10. Нормирование топлива выполняется традиционным расчетным способом, причем нормы утверждаются на квартал. Поэтому для достижения поставленных целей с использованием применяемой для нормирования электроэнергии программы [4] на основе фактических данных о потреблении топлива были сформированы зависимости потребления природного газа от объемов производства для цехов ЛПЦ-4 и -10. Следует подчеркнуть, что в качестве модели потребления топлива для ЛПЦ-4, как и для ЛПЦ-10, была принята зависимость потребления природного газа, поскольку экономия энергозатрат может быть достигнута за счет снижения потребления внешних, покупных энергоресурсов — электроэнергии и природного газа. Коксовый же газ является вторичным энергоресурсом, имеющим условную цену, и печи в ЛПЦ-4 целенаправленно используются для максимального его сжигания в процессе работы.

Таблица 2

Распределение объемов производства	2010 г.								2011 г.
	май	июль	август	сентябрь	январь	март	октябрь	декабрь	январь	февраль
Вариант 1	32,97	32,20	31,52	30,46	30,87	33,08	33,41	32,74	33,76	28,41
Вариант 2	33,03	32,33	31,64	30,50	30,41	32,83	33,20	32,39	33,66	28,32
Вариант 3	33,11	32,47	31,88	30,62	29,23	32,45	32,97	31,96	33,56	28,23
Фактическое распределение, млн кВт • ч	33,12	32,28	31.56	30,50	29,20	32,73	33,04	32,39	33,69	28,35
Отклонение от оптимального распределения, %	0,434	0,251	0,120	0,150	- 0,088	0,861	0,209	1,337	0,391	0,438

Примечание:

вариант 1 – АФ-4, АФ-3 – максимум, АФ-2 – остаток;

вариант 1 – АФ-2, АФ-4 – максимум, АФ-3 – остаток;

вариант 1 – АФ-2, АФ-3 – максимум, АФ-4 – остаток;

Рис. 3

         Полученные таким образом зависимости потребления электроэнергии и природного газа цехами от их загрузки в марте и августе 2010 г. приведены на рис. 3, а и б соответственно. На  основе   подобных   зависимостей для каждого цеха сформировали суммарные характеристики потребления каждого из рассматриваемых энергоресурсов двумя цехами (при условии выполнения суммарной производственной программы) в зависимости от загрузки ЛПЦ-10 для нескольких месяцев 2010 и 2011гг. Далее выполнили сравнение "теоретически" необходимых затрат энергоресурсов с фактическими и определили возможную экономию энергозатрат. Суммарные характеристики потребления электроэнергии и природного газа двумя цехами горячей прокатки и возможная экономия энергозатрат в зависимости от загрузки ЛПЦ-10 в марте и августе 2010 г. приведены на рис. 4, а и б.

Рис. 4

         При анализе совместной работы этих цехов нельзя не учитывать ограничения по максимальной загрузке агрегатов. Следует обратить внимание на то, что максимальная теоретически возможная экономия электроэнергии от перераспределения загрузки станов может быть достигнута при очень сильной разгрузке ЛПЦ-10 (за границей максимально допустимой производительности ЛПЦ-4), а природного газа — по большей части в пределах производственных мощностей ЛПЦ-4. Следовательно, возможная максимальная экономия при покупке электроэнергии для двух станов относительно понесенных затрат в разные месяцы 2010 г. могла составить от 0,95 до 10,63 млн. руб., при покупке природного газа — от 4,87 до 13,24 млн. руб., а суммарная по двум энергоресурсам — от 1,26 до 21,21 млн. руб. Аналогичные расчеты для февраля 2011 г., проведенные на основе плановых показателей в начале месяца и по его итогам по фактическим результатам работы, показали, что возможная суммарная экономия по двум энергоресурсам при перераспределении загрузки станов могла составить: по плановым показателям — около 19,2 млн. руб., по полученным итогам — около 20,5 млн. руб.

         Таким образом, при наличии определенных резервов производительности технологических агрегатов планирование их загрузки с учетом зависимостей потребления энергоресурсов от объемов производства может обеспечить существенный энергосберегающий эффект и снижение себестоимости продукции за счет уменьшения энергозатрат при условии обеспечения выполнения производственной программы. Такой подход целесообразно применять для любых технологических агрегатов, выпускающих однородную продукцию, в том числе потребляющих для осуществления основного технологического процесс* несколько энергоресурсов. При этом зависимости, характеризующие потребление энергоресурсов, должны регулярно обновляться по мере формирования новых данных об итогах работы.

         Список литературы

1. Копцев Л. А., Рашкин Ф. А., Поварницын Д. В. Сквозной энергетический анализ и подходы к оптимизации энергобаланса в ОАО "ММК". — Промышленная энергетика. 2002, № 9.

2. Влияние структурных изменений сталеплавильного производства и собственной энергетической базы на энергоемкость продукции / Ю. А. Бодяев, Ю. П. Журавлев, Л. А. Копцев и др. — Сталь, 2007, № 12.

3. Копцев Л. А. Нормирование и прогнозирование потребления электроэнергии в зависимости от объемов производства. — Промышленная энергетика, 1996, № 3.

4. Копцев Л. А., Копцев А. Л. Нормирование и прогнозирование потребления электроэнергии на промышленном предприятии. — Промышленная энергетика, 2011, № 1.

5. Кудрин Б. И. Проблемы электроэнергетики и техноценологическое определение параметров электропотребления как основа нормирования и энергосбережения. — Мост. Журнал для промышленников, 2000, № 1.