ВВЕДЕНИЕ
(<# Актуальность темы. Общее потребление энергоресурсов в сельском хозяйстве
ф Сибири оценивается величиной порядка 12..Л6 млн т у.т. Затраты на энергообеспечение сельских районов составляют около 1/6 всех затрат на энергоснабжение народнохозяйственного комплекса региона. Примерно 40% энергоресурсов расходуется в производственной, а 60% — в непроизводственной сфере. Основной потребитель энергоресурсов - тепловые процессы (до 80% по районам Сибири).
Доля энергозатрат в структуре себестоимости продукции растениеводства составляет 30...55%, животноводства - до 13... 18%. При этом наблюдается устойчивая тенденция к росту данного показателя. Стоимость отпускаемой тепловой энергии достигает 400...500 р/МДж. Среднегодовой коэффициент использования топлива в сельскохозяйственном производстве не превышает 0,30...0,40.
Учитывая предстоящую реконструкцию системы электроснабжения сельских районов, принципиально важным является определение доли электроэнергии в структуре топливно-энергетического баланса тепловых процессов региона.
Для достижения требуемого уровня обеспечения продовольствием необходимо в два раза увеличить производство сельскохозяйственной продукции. При существующих технологиях увеличение производства сельскохозяйственной продукции на 1% требует увеличения потребления энергии примерно на 3...4%. Достижение необходимого объема производства сельскохозяйственной продукции, при указанных значениях коэффициентов эластичности между производством продукции и потреб-k лением энергоресурсов, трудноосуществимо.
Изменившиеся социально-экономические условия в стране, переход к рыночной экономике, необходимость реализации ресурсосберегающих технологий, ужесточение требований по экологической безопасности производства требуют пересмотра методической базы по обоснованию параметров систем энергообеспечения сельскохозяйственных потребителей и создают проблемную ситуацию, заключающуюся в Ф необходимости увеличения объемов производства сельскохозяйственной продукции до требуемых, при улучшении качества жизни населения, снижении энергопотреб-
6
ления на единицу производства сельскохозяйственной продукции и техногенной нагрузки на экосистему. Поэтому решение научной проблемы - разработки методоло- гии обоснования ресурсосберегающих систем энергообеспечения тепловых процес-сов, учитывающей социальные и экологические последствия принимаемых решений в рамках всего народнохозяйственного комплекса, является актуальной народнохозяйственной задачей.
В связи с этим, целью диссертационной работы является разработка ресурсосберегающих систем энергообеспечения и технических средств управления тепловыми процессами в АПК Сибири для повышения энергетической эффективности сельскохозяйственного производства и улучшения качества жизни населения.
Объект исследования - системы энергообеспечения тепловых процессов производства и быта населения сельскохозяйственных районов Сибири.
Предмет исследования - закономерности, связывающие параметры систем энергообеспечения технологических процессов сельскохозяйственного производства с показателями энергетической эффективности и качества жизни населения.
Для достижения поставленной в работе цели исследования сформулированы следующие задачи.
1. Провести технико-экономический анализ существующих систем энергообеспечения сельскохозяйственного производства и быта сельского населения.
2. Разработать методологию обоснования рациональных параметров систем энергообеспечения тепловых процессов сельскохозяйственного производства и быта сельского населения.
3. Обосновать критерии оценки эффективности и разработать математические мо-дели для выбора рациональных систем энергообеспечения сельскохозяйственного производства.
4. Обосновать рациональную структуру потребления энергоносителей в тепловых процессах сельскохозяйственного производства и быта сельского населения на перспективный период.
5. Провести исследования по обоснованию рациональных режимов энергопотреб- ления тепловых процессов сельскохозяйственного производства и разработать
технические средства управления рациональным энергопотреблением.
6. Провести оценку эффективности реализации основных результатов исследова-
НИЯ.
Методы исследования. При выполнении работы применялись основные положения системной динамики, методы многоцелевой оптимизации, теории нечетких множеств, энергетического анализа и имитационного моделирования.
Исследования, на основе которых выполнена работа, проведены в СибИМЭ СО РАСХН в соответствии с заданиями 08.01 (1995-2000 гг.) «Разработать теоретические основы построения систем энергообеспечения всех типов сельских товаропроизводителей на основе оптимального сочетания традиционных и альтернативных источников энергии, методику и технические средства электрофизического воздействия на биологические объекты»; 03.01(2000-2005 гг.) «Разработать методы обоснования рациональной структуры потребления энергоресурсов в технологических процессах сельскохозяйственного производства и быта сельского населения».
Научную новизну исследований представляют:
- методология обоснования рациональных систем энергообеспечения тепловых процессов сельскохозяйственного производства, основанная на методах системной динамики;
- обоснование использования критерия «качество жизни населения» при определении рациональных систем энергообеспечения тепловых процессов;
- система математических моделей для обоснования эффективных систем энергообеспечения сельскохозяйственного производства;
- закономерности формирования рациональных режимов работы систем энер-гообеспечения тепловых процессов и их влияния на эффективность использования энергоресурсов в технологических процессах.
Практическую значимость работы представляют:
- метод обоснования рациональной структуры потребления энергоносителей в тепловых процессах сельскохозяйственного производства и быта сельского насе- ления, позволяющий определить эффективные объемы потребления энергоноси- телей по технологическим процессам и обеспечить управление развитием данных
систем;
- методика и алгоритмы выбора энергоносителя для тепловых процессов сель- скохозяйственного производства и быта сельского населения хозяйствующих субъ-ектов, позволяющая определить наиболее эффективный энергоноситель для тепловых процессов;
- рациональные режимы работы систем теплоснабжения животноводческих помещений, позволяющие на 10... 15% снизить издержки на производство продукции;
- система технических средств для управления рациональными режимами производства и потребления тепловой энергии в технологических процессах сельскохозяйственного производства, защищенная авторским свидетельством.
Реализация результатов исследования.
Разработанные в диссертации методы, модели и результаты оптимизации параметров систем энергообеспечения были использованы в Западно-Сибирском отделении института «Сельэнергопроект» (схемы развития сельских электрических сетей областей Западной Сибири в 1985-2000 гг.), Совете по изучению производи-тельных сил при Госплане СССР, зональном институте «СибЗНИИЭПсельстрой», в хозяйственных субъектах пяти областей Сибири.
Материалы диссертационной работы рассматривались и получили положительную оценку на двух научно-технических советах: НТС Российской Федерации - методика обоснования рациональных уровней потребления электроэнергии на тепловые цели и обоснование эффективности переменных режимов потребления энергии в животноводческих помещениях; на НТС Молдавской ССР - обоснование рацио-нальной структуры потребления энергоресурсов для АПК; на пяти научно-технических советах субъектов Российской Федерации (Иркутская область, Красноярский край, Кемеровская область, Новосибирская область) - обоснование рациональной структуры потребления энергоресурсов, разработка систем управления режимом энергопотребления (1982 - 2001 гг.).
Результаты работы внедрены на сельскохозяйственных и промышленных пред- приятиях Новосибирской (постановление №83 Новосибирского областного совета
народных депутатов от 04.09.1986; постановление главы администрации Новосибирской области от 20.03.2002 г. № 273), Кемеровской и Омской областей с суммар- ной тепловой мощностью более 600 тыс. кВт (1990 — 2003 гг.).
Результаты исследований использованы при подготовке рекомендаций по расчету, проектированию и применению систем энергообеспечения животноводческих ферм и комплексов, утвержденных Министерством сельского хозяйства СССР (в соавторстве с другими научными организациями страны).
Основные положения, выносимые на защиту:
- методология обоснования рациональных ресурсосберегающих систем энергообеспечения тепловых процессов сельскохозяйственного производства и быта сельского населения с использованием векторных критериев, включающая показатели энергетической эффективности производства, мультипликативные показатели качества жизни населения и учитывающая энергетические, экономические, экологические и социальные последствия принимаемых решений в рамках всего народнохозяйственного комплекса;
- система математических моделей для обоснования рациональных систем энергообеспечения, включающая продукционные модели в растениеводстве и животноводстве, модели энергетических, материальных и инвестиционных потоков, воспроизводства трудовых ресурсов, воздействия выброса вредных веществ на экосистему и оценки эффективности структуры потребления энергоресурсов, учитывающая функциональные связи между параметрами системы энергообеспечения и показателями функционирования моделируемых отраслей производства;
- результаты расчета по оценке влияния параметров энергообеспечения сель-скохозяйственного производства на динамику сложных хозяйственных систем, определяемые на основе системных критериев эффективности;
- результаты расчета рациональной структуры потребления энергоносителей на тепловые цели в технологических процессах сельскохозяйственного производства Сибири, учитывающие различные концепции развития систем энергообеспечения посредством изменения приоритета и количественной оценки целей;
ю
- результаты экспериментальных исследований параметров систем энергообеспечения сельскохозяйственных потребителей, температурно-влажностных режимов животноводческих помещений и энергопотребления технологических процессов сельскохозяйственного производства;
- принцип построения рациональных систем энергообеспечения животноводческого помещения с учетом формирования генотипа животных в ходе эволюции при переменных температурно-влажностных режимах среды обитания и технические средства для реализации рациональных режимов производства и потребления тепловой энергии.
Апробация работы. Основные материалы работы были доложены на научно-технических конференциях по энергообеспечению и энергосбережению в сельском хозяйстве - (ВИЭСХ: 1994, 1998, 2000, 2003, 2004 гг.); всесоюзных конференциях по развитию производительных сил Сибири, секция "Топливно-энергетические проблемы Сибири", (Новосибирск, Якутск, Иркутск), 1981- 1989 гг.; международных конференциях по инженерным проблемам сельскохозяйственного производства Китай, 1988 г.; Монголия, 1999 г.; Казахстан, 2000, 2003 г.; Санкт-Петербург, 1999 г.); годичном собрании Сибирского отделения РАСХН - 2000 г.; научной сессии РАСХН (13-14 октября 2003 г., г. Москва).
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 68 научных работах, включая монографию по проблемам энергообеспечения (20 печ. листов).
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы и приложений; объем диссертации 350 стр., в том числе 324 стр. основного текста, 107 рисунков, 67 таблиц, список использованной литературы состоящей из 231 источника.
п
1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПУТЕЙ И МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ
1.1 Общая постановка проблемы повышения эффективности энергообеспечения сельскохозяйственного производства
Комиссия ООН по вопросам образования, науки и культуры совместно с Всемирной организацией здравоохранения периодически проводят исследования по динамике показателя «качество жизни», включающего в том числе оценку генофонда, социально-экономических факторов, уровня питания, экологической ситуации. Оценка жизнеспособности нации измеряется по 5-балльной шкале. Наивысший балл имеют Скандинавские страны — 4, США - 3, страны Балтии — 2, страны Центральной Азии - 1,5... 1,6. При оценке ниже 1,0... 1,4 считается, что население обречено на деградацию, и оказание помощи подобным странам бессмысленно. В 1992-1993 гг. Россия получила оценку ниже 1,5 балла. Одна из основных причин - низкая эффективность сельскохозяйственного сектора экономики.
Уменьшение потребления энергоресурсов сельскохозяйственными потребителями (в том числе) привело к потере фактической и потенциальной продуктивности агроценозов, уменьшению общей площади сельхозугодий (на 25% за последние 25 лет), снижению содержания гумуса (ежегодно до 0,62 т/га). До 50 млн га увеличились площади сельхозугодий, имеющих повышенную кислотность вследствие выпадения кислотных дождей (основной источник - энергетика) [1]. Средняя калорийность рациона человека уменьшилась до 2400 ккал/сут. Дальнейшее снижение потребления энергоресурсов приведет к резкому спаду производства продовольствия, уменьшению численности населения в стране. При существующих технологиях производства прирост на 1% производства продукции требует увеличения потребления энергоресурсов на 2...4%, следовательно, достижение требуемых объемов производства продовольствия без использования энергосберегающих технологий невозможно.
В СибИМЭ были проведены расчеты динамики основных энергетических и
12
макроэкономических показателей развития страны при условии сохранения технологического уровня 1980-х годов технологического уровня 80-годов (Рисунок 1.1-1.2).
со ¦х
U
о
1
•
10
10
10
---- -в—ВВП —"— Основной капитал "+"- Трудовые ресурсы —¦— Энергопотребление —В— Население Производство зерновых Оставшиеся ресурсы ""$"" Производство питания —¦— Калорийность рациона ? Производство зерна —*""— Удельное э/потребление --¦-- Индекс качества жизни ¦-f-~ Индекс загрязнений Г | 1
1 |
._____ _
, 1
г 1 1 1 1 | !
. -1--------------- — — —
.----------- --------------------------"Г -----
цщЦИШ
г
1 hAjh^jyu00PW|WWW1^
т га
— — — — J _ _ _ _ JL. — _|
___ F Щ '—г* f |Ч"г'г-ш'уу||'|^|^Д4|4Ц1|1<1
Г"
1 1
1 1 1 1 vV
1 1 [ 1
1 1
1 1 ! 1 | 1 . 1 1
10"
10'
системное время
Рисунок 1.1- Динамика макроэкономических показателей
Nitro-ga,азотные удобрения Pest-ga,пестициды labe-да.зататы труда Capital-ga,основной капитал En-ga,затраты энерги en-gumus-sum,cyMMарные э/затраты L-crop,суммарные затраты труда Y-ga,кг урожайность
ю
системное время
Рисунок 1.2 - Динамика показателей сельскохозяйственного производства
13
Анализ результатов позволил сделать следующий основной вывод: обеспечение полной потребности населения в питании при сложившемся коэффициенте эластичности между объемом сельскохозяйственной продукции и потреблением энергоресурсов, труднодостижимо, так как увеличение производства зерна в 1,5 раза и объемов производства сопряженных отраслей приводит к росту энепргопотребления в 3,5 раза и увеличению индекса загрязнений в 9 раз (см. рисунок 1.1). Увеличение урожайности зерновых в 1,7 раза сопряжено с увеличением суммарных энергозатрат в 6 раз, основных фондов - в 4 раза (см. рисунок 1.2). При указанных значениях показатель качества жизни стабилизируется на одном уровне.
При сохранении основных тенденций в развитии экономики и технологий производства в России на уровне начала 1990-х годов (эффективность использования энергоресурсов на уровне 1,5 долл./кг у.т., уровень выброса вредных веществ в биосферу, включая парниковые газы - 7...9 т/чел в год, соотношение между ростом ВВП и потреблением энергоресурсов — 1,4...3% на 1% и т.д.) экономику страны и общество ожидает глубокий кризис — депопуляция и резкое снижение качества жизни. Как показали результаты исследования, эффективность систем энергообеспечения сельскохозяйственного производства является одним из наиболее критичных параметров, обусловливающих динамику и устойчивость развития агроэкосистемы и общества в целом. Для предотвращения негативных тенденций в экономике необходимо определить параметры систем энергообеспечения сельских районов, обеспечивающих бескризисное развитие сельскохозяйственного производства как в целом по стране, так и по отдельным экономическим районам, имеющим свои природно-производственные особенности.
1.2 Состояние энергообеспечения сельскохозяйственного производства и быта сельского населения
Сельские районы - крупный потребитель энергоресурсов. Общее потребление энергии в сельском хозяйстве России оценивается величиной порядка 70...90 млн т у.т., примерно 30...40 из них расходуется в производственной, 40...60% - в непроиз-
14
водственной сфере. Общее потребление энергоресурсов сельскохозяйственными районами Сибири на тепловые цели оценивается в размере 10... 12 млн т у.т. [2].
В сельскохозяйственном производстве используется более 12 % всех энергоресурсов, потребляемых народным хозяйством, в том числе около 10% - электроэнергии. Доля энергозатрат в структуре себестоимости продукции растениеводства по регионам Сибири достигает 50...55, животноводства - 13... 18%. При этом наблюдается устойчивая тенденция роста данного показателя.
Суммарная установленная мощность стационарных тепловых установок в сельской местности региона примерно в 4..5 раз превышает мощности мобильных энергетических средств.
По официальным данным, за последние годы в стране существенно сократился парк сельскохозяйственной техники: нагрузка пашни на один трактор увеличилась с 95 га в 1990 г. до 130 в 1999 г., количество зерноуборочных комбайнов снизилось с 407,8 тыс шт. в 1990 г. до 253,3 в 1999 г.
Энергообеспеченность сельскохозяйственного производства уменьшилась с 3,72 л.с./га в 1985 г. до 2,0 в 2002 г.
Потребление топлива по стране в мобильных процессах (основная обработка почвы и транспорт) уменьшилось с 40...50 до 8... 13 млн т в год.
Объем потребления электроэнергии на тепловые цели в целом по России, по данным ВИЭСХ, составляет 25...28 млрд кВт«ч (2000 г.). Доля электроэнергии, используемой на тепловые цели, по зоне Сибири в доперестроечный период составляла 25...38% от общего потребления электроэнергии в сельскохозяйственном производстве и была наиболее динамичной статьёй топливно-энергетического баланса сельских районов. В настоящее время объём потребления электроэнергии на тепловые цели в зоне Сибири сократился в 5.. .9 раз.
Роль сельскохозяйственной энергетики в механизме запуска негативных тенденций прослеживается в следующих аспектах:
- прямое использование продуктов сгорания топлива в технологических установках при производстве и переработке сельскохозяйственной продукции (сушка зерна, сена, создание требуемого температурно-влажностного режима в
15
животноводческих помещениях) непосредственно включает в пищевую цепь
человека большое количество канцерогенных и вредных веществ (70% всех
поступлений);
- воздействие непосредственно через объемы выброса вредных веществ в биосферу
мелкими децентрализованными энергоисточниками (выбросы пыли в 10... 100 раз,
окислов азота и серы - в несколько раз выше, чем у промышленных предприятий).
Регионы Сибири имеют существенно меньший биоклиматический потенциал территорий, чем центральные районы страны (таблица 1.1).
Таблица 1.1 - Характеристика биопотенциала территорий, o.e.
Хозяйственная зона Коэффициент благоприятности климата Потенциальное плодородие почв Максимальная продукция ценозов
Восточная Сибирь 0,87 5 4,35
Западная Сибирь 0,91 6 5,46
Центральная Россия 1,01...1,35 8...16 9...21
Центральная Европа 2,25 9...21 20...36
При оценке энергетического самообеспечения сельскохозяйственного производства необходимо учитывать, что продуктивность ценозов в Сибири изначально в 4...9 раз ниже тех стран, где сельское хозяйство выступает в роли энергетического донора.
Основным лимитирующим фактором, определяющим продуктивность молочнотоварных ферм Сибири - основного поставщика животного белка и основного потребителя тепловой энергии - являются болезни, развившиеся после перенесения простудных заболеваний, обусловленных некачественным температурно— влажностным режимом в животноводческом помещении (по данным Института экспериментальной ветеринарии Сибири и Дальнего Востока, до 60-80% всех заболеваний животных в Сибири). В результате продукционный период для молочных коров сокращается в 3...4 раза. Происходит значительное перерасходование средств на поддержание структуры основного стада. Отсутствие систем обеспечения требуемого температурно-влажностного режима сокращает
16
срок службы животноводческих помещений в 2...3 раза (для климатических условий Сибири).
Указанные факторы (перерасход средств на поддержание оптимальной структуры стада и сокращение срока службы животноводческих зданий) по своей значимости превосходят технологический эффект повышения продуктивности животных, обусловленный качественным температурно-влажностным режимом.
Энергетика Сибири самодостаточна и обладает большим экспортным потенциалом. Однако по областям Сибири имеются энергодефицитные области, отличающиеся наибольшим сельскохозяйственным производственным потенциалом - Алтайский край, Новосибирская и Омская области. Собственное производство котельно-печного топлива колеблется от 2...5 (Алтайский край и Новосибирская область) до 100% (Кемеровская область), электроэнергии от 50 до 70%. Области Восточной Сибири, за исключением Бурятии и Читинской области, экспортируют электроэнергию в другие регионы страны [3]. Экспорт сельскохозяйственной продукции имеет, как правило, обратную потоку энергоресурсов направленность.
По данным Госстроя, общее число котельных в России оценивается величиной примерно 70 тыс. единиц, из них в Сибирском территориальном округе - около 11 тыс., т.е. около 16%. В данном регионе около 90% тепловой энергии производится котельными на угольном топливе, 8% - на жидком топливе и около 2% - на газе. Для сравнения: аналогичные показатели в целом по России составляют 48; 11 и 41%. Объем производства тепловой энергии для потребителей, расположенных в сельской местности (производственные и коммунально-бытовые), составляет порядка 40 млн Гкал.
Одна из основных особенностей энергетики Сибири - высокая доля гидравлических электрических станций в структуре генерирующих мощностей.
Потребление энергоресурсов сельскими районами Сибири составляет 6... 12 % от общего потребления (бытовые и производственные потребители). Потребление электроэнергии сельскохозяйственным производством Западной Сибири на 2010 г. прогнозируется на уровне 10... 12% от общего потребления региона, Восточной Сибири - 4% (без учета бытовых потребителей) [2,3].
17 |
