Интеллектуальные системы и искусственный интеллект в энергосберегающих технологиях на горно-перерабатывающих предприятиях

В связи с постепенным сокращением основных энергоресурсов и увеличением затрат на их добычу, энергосбережение стало приоритетом для всех секторов экономики. Внедрение энергосберегающих мероприятий и технологий приобретает важное значение не только в рамках выполнения требований законодательства, но и для снижения производственных затрат.

Дальнейшее экономическое развитие и технический прогресс страны невозможны без эффективного решения в ряду множества других проблем, в том числе снижения затрат на энергообеспечение производства. Внедрение энергосберегающих технологий, использование возобновляемых источников энергии, так называемых "зеленых" технологий позволит уменьшить выбросы в атмосферу вредных веществ, существенно снизить себестоимость выпускаемой продукции и, тем самым повысить её конкурентоспособность.

В реальности культура использования энергии находится далеко не на высоком уровне как на промышленных предприятиях, так и в домашних хозяйствах. Не только потребители, но и ответственные лица, включая руководителей промышленных компаний, привыкли расходовать энергию и природные ресурсы, не заботясь об их влиянии на конечную стоимость продукции и считают, что они не столкнутся с проблемой дефицита ресурсов. Главное – добиться выполнения плана, часто даже за счет значительных усилий. В худшем случае – выполнить план любой ценой.

Обычно отчетность о потреблении энергетических ресурсов предоставляется за месяц, за квартал, за полугодие или за год, что не даёт возможности для своевременного внесения корректировок, оперативного вмешательства в производственные процессы и выявления неэффективных аспектов, таких как холостой ход электродвигателей и трансформаторов, недозагрузка оборудования, выход брака выпускаемой продукции. Отчетность о потреблении энергетических ресурсов должна быть не просто ежедневной, а ежесменной и даже ежечасной, чтобы выявлять неэффективные смены, оперативно решать возникающие проблемы и обеспечивать рациональное и эффективное расходование энергоресурсов.

Внедрение мер по энергосбережению важно не только для выполнения требований законодательства, но и для снижения производственных затрат, улучшения имиджа компании и повышения ее конкурентоспособности.

Проектирование и конструирование электроприводов должно соответствовать современному уровню теории и практики, а также соответствующим областям науки и техники: электромеханике, электронике, автоматике, механике и вычислительной технике. В этом случае энергосбережение может быть реализовано следующими методами и средствами:

• Правильный расчет необходимой мощности двигателя исполнительных механизмов строительных и производственных машин с учетом всех условий эксплуатации. С другой стороны, использование маломощных двигателей снижает производительность технологического оборудования, приводит к перегрузке двигателя и к преждевременному выходу его из строя;
• Выбор силовых элементов привода, способных минимизировать потери энергии во время работы. Это особенно актуально при выборе двигателей со следующими энергосберегающими опциями
• Применение энергоэффективных электродвигателей с повышенным использованием активных материалов (меди и железа), в Российских каталогах такие двигатели обозначаются как "IE", в которых снижены потери мощности не менее чем на 15-20%. Такие показатели достигаются в том числе в сравнении с электродвигателями, прошедшими капитальный ремонт с заменой обмоток и обжигом статора;
• Использование двигателей с уменьшенным моментом инерции с низкими переходными потерями энергии. Сюда относятся двигатели с длинными роторами (например, асинхронные двигатели лебедок 4МТ или 4МТК) и двигатели с полыми роторами (якорями). Использование двух двигателей половинной мощности вместо одного двигателя с той же скоростью может уменьшить момент инерции привода;
• Организация онлайн учета, контроль определенного процента потребления электроэнергии (ежедневно, через день), выявление холостых операций, недоиспользования оборудования и неэффективных технологических изменений.

Энергоэффективность электродвигателей определяется их КПД. КПД – это доля полезной энергии, которая используется системой, к общей энергии, которую она получает.

Основные виды потерь представлены ниже:

• механические потери (появляются из-за трения в подвижных частях двигателя);
• магнитные потери (например потери в стали из-за токов Фуко);
• электрические потери (потери в медных и алюминиевых проводниках при прохождении тока).

Классы энергоэффективности IEC.

Для классификации электродвигателей была разработана специальная классификация, утвержденная организацией IEC. Согласно действующему евростандарту IEC60034-30-1 выделяются такие классы энергоэффективности электродвигателей:

• IE1 – это обычный тип;
• IE2 – высокий уровень эффективности;
• IE3 – сверхвысокий уровень;
• IE4 – премиальный уровень.

В настоящее время горнодобывающие компании, используют различные средства для повышения энергоэффективности:

• внедрение автоматизированной электропривода с частотно-регулируемым управлением;
• применение светодиодных светильников;
• установка приборов учета по всему предприятию для более точного контроля потребления;
• установка энергосберегающего оборудования.
• постоянный учёт и контроль за потреблением электроэнергии, необходимой для производства.

Очень важным фактором является внедрение автоматизированной системы учета и контроля за потреблением энергоресурсов на каждом предприятии с привлечением технологических служб и руководителей производственных подразделений, с применением системы премирования за эффективное и рациональное использование энергоресурсов, а также депремирования за их перерасход и несоблюдение установленных норм.

Расчет удельного потребления энергии по выделенным объектам производится для производственных участков, цехов или отдельных энергоемких подразделений, при этом организация учета электроэнергии является необходимым условием для эффективного нормирования.

Удельный расход электрической энергии рассчитывается по формуле:

где Мсм – выпуск за смену единиц продукции;

Wуд – расход электроэнергии на единицу продукции;

Тсм – продолжительность смены.

Удельный расход электроэнергии Wуд измеряется в киловатт-часах на единицу продукции, например, кВт∙ч на 1 т экскавации горной массы (кВт∙ч/т):

где W – потребление энергии, кВт*ч;

М – продукция в натуральном выражении, например, тн. или м3.,

Имея сменные исторические значения, фактическое потребление электроэнергии и выходное количество М_см, используя регрессионный и корреляционный анализ, можно построить зависимость удельных норм электроэнергии от производительности. На рис. для примера показаны фактические удельные нормы электрического экскаватора ЭКГ-20 при y=52.029*x^-0.462; R²=0.6667, что позволяет качественно планировать удельные нормы с учетом достигнутых наилучших результатов. 'Y' – это искомое значение УДН (удельных норм) электрического экскаватора в зависимости от его суточной производительности 'Х'; R – коэффициент корреляции, показывающий насколько связаны Y и Х исходя из точек, которые были внесены для аналитики.

Такой метод расчета у отдельных норм позволяет выявить удельные нормы при разной производительности оборудования, а не усредненные за длительный период, так называемую «среднюю температуру по больнице», которую чаще всего ошибочно используют для планирования и контроля.

Из-за сложности и разветвленности системы электроснабжения технические системы учета электроэнергии часто не совпадают с административными единицами предприятий. Поэтому при выделении административных единиц для нормирования необходимо связать их с узлами учета.

Рис. Зависимость УДН от производительности электрического экскаватора

В контролируемых технологических системах и установках должны определяться основные виды выработки или производимой продукции, которые необходимо учитывать за час, смену, за день и/или за цикл работы. Показания счетчика электроэнергии следует снимать автоматизировано: за час, за смену, за день или за цикл. Затем данные по потреблению и выпуску продукции подвергаются анализу с использованием алгоритмов, которые опираясь на интеллектуальные системы и/или искусственный интеллект, предоставляют конкретные рекомендации и предложения по эффективному и рациональному потреблению энергоресурсов ответственным специалистам из числа технического персонала для принятия действенных мер.

В некоторых случаях такие системы должны превентивно воздействовать, когда, проблемы ещё не наступили, но ожидаются, например в технологической цепочке предстоящее оборудование уже работает в неполную загрузку или вхолостую, опустошаются бункера, зумпфы и т. д.

Все это в руках технологических служб, которые могут влиять на потребление энергетических ресурсов. Однако картина мира первого руководителя предприятия по данному вопросу как правило иная. Считается, что у лица ответственного за электрохозяйство есть некая задвижка или вентиль способный снижать или увеличивать потребление энергетических ресурсов.

Поэтому не только энергетические службы, а ответственные лица из числа технологических служб, руководители участков и предприятий должны постоянно отслеживать величину удельных норм потребления электроэнергии, проводить анализ, выявлять неэффективную и нерациональную работу смен и находить коренные причины снижения эффективности производства.

Как результат, за лучшие значения удельных норм потребления энергоресурсов в одном и том же технологическом процессе необходимо поощрять отличившиеся технологические смены, а худшие значения удельных норм потребления энергоресурсов должны быть тщательно проанализированы и по результатам анализа разработаны мероприятия и планы действий по недопущению подобных случаев нерационального расходования энергоресурсов.

В результате, для эффективного и рационального потребления энергоресурсов на каждом предприятии необходимо предпринять следующие шаги:

• Внедрение системы автоматизированного учета и обработки потребления энергоресурсов с использованием алгоритмов, интеллектуальных систем на основе искусственного интеллекта, позволяющие превентивно и оперативно реагировать на изменения в производственном процессе и своевременно принимать соответствующие меры;
• Внедрение энергосберегающих технологий и мероприятий, включая снижение теплопотерь;
• Применение автоматизированного электропривода с частотно-регулируемым управлением;
• Применение энергоэффективных электродвигателей с повышенным КПД;
• Организация ритмичной работы предприятий;
• Применение энергоэффективных осветительных установок и другие мероприятия.