УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ.

Изобретение относится к электроэнергетике, а имен-но к информационно-измерительной технике и может быть использовано для определения эффективности использования энергии в энерготехнологических процессах.
Устройство для определения эффективности использования энергии в энерготехнологических процессах, содержащее исследуемый объект с измерителем результата действия энергии, источник питания с измерителем энергии, блок управления, вы-числительный блок, выход источника питания со-единен через измеритель энергии и блок энерготехнологического процесса с входом блока измерителя результата действия энергии, второй выход измерителя энергии соединен с первым входом вычисли-тельного блока, выход блока измерителя результата действия энергии соединен со вторым входом вычислительного блока, вход-выход которого соединен с вход-выходом процессора, вход-выход процессора через вход-выход базы данных соединен с вход-выходом блока ввода вывода данных, первый выход блока ввода вывода данных соединен с входом блока управления, выход которого соединен с источником питания, вход-выход блока управления соединен с вход-выходом вычислительного блока, второй вы-ход блока ввода-вывода данных соединен с вычислительным блоком, при этом вход-выход блока ввода вывода данных имеет связь с системой высшего уровня по каналам связи, третий выход блока ввода вывода данных соединен с входом монитора, другой вход которого соединен с выходом процессора, вы-ход монитора соединен со входом устройства печати.
Изобретение позволяет совершенствовать конструкции устройства и повысит качество получаемой оперативной информации об эффективном использовании энергии по двум измеряемым параметрам энерготехнологического процесса получения результата действия энергии, получение показателей эффективности использования энергии и энергетического пас-порта энерготехнологического процесса. 1 п. ф-лы; 1 илл.

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к информационно-измерительной технике и может быть использовано для определения потерь энергии в энерготехнологических процессах.
Известен лабораторный комплекс ЛКТ – 9 [1] в составе: электрочайник, вольтметр, манометр, секундомер и мультиметр. ЛКТ-9 предназначен для проведения лабораторных работ по определению мощности и КПД нагревателя. Основной элемент комплекса - электрочайник, используемый в качестве водяной бани, нагревателя и калориметра. Чайник постоянно подключен к электрической розетке внутри пульта управления, которая через два предохранителя на 10 А соединена с кабелем питания. Пульт управления установкой позволяет измерять сетевое напряжение - вольтметром, давление в исследуемом объеме - манометром, интервалы времени - секундомером, температуру, сопротивление нагревателя и другие параметры - мультиметром.
К недостаткам данного комплекса относятся: низкая точность измерений, вследствие ручного управления и человеческого фактора, отсутствие возможности в автоматическом режиме регистрировать, рассчитывать и архивировать параметры технологического процесса нагрева жидкости, а также определять потери энергии в энергетическом оборудовании.
Известно устройство для диагностики системы двухпозиционного регулирования температуры электропечи [2]. Устройство для диагностики системы двухпозиционного регулирования температуры электропечи с тепло электронагревателем и двухпозиционным регулированием температуры, имеющей слой теплоизоляции, электронагреватель (ТЭН), кон-такт теплового реле, установлены лабораторный автотрансформатор, обеспечивающий изменение напряжения, подводимого к ТЭН-у; термопара ТХК, установленная внутри электропечи, которая через аналого-цифровой преобразователь подключена к ПЭВМ; градуировочный график, позволяющий измеренное напряжение преобразовать в температуру; термостатирующее устройство свободных концов термопары; вольтметр и амперметр для измерения напряжения и тока нагревателя.
Недостатками данного устройства являются:
1. Отсутствие возможности регистрировать и архивировать энергетические параметры оборудования (напряжение, ток, температура жидкости и т.д.) в течение представительного интервала времени, что исключает проведение на основе этих данных дальнейшего энергетического анализа;
2. Отсутствие возможности сравнения измеренных и вычисленных параметров технологического процесса с архивированными паспортными данными и результатами предшествующих энергетических исследований, что не позволяет выявлять потери энергии в исследуемом оборудовании.
Известно устройство контроля показателей энергоэффективности процесса нагрева жидкости [3].
Устройство контроля показателей энерго-эффективноcти процесса нагрева жидкости содержащее исследуемый объект с теплоизоляцией с находящимся внутри него измерителем температуры, так и электронагревателем, к которому подведен источник питания с измерительной аппаратурой, входы аналогово-цифрового преобразователя соединены с датчиком температуры окружающей среды, датчиком тока, датчиком напряжения, датчиком температуры жидкости и с первым выходом пульта управления, а выходы аналогово-цифрового преобразователя соединены как с первым входом вычислительного блока, так и с первым входом блока памяти, первый вход-выход которого соединён с интерфейсным устройством, вторым входом-выходом с вычислительным блоком, а третьим входом-выходом с блоком сигнализации, а выход блока памяти соединён с первым входом дисплея, второй вход которого соединён с выходом блока сигнализации, первый вход которого соединён с выходом вычислительного блока, а второй вход со вторым выходом пульта управления, третий выход которого соединён с входом блока памяти, а четвёртый выход соединён с входом вычислительного блока.
Недостатками данного устройства являются:
1. Сложность конструкции, измерения и вычисления показателей энергетической эффективности нагрева жидкости.
2. Требуется подключение различных датчиков в электрическую цепь водонагревателя, которые должны быть согласованы по пределам измеряемой величины.
3. Невозможность непосредственного получения значения потерь энергии.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению можно отнести устройство для определения потерь энергии в энерготехнологических процессах [4].
Устройство для определения потерь энергии в энерготехнологическом процессе, содержащее исследуемый объект с измерителем, источник питания с измерительной аппаратурой, пульт управления, вычислительный блок, дисплей, выход источника питания соединен через измеритель энергии и блок энерготехнологического процесса с входом блока измерителя результата действия энергии, второй вы-ход измерителя энергии с первым входом вычисли-тельного блока, выход блока измерителя результата действия энергии соединен со вторым входом вычислительного блока, выход которого соединен с входом дисплея, а вход-выход вычислительного блока соединён с входом-выходом пульта управления, вы-ход которого соединён с входом источника питания.
Недостатками данного устройства являются:
1. Нет регистрации текущего времени для сравнения результатов исследований;
2. Отсутствует сравнение полученных результатов исследований энерготехнологического процесса с базовыми данными (справочные данные, паспортные данные, предыдущие результаты исследований, современные инновационные энерготехнологические процессы);
3. Нет возможности получения энергетического паспорта энерготехнологического процесса;
4. Не предусмотрена выработка рекомендаций по дальнейшей эксплуатации исследуемого энерготехнологического процесса;
5. Нет возможности передачи результатов исследований на систему высшего уровня по известным каналам связи.
Задача изобретения – совершенствование конструкции устройства для получения оперативной информации об эффективном использовании энергии по двум измеряемым параметрам энерготехнологического процесса получения результата действия энергии, получение показателей эффективности использования энергии и энергетического паспорта энерготехнологического процесса.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для определения эффективности использования энергии в энерготехнологических процессах, содержащее исследуемый объект с измерителем результата действия энергии, источник питания с измерителем энергии, блок управления, вычислительный блок, выход источника питания соединен через измеритель энергии и блок энерготехнологического процесса с входом блока измерителя результата действия энергии, второй выход измерителя энергии соединен с первым входом вычислительного блока, выход блока измерителя результата действия энергии соединен со вторым входом вычислительно-го блока, вход-выход которого соединен с вход-выходом процессора, вход-выход процессора через вход-выход базы данных соединен с вход-выходом блока ввода выхода данных, первый выход блока ввода выхода данных соединен с входом блока управления, выход которого соединен с источником питания, вход-выход блока управления соединен с вход-выходом вычислительного блока, второй выход блока ввода вывода данных соединен с вычисли-тельным блоком, при этом вход-выход блока ввода вывода данных имеет связь с системой высшего уровня по каналам связи, третий выход блока ввода вывода данных соединен с входом монитора, другой вход которого соединен с выходом процессора, вы-ход монитора соединен с входом устройства печати.
Новые существенные признаки:
1. Выход источника питания соединен через измеритель энергии и блок энерготехнологического процесса с входом блока измерителя результата действия энергии.
2. Второй выход измерителя энергии соединен с первым входом вычислительного блока.
3. Выход блока измерителя результата действия энергии соединен со вторым входом вычислительного блока, вход-выход которого соединен с вход-выходом процессора.
4. Вход-выход процессора через вход-выход базы данных соединен с вход-выходом блока ввода вывода данных.
5. Первый выход блока ввода выхода данных соединен с входом блока управления, выход которого соединен с источником питания.
6. Вход-выход блока управления соединен с вход-выходом вычислительного блока, второй выход блока ввода вывода данных соединен с вычислительным блоком.
7. При этом вход-выход блока ввода вывода данных имеет связь с системой высшего уровня по каналам связи.
8. Третий выход блока ввода вывода данных соединен с входом монитора, другой вход которого соединен с выходом процессора.
9. Выход монитора соединен со входом устройства печати.
Перечисленные существенные признаки в совокупности с известными необходимы и достаточны во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Технический результат заключается в совершенствовании конструкции устройства для определения эффектиности использования энергии в энерготехнологических процессах. Это устройство позволяет получить оперативную информацию по эффективности использования энергии по двум измеряемым параметрам энерготехнологического процесса получения результата действия энергии, сравнивать результаты измерений и вычислений с паспортными данными и/или с предыдущими измерениями и вычислениями, а также получить энергетический паспорт энерготехнологического процесса получения результата действия энергии.
Выход источника питания соединен через измеритель энергии и блок энерготехнологического процесса с входом блока измерителя результата действия энергии. Это позволит проводить измерения расхода энергии и результата действия энергии.
Устройство позволяет проводить все измерения при неразрушающем контроле, то есть, без вмешательства в схему энерготехнологического процесса и технологию получения результата действия энергии.
На фиг. схематично изображено устройство для определения эффективности использования энергии в энерготехнологических процессах.
Устройство состоит из следующих элементов: источника питания 1 (например, электрическая сеть для электрической энергии, трубопровод питания природного газа для подачи природного газа), измерителя энергии 2, который предназначен для измерения потребленной энергии (измеряет интегральное значение израсходованной энергии). Например, для измерения электрической энергии в качестве измерителя энергии 2 может быть использован электронный счетчик электрической энергии, для измерения энергии при использовании природного газа – газовый счетчик, механической энергии – измеритель механической энергии.
Выход источника питания 1 соединён с входом измерителя энергии 2. Первый выход измерителя энергии 2 соединен с входом блока энерготехнологического процесса (БЭТП) 3. Выход БЭТП 3 соединен с входом блока измерителя результата действия энергии (БИРДЭ) 4. Выход блока управления 5 со-единен со входом источника питания 1. Блок управления 5 предназначен для включения и отключения источника питания 1.
Второй выход измерителя энергии 2 соединен с первым входом вычислительного блока 6. Выход блока измерителя результата действия энергии 4 соединен со вторым входом вычислительного блока 6. Вычислительный блок 6 предназначен для сохранения результатов измерения, поступающих от измерителя энергии 2 и блока измерителя результата действия энергии 4 и для необходимых вычислений по результатам измерений. Вход-выход блока управления 5 соединен с вход-выходом вычисли-тельного блока 6. При достижении результата действия энергии R вычислительный блок 6 вырабатывает команду на блок управления 5, который отключает источник питания 1. Первый выход блока ввода-вывода данных (БВВД) 7 соединен с входом блока управления 5. Второй выход БВВД 7 соединен со входом вычислительного блока 6. Первый вход-выход БВВД 7 соединен с базой данных 8. База данных 8 содержит справочные данные, паспортные данные энерготехнологических процессов, данные современных инновационных энерготехнологических процессов и результаты измерений, вычислений и расчетов предыдущих измерений (при наличии), которые могут быть введены и дополнены через БВВД 7. Второй вход-выход БВВД 7 имеет выход на систему высшего уровня по каналам связи и/или электронные носители (USB, RS485, Ethernet, Blue-tooth и др.). Через второй вход-выход БВВД 7 из системы высшего уровня по каналам связи дистанционно могут быть введены исходные информации об энерготехнологическом процессе и осуществлять управление процессом определения эффективности использования энергии в энерготехнологических процессах.
БВВД 7 предназначен для ввода исходной ин-формации об энерготехнологическом процессе (например, объем воды, начальная и конечная температура воды, номинальная мощность ТЭН-а Рн), характеристики инновационных энерготехнологических процессов. Второй вход-выход базы данных 8 соединен с процессором 9. Выход вычислительного блока 6 соединен со входом процессора 9. Процессор 9 предназначен для сравнения результатов измерений с аналогичными данными из базы данных 8. Процессор 9 вырабатывает рекомендации на основании сравнений по дальнейшему совершенствованию энерготехнологического процесса и повышению эффективности использования энергии. Также процессор 9 позволяет генерировать текущее время и фиксировать локацию (месторасположения) энерго-технологического процесса. Выход БВВД 7 соединен с первым входом монитора 10. Выход процессора 9 соединен со вторым входом монитора 10. Монитор 10 предназначен для визуализации введенной исходной информации, справочных данных, пас-портных данных энерготехнологических процессов, данных современных инновационных энерготехнологических процессов и результатов измерений, вычислений и расчетов предыдущих измерений (при наличии), рекомендаций по совершенствованию энерготехнологического процесса и энергетического паспорта энерготехнологического процесса. Выход монитора 10 соединен с входом устройства печати 11. Устройство печати 11 предназначен для получения в бумажной форме (напечатанной форме) введенных исходных информаций, результаты измерений, вычислений и расчетов, паспортные данные энерготехнологического процесса и энергетический паспорт.
Результатом действия энергии R, в зависимости от вида БЭТП 3 могут быть, например, значение повышения температуры воды от начального оtнач до конечного установленного значения температуры оtкон нагреваемой воды, объем воды W при перекачивании ее на высоту Н и количество выпущенного продукта, измеряемое в штуках, тоннах, литрах и т.п. в соответствующих энерготехнологических процессах.
Устройство для определения эффективности использования энергии в энерготехнологических процессах работает следующим образом.
Перед определением эффективности использования энергии с БВВД 7 вводится исходная информация, в зависимости от назначения БЭТП 3 и достигаемого результата действия энергии R.
Пример №1 – энерготехнологический процесс нагрева воды в водонагревателе. С БВВД 7 вводятся следующие параметры:
-масса воды m (кг),
-начальная температура воды оtнач (оС),
-конечная установленная температура воды оtкон (оС),
-теплоемкость воды с (Дж/кг*оС),
-номинальная мощность ТЭН-а Рном (кВт).
Результатом действия энергии R энерготехнологического процесса нагрева воды является повышение температуры воды от начального оtнач до конечного установленного значения температуры оtкон :
Включение устройства для определения эффективности использования энергии в энерготехнологическом процессе осуществляется при помощи блока управления 5 после ввода исходной информации в БВВД 7, с визуализацией на мониторе 10. При этом происходит отсчет времени в вычислительном блоке 6. Измеритель энергии 2 измеряет поступающую от источника питания 1 к БЭТП 3 энергию, где происходит нагрев воды до конечной установленной температуры воды оtкон. Блок измерителя результата действия энергии 4 измеряет и передаёт фактическое значение температуры воды в вычислительный блок 6, где происходит его сравнение с конечной установленной температурой воды оtкон .
По данным введенным с блока управления 5 в вычислительном блоке 6 рассчитываются теоретическое необходимое количество энергии на нагрев Qтеор и теоретическое время нагрева воды tтеор. Теоретическое необходимое количество энергии Qтеор для заданной массы воды определяется по формуле:
Определяется теоретическое время tтеор нагрева воды с учетом номинальной мощности :
.Результаты измерения измерителя энергии 2 и блока измерителя результата действия энергии 4 дискретно поступают на входы вычислительного блока 6 и сохраняются. В зависимости от особенностей процесса и требуемой точности частота измерений может быть различной (секунда, минута, час).
При достижении температуры воды конечной установленной температуры оtкон, при помощи вы-числительного блока 5 фиксируются фактическое время tфакт нагрева (достигается результат действия энергии R) и величина потреблённой энергии Qфакт. При этом по команде вычислительного блока 6 пульт управления 5 отключает источник питания 1.
На практике обычно фактическое время нагрева всегда будет больше теоретического времени нагрева из-за потерь энергии:
.
В вычислительном блоке 6 определяется при-ращение времени Δt между фактическим tфакт и теоретическим временем нагрева tтеор:
.
При известном значении мощности ТЭН-а и вычисленном значении приращения времени Δt, определяется величина потерь энергии ΔQ на выполнение энерготехнологического процесса нагрева воды:
( ) .
По завершении энерготехнологического процесса нагрева воды, вычислений и расчетов на процессоре 9 происходит сравнение результатов расчета с паспортными данными и/или предыдущими данными.
Определяются следующие параметры:
-энергоемкость энерготехнологического процесса:
.
-относительные потери относительно паспортных данных:

- относительные потери относительно со-временных инновационных
энерготехнологических процессов:

-вырабатываются рекомендации (количество рекомендаций зависит от степени сложности энерго-технологического процесса, например, ниже приведены три рекомендации) по совершенствованию энерготехнологического процесса, например, относительно паспортных данных:

Значение параметра Рекомендации
Если
Требуется проводить профилактические мероприятия, текущий ремонт.
Требуется проводить капитальный ремонт, замена нагревательного элемента, усиление изоляции водо-нагревателя.
Требуется замена элементов изоляции и нагревательного элемента. Замена на энергоэффективное и инновационное оборудование.

-создается энергетический паспорт энерготехнологического процесса, где приводятся: название, назначение и месторасположение энерготехнологического процесса, дата и время проведения измерений, паспортные данные энерготехнологического процесса, результаты всех (предыдущих и настоящих) измерений, вычислений и расчетов показателей эффективности использования энергии в энерготехнологическом процессе, информация о современных инновационных энерготехнологических процессах, выработанные рекомендации по совершенствованию энерготехнологического процесса и ФИО ответственных за проведение измерений.
На мониторе 10 визуализируются введенная исходная информация, численные значения результатов измерений, вычислений и расчетов, паспортные данные энерготехнологического процесса, результаты предыдущих измерений, вычислений и расчетов (при наличии), а также энергетический паспорт энерготехнологического процесса. На устройстве печати 11 можно распечатать всю ин-формацию, которая выводится на монитор 10. При необходимости через БВВД 7 вводится корректировки и исправления.
Введенная исходная информация, результаты измерений, вычислений и расчетов, паспортные данные энерготехнологического процесса, результаты предыдущих измерений, вычислений и расчетов (при наличии), а также энергетический паспорт энерго-технологического процесса может быть переданы в систему высшего уровня по каналам связи.
Также дистанционно по каналам связи может быть введена исходная информация и проведены исследования по определению эффективности использования энергии в энерготехнологическом процессе (по каналам связи, например, RS-485, Ethernet и др.).

Пример №2. – энерготехнологический процесс подъема воды при помощи насосного агрегата. С пульта управления 6 вводятся следующие параметры:
 объем воды W (м3),
 высота подъема H (м),

номинальная мощность электродвигателя насосного агрегата Рном (кВт).
При определении эффективности использования энергии в энерготехнологическом процессе при подъеме объема W воды на высоту Н в вычислитель-ном блоке 6 определяются:
-теоретическое необходимое количество энергии для подъема объема воды W на высоту Н:
.
-определяется теоретическое время tтеор подъема заданного количества воды на высоту Н:
.
По результатам измерений определяется фактическое время tфакт подъема объема воды на высоту Н, при котором достигается результат R (объем поднятой воды) и значение израсходованной фактически энергии Qфакт.
Обычно фактическое время подъема воды всегда будет больше теоретического времени подъема воды.
.
Определяется приращение времени фактического и теоретического времени подъема воды:
.
Определяются потери энергии в энерготехнологическом процессе при подъеме воды:
( ) .
По завершении энерготехнологического процесса нагрева воды, вычислений и расчетов на процессоре 9 происходит сравнение результатов расчета с паспортными данными и/или предыдущими данными.
Определяются следующие параметры:
-энергоемкость энерготехнологического процесса:
.
-относительные потери относительно паспортных данных:

- относительные потери относительно со-временных инновационных
энерготехнологических процессов:

-вырабатываются рекомендации (количество рекомендаций зависит от степени сложности энерго-технологического процесса, например, ниже приведены три рекомендации) по совершенствованию энерготехнологического процесса, например, относительно паспортных данных:

Значение параметра Рекомендации
Если
Требуется проводить профилактические мероприятия, текущий ремонт.
Требуется проводить капитальный ремонт насосного агрегата, замена насосного колеса, очистка и ремонт водозабора, устранение утечек,
Требуется замена на энергоэффективное и инновационное оборудование.
-создается энергетический паспорт энерготехнологического процесса, где приводятся: название, назначение и месторасположение энерготехнологического процесса, дата и время проведения измерений, паспортные данные энерготехнологического процесса, результаты всех (предыдущих и настоящих) измерений, вычислений и расчетов показателей эффективности использования энергии в энерготехнологическом процессе, информация о современных инновационных энерготехнологических процессах, выработанные рекомендации по совершенствованию энерготехнологического процесса и ФИО ответственных за проведение измерений.
На мониторе 10 визуализируются введенная исходная информация, численные значения результатов измерений, вычислений и расчетов, паспортные данные энерготехнологического процесса, результаты предыдущих измерений, вычислений и расчетов (при наличии), а также энергетический паспорт энерготехнологического процесса. На устройстве печати 11 можно распечатать всю ин-формацию, которая выводится на монитор 10. При необходимости через БВВД 7 вводится корректировки и исправления.
Введенная исходная информация, результаты измерений, вычислений и расчетов, паспортные данные энерготехнологического процесса, результаты предыдущих измерений, вычислений и расчетов (при наличии), а также энергетический паспорт энерго-технологического процесса может быть переданы в систему высшего уровня по каналам связи.
Также дистанционно по каналам связи может быть введена исходная информация и проведены исследования по определению эффективности использования энергии в энерготехнологическом процессе (по каналам связи, например, RS-485, Ethernet и др.).
Таким образом, по измеренным двум параметрам (значению израсходованной энергии на входе БЭТП 3 и результату на выходе БЭТП 3) в течение времени tфакт в любом энерготехнологическом процессе при помощи предлагаемого устройства для определения эффективности использования энергии можно определить эффективность использования энергии в энерготехнологическом процессе по при-веденным в примерах алгоритмам.

1. Косьянов П.М. Лабораторный практикум по общему курсу физики. Методические указания к лабораторным работам. – Нижневартовск: Издательство Нижневартовского государственного гуманитарного университета, 2008. - С.73.
2. Патент РФ №106007, G 05 D 27/00.
3. Патент РФ №156085, Н 05 В 1/02; G 05 D 23/00.
4. Патент РФ №2726149, Н 05 В 1/02; G 05D 23/00).