Научное обоснование энергоэффективности технологических процессов. Вероятностное моделирование энерготехнологических поточных линий для АПК

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

С А Н К Т - П Е Т Е Р Б У Р Г С Н И Й  
Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н Ы Й
АГРАРНЫЙ
Н И В Е Р С И Т Е Т

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

ВЕРОЯТНОСТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПОТОЧНЫХ ЛИНИЙ ДЛЯ АПК

УЧ Е Б Н О Е П О С О Б И Е

для обучающихся по направлению подготовки 35.04.06 Агроинженерия, профиль 

«Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем»

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2018

УДК 621.311(07) 

ББК 40.76

М.М. Беззубцева, В.С. Волков. Научное обоснование энергоэффективности технологических 
процессов. Вероятностное моделирование энерготехнологических поточных линий для АПК: 
Учебное пособие для обучающихся по направлению подготовки 35.04.06 Агроинженерия, 
профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем».- СПб: СПбГАУ, 2018. - 
157 с.

Р е ц е н з е н т ы:
доктор технических наук, профессор НИУ ИТМОА.Г. Новоселов; 
доктор технических наук, профессор ИАЭП С.А. Ракутько.

В учебном пособии рассмотрены вопросы инженерной практики расчета технической, 
теоретической 
и 
эксплуатационной 
производительности 
энерготехнологической 
поточной линии АПК с учетом параметров надежности - вероятности того, что к 
заданному моменту времени оборудование будет исправно реализовывать свои 
технологические функции. Учебное пособие составлено в соответствии с рабочими 
программами 
дисциплины 
«Научное 
обоснование 
энергоэффективности 
технологических процессов» и предназначено для обучающихся по направлению 
«Агроинженерия», 
профиль 
«Энергетический 
менеджмент 
и 
инжиниринг 
энергосистем». Учебное пособие также может быть использовано аспирантами, 
научными сотрудниками и инженерами, работающими в различных областях АПК.

Рекомендовано к публикации на электронном носителе для последующего размещения в 
электронной сети СПбГАУ, согласно соответствующему договору Учебно-методическим 
советом СПбГАУ, Протокол № 4 от 17 марта 2018 г.

ISBN

© М.М.Беззубцева, 

© В.С. Волков 

© СПбГАУ,2018

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие...........................................................................................................................................4
1. Энерготехнологическая линия как объект технического обеспечения современных 

технологий предприятий АПК............................................................................................................. 7
1.1. Технологическая система........................................................................................................... 7

1.2.Производительность энерготехнологической линии............................................................8

2. Основные положения поточного метода организации производства на предприятиях 
АПК ........................................................................................................................................................ 17

2.1. Характерные черты поточного метода организации производства..................................17
2.2. Классификация поточных линий............................................................................................ 20
3. Расчет основных показателей поточной линии..........................................................................25
4. Моделирование работы поточной линии....................................................................................33
5. Учет потока случайных событий в энерготехнологической поточной линии АПК........... 40

6. Фиксация и обработка статистических результатов функционирования поточных 

энерготехнологических линий............................................................................................................ 53

6.1. Вычисление средних величин..................................................................................................53

6.2. Вычисление геометрии распределения..................................................................................55

6.3. Оценка (по Колмогорову) совпадения эмпирического закона распределения с 
теоретическим........................................................................................................................................59

6.4. Оценка точности статических характеристик..................................................................... 61
7. Основные понятия теории надежности в энергообеспечении поточных линий АПК.......69

7.1. Задачи надёжности электроснабжения..................................................................................69

7.2. Понятия, термины и определения из области надежности................................................ 70

7.3. Необходимые сведения из теории случайных событий..................................................... 81

7.4. Случайные величины и законы их распределения............................................................. 88
7.5. Потоки отказов и восстановлений.......................................................................................... 97

7.6. Количественная оценка показателей надёжности.............................................................105

Список литературы.............................................................................................................................110

Приложение А ..................................................................................................................................... 114

ПРЕДИСЛОВИЕ

Инновационный процесс в агропромышленном комплексе связан с 

формированием новых знаний и динамичным технологическим освоением 

научных открытий, изобретений, результатов исследований и разработок, 

внедрением в поточные энерготехнологические линии прорывных, критически 

важных 
энергоэффективных 
технологий 
и 
прогрессивной 
техники, 

обеспечивающих 
снижение 
энергоемкости 
продукции. 
Совокупность 

множества разнородных процессов в энерготехнологических машинах и 

аппаратах - это технологическая система в виде технологического потока, 

имеющего свою пространственно- временную структуру.

Учебное 
пособие 
посвящено 
математическому 
моделированию 

вероятностных систем и состоит из двух частей: 
теоретической и 

практической.

Учебное пособие составлено с учетом современных образовательных 

стандартов, предусматривающих модульный и метопредметный подход при 

изучении дисциплин. В связи с этим учебное пособие ставит своей целью 

развитие 
способности 
у 
магистрантов 
применять 
знания 
теории 

вероятностей, математической статистики и случайных процессов и других 

дисциплин, в частности основ математического моделирования систем, 

управления 
вычислительным 
экспериментом 
с 
моделью, 
обработки 

результатов 
исследований 
и 
др. 
Это 
позволит 
сформировать 

профессиональные 
компетенции, 
такие 
как 
способность 
выполнять 

эксперименты на действующих энерготехнологических линиях АПК по 

заданным 
методикам 
и 
обрабатывать 
результаты 
с 
применением 

современных информационных технологий и технических средств, а также 

способность проводить вычислительные эксперименты с использованием 

стандартных программных средств с целью получения математических 

моделей процессов и объектов автоматизации и управления.

4

Приведены основные понятия, связанные с моделированием сложных 

систем - энерготехнологических поточных линий АПК, 
представлена 

классификация моделей и методов формализованного представления систем, в 

том числе и вероятностных моделей, а также рассматриваются этапы 

имитационного моделирования. В частности, подробно рассмотрены различные 

виды статистического анализа и обработки результатов стохастического 

моделирования.

В 
настоящее 
время 
более 
1/3 парка машин и оборудования, 

включенных в поточные энерготехнологические линии АПК, отработало уже 

два и более амортизационных срока. Степень износа основных средств 

составляет 70 %. Обновление парка оборудования в настоящее время не 

превышает 3.. .4 % (вместо необходимых 8... 10 % в год). В этой связи основой 

любого анализа экспериментальных данных на этих линиях является решение 

задач идентификации параметров распределений, статистического оценивания 

и проверка гипотез с применением критериев согласия, поэтому этим задачам 

уделяется определенное внимание. Поэтому представленный в учебном 

пособии материал является актуальным.

Благодаря проблемному изложению материала учебного пособия 
у 

магистрантов должны формироваться навыки научно-технического мышления, 

творческого 
применения 
полученных 
знаний 
в 
будущей 
инженерной 

деятельности. Этому в значительной мере будет способствовать то, что каждая 

глава 
завершается 
резюме, 
в 
котором 
сконцентрирована 
сущность 

рассмотренного материала. Кроме того, во второй части учебного пособия 

приведены 
контрольные 
задания, 
которые 
позволят 
преподавателю 

организовать практические занятия, а студенту — самостоятельную работу. 

Такой методологический подход к изложению учебного материала обусловлен 

тем, что на данном этапе развития предприятий АПК происходит усложнение 

научной и инженерной деятельности. 
Объект становится принципиально 

иным. Этот объект - поточная энерготехнологическая технологическая линия, 

системообразующим фактором которой является стабильность входных и

5

выходных параметров процессов в машинах и аппаратах.

Материал 
учебного 
пособия 
способствует 
формированию 
у 

обучающихся следующих компетенций:

ОПК-7 
способность 
анализировать 
современные 
проблемы 
науки 
и 

производства в агроинжерии и вести поиск их решения;

ПК-7 способность проведения инженерных расчетов для проектирования 

систем и объектов.

Учебное пособие «Вероятностное моделирование энерготехнологических 

поточных линий для АПК» предназначено для оказания теоретической и 

практической 
помощи 
магистрантам, 
обучающихся 
по 
направлению 

подготовки 35.04.06 Агроинженерия, профилю «Энергетический менеджмент и 

инжиниринг энергосистем».

6

1. 
ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ КАК ОБЪЕКТ 
ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
ПРЕДПРИЯТИЙ АПК

1.1. Технологическая система

Часть большого производственного процесса, выполняющая действия 

по изменению и последующей фиксации состояния обрабатываемой среды, 

называется технологической операцией.

В перерабатывающих производствах АПК можно выделить тринадцать 

типовых 
процессов 
обработки 
сред, 
включенных 
в 
поточные 

энерготехнологические схемы:

-  соединение без сохранения поверхности раздела (смешивание сред); 

соединение с сохранением поверхности раздела (образование слоя);

-  разделение на фракции; измельчение;

-  сложный 
процесс 
преобразования 
(комплекс 
физических, 

ориентирование (в частности, предметов);

-  термостатирование (поддержание постоянной температуры);

-  нагревание;

-  охлаждение; изменение агрегатного состояния;

-  хранение.

Каждый из перечисленных типовых процессов может быть частью или 

целым технологической операции, границы которой, как правило, совпадают с 

границами конкретной машины или аппарата в поточной технологической 

линии. 
Объединение 
как 
минимум 
двух 
технологических 
операций 

обеспечивает образование технологической подсистемы, соответствующей 

определенному комплексу энерготехнологического оборудования (агрегату, 

установке) или набору оборудования в границах производственного участка.

Объединив несколько подсистем, реализующих все стадии переработки 

сырья и выпуска готовой продукции, можно сформировать технологическую

7

энергосистему в целом. Такая система соответствует всей совокупности 

оборудования, входящего в состав энерготехнологической линии.

Формирование технологической энергосистемы новой линии связано с 

комплексным решением задач технического прогресса, направленного на 

увеличение 
производительности 
труда 
и 
экономии 
материальных 
и 

энергетических 
ресурсов 
при 
одновременном 
повышении 
качества 

выпускаемой продукции.

Изучая вопросы организации поточных энерготехнологических линий, 

целесообразно рассмотреть их классификацию по функциональным признакам, 

характеризующим строение и принцип действия этих линий.

1.2. Производительность энерготехнологической линии

Основная 
мера 
функциональной 
полезности 
и 
эффективности 

энерготехнологической поточной линии — ее производительность, а гарантия 

достижения высокой эксплуатационной производительности — надежность 

конструкции 
линии. 
Под 
производительностью 
энерготехнологической 

поточной линии понимают способность ее перерабатывать или выпускать то 

или иное количество продукции за определенный промежуток времени. 

Различают три вида производительности: техническую П, теоретическую Пт и 

эксплуатационную Пэ.

Техническая производительность.

Она характеризует технические возможности энерготехнологической 

поточной линии, обусловленные технологическим процессом и конструкцией 

оборудования. При определении технической производительности принимают 

в 
расчет 
количество 
переработанной 
или 
выпущенной 
продукции, 

длительность 
непосредственной 
работы 
оборудования, 
а 
также 

дополнительные затраты сырья и рабочего времени, необходимые для 

успешного функционирования оборудования. Дополнительные затраты зависят 

от 
конструктивных 
особенностей 
оборудования, 
они 
предусмотрены 

технической документацией и учитывают наличие регламентированных

8

возвратных отходов, дефектной продукции и потерь сырья, 
а также 

необходимость дополнительных затрат времени на выполнение вспомогательных операций и обслуживание оборудования.

Техническая производительность — главный технико-экономический 

показатель. По значению этого показателя, прежде всего, решают вопрос, 

можно ли использовать конкретную конструкцию в составе проектируемой 

линии. При создании новой энерготехнологической поточной линии значение 

технической производительности устанавливает заказчик и она указывается в 

исходных 
требованиях 
и 
техническом 
задании. 
По 
значению 
этой 

производительности при проектировании линии необходимо рассчитать 

теоретическую производительность как линии в целом, так и ее составных 

частей.

Теоретическая производительность.

Ее рассчитывают по количеству переработанной или выпущенной 

продукции за период непосредственной работы оборудования без учета 

дополнительных 
затрат 
сырья 
и 
рабочего 
времени. 
Теоретическая 

производительность — важнейшая характеристика любой конструкции. 

Именно по ней выполняют кинематический и тепловой расчеты, определяют 

скорости движения рабочих органов, деталей, хладо- и теплоносителей, 

вычисляют потребляемую мощность, нагрузки, рабочие объемы, габаритные 

размеры и в конечном итоге основной показатель - энергоэффективность 

энерготехнологической поточной линии. Поэтому в процессе разработки линии 

важно 
проанализировать 
взаимосвязь 
между 
заданной 
технической 

производительностью и проектируемой, теоретической производительностью.

Эту взаимосвязь характеризуют коэффициентом использования К и 

теоретической производительности:

П — ПТКИ 
(1.1)

Согласно вышеизложенным определениям, теоретическую и техническую

9

производительность можно представить в виде следующих зависимостей:

Пг — Мк.
г1 Н
( 
n 
\
Мн -  2  М,
П —
i —1

Тн +1 TJ
J—1 
J

(1.2)

где МН — номинальное (заданное) количество продукции, подлежащее 

переработке или выпуску; ТН — номинальная (заданная) продолжительность

непосредственной 
работы 
линии 
2  М t — M1 + M2 +...+Mn 
— 
сумма

i—1

регламентированных 
потерь 
1-го, 
2-го, 
...n-го 
компонентов 
сырья и
m
материалов, 
составляющих 
продукцию 
2  T — T1 + T2 +... + Tm 
— 
сумма
j —1

дополнительных затрат времени 1-го, 2-го, m-го этапов технологического 

процесса, где выполняются дополнительные операции и обслуживание 

оборудования.

Каждое отдельное значение потерь и дополнительных затрат времени можно 

выразить в долях номинальных значений М„ и Г„, тогда предыдущая формула 

приобретает вид:

П —

( 
n 
'
Мн 1- 2м ,
у 
,—1 
у
(
H
л

Mн
П —

1+2 t
У 
J—1 J
(
n
1 - 2  m,
у 
,—1 
у

(1.3)

г
H 1+2 t

л

У 
J—1 J
n
где 2  Mi—m+m + ..+Mn — сумма долей регламентированных потерь 1 -го, 2-го,
i —1

. n -го компонентов сырья и материалов относительно величины МН;

10