Применение методов матмоделирования для оценки энергоемкости технологии белых столовых вин

В.П. Передерий, к.т.н., с.н.с. отдела научных исследований проблем экономики, интеллектуальной собственности и маркетинга инноваций,
В.А. Виноградов, д.т.н., начальник отдела технологического оборудования,
В.П. Антипов, начальник отдела научных исследований проблем экономики, интеллектуальной собственности и маркетинга инноваций
Национальный институт винограда и вина «Магарач»,
К.Ф. Феодосиди, инженер-технолог
ЗАО ЗМВК Коктебель

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ УДЕЛЬНОЙ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛЫХ СТОЛОВЫХ ВИНОМАТЕРИАЛОВ

Приведены результаты исследований по совершенствованию расчетно-аналитического метода определения энергоемкости технологических процессов получения белых виноматериалов в первичном виноделии на основе использования приема математического моделирования.

The results are reported of research aimed at improving an analytical-calculated method to assess the level of energy consumption associated with the technological processes of the production of white table wine materials based on the use of the mathematical modelling approach.

Ключевые слова: энергосбережение, электроэнергия, первичное виноделие.

В настоящее время в условиях острого дефицита энергоресурсов на передний план рационального ведения хозяйства как в масштабе Украины, так и в рамках каждого отдельно взятого предприятия, выдвигается необходимость сокращения затрат энергоресурсов на единицу выпускаемой продукции. Рациональное энергопотребление и оптимальная его регламентация в первичном виноделии является проблемой, требующей безотлагательного и обоснованного решения. Вопросам формирования современной методологии оценки энергоемкости производимой продукции и научно обоснованной регламентации потребления энергоресурсов на отдельных этапах виноделия посвящен ряд исследований, выполненных НИВиВ «Магарач» совместно с винодельческими предприятиями [1-5].
В методиках нормирования расхода энергоресурсов (холода, электроэнергии) в первичном виноделии, разработанных в НИВиВ «Магарач» (2008-2010 гг.) для определения удельных энергоемкостей отдельных этапов технологий получения белых виноматериалов предложен расчетно-аналитический метод, обеспечивающий необходимую точность расчетов затрат энергоресурсов применительно к реальным условиям конкретного винодельческого производства. В частности, такое исследование по определению удельных затрат холода и электроэнергии при производстве белых столовых виноматериалов проведено на ЗАО ЗМВК «Коктебель» [5]. Однако практика показала, что расчетно-аналитический метод очень трудоемок и нуждается в совершенствовании.
Целью настоящих исследований явилась разработка ускоренного метода определения энергоемкости (по электроэнергии) процесса получения виноматериалов для производства белых столовых вин, основанного на использовании его математической модели, лишенной недостатков расчетно-аналитического метода, но при этом обеспечивающей высокую точность расчета.
Эта задача решается при использовании современных экономико-математических методов [6, 7]. В процессе исследования в качестве нормообразующих факторов выбирали только те показатели, которые могут быть получены из достоверных источников, поддаются количественной оценке и определяют конечный уровень энергоемкости продукции. В процессе исследования в качестве метода математического моделирования выбран множественный корреляционно-регрессионный анализ, который нами ранее использовался также при определении удельного расхода электроэнергии при переработке винограда [4] и во вторичном виноделии при определении удельного расхода тепловой энергии [8].
При получении белых виноматериалов основными энергоресурсами являются холод и электроэнергия, идущая на производство холода. Поэтому в качестве основного исследуемого параметра (функции Уф) выбирается удельный расход электроэнергии на производство тыс.дал. виноматериалов.
В общем случае норматив расхода электроэнергии при получении белых виноматериалов функционально связан с несколькими переменными. С соблюдением всех изложенных требований в качестве факторов, определяющих уровень потребления электроэнергии при получении виноматериалов для производства белых столовых вин на предприятиях первичного виноделия, выдвигается следующая совокупность переменных: Уф - фактический расход электрической энергии, кВт.ч/тыс.дал виноматериалов; Х4 - фактическая температура брожения сусла, °C; Х5 - массовая доля сахара в сусле, ед.; Х6 - температура окружающей среды, °C; Х7 - продолжительность процесса осветления и брожения, сут., Х8 - удельный расход электроэнергии при выработке холода, кВт.ч/тыс.ккал.
На первоначальном этапе после анализа результатов расчета коэффициентов парной корреляции между функцией Уф и всеми факторами (Х4, Х5, Х6, Х7, Х8) были выделены основные значимые факторы (Х4, Х6 и Х7). Коэффициенты парной корреляции: Ryф-х4=0,4600; Ryф-х6= -0,2703; Ryф-х7=0,6180; Ryф-x5= - 0,1020; Rуф-х8= - 0,0800 (табл.1).
Однако дальнейший анализ коэффициентов парной корреляции между факторами показал, что между ними существует достаточно тесная связь, т.е. один фактор влияет на другой. Поэтому при определении удельного расхода электроэнергии на тыс. дал. выпускаемой продукции необходимо учитывать действие всех пяти факторов и пренебречь каким-либо одним из них нельзя. Дальнейшие исследования и анализ показали, что каждый фактор влияет на исследуемую функцию.
Все пять факторов характерны для различных способов брожения сусла (периодический, непрерывный и доливной), имеющих различную продолжительность брожения, что учтено нами в факторе Х7.
Для исследования взяты следующие предприятия: ЗАО ЗМВК «Коктебель» с периодическим методом брожения сусла, АФ «Золотая балка» с доливным методом брожения сусла и совхоз-завод «Бур- люк» с непрерывным способом брожения сусла.
Разное местонахождение винодельческих предприятий предполагает и различную температуру окружающей среды, которая учтена нами в факторе Х6. Поскольку для исследования взято сусло различных сортов винограда, то фактор Х5 учитывает различную массовую долю сахара в сусле.
На трех исследуемых предприятиях используются различные холодильные установки: в АФ «Золотая балка», совхозе-заводе «Бурлюк» и на ЗАО ЗМВК «Коктебель» (1999-2004 годы) - аммиачные холодильные установки с различной холодопроизводительностью (от 447 до 541 кВт.ч/ тыс.ккал холода). В настоящее время на ЗАО ЗМВК «Коктебель» установлено новое импортное оборудование: аммиачная холодильная установка заменена на фреоновую с хладагентом Р-35. Новая холодильная установка намного экономичнее - ее холодопроизводительность составляет всего 322 кВт.ч/тыс- .ккал холода. Поэтому фактор X8 также из проводимого анализа нельзя исключить.
И наконец, фактор Х4 - температура брожения сусла, которая для различных предприятий в разных вариантах при различных способах брожения сусла фактически колеблется в определенных диапазонах и не учитывать ее также нельзя. Логический анализ сущности всех пяти факторов говорит о том, что они все важны и непосредственно каждый влияет на величину функции Уф. Отказаться хотя бы от одного фактора, - значит недоучесть его влияние на величину расхода электроэнергии на единицу выпускаемой продукции.

Таблица 1
Значения коэффициентов парной корреляции между функцией Уф и исследуемыми факторами

При разработке экономико-математической модели нами проанализированы 35 вариантов получения виноматериалов из сусла различных сортов винограда, перерабатываемых на различных предприятиях АР Крым с использованием как отечественного оборудования, так и зарубежного с целью получения белых сухих виноматериалов. Конкретные значения факторов взяты нами по данным бухгалтерской отчетности предприятий (форма №115 - «Фактическая калькуляция») за 2004-2008 гг.

С использованием математического аппарата по построению многофакторных регрессионных моделей для анализа экономических показателей [6] нами была разработана модель зависимости удельного расхода электроэнергии при получении виноматериалов для производства белых сухих вин от действия всех пяти исследуемых факторов:
Урм = 0,981 + 0,014 Х4 - 0,075 Х5 -  0,046 Х6+0,036 Х7 - 0,100 х8
(1).

Таблица 2
Апробация математической многофакторной регрессионной модели расчета удельного расхода электроэнергии при производстве виноматериалов для белых столовых вин

Апробация данной модели и сравнение фактических затрат электрической энергии в технологическом процессе получения виноматериалов для производства белых вин с величинами затрат, полученными по модели в соответствии с регрессионным уравнением (1) были проведены на ЗАО ЗМВК «Коктебель» (периодический способ брожения) и в совхозе-заводе «Бурлюк» (непрерывный способ брожения). Результаты апробации разработанной математической модели приведены в табл.2.
Сравнение рассчитанных по математической модели средних нормативов (Уфср) и средних фактических расходов (Уфср) показало близкую сходимость результатов. Так по ЗАО ЗМВК «Коктебель» средний расход электроэнергии на тыс.дал по модели составил 0,551 тыс.кВт.ч/тыс.дал, а средний фактический расход (в 2007-2008 гг.)

1. 0,594 тыс.кВт.ч/тыс.дал. Разница в расходах (Уфср-Урмср) составляет 0,043 тыс.кВт.ч/тыс.дал. По совхозу-заводу «Бурлюк» средняя рассчитанная величина по модели
2. 1,756 тыс.кВт.ч/тыс.дал, а средняя фактическая - 1,828 тыс. кВт.ч/тыс. дал. 

Таблица 3
Определение среднего удельного расхода электроэнергии Умр ср по модели с использованием средних значений факторов

Таблица 4
Сравнение расчётных расходов электроэнергии, полученных по расчётноаналитическому методу и по экономико-математической модели

Разница в расходах (Уф ср -Урм ср) составляет 0,072 тыс.кВт.ч/тыс.дал (табл. 3).
На ЗАО ЗМВК «Коктебель», где применяется периодический процесс брожения сусла с использованием зарубежного бродильного оборудования и новой холодильной установки - удельный расход электроэнергии на тыс.дал виноматериалов самый самый низкий (0,551 тыс.кВт.ч/тыс.дал) и является на 7,2% ниже фактического расхода (0,594 тыс.кВт.ч/тыс.дал).
При непрерывном способе брожения в совхозе- заводе «Бурлюк» разница между фактическим расходом Уф и рассчитанным по модели составила всего 3,9%. Это, очевидно, объясняется тем, что непрерывный процесс брожения - процесс автоматизированный, регулируемый и непроизводительные потери холода практически отсутствуют.
В процессе исследований был проведен анализ по сравнению среднего расчётного расхода электроэнергии (по экономико-математической модели) со средним расчётным расходом (по расчётно-аналитическому методу). Отклонение расхода по модели от расхода по расчётно-аналитическому методу составляет 1,25% по ЗАО ЗМВК «Коктебель» и 2,8% - по совхозу-заводу «Бурлюк» (табл.4).
Применение разработанной математической модели позволяет снизить трудоемкость расчета удельных энергозатрат производства, повысить их научную обоснованность, оперативно регулировать величину энергоемкости производственных процессов при замене оборудования и хладоносителя, имеющих другие энергетические характеристики.
Разработанную совместно сотрудниками НИВиВ «Магарач» и ЗАО ЗМВК «Коктебель» математическую модель можно рекомендовать для использования и на других винодельческих предприятиях, занимающихся получением виноматериалов для производства белых сухих и полусухих столовых вин.