CC BY
36
УДК 65.011.56
А.А. Волков, А.А. Шлыкова
ФГБОУВПО «МГСУ»
ОРГАНИЗАЦИЯ ЭФФЕКТИВНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Рассмотрены оптимизация процессов очистки и десульфуризации дымовых газов в производственно-экологических системах. Произведено сравнение аналитической и идеализированной математических моделей процесса производства сульфогипса на установках известковой сероочистки дымовых газов. Сделаны выводы по стабилизации заданных значений параметров процесса получения сульфогипса в автономном и диспетчерском режимах.
Ключевые слова: автоматизация, производственно-экологические системы, оптимизация получения сульфогипса.
Разработка научных и системотехнических принципов повышения эффективности функционирования и качества организации производственно-экологических систем (ПЭС) в настоящее время является исключительно важной и своевременной. В данной статье описано решение задачи оптимизации процессов очистки и десульфуризации дымовых газов с социально-экологической стороны, так как огромное количество безвозвратно теряемых веществ может при их рациональном извлечении и утилизации существенно увеличить сырьевые ресурсы для промышленности и строительства, и в частности, получения научных и методологических результатов, дающих проектировщикам ПЭС производства сульфогипса комплекс новых знаний, представлений и навыков, позволяющих создавать эффективные и современные системы с более высокими потребительскими свойствами в более короткие сроки.
Для достижения научных и методологических результатов были выполнены следующие исследования:
изучены особенности организационных структур и технологических процессов при производстве сульфогипса;
исследованы задачи структурной организации при управлении процессом в автономном и диспетчерском режимах;
разработан информационно-экономический критерий, представляющий собой «взвешенную сумму» информационно-экологического и технико-экономического показателей, отражающих, соответственно, упорядоченность (организованность) системы и общие затраты, связанные с ее созданием и эксплуатацией;
исследованы свойства статических режимов производства сульфогипса, которые были представлены в виде проекции допустимой рабочей области на плоскость независимых параметров;
проведен анализ полученных характеристик производства, показавший принципиальную возможность и целесообразность оперативной оптимизации процесса даже при несовпадении экологического и экономического оптимумов;
ВЕСТНИК
ю/2013
определены условия организации производства сульфогипса, при которых автономный режим работы (стабилизация параметров) может оказаться эффективнее диспетчерского режима (оперативная оптимизация).
В перечисленных теоретических исследованиях и практических разработках использованы методы структурной организации и математического моделирования производственных процессов, методы их проектной и оперативной оптимизации, а также линейного синтеза систем организационного управления. В качестве объекта исследования рассматривались ПЭС получения суль-фогипса, режимы их работы, контроль и управление качеством побочного и целевого продуктов, при этом предметом исследования являлись анализ и синтез организационно-технических решений и разработка на основе полученных результатов методики определения и оценки целесообразности оперативной оптимизации процесса.
Так, аналитическая математическая модель процесса производства суль-фогипса на установках известковой сероочистки дымовых газов, основанная на результатах [1, 2], сравнительно громоздка, поскольку состоит из 14 нелинейных уравнений мгновенных материальных балансов процессов, протекающих в скруббере и циркуляционном сборнике, а для ее идентификации авторам потребовалось определить 11 неизвестных коэффициентов. Кроме того, следует отметить, что даже в такой сложной модели оказались неучтенными величины изменения скорости потока и температуры процесса.
В то же время, как следует из [3], для синтеза алгоритмов и системы организационного управления потребовалась линеаризованная модель вида
7 = 1,2, ..., п ] = 1,2, ..., т , где — передаточная функция, описывающая в операторном виде связь параметров процесса на выходе 7-го скруббера с]-м возмущением; к, а0, а1, а2, Ь0, Ь1 — коэффициенты, полученные линеаризацией аналитической математической модели.
При такой «грубости» необходимого для алгоритмизации описания процесса автоматизации проектирования организационных структур следовало ли добиваться весьма точной идентификации аналитической модели (в [4] отмечено, что рассчитанные с помощью аналитической модели значения выходных параметров процесса отличались от фактически измеренных значений не более, чем на 1,5 %)? Более того, для идентификации этой модели потребовалось определить значения большинства неизвестных коэффициентов так, чтобы реакция модели на скачкообразные возмущения была близка к экспериментально полученным переходным характеристикам процесса. В то же время недостаточная изученность отдельных явлений или подпроцессов не позволяет иметь полностью математически формализованное описание производства сульфо-гипса. Это определяет зачастую и выделение уровней иерархии, и установление отношений между явлениями. Поэтому до сих пор важным параметром при реализации системного подхода является использование аналитической информации, экспериментальных данных и наблюдений. Наличие эмпири-
Fп (Р)
Ь0 ]7 Р2 + Ь1 ]7 Р + 1
(1)
а0 ]7 Р3 + а1 ]7 Р2 + а2 ]7 Р + 1
ческих и полуэмпирических зависимостей диктует необходимость в таких данных.
С учетом изложенного представляется целесообразным использовать в системе организационного управления для оперативных расчетов управляющих воздействий и содержания гипса в сточных водах (шламе) на выходе каждого скруббера (или вакуум-фильтра) идеализированную модель, которая может иметь вид
(У1 = °^) ^4 С) - N (° - № ^^)с^)!к° ]}, (2)
7 = 1,2, ..., п,
где Л, — содержание сульфогипса в орошающем растворе на выходе и на входе в 7-ую зону скруббера; I — время; V. — объем 7-й зоны скруббера, занятый орошающим раствором; О — расход известняковой суспензии (шлама); к. — периодически идентифицируемый коэффициент (константа скорости); Qi — расход очищаемого газа, подаваемого в 7-ую зону скруббера; С — концентрация двуокиси серы в очищаемом газе; кс — стехиометрический коэффициент; п — число последовательно включенных зон взаимодействия потоков в скруббере.
Даже беглое сопоставление упомянутых выше аналитических моделей с моделью (2) позволяет заметить, насколько адаптивная идентификация модели в ходе проектирования организации управления производственным процессом позволяет сократить объем априорных сведений, необходимых для оценки системы организационного управления. При этом не достигается очень точного соответствия характеристик математической модели и реального объекта проектирования и управления, если качество управления, которое будет получено при использовании этой модели на стадии проектирования, в значительной степени будет снижаться за счет погрешностей производственного контроля. В большинстве случаев для проектирования организационных структур и оперативного управления процессами производства сульфогипса в автономном режиме достаточны весьма грубые математические описания в виде дифференциальных уравнений материальных балансов.
Таким образом, если для стабилизации заданных значений параметров процесса необходимы модели типа (2), описывающие балансы веществ в отдельных аппаратах в нестационарном режиме, то для диспетчерского режима при расчете оптимальных значений заданий на стабилизацию параметров нужны математические модели статики всего производства сульфогипса. В этом случае задачи управления динамикой процесса имеют второстепенное, подчиненное значение и должны решаться с учетом свойств объектов в каждом конкретном случае. В общем же случае задача оптимизации статических режимов может быть поставлена исходя из того, что ей всегда должно предшествовать решение двух других задач проектирования — синтеза и анализа.
Научная новизна результатов выполненных исследований заключается в том, что впервые:
разработана новая классификация независимых переменных производства на основе их воздействия на составляющие предложенного обобщенного информационно-экономического критерия. К одной группе отнесены интенсив-
ВЕСТНИК AtM-iMt.
10/2013
ные параметры, способные повышать организованность комплекса при неизменных затратах на получение целевого продукта; к другой — экстенсивные параметры, способные повышать эффективность только за счет увеличения материальных или энергетических затрат;
установлена и исследована связь информационно-экологического показателя качества организации ПЭС с технико-экономическим показателем, которая была положена в основу формулирования задачи оптимизации организационных структур;
доказана принципиальная возможность значительного упрощения обобщенного критерия, позволяющая для проектирования оптимальных организационных структур ограничиться одним модернизированным технико-экономическим показателем качества организации ПЭС;
выявлено, что большую часть времени система рациональной организации объекта должна стабилизировать состав материальных потоков на выходе отдельных участков на оптимальном уровне в рамках ограничений, обусловленных требуемыми количеством и качеством получаемых побочного и целевого продуктов;
установлено, что в отдельных режимах, когда динамическая во времени производительность отдельных агрегатов и участков ПЭС исключает возможность удовлетворить наложенным ограничениям, необходимо оптимальное изменение заданий на стабилизацию состава промежуточных материальных потоков;
предложен метод определения целесообразности оптимизации статических режимов производственного процесса, основу которого составляет оценка нечувствительности критерия оптимальности к изменению управляющих и возмущающих воздействий.
Практическая значимость указанных выше результатов исследований для повышения эффективности производства сульфогипса состоит в том, что они являются теоретической и рекомендательной базой для научно обоснованного выбора организационных структур, режимов, способов и схем управления как на стадии проектирования новых, так и при обновлении и усовершенствовании действующих производственно-экологических систем. Предварительные расчеты показывают, что использование полученных результатов позволит не только повысить качество целевых продуктов и улучшить технико-экономические показатели, но и существенно сократить сроки и стоимость НИОКР при создании ПЭС, использовать инновационные методы анализа эффективности производства для решения смежных задач [5—9].
Библиографический список
1. Айрапетов А.К., Зайцев В.А., Рульнов А.А. Разработка и построение математической модели процесса получения гипса при сероочистке дымовых газов // Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами в строительстве : сб. М. : МГСУ, 2004. C. 38—42.
2. Миронов Н.П. Математическое описание процесса очистки отходящих газов от сернистого ангидрида // Оборудование и средства автоматизации. 1998. № 4. С. 1—5.
3. Комар А.Г., Рульнов А.А. Математическое описание процесса получения гипса при сероочистке отходящих газов // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1982. № 12. С. 66—71.
4. Шкатов Е.Ф. Автоматизация промышленной и санитарной очистки газов. М. : Химия, 1999. 200 с.
5. Волков А.А. Информационное обеспечение в рамках концепции интеллектуального жилища // Жилищное строительство. 2001. № 8. С. 4—5.
6. Волков А.А. Виртуальный информационный офис строительной организации // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2002. № 2. С. 28—29.
7. Волков А.А. Удаленный доступ к проектной документации на основе современных телекоммуникационных технологий // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2000. № 4. С. 23.
8. ВолковА.А. Гомеостат в строительстве: системный подход к методологии управления // Промышленное и гражданское строительство. 2003. № 6. С. 68.
9. ВолковА.А., Игнатов В.П. Мягкие вычисления в моделях гомеостата строительных объектов // Вестник МГСУ 2010. № 2. С. 279—282.
Поступила в редакцию в октябре 2013 г.
Об авторах: Волков Андрей Анатольевич — доктор технических наук, профессор, первый проректор, заведующий кафедрой информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)929-52-29, volkov@mgsu.ru;
Шлыкова Анна Анатольевна — аспирант, ассистент кафедры информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, itistas@gmail.com.
Для цитирования: Волков А.А., Шлыкова А.А. Организация эффективного функционирования и совершенствования производственно-экологических систем // Вестник МГСУ. 2013. № 10. С. 299—304.
A.A. Volkov, A.A. Shlykova
THE ORGANIZATION OF EFFICIENT FUNCTIONING AND IMPROVEMENT OF INDUSTRIAL AND ENVIRONMENTAL SYSTEMS
The paper deals with optimization of the process of purification and desulfonation of the flue gas in industrial and environmental systems.
The objects of the research are industrial and environmental systems producing gypsum. The research presents the modes, methods and control circuits of the systems operation in order to monitor the quality of byproduct and end product. Also the subject of the research is the analysis and synthesis of organizational and technical solutions and the development of the methods for determining and assessing the feasibility of the process operational optimization on the basis of the received results. In the given theoretical research and practical studies the methods of structural organization and mathematical modeling of production processes were used, together with the methods of their engineering, operational optimization, and linear synthesis of organizational control systems.
Analytical and idealized mathematical models of gypsum production on flue gas desulphurisation units were compared.
The practical significance of the research is in theoretical base and recommendations for scientifically-based selection of organizational structures, modes, methods and control circuits. These organizational structures, modes, methods and control circuits are used for establishing new industrial and environmental systems, as well as updating and improving existing ones. Preliminary calculations show, that the obtained results will improve the quality of end products and improve the technical and economic performance. Also they will help to reduce the time and cost of research while creating industrial and environmental systems.
BECTHMK ,n;on<n
10/2013
Key words: automation, industrial and environmental systems, optimization in gypsum production.
References
1. Ayrapetov A.K., Zaytsev V.A., Rul'nov A.A. Razrabotka i postroenie matemati-cheskoy modeli protsessa polucheniya gipsa pri seroochistke dymovykh gazov [The Development and Construction of a Mathematical Model of Gypsum Production in the Process of Flue Gas Desulphurisation]. Avtomatizatsiya i upravlenie tekhnologicheskimi protsessami i proizvodst-vami v stroitel'stve: Sbornik [The Automation and Management of Technological Processes and Production in Construction Area: Collection of Works]. Moscow, MGSU Publ., 2004, pp. 38—42.
2. Mironov N.P. Matematicheskoe opisanie protsessa ochistki otkhodyashchikh gazov ot sernistogo angidrida [The Mathematical Description of Flume Cleaning of Sulfur Dioxide]. Oborudovanie i sredstva avtomatizatsii [The Equipment and Automation Aids]. 1998, no. 4, pp.1—5.
3. Komar A.G., Rul'nov A.A. Matematicheskoe opisanie protsessa polucheniya gipsa pri seroochistke otkhodyashchikh gazov [The Mathematical Description of Gypsum Production in the Process of Flue Gas Desulphurisation]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo i arkhitektura [News of Higher Educational Institutions. Construction and Architecture]. 1982, no. 12, pp. 66—71.
4. Shkatov E.F. Avtomatizatsiya promyshlennoy i sanitarnoy ochistki gazov [The Automation of Industrial and Sanitary Gas Cleaning]. Moscow, Khimiya Publ., 1999, 200 p.
5. Volkov A.A. Informatsionnoe obespechenie v ramkakh kontseptsii intellektual'nogo zhilishcha [Information Support under the Concept of Smart Homes]. Zhilishchnoe stroitel'stvo [House Construction]. 2001, no. 8, pp. 4—5.
6. Volkov A.A. Virtual'nyy informatsionnyy ofis stroitel'noy organizatsii [Virtual Information Office of a Building Company]. Stroitel'nye materialy, oborudovanie, tekhnologii XXI veka [Building Materials, Equipment, Technologies of the 21st century]. 2002, no. 2, pp. 28—29.
7. Volkov A.A. Udalennyy dostup k proektnoy dokumentatsii na osnove sovremennykh telekommunikatsionnykh tekhnologiy [Remote Access to Project Documents on the Basis of Advanced Telecommunications Technologies]. Stroitel'nye materialy, oborudovanie, tekhnologii XXI veka [Building Materials, Equipment, Technologies of the 21st century]. 2000, no 4, p. 23.
8. Volkov A.A. Gomeostat v stroitel'stve: sistemnyy podkhod k metodologii upravleniya Homeostat in construction: a systems approach to management methodology // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo Industrial and civil construction. 2003, no. 6, p. 68.
9. Volkov A.A, Ignatov V.P. Myagkie vychisleniya v modelyakh gomeostata stroi-tel'nykh ob"ektov [Soft Computing of the Homeostat Models of Buildings] Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, no. 2. pp. 279—282.
About the authors: Volkov Andrey Anatol'evich — Doctor of Technical Sciences, Professor, First Vice Rector, Chair, Department of Information Systems, Technology and Automation in Civil Engineering, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavs-koe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; +7 (499) 929-52-29, volkov@mgsu.ru;
Shlykova Anna Anatol'evna — postgraduate student, assistant, Department of Information Systems, Technology and Automation in Civil Engineering, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; itistas@gmail.com.
For citation: Shlykova A.A. Organizatsiya effektivnogo funktsionirovaniya i sovershenst-vovaniya proizvodstvenno-ekologicheskikh sistem [The Organization of Efficient Functioning and Improvement of Industrial and Environmental Systems]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 10, pp. 295—300.
