Конспект лекцій по дисципліні Інформаційні моделі "великих" систем
| Вид материала | Конспект |
- Конспект лекцій методичні вказівки для студентів спеціальності 090603 «Електротехнічні, 604.49kb.
- Конспект лекцій Суми Видавництво Сумду 2010, 2423.29kb.
- Конспект лекцій з дисциплін: «Інформаційні системи І технології в туризмі» (для студентів, 21.75kb.
- План проведення лекцій та лабораторних занять 4 курсу “інформаційні системи й технології, 105.09kb.
- Конспект лекцій по дисципліні: "Фінансовий менеджмент" для студентів спеціальностей:, 286.79kb.
- Конспект лекцій з дисципліни "Інформаційні системи та технології у фінансових установах", 1112.81kb.
- Конспект лекцій з курсу "математичні моделі соціально-економічних процесів" (для студентів, 8.32kb.
- 1. Назва модуля, 17.87kb.
- Конспект лекцій 2004 Загальна теорія систем. Конспект лекцій Для студентів денної, 1136.85kb.
- Стислий конспект лекцій з дисципліни "Телекомунікаційні та інформаційні мережі" (тім), 3896.99kb.
Основная причина экологического кризиса - следствие трудноразрешимых противоречий между необходимостью сохранить природу и получить максимальную прибыль от её эксплуатации. (И.И.Мазур, О.И.Молдаванов, В.Н.Шишов. Инженерная экология, т.1. Теоретические основы инженерной экологии. М.: "Высшая школа", 1996).
За исключением природных катастроф единственной причиной загрязнения окружающей среды является техногенная деятельность человека.
7.1 Традиционные подходы к защите окружающей среды от её загрязнения действующими производствами
В настоящее время основным направлением в защите природы от загрязнения действующими технологическими процессами являются:
- разработка индивидуальных систем для улавливания отходов производства "в конце трубы";
- разработка методов обезвреживания и утилизации отходов производства, т.е. борьба с последствиями их неэффективного функционирования по экологическим критериям.
7.2 Недостаточная эффективность известных методов экологизации действующих производств
В ряде случаев такой подход позволяет радикально решить поставленную задачу, но при этом приходится для каждого процесса проводить сложные, трудоёмкие и дорогостоящие научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, затрачивать значительные человеческие и материальные ресурсы на изготовление, монтаж и эксплуатацию экологического оборудования, что существенно сказывается на повышении себестоимости продукции и соответствующем снижении прибыли предприятий.
Поэтому многие производства, не удовлетворяющие экологическим критериям, еще долгое время будут функционировать, т.к. их модернизация с целью сокращения загрязнения окружающей среды при таком подходе требует громадных затрат, что при существующей экономической ситуации практически нереально.
7.3 Оптимизация технологического режима действующих производств по выходу целевого продукта – экономически прибыльный путь их эффективной экологизации.
Для существенного сокращения количества отходов в действующих производствах возможен и другой подход, направленный на частичное устранение причин, определяющих низкую эффективность функционирования технологических процессов по экологическим критериям.
Оптимизация технологического режима по выходу целевого продукта с ограничениями на допустимые значения токсичных побочных веществ позволяет увеличить полноту превращения реагирующих веществ и уменьшить скорости побочных реакций, вследствие чего существенно сокращается попадание в окружающую среду не прореагировавших компонентов и побочных продуктов. Кроме того, в производствах, связанных с выделением целевого продукта из суспензий (химическая технология, биотехнология и др.), оптимизация приводит к увеличению размеров кристаллов и, соответственно, сокращению потерь целевого продукта в окружающую среду.
При таком подходе экологизация действующих производств из затратной становится экономически прибыльной, т.к. уменьшение загрязнения окружающей среды достигается за счет повышения выхода целевого продукта, сокращения расходных норм по сырью и энергоресурсам, и, соответственно, сокращению себестоимости продукта.
Анализ качества функционирования технологических процессов в основных загрязнителях природы - действующих производствах энергетики, металлургии, химии, нефтепереработки и др. показал, что практически все эти производства работает не в оптимальных режимах и имеет значительные резервы по выходу целевого продукта.
Эффективность оптимизации существенно возрастает, если не проводить специальных исследований с целью получения информации, необходимой для построения математической модели изучаемого технологического процесса, а использовать для этой цели, фиксируемые в режиме нормальной эксплуатации значения входных параметров и выходных показателей в отдельных операциях (реализациях) изучаемого процесса.
Неэффективность известных методов идентификации (построения математической модели по экспериментальным данным) и, соответственно, известных методов оптимизации показана в теме 2. В теме 4 приведены корректные методы идентификации и оптимизации изучаемого процесса по информации, собираемой в режиме наблюдения (режиме нормальной эксплуатации). Более того, благодаря возможности корректной формальной свёртки множества выходных показателей в обобщённый критерий, появляется возможность ввести ещё один показатель, характеризующий концентрацию токсичных веществ и, соответственно, вести процесс таким образом, чтобы получать максимальный выход продукта и концентрацию токсичных веществ ниже допустимого ПДК (предельно допустимой концентрации).
При таком подходе экологизация действующих производств не требует дополнительных затрат, так как может быть реализована на существующем оборудовании с использованием существующих систем информационного обеспечения и управления путем соответствующего изменения норм технологического режима по некоторым входным параметрам. Более того, она становится прибыльной за счёт существенного повышения выхода продукта и соответствующего сокращения расходных норм по сырью и энергетике. Поскольку достигнуть 100% выхода целевого продукта в промышленных условиях практически невозможно (и, соответственно, невозможно работать без отходов производства), часть прибыли, полученной за счет снижения себестоимости, может быть направлена на разработку и эксплуатацию локальных систем очистки. Следует отметить, что после оптимизации технологического режима требования к локальным системам будут значительно менее жесткими, что позволит существенно сократить затраты на их разработку.
Стратегия защиты окружающей среды от загрязнения действующими производствами должна заключаться в органичном сочетании двух подходов и реализоваться в 2 этапа.
Первый этап - оптимизация действующих производств, позволяющая:
- получить экономический эффект за счет повышения выхода целевого продукта и сокращения его себестоимости;
- существенно сократить загрязнение окружающей среды не прореагировавшими исходными продуктами, продуктами побочных реакций, потерями целевого продукта и токсичными веществами с низкой ПДК;
- соответственно снизить требования к локальным системам улавливания и обезвреживания токсичных отходов.
Второй этап - создание локальных систем улавливания и обезвреживания токсичных отходов, затраты на разработку, изготовление, внедрение и эксплуатацию которых должны производиться из прибыли, полученной после реализации 1-ого этапа.
Имеется более чем 20-летний опыт экономически прибыльной экологизации действующих производств.
Так, например, в производстве клеве-кислот выход продукта увеличен от 36,7 до 50%, т.е. на [(50%- 36,7%):36,7]*100= 36,2% относительных и, соответственно на [(100% -36,7%)- (100%-50%)]:(100% -36,7%)*100= 21% отн. сокращено загрязнение природы не прореагировавшими исходными веществами, продуктами побочных реакций и целевым продуктом из фильтрата.
В производстве ацетпарааминофенола выход продукта увеличен на 10,4% (от 77 до 85%) и, соответственно количество загрязняющих окружающую среду отходов сократилось с 23 до 15% (на 34,8% относительных); в производствах парааминофенола и сульфаминовой кислоты увеличен выход и сокращены выбросы соответственно на 7,5% (25,4%) и 7,4% (38,3%).
Выводы
1. Мероприятия на «конце трубы»: разработка, изготовление, внедрение и эксплуатация оборудования, обеспечивающих выделение, улавливание и обезвреживание отходов производства всегда затратны и ложатся тяжёлым бременем на себестоимость производства. Однако необходимость в них очевидна, т.к. получение продукта без отходов практически невозможно.
2. Предложен новый подход к экологизации действующих производств, направленных на сокращение отходов производства за счёт оптимизации технологического режима.
3. Этот подход позволяет существенно сократить количество отходов при одновременном сокращении расходных норм по сырью и энергетике и соответствующем снижении себестоимости продукции.
4. При экологизации действующих путём оптимизации технологического режима по выходу целевого продукта часть полученной прибыли может быть направлена на разработку, изготовление, монтаж и эксплуатацию экологических систем «на конце трубы», технические требования к которым будут существенно снижены за счет сокращения количества отходов производства.
Литература.
1. И.И.Мазур, О.И.Молдаванов, В.Н.Шишов. Инженерная экология, т.1. Теоретические основы инженерной экологии. М.: "Высшая школа", 1996.
ТЕМА 8. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ДЕЙСТВУЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВАХ
Украина является энергозависимым государством. Предметом импорта являются не только нефть и природный газ, но и каменный уголь. Поэтому вопросы рационального использования энергии рассматриваются, как важнейшая государственная задача, решение которой позволит обеспечить реальную экономическую и политическую независимость страны.
Одной из важнейших проблем оптимального функционирования топливно-энергетического комплекса Украины является повышение эффективности использования и экономии энергетических ресурсов.
1. Известные пути экономии энергоресурсов
В настоящее время основными направлениями решения этой проблемы считаются:
- внедрение нового оборудования и технологий, позволяющих обеспечить снижение удельных расходов топлива, тепловой и электрической энергии;
- модернизация действующего оборудования;
- повышение степени использования всех видов вторичных энергетических ресурсов;
- замена дорогих и ограниченных видов топлива (нефтепродукты, природный газ) более дешёвыми и доступными источниками энергии;
- улучшение состояния системы учёта и контроля расхода топлива и энергии;
- совершенствование организационно - экономического механизма управления.
- совершенствование технологии производства;
- организация энергосберегающей политики.
- оптимизация режимов работы энергетических и технологических установок;
- повышение уровня использования вторичных топливно-энергетических ресурсов (рекуперация тепла, утилизация низкопотенциального тепла с помощью тепловых насосов);
- снижение потерь топлива и нефтепродуктов при транспортировке, хранении и использовании, а тепловой и электрической энергии - при производстве и передаче. [1,2].
Однако, несмотря на серьёзные работы, проводимые в указанных направлениях, энергоемкость валового внутреннего продукта по первичной энергии в Украине с 1990 г. выросла более чем на 40%. Этот показатель на сегодняшний день более чем в 2 раза превышает аналогичные показатели в странах Европейского Союза и в 4,5 раза Японии и имеет тенденцию к дальнейшему росту. [3].
По данным обследования ряда предприятий Украины, проведенных экспертами Энергетического Центра Европейского Союза, приведены различные подходы к энергосбережению и показано, что потери энергии, по крайней мере на 30%, можно сократить за счет предотвращения утечек, термоизоляции нагретых поверхностей, рекуперации тепла, обеспечения соответствия между мощностью агрегатов и нагрузками на них, повышения качества обслуживания оборудования и т.п.
Аналогичные тривиальные рекомендации приведены по результатам обследования заводов Украины по программе Тасis.
Например, для металлургических заводов рекомендуется проведение следующих мероприятий.
1. Беззатратные (не требующие дополнительных капитальных затрат):
- повышение эффективности регулирования процессов горения;
- обеспечение «хорошего» состояние оборудования и регулярное техническое обслуживание;
- планирование производства;
- хорошее ведение хозяйства.
- уменьшение вдувания кислорода при производстве стали в конвертерах;
- замена ковшей открытого типа на ковши типа «торпедо» при транспортировки чугуна в сталеплавильный цех;
- использование более качественных огнеупорных материалов в нагревательных печах:
2. Малозатратные:
- установка отвечающего требованиям оборудования на печах всех типов;
- удаление мелких фракций из шихты доменных печей;
- установка системы утилизации тепла на нагревательных печах;
- установка и обеспечение функционирования системы управления и контроля за процессом сгорания в котельных;
- установка системы утилизации отработанного тепла на нагревательных печах.
- использовать давление колошникового газа в доменных печах для выработки электроэнергии с помощью турбогенераторов.
2. Новые подходы к проблеме энергосбережения.
Анализ рекомендуемых экспертами мероприятий по энергосбережению в наиболее энергозатратных отраслях промышленности (черной и цветной металлургии, химической, нефтехимической, микробиологической и др.) показал, что практически все рекомендации приведены для вспомогательных процессов и практически полностью отсутствуют рекомендации по оптимизации технологии действующих производств по энергетическим критериям.
Между тем известно, что на заводах этих отраслей доля энергопотребления в технологических процессах составляет до 50 и более процентов в общем расходе энергоресурсов.
Кроме того, известно, что практически все производства в этих отраслях работают в режимах далеких от оптимальных и, соответственно, имеют большие резервы, в том числе и по сокращению энергетических затрат.
Поэтому из множества возможных подходов к экономии энергоресурсов наибольшими потенциальными возможностями обладает подход, связанный с оптимизацией технологических режимов в действующих производствах по энергетическим критериям.
Но такая постановка вопроса приводит к частной задаче - задаче оптимизации энергозатрат. Гораздо более важной является постановка глобальной задачи: - найти условия проведения технологического режима, позволяющие получить продукт с минимальной себестоимостью и заданным качеством.
При оптимизации технологических режимов в химических, металлургических, нефтеперерабатывающих и т.п. производствах удобнее использовать вместо критерия "себестоимость" критерий "выход целевого продукта".
Увеличение выхода приводит к соответствующему сокращению расходных норм по энергоресурсам, сырью, основным и вспомогательным материалам, выбросам в окружающую среду и соответствующему снижению себестоимости продукции.
Таким образом, критерий "выход целевого продукта" объединяет в себе энергетический (сокращение расходных норм по энергоресурсам), экономический (сокращение расходных норм по энергетике и сырью и соответствующее сокращение себестоимости продукции) и экологический (сокращение расходных норм по выбросам в окружающую среду) критерии.
Для решения задачи оптимизации в глобальной постановке необходимо иметь математическую модель зависимости комплексного критерия, объединяющего выход продукта и требования к показателям его качества, от параметров технологического режима.
Опыт использования известных математических методов показал, что их применение для идентификации и оптимизации реальных технологических процессов приводит к практически непреодолимым методическим и вычислительным трудностям.
Для решения глобальной задачи - оптимального управления технологическими процессами по комплексу экономических, энергетических, экологических и потребительских критериев разработана, математически обоснована, апробирована и прошла многолетнюю успешную экспериментальную проверку новая интеллектуальная технология изучения и совершенствования действующих производств.
В нее входят новые методы идентификации (метод мозаичного портрета); субоптимизации (метод логического программирования) и технологического аудита.
С помощью метода мозаичного портрета решается задача формальной идентификации изучаемого объекта по экспериментальным данным, фиксируемым в режиме нормальной эксплуатации.
Метод логического программирования служит для синтеза рекомендаций по субоптимальному управлению процессом по заданному комплексу критериев.
С помощью технологического аудита можно предварительно оценить потенциальные возможности процесса (в том числе и по энергоресурсам), которые могут быть реализованы только за счет оптимизации технологического режима без дополнительных затрат.
В 2001 г. на Алчевском металлургическом комбинате был проведен технологический аудит для оценки потенциальных возможностей сокращения энергозатрат при производстве чугуна в доменной печи N5. Показано, что практически без дополнительных затрат (на существующем оборудовании, при использовании существующих систем информационного обеспечения и управления) только за счет оптимизации технологического режима доменной плавки могут быть достигнуты следующие показатели: удельный расход кокса снижен на 36.3 кг/т чугуна (с 562,9 до 527.6 кг/т); удельный расход природного газа снижен на 3.6 м3 /т чугуна (с 94 до 91.4 м3 /т чугуна). При годовом выпуске 812175 т чугуна может быть сэкономлено 28700 т кокса и 2900 тыс м3 природного газа. Ожидаемая прибыль завода за счет экономии энергоресурсов (кокса и природного газа) составляет 9.5 млн. гривен в год.
В 2001 г. на Криворожском металлургическом комбинате "КРИВОРОЖСТАЛЬ" был проведен технологический аудит для оценки потенциальных возможностей сокращения энергозатрат при производстве чугуна в доменной печи N7. Показано, что практически без дополнительных затрат только за счет оптимизации технологического режима доменной плавки удельный расход кокса может быть снижен на 39.3 кг/т чугуна (с 470,1 до 430.8 кг/т). При годовом выпуске 1035000 т чугуна может быть сэкономлено 40675 т кокса. Ожидаемая прибыль завода за счет экономии кокса составляет 14.2 млн. гривен в год.
Практическое применение интеллектуальной технологии изучения и оптимизации действующих производств позволило существенно сократить расходные нормы по энергопотреблению и сырью, снизить себестоимость и повысить качество продукции, увеличить производительность, и т.п. более чем в 100 действующих производствах химической, биотехнологической, металлургической и других областях промышленности.
Так, например, на Рубежанском ПО "Краситель" практически без дополнительных затрат за счет оптимизации технологических режимов выход продукта увеличен в производствах 3,5-динитросалициловой кислоты на 14,2%; параминофенола на 7,5%; ацетпарааминофенола на 10.4%; красителя кубового ярко-зеленого С на 24.5% и соответственно на ту же величину сокращены расходные нормы по энергопотреблению и сырью.
Выводы
1. Для большинства металлургических, химических, нефтеперерабатывающих, биотехнологических и др. производств задача беззатратного энергосбережения может быть корректно поставлена и решена только в рамках более общей задачи: «Найти условия проведения технологического режима, позволяющие получить продукт с максимальным выходом и заданным качеством».
2. Для решения этой задачи может быть использована интеллектуальная технология изучения сложных систем.
3. Широкомасштабное использование интеллектуальной технологии позволит быстро и эффективно решить проблемы энерго- и ресурсосбережения, снижения себестоимости и повышения качества продукции, сокращения количества отходов производства и загрязнения окружающей среды в действующих производствах.
Литература,
1. Эффективное энергоиспользование и альтернативная энергетика. /Под ред. А.К.Шидловского, Киев, «Украинские энциклопедические знания», 2000. -302 с.
2. Экономика химической промышленности. /Под ред. В.Л.Клименко .-Л.: «Химия», 1990.-288 с.
3. Меркушов В.Т. Энергосбережение через призму государственного управления. Новiтнi технологii в сферi нетрадiцiйних i вiдновлюваних джерел енергii, 2, 1999 г.
ТЕМА 9. МЕТОДОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
А. МЕТОДОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ВСЕХ ЭТАПАХ - ОТ ЛАБОРАТОРНОЙ ПРОПИСИ ДО ВНЕДРЕНИЯ В ДЕЙСТВУЮЩЕЕ ПРОИЗВОДСТВО.
А.1. Проблемы, возникающие при разработке новых технологических процессов
Основой технического прогресса является разработка новых технологий, позволяющих получить новые высококачественные продукты с относительно низкой себестоимостью и минимальным ущербом для окружающей среды. Основной задачей при разработке нового технологического процесса является поиск области значений входных параметров, задаваемой определёнными диапазонами значений каждого из них, обеспечивающей получение продукта, удовлетворяющего заданным требованиям по экономическим, экологическим и потребительским показателям.
Однако «при разработке нового процесса теоретические сведения о процессе весьма скудны, неизвестно, какие факторы оказывают наибольшее влияние на процесс, не ясны условия, обеспечивающие высокий выход реакции». (Е.В.Маркова, М.А.Векслер. Планирование эксперимента в тонком органическом синтезе. Заводская лаборатория, №10, 1968 г., с.1227-1228). Поэтому естественно стремление научных работников формализовать процедуры поиска закономерностей, определяющих специфические условия работы изучаемого процесса и оптимального технологического режима. Попытки использовать для решения этих задач процедуры классического планирования экспериментов оказались безуспешными и по тем же самым причинам.
Специфическими особенностями задачи разработки новых технологических процессов являются:.
1. Большой дефицит априорной информации о закономерностях работы процесса.
2. Невоспроизводимость технологии при переходе к последующему этапу разработки.
3. Отсутствие формальных методов выбора перечня входных параметров.
4.Отсутствие формальных методов определения области исследования.
При разработке нового технологического процесса после изучения химизма процесса всегда возникала задача выбора рационального технологического режима (задания таких диапазонов значений всех входных параметров, соблюдение которых обеспечивало бы заданное качество его работы по выбранным критериям).
Одно время казалось, что, наконец, найден универсальный алгоритм решения задачи разработки новых технологических процессов. В это время все надежды возлагались на классическое планирование экстремальных экспериментов. [1]. Однако многолетний опыт его использования показал, что и на этом пути исследователя ожидают весьма скромные достижения. [2]. Дело в том, что с помощью классического планирования эксперимента фактически решаются только задачи поиска и параметрической идентификации - оценки коэффициентов модели, структура которой должна быть задана априори. Нерешённость проблем формального синтеза структуры модели и свёртки вектора выходных показателей в обобщённый критерий, измеряемый в континуальных шкалах, с одной стороны ограничивают размерность решаемой задачи (число входных параметров 2-4). [3]., а с другой приводит к существенным (а при количестве входных параметров более 10 практически неразрешимым) методическим и вычислительным трудностям при построении математической модели процесса.