Східноукраїнський національний університет
| Вид материала | Конспект |
- Східноукраїнський національний університет, 2834.55kb.
- Східноукраїнський національний університет, 2589.71kb.
- Східноукраїнський національний університет, 2401.62kb.
- Східноукраїнський національний університет, 2401.62kb.
- Східноукраїнський національний університет, 926.8kb.
- Східноукраїнський національний університет, 1383.6kb.
- Східноукраїнський національний університет, 307.07kb.
- Східноукраїнський національний університет, 404.71kb.
- Східноукраїнський національний університет, 707.5kb.
- Східноукраїнський національний університет, 579.02kb.
План
1 Традиционные методы защиты окружающей среды от её загрязнения действующими производствами
2 Неэффективность существующих методов экологизации действующих производств
3 Оптимизация технологических режимов действующих производств по выходу целевого продукта – экономически прибыльный путь эффективной экологизации действующих производств.
Ключевые понятия и термины
Экология. Традиционные методы защиты окружающей среды. Новые подходы к решению экологических задач.
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 методы защиты 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 Неэффективность существующих 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 технологических режимов действующих производств по выходу целевого продукта – экономически прибыльный путь эффективной экологизации действующих производств.
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.
Контрольные вопросы
1. В чем заключаются традиционные методы защиты окружающей среды от её загрязнения действующими производствами?
2. Почему известные методы экологизации действующих производств малоэффективны?
3. По какому критерию необходимо оптимизировать изучаемый режим, чтобы обеспечить экономически прибыльную экологизацию действующих производств?
ТЕМА 8. НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ МЕТОДОЛОГИИ ИЗУЧЕНИЯ «БОЛЬШИХ СИСТЕМ».
План
1. Получение новых знаний из экспериментальных данных.
2. Формализация постановки задачи оптимизации технологического процесса
3. Повышение наукоёмкости производства
4. Оптимизация - путь к реализации резервов производства
5. Учёт индивидуальности технологического процесса
6. Оценка целесообразного уровня метрологии
7. Оценка целесообразного уровня оптимизации
8. Оценка целесообразного уровня автоматизации технологического процесса
9. Повышение конкурентоспособности продукции
10. Пути решения экологических проблем в действующих производствах
11. Пути решения проблемы устойчивого развития (применительно к технологии)
Ключевые понятия и термины
Знания. Постановка задачи. Наукоёмкость производства. Резервы производства.
Индивидуальность технологического процесса. Метрология. Автоматизация. Конкурентоспособность. Проблемы экологии. Проблемы устойчивого развития.
Использование ИМИБС для изучения и совершенствования технологических процессов позволило получить эффективные решения для множества известных задач, решение которых известными методами приводит к существенным, а в большинстве случаев и практически непреодолимым методическим и вычислительным трудностям. Такими задачами, например, являются:
8.1. Получение знаний из данных.
При идентификации технологического процесса с помощью ИМИбС решается одна из главных задач искусственного интеллекта - получение знаний из данных. Причём новые знания выделяются в виде системных закономерностей изучаемого процесса (формальных гипотез, описывающих взаимное влияние входных параметров процесса на комплекс выходных показателей на языке технолога). большинство этих гипотез содержат новые, нетривиальные, неизвестные ранее специалистам зависимости. Содержательная интерпретация этих формальных гипотез экспертами позволит им внести новый вклад в науку о системных закономерностях изучаемых процессов.
8.2. Формализация постановки задачи оптимизации технологического процесса
Интуитивно ясно, что технологический процесс должен обеспечить:
- высокую производительность;
- высокий выход целевого продукта;
- минимально возможный расход ресурсов;
- минимально возможный расход энергии;
- минимальное количество отходов производства;
- минимальную себестоимость продукта;
- высокое качество продукции, которое всегда определяется комплексом показателей.
Поскольку для континуальных шкал корректных методов свёртки вектора выходных показателей в обобщённый критерий, оценивающий качество работы технологического процесса, не существует, а дискретные методы идентификации не применяются для моделирования реальных процессов, обычно оптимизацию процесса проводят по одному выходному показателю.
С помощью ИМИбС свёртка вектора выходных показателей осуществляется корректно и просто: реализация процесса считается "хорошей" (Y=1), если в ней выполняются заданные ограничения по всем выходным показателям, и "плохой" (Y=0), если хотя бы одно из этих ограничений не выполняется.
Одной из основных характеристик технологического процесса является выход целевого продукта на загруженное сырьё. При увеличении выхода:
- снижается расход сырья на единицу полученной продукции;
- снижается расход энергии на единицу полученной продукции;
- снижается расход не прореагировавших компонентов, продуктов побочных реакций и потерь целевого продукта - решается задача повышения экологической эффективности производства;
- снижается себестоимость продукции (поскольку доля затрат на сырьё, энергию и экологию составляет 50-90% и более в общей её себестоимости).
Таким образом, при совершенствовании действующих производств, вместо множества используемых в настоящее различных критериев оптимизации (постановок задач) появляется возможность сформулировать одну корректную задачу - получить продукт с минимальной себестоимостью (максимальным выходом) и заданным качеством.
В гипотетическом для Украины случае, когда спрос на продукцию какого либо производства начнёт превышать предложение, возможна новая постановка задачи - получить продукт с максимальной прибылью и заданным качеством.
8.3. Повышение наукоёмкости производства
Одним из наиболее важных экономических показателей действующего производства является его наукоёмкость. Качественно наукоемкость оценивается соотношением информационной и материальной составляющих в себестоимости продукта.
Количественной оценкой наукоёмкости может служить выражение КН = 1-SA/S, где КН - коэффициент наукоёмкости, SA - стоимость материальных и энергетических ресурсов, затраченных на получение единицы продукта, а S - полная себестоимость продукта.
Чем более полно в технологическом регламенте учтены закономерности, связывающие условия проведения процесса с его выходными показателями, тем выше наукоёмкость производства и, соответственно, эффективней его работа.
К сожалению, практически все технологические регламенты основаны на неполных знаниях о закономерностях соответствующих технологических процессов и, поэтому, не могут обеспечить оптимальное управление ими.
При идентификации с помощью ИМИбС появляется новые знания, отражающие объективно существующие зависимости выходных показателей изучаемого процесса от значений его входных параметров. Использование этих знаний при оптимизации процесса и последующая корректировка технологического регламента по результатам оптимизации позволяет существенно повысить наукоёмкость производства и, соответственно, эффективность его работы.
При оптимизации технологического процесса по выходу готового продукта на загруженноё сырьё, увеличивается полнота превращения исходных продуктов, и за счет этого сокращаются расходные нормы по сырью и энергетике, соответственно уменьшается составляющая себестоимости SA и растёт коэффициент наукоёмкости Кн.
При постоянных ценах на продукт, а также на стоимость сырья и энергоресурсов коэффициент наукоёмкости изучаемого производства связан с его рентабельностью прямо пропорциональной зависимостью.
8.4. Оптимизация - путь к реализации резервов производства
За счёт оптимизации технологического режима реализуются имеющиеся резервы производства. При этом оптимизация может осуществляться с помощью существующих систем информационного обеспечения и управления (т.е. без дополнительных капитальных затрат).
Ниже приводятся некоторые примеры применения ИМИбС для оптимизации действующих производств.
В комплексе производств красителя кубового ярко-зелёного «С» увеличен средний съём с операции в производствах полупродуктов:
- бензантрона с 528.8 до 558.0 кг (на 5.5% отн);
- дибензантронила с 544.3 до 571.5 кг (на 5.0% отн);
- диоксивиолантрона с 326.7 до 346.3 кг (на 6.0% отн);
- красителя ярко-зелёного «С» с 265.8 до 281.75 кг (на 6.0% отн).
Общий выпуск красителя увеличен на (1.055*1.05*1.06*1.06)*100 =24.5%.
в производстве бета-оксинафтойной кислоты выход продукта увеличен с 42.4 до 47.3% (на 11.6% отн), продолжительность автоклавирования сокращена с 68.8 до 58.8 час (б.5% отн). Выпуск продукта увеличен на (1.116*1.б5-1)*100= 27.8%.
В производстве ацетпарааминофенола выход продукта увеличен с 77.0 до 85.0% (10.4% отн); продолжительность процесса сокращена с 51.8 до 45.4 часа (12.4% отн); выпуск продукта увеличен на (1.104*1.124-1)*100= 24.1%.
В производстве бутилксантогената выпуск продукта 1 сорта увеличен с 7 до 50.0% (в 7.1 раза), а выпуск продукта 3 сорта сокращен с 45.1 до 0%.
В производстве нитробензола общая доля продукта высшего сорта увеличена от 0 до 23.8%. По результатам работы продукту был присвоен Государственный Знак Качества.
8.5. Учёт индивидуальности технологического процесса
Сложные технологические процессы обладают высокой индивидуальностью. Эта индивидуальность проявляется в том, что агрегаты для получения одного и того же продукта имеют существенно различные оптимальные режимы.
"Для выплавки одного и того же сорта чугуна, но в разных печах одного цеха неизбежно требуются различные шлаковые режимы, что объясняется особенностями их дутьевого режима, объёма, профиля, настылей, разгара кладки, состояния засыпного аппарата и т.д." (Вегман Е.Ф., Жеребин б.Н., Похвинев А.Н. и др. Металлургия чугуна. - М.: Металлургия, 1989. - 512 с.).
Поэтому поиск оптимального режима работы должен проводиться для каждого агрегата индивидуально.
8.6. Оценка целесообразного уровня метрологии
В настоящее время уделяется неоправданно большое внимание метрологии. Даже в тех случаях, которые не связаны с безопасностью работы, требования к точности измерения, например, входных параметров существенно и необоснованно завышены. Из сказанного выше следует, что для построения математических моделей реальных технологических процессов можно использовать только методы дискретной математики. При переходе же к дискретным шкалам требования к точности измерений существенно снижаются. Использование измерительной техники с избыточной точностью приводит к неоправданным дополнительным затратам.
8.7. Оценка целесообразного уровня оптимизации
Даже если бы все проблемы идентификации реальных технологических объектов с помощью континуальных методов были бы решены и получена математическая модель со 100% адекватностью изучаемому объекту (что в принципе невозможно), в результате оптимизации по такой модели были бы определены точечные (оптимальные) значения по каждому из входных параметров. Стабильно поддерживать эти значения не смогла бы никакая сверхсложная (и, соответственно, сверхдорогая система управления). Да это и не нужно, так как вариации неуправляемых (и ненаблюдаемых) параметров постоянно уводили бы оптимум процесса от определённой при оптимизации точки в многомерном пространстве входных параметров.
"Для систем, сложность которых превосходит некоторый пороговый уровень, точность и практический смысл становятся практически взаимоисключающими друг друга характеристиками". (Л.А.Заде. Основы нового подхода к анализу сложных систем и процессов принятия решений. В сб. "Математика сегодня". - М.: "Знание",7,1974. 64 с.).
Оптимизация по дискретной модели определяет область в пространстве входных параметров, заданную соответствующими поддиапазонами их значений, отображение которой на пространство выходных показателей выделяет в последнем подобласть, в которой соблюдаются заданные для них ограничения. При последующих шагах дискретной оптимизации (ужесточении требований к значениям выходных показателей) диапазоны допустимых значений входных параметров сокращаются.
В случае, если на определённом шаге оптимизации диапазон значений какого либо параметра (параметров) не может быть реализован с помощью существующей системы управления, решается следующая задача. С помощью технологического аудита оценивается ожидаемый эффект оптимизации и оценивается затраты на реконструкцию существующей системы управления. Целесообразный уровень оптимизации определяется тем шагом, после которого последующая оптимизация становится убыточной.
8.8. Оценка целесообразного уровня автоматизации технологического процесса
В настоящее время общеизвестным фактом считается то, что автоматизация производства повышает эффективность его работы. И хотя массовое внедрение в промышленности в 70-80 годы АСУТП и АСУП, как известно, окончилось полным провалом, из уроков истории, как всегда, не извлекли никаких уроков. Причины провала полной "АСУПизации" всей страны видят в том, что эти системы внедрялись "на базе примитивной вычислительной техники без надёжного информационного фундамента". (Ю.В. Серов. Автоматизация доменных печей - итоги 20 века. "Сталь", 8, 2001, с.49-51).
Автоматизация технологических процессов существенно сокращает вариации значений входных параметров. Но именно эти вариации и определяют вариации выходных показателей. Ранее было показано, что с помощью известных методов математического моделирования в подавляющем большинстве случаев нельзя решить задачу оптимизации реального технологического процесса. Неоптимальное же сокращение вариаций входных параметров системами автоматического управления ведёт к неоправданной и полной потере существующих резервов производства. Следовательно, в настоящее время их автоматизация с экономической точки зрения вредна.
Яркой иллюстрацией к вышесказанному является статья Ю.М.Денисова и др. "Основные результаты совершенствования технологии доменной плавки". Сталь, 5/1999, с.22-24: "В цехе действуют АСУ: управления процессами дозирования шихты и корректировки расхода кокса по изменению его влажности и содержания железа в шихте; регулирования основности шлаков с учётом теплового состояния горна, управления газодинамическим режимом плавки; контроля технологических параметров плавки. В настоящее время объектами автоматизации явились: контроль температуры поверхности засыпи шихты, система охлаждения и общецеховые параметры. Непрерывный контроль картины тепловых полей, значений температур в кольцевых зонах и профиля поверхности засыпи шихты позволяет ранее, чем другие технологические приборы, замечать отклонения от нормального хода и принимать оперативные меры по стабилизации работы. Снижение удельного расхода кокса на выплавку чугуна от использования данных систем составляло 1-1.3%".
Можно себе представить, какие затраты понёс завод на разработку и внедрение этих систем. Сравнение затрат с достигнутым результатом может быть определено достаточно однозначно: Гора родила мышь.
Для сравнения приведём результаты технологического аудита, которые показывают минимальную оценку возможного сокращения удельного расхода кокса за счёт оптимизации технологического режима доменной плавки. Оптимальный режим может быть реализован с помощью существующих систем информационного обеспечения и управления (то есть без капитальных затрат на разработку АСУТП).
ОАО "Запорожсталь" Доменная печь №3 на 7.7%
Доменная печь №4 на 8.7%
КГГМК "Криворожсталь" Доменная печь №6 на 7.9%
Доменная печь №7 на 7.0%
Доменная печь №8 на 6.8%
ОАО «Алчевский метал- Доменная печь №5 на 5.2%
лургический комбинат»
ОАО "Северсталь" Доменная печь №2 на 6.5%
Доменная печь №5 на 6.0%
ОАО «Новолипецкий метал- Доменная печь №2 на 10.5%
лургический комбинат»
Следовательно, автоматизация производства может быть эффективной только после предварительной корректной оптимизации его технологического режима, и только в том случае, если локальные системы управления способны поддерживать полученные при оптимизации диапазоны значений каждого из входных параметров.