Разработка алгоритмического обеспечения информационно-измерительной и управляющей системы энергосбережения на городских очистных сооружениях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат наук Чан Минь Тьинь

• Чан Минь Тьинь
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Чан Минь Тьинь

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИРО ДО-

ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМ

1.1. Особенности современной энергетической политики России .. ц

1.2. Научный подход к обеспечению энергетической эффективности природных и промышленных систем

1.3. Очистные сооружения г. Тамбова как объект экологической и энергетической безопасности

1.4. Разработка методики и результаты проведения совместного энергоэкоаудита в подсистеме аэротенк - отстойник

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

Глава 2. ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

2.1. Статистический анализ входных возмущений в подсистеме биологической очистки

2.2. Разработка модели предиктора входной нагрузки на аэротенк

2.3. Теоретические основания для проектирования двухуровневой системы управления биологической очисткой

2.4. Постановка задачи двухуровневого управления подсистемой биологической очистки

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИМИТАЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХУРОВНЕВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКОЙ

3.1. Моделирование процессов в аэротенке

3.2. Моделирование процесса осаждения во вторичном отстойнике д7

3.3. Разработка метода глобальной параметрической

идентификации сложных систем

3.3.1. Алгоритмы параметризации ППС со сложной

структурой

3.4. Разработка процедуры проверки адекватности модели «по распределению»

3.5. Результаты исследования модели аэротенк - отстойник

3.6. Моделирование оптимального распределения кислорода

воздуха в коридорном аэротенке

3.7. Программное и метрологическое обеспечение системы управления процессом биологической очистки в АСУ ТП ГОС

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение 1. Акт об использовании результатов диссертационной работы

Приложение 2. Основные понятия природо-промышленных систем

Приложение 3. Стандартный набор констант, используемый в компьютерных

моделях процесса с активным илом при 20оС

Приложение 4. Типичные значения параметров модели биологической

очистки бытовых сточных вод при рН= 7 и ¿=20°С

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка алгоритмического обеспечения информационно-измерительной и управляющей системы энергосбережения на городских очистных сооружениях»

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. Цели и задачи государственной Программы РФ «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» направлены на обеспечение устойчивого экономического развития страны в условиях рационального и экологически ответственного использования энергоресурсов, модернизации технологического оборудования, разработки и внедрения современных информационно-измерительных и управляющих систем энергосбережения. При этом устойчивое развитие рассматривается не столько в единстве экономических, экологических и социальных факторов, сколько в аспекте нахождения условий для гармоничного взаимодействия промышленных объектов с экологическими. В научном плане это означает исследование возможностей важнейшего класса вероятностных систем, именуемых природо-промышленными, с позиций оптимального потребления материально-энергетических ресурсов и образования допустимого уровня отходов.

Для региональной экономики особое значение имеют природо-промышленные системы (ППС) муниципального уровня, обладающие экономической самостоятельностью, конкретными географическими особенностями и высоким уровнем энергопотребления. К таким ППС в данной работе отнесены городские очистные сооружения (ГОС), находящиеся в непрерывном взаимодействии с внешней средой: канализационной системой, метеофакторами, энергоресурсами, водоёмом-приёмником очищенных стоков т.п.

Научная актуальность работы обусловлена тем, что существующие методы проектирования и управления режимами функционирования ГОС, основанные на детерминированном подходе к процессам биологической очистки, традиционных способах контроля и регулирования переменных состояния и «аппаратном» методе энергосбережения не в полной мере отвечают целям и задачам названной Программы в плане повышения энергоэффективности ГОС, работающих в условиях неопределенности входной нагрузки, случайных изменений

метеопараметров, наличия в подсистеме биологической очистки «быстрых» и «медленных» компонент и других важных обстоятельств.

Степень разработанности темы исследования. Основу теоретической базы исследования составили научные труды по проектированию ГОС: С.В. Яковлева, Т.А. Корюхиной, И.В. Гордина, Б.М. Худенко, И.В. Скирдова и других; по математическому моделированию процессов биологической очистки: В.А. Вавилина, В.Б, Васильева, В.И. Баженова, М. Хенце, П. Армоэса, С.П.Л. Греди, Г.Т. Дейгера; по теории прогнозирования случайных процессов: Дж. Бокса, Г. Дженкинса, Д. Ваттса, П.М. Бертокса; по теории регулирования и управления очистными сооружениями: Д.Н. Смирнова, А.С. Дмитриева, И.В. Гордина, Дж. Эндрюса и других; по энергосбережению в аэротенках: В.И. Баженова, А.Н. Эпова, И.А. Носковой, А.В. Чигинова, Дж. Дадли и других.

ГОС представляют собой термодинамически открытые большие биотехнологические системы с иерархической структурой соединения элементов, с детерминированно-стохастической природой отдельных процессов, нелинейным характером их поведения и с запаздываниями в информационно-аналитических каналах связи. Наиболее чувствительным звеном к внешним воздействиям является подсистема биологической очистки с аэротенком и отстойником (подсистема А - О).

Минимизация капитальных и профилактико-эксплуатационных затрат именно по этой подсистеме способна дать высокий экономический эффект.

Проектирование и модернизацию ГОС осуществляют при обоснованно высоких значениях расхода сточной воды, предполагаемом составе загрязняющих веществ и значениях их концентраций, что позволяет создавать весьма надёжную, но неэкономичную систему, основную часть времени функционирующую с непроизводительными конструктивно-технологическими запасами и при одном и том же режиме работы оборудования. Между тем для ГОС свойственны суточные, недельные и месячные флуктуации расхода и уровня загрязнения воды, а также сезонные колебания температуры внешней среды, что должно учитываться при

выборе оптимальных режимов подачи воздуха в аэротенк, обеспечивая, тем самым, минимально-необходимое энергопотребление в подсистеме А - О.

При этом наиболее сложной научной задачей оказывается нахождение задания регуляторам нижнего уровня по концентрации кислорода в коридорах аэротенка, в зависимости от изменений входной нагрузки. И в этой связи цели данного исследования связаны с разработкой алгоритмов функционирования информационно-измерительной и управляющей системы биологической очистки, обеспечивающей повышение энергоэффективности ГОС.

Объект исследования: двухуровневая информационно-измерительная и управляющая система энергосбережения процесса биологической очистки сточных вод.

Предмет исследования: алгоритмическое обеспечение информационно-измерительной и управляющей системы энергосбережения биологической очистки в условиях неопределенности внешних воздействий.

Методология и методы исследования: теория моделирования и управления природо-промышленными системами; метод проведения совместного энергоэкоаудита; метод динамического программирования Р. Беллмана; метод анализа и синтеза двухуровневой системы управления динамическими объектами; метод прогнозирования случайных процессов Дж. Бокса и Г. Дженкинса; метод имитационного исследования Монте-Карло.

Цель работы: минимизация электропотребления воздуходувной станцией в подсистеме А - О в условиях изменений входной нагрузки на аэротенк и отстойник, и удовлетворении нормативных требований к качеству очищенных стоков посредством разработки алгоритмического обеспечения информационно-измерительной и управляющей системы и его программной реализации в АСУ ТП ГОС.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: - выполнен анализ состояния ГОС г. Тамбова как объекта системной модернизации в аспекте энергосбережения и экологической безопасности;

- собрана экспериментальная информация о работе подсистемы А - О;

- формализована постановка задачи оптимального энергосбережения в подсистеме биологической очистки;

- разработана математическая модель процессов в подсистеме А - О;

- созданы модели прогноза входной нагрузки на подсистему А -О;

- разработана и обоснована структура двухуровневой энергосберегающей системы управления биологической очисткой;

- произведена проверка работоспособности созданного программного обеспечения средствами имитационного исследования.

Научная новизна:

- разработан метод проведения совместного энергоэкоаудита в ППС;

- разработана структура двухуровневой системы управления биологической очисткой с предиктором входной нагрузки и координатором «быстрой» и «медленной» компонент процесса;

- предложена процедура проверки адекватности модели «по распределению»;

- создана математическая модель подсистемы А - О, позволяющая рассчитывать концентрацию кислорода по длине коридоров аэротенка с учетом прогнозируемого расхода и уровня загрязненности воды;

- поставлена и решена задача минимизации электропотребления воздуходувной станцией, обеспечивающей подачу кислорода воздуха в аэротенк;

- разработан метод глобальной параметрической идентификации статических детерминированных и вероятностных моделей ППС, и с регуляризацией параметров по А.Н. Тихонову;

- создано алгоритмическое обеспечение информационно-измерительной и управляющей системы энергосбережения в процессе биологической очистки, реализующее принципы упреждения возмущений и координации режима работы подсистемы А - О;

- разработано программное обеспечение информационно-измерительной и управляющей системы энергосбережения в подсистеме биологической очистки

сточных вод в составе следующих модулей: прогноза входной нагрузки с помощью моделей поведения временных рядов типа АРПСС (рДф; глобальной параметрической идентификации модели биологической очистки; стабилизации соотношения среднего «гидравлического» времени пребывания частиц жидкости и среднего «биологического» возраста ила в подсистеме А - О; базы данных параметров и нормативных значений качества очищенной воды; расчета оптимальных значений подачи кислорода воздуха в аэротенк; проверки адекватности модели биологической очистки реальному процессу.

Положения, выносимые на защиту:

- метод проведения совместного энергоэкоаудита;

- структура и функциональное содержание двухуровневой энергосберегающей системы управления биологической очисткой с предиктором и координатором;

- процедура проверки адекватности модели «по распределению»;

- метод глобальной параметрической идентификации статических моделей ППС с иерархической структурой соединения элементов;

- алгоритмическое и программное обеспечение информационно-измерительной и управляющей системы энергосбережения в подсистеме А-О.

Теоретическая и практическая значимость работы: разработано программно-алгоритмическое обеспечение информационно-измерительной и управляющей системы энергосбережения процесса биологической очистки сточных вод, использование которой в проекте модернизации ГОС г. Тамбова способно обеспечить снижение электропотребления в условиях изменения входной нагрузки в среднем на 15%.

Внедрение результатов исследования. Результаты диссертационной работы переданы для использования в проекте АСУ ТП на предприятие ОАО «Тамбовские коммунальные системы».

Степень достоверности и апробация результатов исследования. Достоверность результатов исследования обеспечена: сбором исходных данных из

технической документации рассматриваемой ГОС; статистической обработкой и анализом данных лабораторного контроля процесса биологической очистки; сопоставлениями результатов имитационного моделирования с литературными и экспериментальными результатами.

Основные результаты работы обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях аспирантов ТГТУ в 2012-2015гг., были представлены на Международной научно-практической конференции посвященной 150-летию со дня рождения В.И. Вернадского (Тамбов, 2013), на Всероссийском совещании по проблемам управления (ВСПУ) (г. Москва, 2014).

Часть диссертации выполнялась в рамках международного проекта TEMPUS 53 0620-TEMPUS-1-2012-1-1T-TEMPUS-JPCR «Обучение в течение всей жизни и магистратура в области инновационных технологий в сфере энергосбережения и экологического контроля в российских университетах с участием работодателей».

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 14 печатных работ, из них 8 статей в журналах рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ для публикации основных результатов диссертации, 3 учебных пособия и 3 доклада.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, приложений. Работа изложена на 168 страницах, имеет 64 рисунка, 10 таблиц, 4 приложения. Библиографические список литературы содержит 58 наименований.

Краткое содержание диссертации по главам

В первой главе «Повышение энергоэффективности природо-промыш-ленных систем» на основе изучения литературных источников проведен анализ состояния энергоэффективных решений в отраслях экономики различных государств. Показано, что тема энергетической безопасности является ключевой в стратегии устойчивого развития, а ее обеспечение связано не только с доступностью энергоресурсов, но и с эффективностью их использования.

Вторая глава «Особенности управления процессом биологической очистки сточных вод в условиях неопределенности» посвящена статистическому анализу возмущающих воздействий в процессе биологической очистки, разработке модели предиктора входной нагрузки и теоретическому обоснованию необходимости создания двухуровневой системы управления подсистемой А-О.

Третья глава «Моделирование и имитационное исследование двухуровневой системы управления биологической очисткой» посвящена обоснованию гипотез и допущений, используемых при моделировании подсистемы А-О, выводу уравнений модели, разработке метода глобальной параметрической идентификации систем с иерархической структурой соединения элементов, процедуре проверки адекватности модели по «распределению», расчетам оптимальной подачи воздуха в систему аэрации и составу программно-метрологического обеспечения при проектировании АСУ ТП ГОС на основе SIMENS SIMATIC PCS7.

Глава 1. ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИРОДО-ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМ

1.1. Особенности современной энергетической политики

России

Энергетическая проблема является центральной среди самых острых проблем современности, а тенденции процесса энергопользования служат показателем развития мировой экономики и состояния экологического благополучия населения. Для удовлетворения растущих энергетических потребностей сегодня невозможно рассчитывать только на добычу ископаемого топлива или ядерную энергию. Необходимо задействовать весь имеющийся потенциал энергосбережения, способный предупредить экономические и экологические кризисы и сделать энергию более доступной для всех слоев населения.

Для реализации концепции устойчивого энергетического развития все виды энергии должны использоваться максимально эффективно и экологически безопасно. В первую очередь это касается невозобновляемых ресурсов -ископаемого и ядерного топлива, ибо стоимость ограниченных ресурсов неизбежно возрастает по мере их исчезновения, состояние природы в процессе добычи ухудшается, а рост народонаселения на планете только ускоряет потребление энергоресурсов.

Впервые вопрос устойчивости был рассмотрен на мировом уровне в 1987 г. Комиссией ООН по окружающей среде и развитию. Комиссия определила устойчивое развитие как процесс удовлетворяющий потребности нынешнего поколения и не ущемляющий потребностей будущих поколений. Устойчивость должна раскрыть возможности экономического и общественного развития для всего человечества, не нанося непоправимого вреда биосфере и невосполнимого ущерба разнообразным природным ресурсам. На достижение этой цели

потребуются беспрецедентные усилия в технологическом и энергетическом развитии с одновременным глобальным использованием его результатов.

Очевидно, что устойчивое развитие должно быть основано на устойчивой «зеленой» энергии, которая должна быть экологичной, надежной, безопасной и экономичной. К сожалению, традиционные виды топлив неустойчивы в этом смысле. Их постепенно придется заменять на альтернативные источники энергии.

Устойчивый экономический рост и охрана окружающей среды не обязательно должны противоречить друг другу. Любые отрицательные воздействия на окружающую среду понизят конкурентоспособность отраслей промышленности по сравнению с теми из них, которые работают в сферах, на которые не распространяются такие воздействия. Поэтому важно, чтобы экологические меры принимались на государственном и международном уровне, что обеспечило бы условия равной конкуренции. А действенным направлением достижения экономической эффективности и решения задач энергетической и экологической политики является использование рыночных механизмов.

Для обеспечения устойчивого существования общества необходима экологически безопасная стратегия энергетического развития. Генеральный секретарь ООН Пан Ги Мун выразил эту стратегию следующими словами: «Ключевое направление мировой энергетической стратегии - трансформация глобальной энергетической системы путем перехода от экономики, опирающейся на ископаемое топливо, к «зеленой экономике», основанной на экологически чистых источниках энергии, в том числе возобновляемых, т.е. не основанных на ограниченных запасах топлива».

Осознание ограниченности энергоресурсов создало в мире стимул к увеличению эффективности производства, доставки и использования энергии, разработки экономичных способов ее потребления. Ухудшение качества окружающей среды побудило мировое сообщество к сотрудничеству в сфере экологической безопасности, а рост народонаселения инициировал разработку и реализацию масштабных национальных программ по энергосбережению.

На рисунке 1.1 показаны исторические тренды мирового потребления энергии за период с 1990 по 2010 гг. и прогнозы до 2040 г. [1]. Из графиков следует, что нефть, природный газ и уголь по-прежнему остаются важнейшими источниками первичной энергии. При этом использование природного газа предпочтительнее в силу его экологичности и эффективности использования в турбинах электростанции нового поколения. Доля природного газа в общем объеме потребления возрастет с 22% в 2010 г. до 23% в 2040 г., тогда как доля потребления угля сократится - с 28% в 2010 г. до 27% в 2040 г.

Мировое потребление ископаемого топлива, (1013 Б ТЕ)

История

250

200

150

100

50

2010

Прогнозы

Распределение

энергия биотсшлив о) 7%

5%

энергия

1990 1995 200С 2005 2010 2016 2020 2025 2030 2035 2040 Source El A. international Energy OuttooH 2013

Рисунок 1.1 - Мировое потребление первичной энергии по видам топлива,

1990-2040 гг.[1]

Потребление нефти и биотоплива предположительно сократится - с 34% в 2010 г. до 28% в 2040 г. В 2010 г. атомные станции вырабатывали примерно 5% энергии, а к 2040г. ожидается ее рост до 7%. Сдерживание производства атомной энергии связано с необходимостью обеспечения большей надежности атомных реакторов и проблемами хранения опасных радиоактивных отходов.

Уровень экономического развития и индустриализации отражается на потреблении энергии на душу населения. В таблице 1.1 приведены выборочные данные Всемирного банка [2] для ряда государств. Если для развивающихся стран

свойственно постепенное увеличение удельного потребления энергии, то для развитых уже характерно высокое подушевое потребление энергии, эффективное ее использование при производстве товаров и воспроизводство энергии из биологических отходов.

Таблица 1.1 - Показатели энергетического развития

Страны

Норвегия США Швеция Финляндия Япония Россия

Показатели

Потребление

электроэнергии на душу 23855 12183 14742 15326 7718 4291

населения (кВт/час)

ВВП на ед. потребления

энергии ($ по ППС 6,1 4,4 4,4 3,7 6,4 1,9

2000/кг. нефт. эквив.)

Энергия из прод.

биомассы и отходов (% 5,5 3,0 16,3 19,9 1,4 1,1

общего потребления

энергии)

В свою очередь уменьшение потребления энергии на единицу валового национального продукта, т.е. уменьшение удельного энергопотребления, служит хорошим показателем экономии энергии. В промышленно развитых странах (таких как США, Великобритания, Швеция, Япония) за последние десятилетия удельная энергоемкость существенно снизилась. Лидером в сфере экономии энергии является Япония. Великобритания и Швеция также сделали решительные шаги в области повышения энергоэффективности, тогда как России предстоит серьезная работа в этом направлении. Экономика России является одной из наиболее энергоёмких, занимая 12-е место среди 121 страны мира по потреблению энергии на единицу производимого валового внутреннего продукта (ВВП). Основными потребителями энергии являются: промышленность, транспорт, сельское хозяйство, строительство и жилищно-коммунальной сектор. Потенциал энергосбережения в российской экономике оценивается следующим образом: в топливно-энергетическом комплексе он может составить 31-33%, в энергетике и теплоснабжении 23-25%, в промышленности и строительстве 31-33%, в жилищно-

коммунальном хозяйстве 26-27%, в энергетической отрасли 31-33%, в сельском хозяйстве - 3%, на транспорте 6-7% [3].

Вместе с тем в энергетической отрасли России всё большую остроту приобретают задачи защиты окружающей среды и рационального природопользования. В результате потребления ископаемого топлива природа подвергается массовому разрушению: в воздух попадают парниковые газы; отходы атомной промышленности создают прямую угрозу здоровью людей; газообразные и пылевидные частицы в выбросах энергогенерирующих станций загрязняют атмосферу и порождают кислотные дожди, провоцируют заболевания дыхательных путей и ослабляют иммунитет экосистем. Транспортировка энергоресурсов, в свою очередь, подвергает опасности многие регионы нашей страны. Разливы нефти, утечки топлива из систем, аварийные сбросы газов из магистральных трубопроводов и трансграничные инциденты приводят к огромным материальным и финансовым потерям.

Платформой для исследования многочисленных энерго-экологических задач может стать теория природо-промышленных систем (ППС), способная обеспечить единство взглядов на процессы различной физической природы и отработать возможные сценарии устойчивого развития регионов [4].

В настоящее время энергетическая политика страны выстраивается в соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2035 года. В ходе ее формирования было установлено, что развитие топливно-энергетического комплекса (ТЭК) не обеспечивает достижения нужных России значений индикаторов роста в сфере энергетики, по-прежнему сохраняется бюджетообразующая роль ТЭК, высок износ фондов, низок уровень энергоэффективности и инвестиций в ТЭК, велика чувствительность к колебаниям мирового нефтегазового рынка. При этом сохраняется негативная тенденция роста доли трудноизвлекаемых запасов углеводородов, запасов малых и удаленных месторождений, что ведет к росту себестоимости добычи энергоресурсов.

Центральной идеей «Стратегии-2035» является переход от ресурсно-сырьевого к ресурсно-инновационному развитию ТЭК. При этом новая роль ТЭК в

экономике страш>1 должна состоять в переходе от условно «локомотива развития» к «стимулирующей инфраструктуре», обеспечивающей создание условий для развития российской экономики, включая ее диверсификацию, рост технологического уровня и минимизацию инфраструктурных ограничений, о которых было сказано выше.

Для «Стратегии-2035» характерны следующие ориентиры:

• Обеспечение «энергетической безопасности», в которую включены индикаторы утвержденные в Доктрине энергетической безопасности России.

• Обеспечение энергетической эффективности, включающей более широкое понятие, чем энергосбережение.

• Обеспечение «экономической эффективности энергетики», связанной с переходом ТЭК на роль стимулирующей инфраструктуры, обеспечивающей условия для развития российской экономики.

• Обеспечение «экологической безопасности энергетики», расширенной до понятия «устойчивое развитие энергетики», включающей требования социальной ответственности, экологической безопасности и инновационного развития.

В качестве стратегических инициатив развития ТЭК на период до 2035 г. рассматриваются следующие.

1. «Развитие энергосбережения», что связано с нереализованным потенциалом организационного и технологического характера. Без реализации этого потенциала развитие экономики России будет ограничено энергетическими и экологическими факторами.

2. «Развитие внутренней энергетической инфраструктуры», которая должна стать основой конкурентоспособности всех отраслей российской экономики, позволяя ограничить рост энергетических издержек.

Главной проблемой для энергетики России является нереализованный потенциал организационного и технологического энергосбережения, превышающий 1/3 общего потребления ТЭР в стране. Основные меры государственной энергетической политики в этой сфере включают развитие

механизма энергосервисш>гх контрактов, развитие механизмов государственных гарантий по проектам в области энергоэффективности и энергосбережения, субсидирования процентных ставок для них и налогового стимулирования. Нужны доработка и обновление регламентов, методик и стандартов в области энергоменеджмента, совершенствование СНиПов, разработка реестра наилучших доступных технологий, пакета тиражируемых типов инженерных мероприятий по энергосбережению, примеров лучшей практики их применения, развитие системы классификации и маркировки оборудования, зданий и сооружений. Требуется также федеральная поддержка лучших региональных программ в сфере энергосбережения и повышения энергоэффективности, пилотных энергосберегающих проектов, организации обязательного энергоаудита организаций и предприятий с определенной периодичностью.

Реальным средством повышения энергоэффективности экономики России, определенным в программе № 2446-р «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности до 2020 года» является замена устаревшего, отработавшего свой срок оборудования, на новое.

Цены на электричество, руб./кВтч

12 ю

8 6 4 2 О

Рисунок 1.2 - Цены на электроэнергию, потребляемую в странах Европы

Однако спрос на инновационные технологии энергосбережения в России всё ещё запаздывает и в промышленности, и в сельском хозяйстве, и в быту. На рисунке 1.2 приведены цены на электроэнергию в некоторых странах Западной Европы в первом полугодии 2011г. [5].

Среди 37 рассмотренных Европейских стран Россия занимает пятое место с ценой электроэнергии 2,2 руб/кВт-ч. В силу высоких цен на электроэнергию

11111.

население большинства стран Запада имеет более выраженную мотивацию к экономии энергоресурсов, чем население России. Государственные политики зарубежных стран применяют для своих граждан большой перечень разнообразных экономических стимулов [6], часть из которых приведена в таблице 1.2. В этой таблице особое внимание следует обратить на отсутствие прямых механизмов стимулирования энергосбережения в России. Они должны применяться исключительно к непосредственному потребителю энергоресурсов или к производителю энергоэффективнных технологий. С точки зрения экологической эффективности ТЭК основными вызовами являются отставания с внедрением современных технологий по минимизации экологического ущерба от работы действующего оборудования и с созданием мало- и безотходных производств, а также недостаточная эффективность природоохранного законодательства.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чан Минь Тьинь, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. International Energy Outlook 2013. Center for Strategic and International Studies. July 25, 2013. Washington DC.

2. Состояние окружающей среды 2005. Статистический справочник Всемирного банка/ Пер. с англ. - М.: Изд-во «Весь Мир», 2005. -240с. - (Мир в цифрах).

3. Практическое применение энергосберегающих технологий: учебное пособие [Текст]/ Д.Н. Китаев, Б. Мровчинска, Э.В. Сазонов и др.; под общ. ред. В.Н. Семёнова и Н.С. Попова. - Тамбов: Изд-во Першина Р.В., 2014. - 193с.

4. Повышение энергоэффективности природо-промышленных систем: учебное пособие [Текст]/ Н.С. Попов, В. Бьянко, И.О. Лысенко и др.; под общ. ред. Н.С. Попова. - Тамбов: Изд-во ИП Першина Р.В., 2014. - 146с.

5. Россия и ЕС обсудили ключевые направления сотрудничества в сфере энергоэффективности на 2012 год // Новости Минэнерго РФ от 14.02.12. URL: http ://minenergo.gov.ru/press/min_news/10962.html

6. Яковлев А.С., Барышев Г.А. Энергоэффективность и энергосбережение в России на фоне опыта зарубежных стран. Известия Томского политехнического университета. Экономика. 2012. т. 321. N6. - стр. 25 - 30.

7. Данилович, Д.А. Энергосбережение и альтернативная энергетика на очистных сооружениях канализации [Текст]/ Д.А. Данилович // Водоснабжение и санитарная техника. 2011, N1, с. 9 - 16.

8. Tribus M., Evans R.B., Crellin G.L. Thermoeconomic // Principles of desalination.

- V.3. - N.Y.: Acad. Press, 1966. - p. 77 - 101.

9. Одум Ю. Экология: В 2-х т. Т.1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1986 - 328с.

10. Биологическая очистка производственных сточных вод: процессы, аппараты, сооружения / С. В. Яковлев [и др.]; под ред. С. В. Яковлева. - М.: Стройиздат, 1985.

- 208 с.

11. Очистка сточных вод / Хенце М. [и др.]; пер. с англ. Т. П. Мосолова; ред. С. В. Калюжный. - М.: Мир, 2004. - 480 с.

12. Вавилин, В. А. Математическое моделирование процессов биологической очистки сточных вод активным илом / В. А. Вавилин, В. Б. Васильев. - М.: Наука, 1979. - 119 с.

13. Biological Wastewater Treatment / C.P. Leslie Grady [et al.]. - IWA Publ. CRC Press, 2011. - XXIX, 991 p.

14. Яковлев, С. В. Биохимические процессы в очистке сточных вод / С. В. Яковлев, Т. А Карюхина. - М.: Стройиздат, 1980. - С. 164.

15. Instrumentation, Control and Automation in wastewater - from London 1973 to Narbonne 2013. / G. Olsson, B. Carlsson [etal.]. -In: Proceedings 11th IWA Conference on Instrumentation, Control and Automation (ICA 2013), 18 - 20 September 2013, Narbonne, France.

16. Рязанов, А.В. Оценка эффективности работы очистных сооружений г. Тамбова/ А.В. Рязанов // Вестник ТГУ, т.18, вып. 6, 2013. -с.3186-3188.

17. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года: распоряжение Правительства РФ от 13.11.2009 г. № 1715-р [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/96681/ (дата обращения: 10.06.2014 г.).

18. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: федер. закон от 23.11.2009 г. № 261-ФЗ (ред. от 28.12.2013) [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_157142/ (дата обращения: 10.06.2014 г.).

19. Правила проведения энергетических обследований организаций от 25.03.1998г. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://portal-energo.ru/ files/articles/portal-energo_ru_pravila_provedeniya_energoaudita_organizatsiy.pdf (дата обращения: 10.06.2014 г.).

20. Доклад о состоянии и охране окружающей среды Тамбовской области в 2014 году. - Тамбов: ООО «Издательство Юлис», 2015. - стр.143.

21. Баженов, В.И. Энергосбережение из «воздуха». Повышение энергоэффективности очистных сооружений водоотведения./ Электронный журнал «Энергосовет», N1 (26), январь - февраль 2013г., с. 32 - 42. Режим доступа: http://www.energosovet.ru.

22. Баженов, В.И. Математическое моделирование объекта очистки сточных вод / В.И. Баженов, А.Н. Эпов, И.А. Носкова // Экологический вестник России, N3, 2011.

23. Завадский, В. Г. Экологические аспекты в энергосберегающей политике сетевых предприятии / В. Г. Завадский, А. В. Кошелев // Энергоаудит. - 2007. -N 3. - C. 26 - 31.

24. Методика расчета концентрации в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. -94с.

25. Гордин, И.В. Оптимизация химико-технологических систем очистки промышленных сточных вод / И.В. Гордин, Н.Б. Манусова, Д.Н. Смирнов. - Л.: Химия, 1977. - 176 с.

26. Бокс, Дж. Анализ временных рядов. Прогноз и управление / Дж. Бокс, Г. Дженкинс. - М.: Мир, 1974. - Вып. 1. - 406 с.

27. Reagen, M. K. An Evaluation of ARIMA (Box-Jenkins) Models for Forecasting Wastewater Treatment Process Variables: A thesis submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree Master of Science in Engineering / Reagen M. K. -University of California, Los Angeles, 1984. - 150 pp.

28. Гордин, И. В. Технологические системы водообработки: динамическая оптимизация / И. В. Гордин - Л.: Химия, 1987. - 264 с.

29. Дажо, Р. Основы экологии: пер. с фр. / Р. Дажо. - М.: Прогресс, 1975. - 415с.

30. Эшби, У.Р. Введение в кибернетику: пер. с англ. / У.Р. Эшби - М.: Иностр. лит., 1959. - 432 с.

31. Брежнев, А. И. Математические модели биологических сообществ и задачи управления / А. И. Брежнев // Математическое моделирование в биологии / А. И. Брежнев [и др.]. - М.: Наука, 1975. - С. 92 - 112.

32. Andrews, J.F. (1974) Review paper: Dynamic models and control strategies for wastewater treatment processes. Wat. Res., 8, 261 - 289.

33. Смирнов, Д.Н. Автоматизация процессов очистки сточных вод химической промышленности / Д.Н. Смирнов, А.С. Дмитриев. -Л.: Химия, 1981. - 200с.

34. Математические модели контроля загрязнения воды / под. ред. А. Джеймса: пер. с англ. А.А. Воинова, Н.К. Лукьянова., М.: Мир, 1981. - 471с.

35. Monod, J. Researches Sur la Croissonce des Cultures Bacteriennes, Paris, Herman et Cie, 1942.

36. Murphy, K.L., B.I. Boyko. 1970. Longitudinal mixing in spiral flow aeration tanks. J. of the Sanitary Eng. Div., ASCE 96: 211-21.

37. Suidan, M.T. et al. Wastewater Treatment: Sensitivity Analysis // J. of Env. Eng. ASCE. -v. 109, - N1, Feb., 1983. - pp. 130 - 138.

38. Худенко, Б.М. Аэраторы для очистки сточных вод / Б.М. Худенко, Е.А. Шпирт, М.: Стройиздат, 1973. - 112с.

39. Kainulainen H., Tirkkonen J. Aeration Control in Activated Sludge Wastewater Treatment Processes. - Tampere: OY Labko AB, 1977. - 37p.

40. Баженов, В.И. Процессы осаждения флоккулированных водно-иловых суспензий во вторичных отстойниках / В.И. Баженов, А.Д. Кореньков, журнал: Достижения науки и техники АПК, N9, 2010. - с.76.

41. Takamatsu, T., Naito, M., Shiba, S., Ueda, Y. Effects of Deposit Resuspension of Settling Basin. / J. Env. Eng. Div., ASCE, v.100, 1974. -pp. 883 - 903.

42. Paterson, R.B., Denn, M.M. Computer - Aided Design and Control of an Activated Sludge Process.// Chemical Eng. J. v.27, 1983. -pp. B13-B27.

43. Касти, Дж. Большие системы. Связность, сложность и катастрофы: пер. с англ. /Дж. Касти. - М.: Мир, 1982. - 216 с.

44. Ротач. В.Я. Расчёт динамики промышленных автоматических систем регулирования / В.Я. Ротач. - М.: Энергия, 1973. - 440с.

45. Hasiewicz Z. Global Identification of Complex Static System with Hierarchical Structure: Deterministic Problem / Z. Hasiewicz // International Journal of Systems Science, 1977, -v.8, Issue 9. -pp. 1021 - 1040.

46. Bubnicki, Z. Identification of Control Plants/ Z. Bubnicki. - Warszawa, Amsterdam, Oxford, New York: PWN Polish Scientific Publishers, 1980. - 312pp.

47. Bubnicki, Z., // Sys. Sci. - 1975. - V.1, N55.

48. Бояринов А. И. Методы оптимизации в химической технологии / А.И. Бояринов, В. В. Кафаров В. В. - М.: Химия, 1975. - 576 с.

49. Тихонов А. Н. Методы решения некорректных задач / А. Н. Тихонов, В. Я. Арсенин. - М.: Наука. - 223 с.

50. Цирлин А. М. Оптимальное управление технологическими процессами /

A.М. Цирлин. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 400 с.

51. Vasiliev, V.B. Activated Sludge System Design for Large Variations of Organic Loading / V.B. Vasiliev, V.A. Vavilin // Biotechnology and Bioengineering, v. XXIV, pp. 2337 - 2355 (1982).

52. Химмельблау, Д. Анализ процессов статистическими методами. - М.: Мир, 1973. - 957с.

53. Райбман, Н.С. Построение моделей процессов производства / Н.С. Райбман,

B.М. Чадеев. - М.: Энергия, 1975. - 376с.

54. Попов, Н.С. Моделирование и управление природо-промышленными системами // Малоотходные и безотходные технологии - главный фактор охраны окружающей среды: Тез. докл. Всесоюз. Науч. - техн. совещания. - М., 1983. - ч.1. с.68 - 69.

55. Кафаров, В,В. Системный анализ процессов химической технологии. Основы стратегии / В.В. Кафаров, И.Н. Дорохов. - М.: Наука, 1976. - 500с.

56. Dold, P.L. et al. (eds.), Activated Sludge System Simulation Programme. Water Research Commission, Pretoria, South Africa (1991).

57. EFOR, Computer model for treatment plants, version 2.0. EFORA ps., Sobоrg, Denmark (1991).

58. Henze, M. (et al) Activated sludge model №.1. IA WPRC, London (1986). (IA WPRC Scientific and Technical Reports №.1).

Приложение 1

Акт об использовании результатов диссертационной работы

Приложение 2 Основные понятия природо-промышленных систем

Основные идеи научного подхода к решению проблемы повышения энергоэффективности и охраны природной среды от промышленных загрязнений формализуем на теоретико-множественной основе, позволяющей в самом общем виде раскрыть сущность системных связей процессов промышленного и природного происхождения.

Определение 1. Природо-промышленной системой (ППС) назовем множество объектов отраслей промышленного (сельскохозяйственного) производства и объектов природной среды, образующих единую технико-экономическую и экологическую структуру рассматриваемого региона, упорядоченно взаимодействующих друг с другом в процессах обмена информацией, потребления материально-энергетических ресурсов и переработки отходов [54].

Схему соединения промышленной и экологической подсистем в ППС покажем на рис.1.6. Смысл обозначений расшифруем следующим образом: £ п -промышленная подсистема (ПП); £э - экологическая подсистема (ЭП); Хп -множество внешних воздействий £п (сырье, энергия, финансы и т.д.); Хэ -множество внешних воздействий £э (солнечное излучение, тепловая энергия, влага, примеси и т.д.); 7п - множество выходных воздействий £п (целевые и побочные продукты производства); 7п - множество выходных воздействий £э (биологические виды, влага, энергия и т.д.); Z>,п - множество выходных воздействий ПП, одновременно являющихся входными воздействиями 2ХЭ для ЭП (все виды примесей); Z>,э - множество выходных воздействии ЭП, являющихся входными воздействиями 2хп для ПП (полезные ископаемые, вода, газы атмосферы, биологические виды и т.п.).

Определение 2. Промышленной подсистемой £п назовем любой уровень организации химического производства - от типовых процессов химической технологии и локальных систем управления ими, до современного химического предприятия (каким является химический завод, комбинат или производственное объединение), с его инфраструктурой и органами контроля и управления.

Промышленную подсистему £п будем представлять в виде отношения на декартовом произведении

£п с (Xп X 2ОТ)X (Уп х 2^), (П1.1)

где Xп х 2хп - входной объект, а Уп х 2 - выходной объект подсистемы £п . Составляющими входного и выходного объектов в £п являются: Xп = Хп х Xп2 х... х X™ - множество входных величин; 2^ = 21п х 2Хп х... х 2^пп-входные воздействия, порожденные £э; Уп = У^ х Уп2 х... х У1(п - множество выходных (технологических) воздействий Sп, не оказывающих влияния на £э рассматриваемого региона; 2 = 21п х 2 2п х... х 2^ - множество выходные

воздействий, участвующих во взаимодействии с природой.

Определение 3. Экологической подсистемой Sэ назовем любой уровень организации природной среды - от элементарных процессов взаимодействия биологических объектов с физической средой, до структуры всего природного комплекса, содержащегося в ППС.

К основным типам экосистем относятся реки, леса, озера, луга, воздушный бассейн, города и т.д. Экологическую подсистему £ э представим в виде отношения на декартовом произведении:

£э с (Xэ х 2хэ) х (Уэ х 2^э), (П1.2)

где Xэ х 2хэ - входной объект, а Уэ х 2^э - выходной объект подсистемы £э. Составляющими входного и выходного объектов в £э являются X.-, = X1 х X2 х... х X"3 - множество входных величин 2хэ = 2\э х 2 2э х... х 2ХЭэ -

входные воздействия, порожденные £э; 7э = 7эу х7э2 х... х 7э1э - множество выходных (экологических) воздействий £э, не оказывающих влияния на £ п рассматриваемого региона; 2 = 2хуэ х2гуэ х...х- множество выходных

воздействии, участвующих во взаимодействии с Sп.

Всю систему в целом - £ппс представим как отношение на декартовом произведении: £ппс е (Хп х Хэ) х (7п х 7э), (П1.3)

определяемое по формуле £ппс = £п ° £э) (П1.4)

для и £п и заданных в виде (П1.1) и (П1.2)

При таком способе соединения операция ° определяется следующим образом:

£ = о £э ^ £ е (Хп х х Хэ) х (7П х 7, х 2у,)&2уП = = 2 (П1.5)

и

((Хэ),(.Уш ^э^ е £ ^ )(((*хп),(^ *)) е £п & ((*),(^уэ)) е £э)

Операцию замыкания обратной связи О определим следующим образом: £ппс = ОД ^ £ппс е (Хп х Хэ) х (7п х 7э)& = = 21

и ((^ДО^Уэ)) е £ппс (3*1)(((хЛСУшУэ,*У)) е £). (пу.6)

Очевидно, что ППС откосится к классу открытых макросистем, не допускающих удовлетворительного представления в виде функции. Это обусловлено двумя объективными причинами. Первая причина связана с тем, что при фиксированном входе (хп, хэ) е Хп х Хэ невозможно точно установить выходные (уп, уэ), а можно говорить лишь о подмножестве 7хп хэ с 7п х 7э к

которому принадлежит выходная величина. Это объясняется, в основном, вероятностным характером процессов, происходящих в экологической подсистеме. Таким образом:

(Ухп,хэ = {Уп,Уэ},(.Уп,Л) е Ухп,хэ « ((Хп,Хэ),(Уп,Л)) е £пп^ т.е. Подмножество Ухп хэ включает в себя все выходные воздействия, которые могут быть получены

как отклик на вход (хп, хэ).

Вторая причина связана с тем, что если составляющая хп входного воздействия £ п может быть известна точно, то составляющая хэ входного воздействия £э может быть определена с точностью до подмножества. Иначе, в векторе хэ мы можем точно измерить лишь некоторые из его составляющих, тогда как остальные могут принимать любые значения из некоторого множества допустимых значений, оказывая на систему непредсказуемое воздействие. В этой ситуации естественен переход к множествам подмножеств для входного и выходного воздействий. Обозначим через Р - множество подмножеств множества Xп х Xэ входных воздействий. Будем полагать, что наблюдение в процессе функционирования системы позволяет идентифицировать входные условия в виде соответствующего подмножества Хп х Хэ е Рх.

Обозначим Ру - множество подмножеств множества Уп х Уэ и определим функциональную систему:

: Рх ^ Ру, то есть 4 хУэ = ^ хЛ)- (П1.7)

При этом для любых Хп х Хэ е Рх имеем: (^п х 1э) = Уп х Уэ о Уп х Уэ = {Ухп, хэ : (Хп, *э) е 4 х Уэ}. (П1.8)

Поскольку £п и Sэ являются подсистемами в одной системе, их рассмотрение целесообразно проводить с единых позиций. Для этого обобщим ряд понятий и определений, разработанных для описания химико-технологических систем (ХТС), на ППС и введем новые определения, необходимые при решении природоохранных задач.

Определение 4. Типовой процесс промышленной технологии любого уровня его организации формализуем как физико-химическую систему (ФХС), представляющую собой многофазную и многокомпонентную сплошную среду,

распределенную в пространстве (в пределах рабочего объема аппарата) и переменную во времени, в каждой точке гомогенности которой и на границе раздела ее фаз происходит перенос массы, энергии, импульса, момента импульса, заряда (электрического, магнитного), при наличии их источников и стоков [55].

Это определение подчеркивает специфику рассматриваемой подсистемы и указывает на возможность использования для ее описания конкретного математического аппарата. Понятие технологического оператора Т формализует отображение множества входных объектов ФХС в множество ее выходных объектов 7п и .

71: Xп х^ Гп ; Т2 :Хп х^(П1.9)

В общем случае оператор Т отражает совокупность нелинейных, распределенных в пространстве и переменных во времени процессов, имеющих детерминированно-стохастическую природу. Этот оператор дает исчерпывающее представление о ФХС в силу своей физической реальности. Отображением (9) является его математическая модель К

А В

Пусть Xп = ип х х Е п, а = 2уэ х 2уз. Обозначь

ип е ип, п еЕ п, гп е - соответственно управляемые, возмущаемые и наблюдаемые входшле переменшле в £ п , а £ 2уэ и £ 2уэ — соответственно абиотические и биотические компоненты £э. Тогда, математическую модель ПП запишем в виде:

.Уп = иш ^ 4, 2Уэ); ^ = uп, ^ 2Уэ, ); (П1.10)

где у п и — соответственно векторы оценок выходных переменных уп е 7п и

£ 2; — векторные функциональные операторы.

Модель (П1.10) является некоторым возможным приближением оператора (П1.9), поскольку характеризует лишь достигнутый уровень наших знаний о ФХС.

Определение 5. Любой процесс «природной» технологии, независимо от уровня его организации, формализуем как биологическую систему (БС),

представляющую собой биологически активную много-фазную и многокомпонентную сплошную среду, обладающую свойством саморегуляции, распределенную в пространстве (в пределах рассматриваемых границ) и переменную во времени, в каждой точке гомогенности которой и на границе раздела ее фаз происходит перенос массы, энергии, импульса, момента импульса, заряда, при различии их источников и стоков.

Определения 4 и 5 подчеркивают «внутреннее» единство подсистем £ п и £э. Однако в отличие от ФХС, пространство состояний которых конечномерно, БС являются бесконечномерными системами. Введем понятие экологического оператора Е, формализующего отображение входного объекта БС Хэ х 2ХЭ в выходные объекты Уэ и .

Е1: Хэ х ^ Гэ; Е2: Хэ х ^ . (П1.11)

гр ггт и 7 ' и

1 аюке как и оператор Т, экологический оператор Ь обладает весьма сложной структурой и дает исчерпывающее представление о БС. Он включает в себя «элементарные» процессы химического и биологического превращения, диффузионного, конвективного и турбулентного переноса вещества и энергии, сорбции, ионного обмена, роста, разложения, осаждения и т.п. Все компоненты БС связаны различными физическими и химическими агентами в информационные сети, характерные для кибернетических систем.

Поскольку оператор Е существует реально, его отображению можно сопоставить математическую модель Ф. Пусть Хэ = иэ х хН э, 2хэ = а А В

Гэ = 7э х 7э . Обозначим иэ е иэ, гп е и 4 э е 2э - соответственно управляемые,

наблюдаемые и возмущаемые входные переменные в £э, е ^э, ^ е У/ -соответственно абиотические и биотические переменные в £э.

Тогда, математическая модель ЭП может быть записана в виде

/ =ф1(иэ > Гэ. 4э . ^/ ); / =ф2(мэ. Гэ,4э.^/);

э э э э (П1.12)

7уэ =ф з (иэ> Гэ> 4 э> * ); V =ф 4 (иэ' гэ'4 э' ^уп' X

А В А В ^

где у , у , 2 ,2 — соответственно векторы оценок выходных переменщлх; Ф1 ^

э э >9 >9

Ф4 — функциональные векторные операторы.

Модель (П1.12) является приближением оператора (П1.11) и основывается на том уровне знаний, который доступен исследователю конкретной ППС. Заметим, что в структуре модели (П1.12) учтен механизм образования внутренних биотических и абиотических обратных связей, характерный для экосистем.

Обозначим символами А и А' состояния подсистемы £ п, символами В и В' -состояния подсистемы £э, а С и С' - связанные с ними состояния модели, отображающей £ппс. Поскольку оператором преобразования Т и е в физической

системе согласованно соответствуют операторы преобразования в модели F и Ф, свяжем их на основе диаграммы моделирования:

т

А 1-> А'

Р,Ф | в С С'

у | Е [ 5 В В'

Здесь отображения а, в и 5 являются четкими отношениями моделирования, у - нечетким. Нечеткость у объясняется неполнотой информации о поведении подсистемы £э. И хотя от у требуется лишь «приблизительная правдивость» передачи того, что происходит в £э, однако степень приблизительности не должна превышать некоторого предела, вне которого решения по управлению, принимаемые на основе модели, не будут соответствовать поставленным целям. Отсюда очевидна необходимость в однозначных четких отображениях в и 5.

Полную модель ППС будем рассматривать как композицию моделей (П1.10) и (П1.12):

А В

уп = П^п*ип>^п>2уэ> 2уэ); 2уп = ^2('ш ^ 2.уэ, 2.уэ);

у^ =ф1(иэ > Гэ , £э , 2уп, уВ ); уВ =Ф2(иэ, Гэ, £э, 2уп, уА); (П113)

^ =Ф 3 (иэ , Гэ , £ э > 2уп> гВуэ ); ^ =ф 4 (иэ , гэ, ^э, 2уп, ^ ),

Модель (П1.13) записана исходя из формальных приемов системотехники. Для каждой конкретной ППС неизвестные операторы и Ф1 ^ Ф4 должны

оцениваться по результатам проведения теоретических, экспериментальных, имитационных, топологических и других исследований.

С точки зрения термодинамики переменные, используемые для описания £ппс следует разделить на шесть категорий:

— фазовые переменные, необходимые для описания гетерогенных ФХС и БС, состоящих из газов, жидкостей и твердых веществ;

— переменные состава, характеризующие разнообразие типов сырья, продуктов, примесей и биологических видов;

— кинетические переменные, описывающие скорости химических и биологических реакций, происходящих в ППС;

— энергетические переменные, определяющие уровень энергетического обеспечения £ п и £э. К ним, в частности, относится кинетическая энергия ветра,

солнечная радиация, тепловое загрязнение от энергетических установок, давление и т.п.;

— переменные масштабов системы, определяющие ее пространственно-временные границы, объем, массу и т.п.;

— транспортные переменные, характеризующие массовые или объемные скорости потоков в ППС, в том числе потоков тепла, энергии, вещества, примесей и т.д.

Поскольку ППС является термодинамически открытой системой, на нее оказывают влияние многочисленные внешние воздействия, объединяемые понятием «внешняя среда».

Определение 6. Внешней средой назовем совокупность объектов не принадлежащих ППС, но взаимодействующих с ней и оказывающих на нее существенное, хотя и не целенаправленное, влияние.

Любую ФХС и БС полезно представить с помощью определенного набора элементов и отношений порядка между ними. При этом функцию элемента будем рассматривать как реализацию его системоопределенных свойств, а отношения -как связь между элементами, представленную в абстрактной форме, являющуюся отображением «физически наполненных», реальных связей.

Определение 7. Элементом назовем условно неделимую часть ППС, сохраняющую черты главных ее качеств.

Предположим, что £ п и £ э состоят из конечного набора элементов _/:

£п ^ = {^,/ е /п}, а £э ^ Еэ = {^,I е /э>. Тогда, для любого уровня

иерархии этих подсистем справедливо => Епу, Епу с Еп и £=> , с Еэ, где

Пуе/п, э^-е/ э - соответственно множества всех упорядоченных индексов,

соответствующих уровням организации промышленной и «природной» технологии.

Определение 8. Связью назовем физический канал, по которому обеспечивается обмен между элементами системы и системы с внешней средой веществом, энергией и информацией.

Характерная особенность связи - преобразование некоторой величины или пространства без изменения их физической (биологической) природы. В общем случае представим связь отображением в: х —при р,~ = /(а) -р,х, где ~ -отображение множества х; р,~ и ц х — метрики соответственно множеств ~ и х; /(а^ - действительная функция; а — элемент множества А характеристик связи.

В информационных связях энергия используется в качестве носителя сигнала, управляющего деятельностью элемента или системы. Связи между элементами возможны только в том случае, когда они обладают контактной способностью (способностью вступать в некоторые отношения).

Определение 9. Контактом назовем потенциально возможную связь элемента с внешней средой и другими элементами. Соединение контактов двух любых элементов ППС является актуализацией связей (отношений).

Задание связей в ППС будем осуществлять с помощью операторов сопряжения элементов. В результате образуется структура системы - устойчивая упорядоченность в пространстве и времени ее элементов и связей. При этом порядок вхождения элементов в подсистемы £ п и £э, а затем объединение подсистем в единую целостную систему £ппс назовем структурой ее членения.

Ключевым этапом в ликвидации загрязнений природной среды является поиск возможных путей переноса и распространения примесей из £ п в £ э.

Определение 10. Носителями примесей назовем потоки воздушных и водных масс, твердых веществ, транспортные средства, а так же мигрирующие животные организмы, способные переносить загрязняющие вещества в экосистему и выносить их за ее пределы. Множество всех носителей примесей в ППС обозначим символом D.

Другой важной особенностью ППС является необходимость задания таких ее числовых характеристик, которые удобны для процессов принятия решений, связанных с выбором природоохранных мероприятий. Фундаментальные переменные состояния - например, численность популяций или концентрации примесей, могут быть недостаточно значимы в социальном плане. Необходимо понятие «индикаторов» состояния ППС.

Определение 11. Индикаторами состояния ППС назовем множество числовых величин Н, на котором отображены значения ее переменных состояния и которые достаточны для процесса принятия решений с точки зрения всех интересуемых характеристик: технико-экономических, социальных, экологических, рекреационных и других.

Рассмотренные понятия и определения, связанные с природо-промышленными системами, являются основой для решения широкого круга задач исследования, моделирования и управления.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Стандартный набор констант, используемый в компьютерных моделях процесса с активным илом при 20оС [11]

Константа Размерность UCTASP [56] EFOR [57] ASM1 [58]

Стехиометрические константы гХПК/Ж 0,15 0,24 0,24

гХПК/гХПК 0,67 0,67 0,67

Кинетические константы 1/сут 3,2 6,0 6,0

1/сут 0,45 0,8 0,8

, ХПК гХПК/м3 5 2,5 20

К ,О2 гО2/м3 0,002 0,2 0,2

,ЛО3 г Ж>3- - N /м3 0,1 0,5 0,5

,ЛЯ 4,А г ЛЯ 4+ - Л /м3 0,002 0,4 0,4

,О2,А гО2/м3 1,0 1,0 1,0

1/сут 0,62 0,62 0,62

К 1/сут 0,04 0,15 -

Обозначения в таблице Приложения 3

- коэффициент прироста биомассы для автотрофных бактерий (нитриф ицирующих);

7Я - коэффициент прироста биомассы для гетеротрофных бактерий; АшахН - максимальная удельная скорость роста гетеротрофных микроорганизмов;

//шахА - максимальная удельная скорость роста нитрифицирующих бактерий;

К3 ,ХПК - константа полунасыщения по субстрату; К О2 - константа полунасыщения по кислороду; К£ ЛОз - константа полунасыщения по нитрату;

К ЛН4 А - константа полунасыщения К£ по аммонию ЛН 4 при нитрификации;

К£ О2 А - константа полунасыщения К£ по кислороду О2 для автотрофных

бактерий (А);

- константа распада гетеротрофных бактерий; ЬА - константа распада нитрифицирующих бактерий (автотрофная биомасса);

ЛН4 - N - аммонийный азот; Л03- - N - нитратный азот.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Типичные значения параметров модели биологической очистки бытовых сточных вод при рН=7 и t=20oC [13]

Обозначение Размерность Значение

Стехиометрические мгХПК/мЖ 0,24

коэффициенты мгХПК/мгХПК 0,6

М Н 1/час 0,25

МА 1/час 0,032

К* мгХПК/л 20

Кинетические константы КО ,Н мгО2/л 0,1

КЛО мг N /л 0,2

КЛН мг N /л 1,0

К0, А мгО2/л 0,75

ЪЬ,Н 1/час 0,017

ЪЬ,А 1/час 0,004

Обозначения в таблице Приложения 4

ГА - коэффициент прироста биомассы для автотрофных бактерий (нитрифицирующих);

7Я - коэффициент прироста биомассы для гетеротрофных бактерий;

- максимальная удельная скорость роста гетеротрофных микроорганизмов;

йА - максимальная удельная скорость роста нитрифицирующих бактерий; К* - константа полунасыщения по субстрату;

КО Н - константа полунасыщения по кислороду;

КЛО - константа полунасыщения по нитратному азоту;

КЛЯ - константа полунасыщения по аммонийному азоту;

К0 а - константа полунасыщения по кислороду для автотрофов;

Ьь,Н - константа распада гетеротрофных бактерий;

Ьь а - константа распада нитрифицирующих бактерий.