|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Методы и модели для решения задач эколого-экономической оптимизации проектов строительства и эксплуатации химических производствСтр 1 из 9Следующая ⇒
Ермоленко Б.В.
Методы и модели для решения задач эколого-экономической оптимизации проектов строительства и эксплуатации химических производств
Москва 2016 УДК 504.5: 330.356.3(075) ББК 65.9(2)28: 30.2 Рецензенты: …………………….. ……………………… ……………………….
Ермоленко Б. В. Методы и модели для решения задач эколого-экономической оптимизации проектов строительства и эксплуатации химических производств: учеб. пособие/ Б. В. Ермоленко. – М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2016. ISBN
В качестве предмета рассмотрения в учебном пособие выступают производственно-хозяйственные системы как объекты эколого-экономического моделирования и оптимизации. Изложены основные подходы к формированию математических моделей, предназначенных дляпринятия оптимальных решений при проектировании химических предприятий и производств и управлении их функционированием с учетом задач энерго- и ресурсосбережения и обеспечения нормативного качества окружающей среды. Пособие предназначено для подготовки магистров экологических специальностей, может быть полезным аспирантам и широкому кругу специалистов, занимающихся решением задач защиты окружающей среды, энерго- и ресурсосбережения при проектировании, строительстве и эксплуатации производственных, гражданских и других объектов.
УДК 504.5: 330.356.3(075) ББК 65.9(2)28: 30.2
ISBN © Российский химико- технологический университет им. Д. И. Менделеева, 2016 © Ермоленко Б. В., 2016
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение Глава 1. Глава 2. Глава 3 Глава 4 …………… …………… Литература Введение К числу характерных особенностей процессов современного экономического развития можно отнести широкое применение математических методов для принятия экономически обоснованных решений как в сфере планирования и управления экономикой страны, отраслями народного хозяйства, компаниями, предприятиями и инвестиционными проектами, так и в самых различных областях научной деятельности. Сложность задач и наличие большого числа альтернатив делает целесообразным использование для целей поиска наиболее эффективных решений существующие достаточно хорошо освоенные методы оптимизации и специализированные программные продукты. В настоящее время происходящее исчерпание ценных топливно-энергетических и сырьевых ресурсов, а также усиливающееся локальное и глобальное негативное воздействие процессов производственно-хозяйственной деятельности на окружающую природную среду, рассматриваются мировым сообществом в качестве одних из наиболее существенных и болезненных мировых проблем. В связи с этим, при проектировании, строительстве и дальнейшей эксплуатации промышленных, транспортных и других объектов особое внимание должно уделяться вопросам ресурсосбережения и охраны окружающей среды. В этих условиях, при постановке задач и разработке математических моделей для поиска наиболее эффективных проектных и управленческих решений необходимо считаться с особенностями ресурсопотребления и воздействия на окружающую среду различных технологий и способов организации производства. При подготовке специалистов, способных решать подобные задачи, в качестве предмета изучения выступают: – постановки задач эколого-экономической оптимизации проектных и управленческих решений на различных фазах жизненного цикла проекта; – производственно-хозяйственные, технологические и средозащитные системы как объекты математического моделирования и эколого-экономической оптимизации; – основы подходов к формализации различных процессов производственно-хозяйственной, средозащитной и ресурсосберегающей деятельности и разработке соответствующих оптимизационных математических моделей; – критерии и методы принятия оптимальных решений в сфере энерго- ресурсосбережения и обеспечения экологической безопасности. Настоящее пособие предназначено для подготовки магистров-экологов, обладающих навыками разработки математических методов и моделей для решения задач эколого-экономической оптимизации проектов создания производственно-технологических систем с максимальной экономией энергетических и сырьевых ресурсов и обеспечением требуемого качества окружающей среды на стадиях строительства и эксплуатации объектов. Глава 1.Объекты математического моделирования и эколого- экономической оптимизации Модели и их классификация Мир, частью которого мы являемся, бесконечен, как бесконечен и любой объект, не только в пространстве и времени, но и в своих связях с другими объектами. В общем случае, модель - это некий объект – заместитель, который в определенной степени заменяет объект – оригинал, воспроизводя интересующие нас свойства и характеристики оригинала, причем по сравнению с оригиналом модель имеет существенные преимущества для определенного вида работы с ней, а именно: наглядность, доступность испытаний и т.п. Большинство моделей являются абстрактными образами реального объекта, отражающими только те его свойства, которые интересуют человека в процессе познания или решения конкретной практической задачи. Достаточно распространенная классификация моделей представлена на рисунке 2. Рис. 2. Классификация моделей Классификация моделей по назначению, целям моделирования. Если отвлечься от областей применения моделей, по целям моделированияих часто разделяют на2 основные типа: познавательные ипрагматические. Такаядифференциация моделей соответствует делению целей моделирования наэкспертные (теоретические) и конструктивные (практические). Наиболее наглядно разница между названными моделями проявляется в их отношении к оригиналу в процессе деятельности. Познавательные модели предназначены для описания свойств или поведения реальных (существующих) объектов. Они являются формой организации и представления знаний, средством соединения новых знаний с имеющимися. Поэтому при обнаружении расхождения между моделью и реальностью встает задача устранения этого расхождения с помощью изменения модели. Фактически вся познавательная деятельность ориентирована, в основном, на приближении модели к объективной реальности, которую модель отражает. Примерами познавательных моделей являются модели химических реакций, климатических проявлений, развития биологических популяций в природной среде, рассеивания веществ в атмосфере, разбавления примесей в руслах водотоков и других объектов и процессов, протекание которых обусловлено действием законов природы и не может быть как-то изменено человеком. Прагматические модели (нормативные) выступают в качестве средства организации практических действий, рабочего представления целей системы для решения задач управления ею. Использование прагматических моделей состоит в том, чтобы при обнаружении расхождения между моделью и реальностью направить усилия на изменение реальности, чтобы приблизить реальность к модели, к достижению целей, ей задаваемых. Примерами прагматических моделей могут служить планы, программыи сценарии действий в определенной сфере, модели систем управления экономикой страны, модели производственных и других объектов как объектов проектирования и управления, модели технологических процессов.
Рис. 3. Познавательная и прагматические модели
Познавательные моделиотражают существующие, а прагматические - хоть и не существующие, но желаемые и, возможно, исполнимые отношения и связи. Классификация моделей по учету фактора времени. По характеру учета фактора времени модели делятся на статические и динамические. При формированиистатической модели предполагается, что все зависимости относятся к одному моменту времени, а моделируемая система неизменна во времени. В данном случае игнорируются возможные изменения, т.к. их учет не требуется для достижения цели моделирования. Кроме того, предполагается, что все интересующие процессы, происходящие в системе не требуют при своем описании развертывания во времени. Динамические модели отображают текущее или желаемое состояние объекта во времени, т.е. процесс изменения состояний реальной или проектируемой системы, развитие событий с течением времени.
Классификация моделей по способу моделирования. По способам моделирования модели делят на материальные и идеальные. К материальным относятмодели, воспроизводящие основные геометрические, физические, динамические и функциональные характеристики изучаемого объекта. Идеальная (информационная) модель – это модель, построенная на основе абстрактных образов объекта моделирования с использованием чисто функциональной аналогии, а не на основе его материализованной аналогии. Это совокупность информации, характеризующей свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также его взаимосвязь с внешним миром. Идеальное (информационное) моделирование имеет теоретический характер.
Материальные модели. Материальные модели могут быть физическими и аналоговыми. Физическими принято называть модели, которые реальному объекту противопоставляют его уменьшенную (реже увеличенную) копию, пригодную для лабораторного исследования и позволяющую переносить установленные свойства на реальный объект с помощью теории подобия. Аналоговое моделирование основано на аналогии процессов и явлений, имеющих различную физическую природу, но описываемую формальноодними и теми же математическими уравнениями, логическими схемами и т.п. Например, электрические цепи представляет собой совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении. Поскольку процессы в электрических цепях являются аналогами многих химических, механических и биологических процессов, электрические цепи могут быть использованы для моделирования таких процессов. Идеальные (информационные) модели. Идеальные (информационные) модели состоят из интуитивных и знаковых (семантических). Интуитивные модели. Интуитивные модели формируются на основе предшествующего опыта, наблюдения и воображения специалистов о моделируемом объекте. Принципиальная особенность интуитивных моделей – это отсутствие их логического обоснования. Интуитивные модели, как правило, используются на первоначальном этапе исследования объекта либо в том случае, когда с помощь других видов моделей описать объект не представляется возможным. Сценарные модели подробно описывают набор предполагаемых состояния системы (ситуаций, сцен), характеристики каждого элемента в этих состояниях. Игровые модели рассматривают процессы, в которых участвуют несколько сторон, реализующих свои интересы. Каждая из сторон имеет свою цель и использует для этого определенную линию поведения в зависимости от действий других сторон. Игровые модели помогают выявить проблемные ситуации, которые могут возникнуть в реальных условиях, проанализировать их и выбрать пути их решения. Мысленные модели представляют собой образы моделируемой системы, которые находят отражение в человеческом сознании. В зависимости от потребностей данный класс моделей может принимать различные виды, которые только отражают окружающую действительность (мысленная фотография) или более глубоко представляют систему на уровне понятий, суждений, умозаключений (т.е. в форме, которую реально наблюдать нельзя). По существу человек представляет окружающий мир в виде мысленных моделей, так как всякая мысль есть результат отражения того, что нас окружает. Каждый мыслящий человек пользуется этими моделями. Для словесных моделей характерны широкое применение аналогий, правдоподобных рассуждений. Однако многозначность понятий в них затрудняет проведение расчетов и приводит к громоздким записям. Для устранения этих недостатков целесообразно использовать знаковые модели. Знаковые (семантические модели).Знаковая модель воспроизводит моделируемый объект с помощью знаков. Знаковые модели обычно подразделяют на: – математические, – логические и – графические. Математическая модель определяетсякак заместитель реального объекта, обеспечивающий изучение его свойств, как совокупность математических соотношений, уравнений, неравенств, описывающих основные закономерности, присущие изучаемому процессу, объекту или системе, исследование которых средствами математики должно ответить на поставленные вопросы. Математическая модель – это строго формализованное на языке математики описание исследуемогообъекта (системы). Такая модель нужна для того, чтобы: – понять, как устроен конкретный объект, какова его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействияс окружающим миром (понимание); – научиться управлять объектом (или процессом) и определить наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (управление); – прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект (прогнозирование). В основе логических моделей лежит описаниеобъекта, системы, процесса (предметной области) в виде некоторого множества утверждений, выраженных в виде логических формулс получением решения построением вывода в некоторой формальной (дедуктивной) системе. Математические и логические модели в зависимости от стоящей перед исследователем задачи могут быть: – аналитическими, – алгоритмическими и – имитационными. Аналитическая модель - это совокупность математических зависимостей, построенных на принципах формального подобия процессов, происходящих в объекте. В аналитическихмоделях поведение сложной системы записывается в виде некоторых функциональных соотношений или логических условий. Алгоритмическая модель — математическая модель, представленная в форме алгоритма, перерабатывающего заданный набор входных данных в заданный набор выходных данных. Имитационная модель – универсальное средство исследования сложных систем, представляющее собой логико-алгоритмическое описание поведения отдельных элементов системы и правил их взаимодействия, отображающих последовательность событий, возникающих в моделируемой системе.Имитационное моделирование – это метод исследования, заключающийся в имитации на ЭВМ с помощью комплекса программ процесса функционирования системы или отдельных ее частей и элементов.
Предметом рассмотрения в данном учебном пособии является применение математических моделей для решения задач эколого-экономического проектирования и управления производственно-хозяйственными объектами и. в частности, объектами химической и нефтегазохимической отрасли. Решение таких задач предполагает: – изучение объекта; – постановку (формулировку) задачи; – выбор (разработку) методов ее решения; – разработку и актуализацию математических моделей (создание формализованного описания объекта); – выбор (разработку) средств для поиска оптимальных решений с использованием разработанных моделей; – решение задач оптимизации; – анализ результатов полученных решений; – применение полученных результатов на практике.
Виды задач оптимизации Предметом дальнейшего рассмотрения будут следующие классы задач оптимизации с учетом требований к состоянию окружающей среды и сбережению сырьевых и топливно-энергетических ресурсов: 1. Задачи инвестиционного проектирования отдельных предприятий. 2. Задачи инвестиционного проектирования производственно-сбытовых комплексов и вертикально - интегрированных компаний. 3. Задачи проектирования средозащитных мероприятий. 4. Задачи планирования и управления производственно-хозяйственной деятельностью. Функциональная структура предприятия. При решении всех перечисленных выше задач необходимо опираться на функциональную структуру исследуемого объекта. Ниже представлена обобщенная функциональная структура проектируемого предприятия, рассматриваемого в виде системы взаимосвязанных подсистем, обеспечивающих его эффективное функционирование.
Рис. 5. Функциональная структура проектируемого предприятия
В рамках системы все подсистемы связаны между собой либо материальными, либо информационными, либо и теми и другими потоками. На стадии проектирования определяются виды, назначение, количество, технико-экономические характеристики элементов, составляющих каждую из подсистем, их внутренние и внешние связи. На стадиях обоснования инвестиций и проектирования объекта следует различать фазы строительства и эксплуатации предприятия. Первая фаза связана с созданием основных фондов и нормируемых оборотных средств, а, следовательно, с определением сметной стоимости объекта и размерами необходимых инвестиций, вторая – с его эксплуатацией, производством продукции и оценкой текущих (операционных) затрат. В качестве основных фондов в этом случае выступают основное технологическое и вспомогательное оборудование, транспортные средства, используемые для обеспечения функционирования соответствующих подсистем, а также здания и сооружения, размещаемые на территории предприятия. Инвестиционное проектирование отдельного предприятия. Перед лицами, принимающими решение, стоит задача обоснования инвестиций в строительство предприятия, ориентированного на производство определенных видов продукции.В этом случае предметами выбора могут являться: – место размещения строящегося объекта, – ассортимент и объемы производства продукции, – основное технологическое оборудование, – средозащитное оборудование, – параметры строящихся зданий и сооружений, – необходимые объемы инвестиций и другие – технико-экономические показатели проекта. В качестве критерия эффективности инвестирования средств чаще всего применяется максимум чистого дисконтированного дохода (интегрального эффекта) или при определенных условиях минимум интегральных затрат. Постановка задачи ориентирована на следующую схему сырьевых и продуктовых потоков проектируемого предприятия (рис.6).
Рис.6. Схема сырьевых и продуктовых потоков проектируемого предприятия В общем случае, при проектировании конкретного предприятия возможна следующая неформализованная постановка задачи оптимизации:
При заданных: - ассортименте планируемой к выпуску продукции, информации о потенциальных ее потребителях, источниках поставки сырья и топливно-энергетических ресурсов, возможных поставщиках оборудования, технологических, сбытовых, ресурсных, экологических, территориальных, финансовых и других технико-экономических и эколого-экономических ограничениях решить вопрос о: - месте размещения строящегося предприятия, его производственной мощности, окончательном ассортименте и планируемых объемах выпуска продукции, технологических способах ее производства, объемах потребления сырьевых и других ресурсов и их постващиках, средозащитных мероприятиях, обеспечивающих нормативное качество окружающей среды, видах и характеристиках приобретаемого технологического и средозащитного оборудования, объемах собственных и заемных средств инвестора, необходимых для строительства предприятия, таких что обеспечивается достижение максимума интегрального эффекта (чистого дисконтированного дохода) от осуществления инвестиций и реализации проекта при заданной инвестором норме дисконта. Средозащитный и ресурсосберегающий характер постановки задачи оптимального проектирования закладывается в систему ограничений и денежные потоки, формирующие функционал. Экологические аспекты учитываются как в ограничениях на качество атмосферного воздуха и водных объектов в районе размещения предприятия, так и при выборе средозащитных мероприятий, необходимых для достижения нормативного состояния окружающей среды. Эколого-экономическиезатраты проектапредставлены в денежных потокахв виде экологических платежей за негативное воздействие на окружающую среду, а также капитальных и текущих затрат, связанных с реализацией средозащитных мероприятий. Возможность экономии сырьевых и топливно-энергетических ресурсов обусловлена различиями в их расходах на единицу изготовляемой продукции при использовании различных технологий ее производства и ценах на эти ресурсы.
Инвестиционное проектирование производственно-сбытовых комплексов. Объектом проектирования в этом случае являются предприятия, выпускающие малотоннажную продукцию с достаточно широким и пересекающимся ассортиментом, и региональные сбытовые базы, обеспечивающие хранение и реализацию этой продукции многочисленным потребителям в различных регионах страны. Существенным фактором, влияющим на эффективность производства, транспортировки и реализации продукции малотоннажной многоассортиментной отрасли с периодическими производственными процессами, является строительство сбытовых баз, позволяющих значительно увеличить партии наработки продукции, уменьшить время простоя технологического оборудования, уровень загрязнения окружающей среды, снизить затраты на транспортировку продукции потребителям, повысить надежность ее поставок. Схема сырьевых и продуктовых потоков, на основе которой формировалась постановка задачи оптимизации, представлена на рисунке 6.
Рис.7. Схема сырьевых и продуктовых потоков проектируемой производственно- сбытовой системы Решаемая на стадии обоснования инвестиций задача оптимизации направлений инвестирования средств в развитие производственно-сбытовой компании многоассортиментной малотоннажной подотраслиможет быть сформулирована следующим образом. При заданных: - потенциальном ассортименте выпускаемой продукции, - рыночных ограничениях на сбыт этой продукции на локальных региональных рынках, - возможных объемах изготовления продукции на действующих предприятиях, уже находящихся в собственности производственно-сбытовой компании, - пропускной способности принадлежащих компании сбытовых баз, - возможности поставщиков по обеспечению существующих и проектируемых предприятий необходимым сырьем и топливно-энергетическими ресурсами, - потенциальных районах и точках размещения новых заводов и сбытовых баз, - экономических ограничениях на целесообразные мощности новых строящихся предприятий и объемы производства на них отдельных видов продукции, - возможных вариантах технологической реализации производственных процессов, приобретения технологического и средозащитного оборудования, - ограничениях на размеры, пропускную способность и техническое оснащение строящихся баз по сбыту продукции, - информации о земельных ресурсах, выделяемых под строительство объектов в различных регионах, - информации о состоянии окружающей среды в потенциальных точках размещения объектов, - возможных способах транспортировки сырья и готовой продукции, - максимально возможных объемах инвестируемых финансовых средств, - ограничениях на сроки окупаемости инвестиций и другой технико-экономической информации найти (выбрать): - точки размещения новых предприятий и сбытовых баз, - мощности подлежащих строительству объектов производственного и сбытового назначения, - ассортимент и объемы производства продукции на действующих и строящихся лакокрасочных заводах, - технологии изготовления лакокрасочных материалов и аппаратурное оформление процессов, - средозащитные мероприятия, обеспечивающие допустимое качество окружающей среды в районе размещения объекта, - прикрепление поставщиков сырья к изготовителям продукции и способы доставки сырья, - тип, размеры и оснащение сбытовых баз, уровень создаваемых запасов, - способы организации доставки продукции с заводов на базы и с баз потребителям, размеры транзитных партий перевозок, - направления и объемы инвестирования средств, - уровень доходов и операционных затрат, обеспечивающиедостижение максимума интегрального эффекта (чистого дисконтированного дохода) при заданной инвестором норме дисконта.
Инвестиционноепроектирование вертикально - интегрированной компании. Вертикально интегрированная компания (ВИК) – это совокупность предприятий, являющихся последовательными стадиями одного производственного цикла и связанных между собой технологически необходимыми производственными связями. Чаще всего ВИК охватывает все этапы технологического процесса от добывающего ресурсы предприятия, перерабатывающих предприятий, маркетинга, вплоть до торговой сети, продающей готовый продукт конечному потребителю. Определяющей для постановки задачи оптимизации развития вертикально-интегрированной компании является схема ее внутренних и внешних потоков (связей). Обобщенная схема таких потоков представлена на рис. 8.
В оптимизационном варианте задача предварительного эколого - экономического обоснования выбора стратеги развития вертикально-интегрированной компанииможет быть сформулирована следующим образом: При заданнах: - потенциальных поставщиках сырья, размерах сырьевой базы ВИК, балансовых соотношениях между материальными потоками различных переделов, информации о технико-экономических показателях принадлежащих компании и потенциально приобретаемыхпредприятий, возможных точках строительства новых производственных объектов; - возможных потребителях продукции переделов и их сбытовых ограничениях; - вариантах технологического и аппаратурного оформления призводственных процессов; - технологических, технико-экономических, территориальных, экологических и других ограничениях; - финансовых возможностях инвестора, ограничениях на дополнительные показатели эффективности инвестиций и др. решить вопрос о: - месте размещения строящихся предприятий, их производственной мощности, технологических способах производства, аппаратурном оформлении процессов, объемах потребления сырьевых и других ресурсов, средозащитных мероприятиях, обеспечивающих нормативное качество окружающей среды; - приобретении действующих предприятий других компаний, проведении их реконструкции и расширения; - проведении реконструкции и расширения предприятий, уже находящихся в собственности ВИК; - месте размещения оптовых баз по сбыту продукции переделов, типа баз, их мощности; - прикреплении поставщиков сырья, полуфабрикатов и продукции к внутренним и внешним потребитетелям; - строительстве, приобретении, аренде и использовании уже принадлежащих компании различных видов средств доставки сырья, полуфабрикатов и продукции; - объемах потоков с использованием различных видов транспортных средств; - объемах собственных и заемных средств инвестора, необходимых для решения задач развития компании, таких что обеспечивается достижение максимума интегрального эффекта (чистого дисконтированного дохода) от осуществления инвестиций и реализации проект при заданной инвестором норме дисконта. Проектирование системы очистки отходящих газов предприятия. Необходимость в очистке отходящих газов, образующихся в процессе производственно-хозяйственной деятельности предприятия и попадающих в атмосферу из различных источников выброса, возникает в том случае, если при расчете приземных концентраций загрязняющих веществ имеет место превышение предельно допустимых концентраций на границе санитарно-защитной зоны и вне ее. Необходимость выполнения требований к качеству окружающей среды побуждает предприятие заняться проектированием и установкой систем очистки отходящих газов, призванной обеспечить снижение выбросов загрязняющих веществ до уровня предельно допустимых. В качестве примера такой ситуации на рисунке 9 приведена диаграмма приземных концентраций диоксида азота, выбросы которого осуществляются из шести труб тепловой электрической станции мощностью 137 МВт, работающей на угле. Как видно из диаграммы, концентрации диоксида азота за границей ориентировочной санитарно-защитной зоны в 4 раза превышает ПДКмр.
- граница тепловой электростанции - граница ориентировочной санитарно-защитной зоны
Рис. 9. Диаграмма рассеивания в атмосфере диоксидов азота.
В неформализованной постановкеобщая задача проектирования систем очистки отходящих газов может быть сформулирована следующим образом: При заданных: – параметрах источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу; – фактической или расчетной мощности выбросов каждого из загрязняющих веществ из соответствующих источников; – данных о метеоусловиях, необходимых для расчета приземных концентраций; – границах санитарно-защитной зоны; – сведениях о технико-экономических характеристиках множества доступного для применения газопылеочистного оборудования и технологических схем, пригодных для очистки отходящих газовоздушных смесей от рассматриваемых веществ; Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-04-11; Просмотров: 876; Нарушение авторского права страницы
