книги / Оптимизация систем обеспыливания воздуха в промышленных зданиях

1 .2 . Основные положения системного анализе

Современные СОВ и СКМ, характеризующиеся сложной многоуров­

невой структурой взаимосвязей эффектов различной природы, нали­ чием прямых и обратных потоков между отдельными устройствам^ мо­ гут рассматриваться как сложные кибернетические системы, при изу­ чении которых используют стратегию системного анализа. На этой основе осуществляется синтез технологических схем с применением методов автоматизированного расчета и оптимального проектирова­ ния систем.

С позиций системного аш лиза решаются задачи математическо­ го моделирования на ЭВМ, при этом полная математическая модель (ММ) СКМ может быть представлена в виде иерархической структур­ ной модели, где на каждом уровне имеется описание своего класса явлений. Такой подход к изучению сложных СОВ и СКМ позволяет целенаправленно использовать и систематизировать исследования, получаемые в лабораторных, опытных и промышленных условиях для разработки системы в целом. Полученная таким образом ММ исполь­ зуется затем для оптишзации СОВ и СКМ на стадии проектирова­ ния, а также для оптимизации управления ими.

К основные положениям системного анализа, позволяющим решать указанные задачи, можно отнести следующие: четкую формулировку цели исследования; постановку задач по реализации этой цели; определение критерия эффективности (оптимальности); разработку стратегии исследования с определением основных этапов в решении целевой задачи; пропорционально-последовательное продвижение по своему комплексу взаимосвязанных этапов ■ возможных направлений (альтерната^ организацию последовательных приближений и повтор­ ных циклов исследований на отдельных этапах; принцип нисходящей иерархии анализа и восходящей иерархии синтеза в решении част­ ных и общих задэч. Основные этапы системного анализа исследова­ ния СКМ приведены на рис. 9 .

Рассмотренный системный подход к последованию СКМ применим также при изучении СОВ и их отдельных подсистем и установок. В последнем случае отдельные установки и устройства рассматривают как сложные системы с характерным) составляющими, определяющим поведение системы на микро- и макроуровнях.

Центральным понятием системного анализа является понятие системы. Под СКМ в промшленных зданиях с выделениям) пыли пони­ мается сложная биотехническая система, состоящая из В8аимосвя-

23

Постановка задачи

Анализ системы

Скачественный анализ структуры системы, декомпозиция С КМ на подсистемы, формализа­ ция системы, построение ММ подсистем, уста-

ноВок и устройстб, идентификация ММ)

Си н т е з с и с т е м ы

Спостроение обшей ММ СКМ , разработка

алгоритма расиста и оптимизации системы по ММ, расчет на ЭВМ Вариантов структур

и параметроб)_____________________

Решение з ад ачи

заиных материальными, энергетическими и информационными потока­

роятностно-статистический характер, пылевой, тепло- и влажност­ ный и газовый режимы; СОВ; систем ОБ и КВ и других; микроклима­ та помещения; человека и функциональных технологических процес­ сов*

С позиций системного анализа (рис* Ю) СОВ - это основная подсиртема СКМ - сложная биотехническая система, состоящая из взаимосвязанных потоками перерабатываемого материала, воздуха, пылевоздушкой смеси и пыли подсистем: сырья и транспорта 7 ; технологического процесса 6 , сопровождающегося образованиям) и

выделениями пыли; обеспечи­ вающих установок 4 - СОНВ, СОАВ, СОРВ, СОТО, С0ВВ,ЦСПС, СОВС и других; атмосферной пыли / ; воздушной среда по­ мещения 5 ; человека 3 ; утилизированной пыли 2 .

В СКМ и подсистемах осу­ ществляется определенная по­ следовательность и параллель­ ность процессов для обеспече­

ния в помещении необходимого микроклимата. Например, в ЦСПС по­ следовательно протекают следующие процессы: отрыв осадка пыли с очищаемой поверхности потоком воздуха, отсасываемого от пылесооного насадка; транспортирование собранной пыли по трубопроводам;

(СКВ) и местной системы отопления (МСОТ) для обеспечения в по­ мещении необходимого теплового режима в холодный период года, нескольких АУ в СА и т .д .

Иерархическая структурная схема СКМ или СОВ в зависимости от степени их детализации может охватывать большое число уровней, начиная, например, от процесса взаимодействия между частицей пы­

ли и каплей вода в потоке воздуха в укрытии СТО или процесса аутогезионного отрыва частиц пыли друг от друга и кончая уровнем функционирования целых подсистем (ПСОВ (СКВ), СА, СОНВ, СОТО, ЦСПС и т ,д ,) . Однако количественный анализ такой структурной схемы в целом с использованием методов математического моделиро­ вания представляет собой чрезвычайно сложную задачу, С практи­ ческой точки зрения более эффективно при анализе системы выделить в иерархической схеме ближайшие уровни, описывающие поведение ос­ новных подсистем, установок и устройств системы. Устройствами в СКМ или СОВ являются условно неделимые единицы - технологические аппараты, в которых осуществляется целенаправленное протекание технологических процессов определенной природы. К таким аппара­ там относятся аспирационное укрытие в АУ, пылесосный насадок в

воляет, во-первых, осуществлять независимо друг от друга реше­ ние более простых (частных) оптимальных задач на нижних уровнях, сравнивать результаты с опытными данными для уточнения диапазона изменения управляющих переменных, уточнения ограничений и т .д ., и, во-вторых, упростить машинный расчет на ЭВМ, сократив размер­ ность задачи, уменьшить число итерационных циклов при поиске глобального оптимума целостной системы*

1.3* Основы математической теории оптимизации

I . 3 . I . Общие положения

Решение задачи оптимизации GKM способствует повышению эффек­ тивности капитальных владений, снижению энергоресурсов, экономии материалов и улучшению условий труда людей и окружающей среды.

Важнейшее направление в решении поставленных задач - созда­ ние и внедрение в производство высокоэффективных САПР СКМ и АСУ ПКМ. Одним из основных звеньев математического обеспечения САПР СКМ и АСУ ПКМ являются программы статической и динареческой оп­ тимизации объектов проектирования и управления.

В ряде отраслей науки и техники задачи оптимального плани­ рования, проектирования и управления решаются довольно успешно, что позволяет достигать высоких технологических и экономичес­ ких эффектов. Однако в области оптимизации СКМ, и, в частности, применения современных математических методов оптимального про­ ектирования СКМ отмечается еще большое отставание / 6/ .

Современный уровень развития ОВ и КВ позволяет синтезиро­

СКМ приходится решать задачи системного анализа, поиска оптималь­ ного состава подсистемы при многовариантном обеспечении техноло­ гических решений обеспечения микроклимата. При этом одновремен­ но решаются технические, экономические, энергетические, санитар­ но-гигиенические и экологические задачи.

Привлечение к решению оптимизационных задач методов матема­ тического программирования с реализацией решения на ЭВМ позво­ ляет с высокой точностью определять глобальный экстремум целе­ вой функции (критерия оптимальности) и, следовательно, оптималь­ ные уровни значений технологических и конструктивных параметров оиотем.

Математическая постановка и решение задач оптимизации СКМ включает в себя следующие основные этапы: подготовку технологи­ ческих и экономических данных для статистической обработки; по­ строение ММ процессов и систем с определением коэффициентов кор­ реляции функций и основных технологаческих и конструктивных пара­ метров; формирование функции - критерия оптимальности; выбор ме­ тодов поиска глобального экстремума функции; составление програм­ мы расчета и реализации решения задачи на ЭВМ.

Успешное решение указанных задач зависит от качества тех­ нологических данных и достоверности информации лабораторных, на­ турных и промышленных исследований ПОВ и ПКМ. Не менее важную роль играют экономические данные: стоимость оборудования и ма­ териалов; стоимость строительно-монтажных работ; эксплуатацион­

построение ММ СКМ, включающей модели подсистем. Каждый процесс в системе рассматривают как подсистему, характеризующуюся сво­ ими входными и выходными параметрами. Модель каждой подсистемы включает основные переменные, влияющие на процессы обеспылива­ ния и кондиционирования, связи между переменными в виде алгебра­ ических, трансцендентных и дифференциальных уравнений, ограниче­ ния на процесс в виде уравнений или неравенств, в пределах ко­ торых функционирует система, выполняя свои технологические за­ дачи.

Этап формирования и анализа целевой функции является завер­ шающим этапом постановки задачи оптимизации и выбора метода ее решения. Здесь не всегда представляется возможным дать полную оценку целевой функции, установить, является ли функция одно­ экстремальной или многоэкстремальной, где располагается экстре­ мум: внутри области допустимых значений или на ее границе. Не­ определенность в оценке функции приводит к трудностям поиска экстремума. В этом случае прибегают к комбинированным методам поиска, позволяющим с помощью ЭВМ достаточно подробно исследо­ вать функцию в заданной области, или используют другие методы оптимизации.

Задачи статической оптимизации следует отличать от задач оптимального управления (динамической оптиюзации) , решение ко­ торых осуществляется в основном на этапе синтеза автоматическо­ го регулирования и АСУ ПКМ.

Выше были рассмотрены пути энергосбережения в СОВ. Проблема экономии энергии в системах ОВ и КВ рассмотрена в работах /4 ,6 ,7 , 1 2 /. В большинстве случаев выбор того или иного мероприятия и реа­ лизации его носят оптимизационный характер. Необходимо отметить, что до настоящего времени оптимизация различных энергосберегаю­ щих способов и средств в отдельности и при комплексном их исполь­ зовании не осуществлена. Состав СОВ и СКМ, численные значения конструктивных и технологаческих параметров систем, позволяющие обеспечивать нормируемые запыленность воздуха и микроклимат, мо­ гут иметь несколько альтернативных решений, при этом энергетичес­ кие и материальные затраты при реализации различных вариантов могут существенно отличаться. В настоящее время при проектирова­ нии варианты практически не сравнивают, так как без ЭВМ и спе­ циальных вычислительных методов энергетическая и технико-эконо- отческая сценки систем затруднены.

1 .3 .2 . Критерии оценки эффективности СКМ

Эффективность СКМ есть комплексный показатель качества, включающий в себя такие понятия, как надежность, обеспеченность микроклиматических условий, устойчивость и др. Многие определя­ ющие работу СКМ параметры носят изменчивей и случайный харак­ тер. Поэтому при выборе комплексных критериев оптимальности на­ ряду с детермироваиными необходимо использование вероятностных

показателей /6 ,3 4 /. Примером такого подхода является предложенный Л.Б.Успенской / 66/ предельно-вероятностный метод расчета воздухораспределения при вентиляции и технологическом КВ в промышленных зданиях.

В зависимости от теплофизических особенностей оптимизацион­ ной задачи и располагаемой технологической, экономической, конст­ руктивно-компоновочной и другой информации для оценки используют самые различные методы и показатели. Существует несколько их клас­ сификаций применяемых методов.

На примере СКВ /6 3 / методы оценки разделяют на три группы: первая - экспертное мнение о качестве систем; вторая - методы не­ ориентированной количественной оценки СКВ (например удельный рас­ ход тепловой энергии на единицу площади или объема помещения); третья - метода предельных показателей, при которых числовые

значения искомых критериев (показателей) характеризуют оптималь­ ные решения СКВ. Такой подход отмечается в работах Е.Е. Карпаса

ческих КПД и др.

В.Н. Богословский и М.Я. Поз / 6/ для оценки теплообменных устройств предлагают попользовать термодинамические (коэффици­ ент термодинамического совершенства или эффективность процесса теплообмена» коэффициент использования энергии» эксергетический КПД и д р .)» термоэкономические (коэффициент использования топли­ ва» коэффициент использования ВЭР) и технико-экономические пока­ затели.

А.А. Рымкевич /6 3 / показатели СКВ разбивает на четыре груп­ пы: функционально-технологические» конструктивно-компоновочные» эксплуатационные и экономические, функционально-технологические показатели играют основную роль в оптимизации СКВ.

В большинстве случаев в качестве критерия оптимизации сис­ тем выбирают экономические показатели. Они характеризуют капиталь­ ные и приведенные затраты на СКВ. Они являются обобщением зат­ рат всех видов» представленных ранее отдельны»» показателями, в едином стоимостном выражении. Комплексных показателей» охваты­ вающих все основные требования к системам, в настоящее время не установлено. В отдельных случаях мотивы оптимизации бывают свя­ заны с поиском экстремальных значений других перечисленных выше показателей.

Повышение технико-экономического уровня проектных решений целостных СОВ и СКМ возможно на основе многовариантных расчетов, как правило» с применением ЭВМ» т .е . при оптимизации принимае­ мых решений. В зависимости от структуры и параметров СОВ, тех­ нологии обработки воздуха в ПСОВ (СКВ), способа распределения воздуха в помещении, характера и конструктивных решений местной вентиляции, аспирации, пылеуборки и других систем» наличия и конструкции местных систем отопления, увлажнения, конструктив­ ного решения ВСОВ, вида автоматизации и источника холода СОВ и СКМ могут обеспечить один и тот же микроклимат в помещениях с различной энергетической или технико-экономической эффектив­ ностью. Оптимальное решение определяют сопоставлением энергозат­ рат или экономического эффекта и производимых затрат.

Применительно к задачам оптимизации СКМ экономические по30