Главная
Главная
О журнале
О журнале
Архив
Архив
Авторы
Авторы
Контакты
Контакты
Поиск
Поиск
Федеральный бюджет России на 2019 год
24 ноября 2017 года Госдума приняла бюджет, зафиксировавший экономические макро ...
№19
(352)
10.12.2018
Наука и техника
Инженерные средства и методы оптимизации технических систем
(№4 [337] 12.04.2018)
Авторы:
 Олег Фиговский, Вильям Задорский
Олег Фиговский
Вильям Задорский

1. Использование системного подхода 

   Наше время  характеризуется постоянным нарастанием комплексных проблем, требующих для своего разрешения все больше информации и участия специалистов различных областей знаний. Все острее ощущается потребность в специалистах  «широкого спектра» знаний, умеющих эти знания обобщать. По мере усложнения типов производств усложняются и отношения во всех сферах человеческой деятельности. Возникают задачи, решение которых невозможно без использования понятия комплексного системного подхода.  Для обобщения дисциплин, связанных с исследованием и проектированием сложных социальных систем используется термин «системные исследования». В настоящее время системный подход используется и подвергается осмыслению философами, биологами, кибернетиками, физиками, инженерами, социологами, экономистами и другими специалистами. Системные представления все шире включаются в учебный процесс многих вузов, и в настоящее время такие курсы, как «Теория систем», «Системный анализ», «Системология», служат базовым образованием для многих специальностей.  Системный подход вошел в современную теорию организации управления как особо востребованная методология научного анализа и мышления. Способность к системному мышлению стала одним из требований к современному руководителю, особенно, к проектному менеджеру. Системное мышление — не дело свободного выбора, а производственная необходимость. Без него практически невозможно сегодня заниматься оптимизацией любых сложных систем, в том числе, технических.

   Центральным понятием системного анализа является понятие “система”.  Суммируя многочисленные определения, приведенные в литературе, получим: система есть совокупность элементов (подсистем). При определенных условиях элементы сами могут рассматриваться как системы, а исследуемая система – как элемент более сложной системы. Связи между элементами в системе превосходят по силе связи этих элементов с элементами, не входящими в систему. Это свойство позволяет выделить систему из среды. Для любой системы характерно существование интегративных качеств (свойство эмерджентности), которые присущи системе в целом, но не свойственны ни одному ее элементу в отдельности: систему нельзя сводить к простой совокупности элементов; система всегда имеет цели, для которых она функционирует и существует.

   Попробуем сжато рассмотреть основные свойства систем. К сожалению, мышление человека не системно: люди не успели в процессе эволюции выработать системное видение мира. Наше воображение создает усеченный образ всего объекта, который требуется изучить, исследовать с целью его изменения или усовершенствования. Человек как бы видит изображение объекта на одном экране, причем зачастую недостаточно полно. Вспомним старую притчу о трех слепых индусах, каждый из которых   ощупывал часть  слона.  Когда их попросили сформулировать представление о слоне, первый, ощупавший хвост, сказал, что слон – это нечто упругое, тонкое, извивающееся,  гибкое; второй, ощупавший хобот, сообщил, что слон  - нечто мягкое,  теплое, не очень большое; а третий, подержавшись за ногу, сказал, что слон – большой,  ленивый, малоподвижный. Они не смогли по характеристике частей системы сложить правильное представление о всей системе – слон. Системное мышление зажигает одновременно, как минимум, три экрана: видна надсистема (группа слонов), система (слон) и подсистема (какой-то орган слона). Это минимальная схема. Для решения системных задач требуется включить и другие экраны, которые помогут посмотреть на систему в развитии, во времени. Теоретики системного анализа говорят, что «девять (минимум девять!) экранов системно и динамично отражают системный и динамичный мир».  И тогда цель системного подхода, — опираясь на изучение объективных закономерностей развития систем, дать правила организации мышления по многоэкранной схеме. Итак, первое свойство системы – по части системы нельзя охарактеризовать всю систему.

   Системный подход ориентирует исследователя на раскрытие целостности объекта, на выявление многообразных типов связей в нем и сведение их в единую теоретическую картину. В настоящее время под системным подходом понимают направление методологии научного познания и социальной практики, в основе которого лежит рассмотрение объектов как систем. Соответственно, суть системного подхода заключается в представлении об объекте как о системе. Кроме этого, системный подход представляет любую систему как подсистему (иерархический уровень): над любой системой есть надсистема, которая находится на более высоком уровне иерархии систем, и под каждой системой есть подсистема на более низком уровне иерархии.  Итак, каждый иерархический уровень связан с вышележащим и нижележащим прямыми (заметим, и обратными) связями и выступает как бы в двух ипостасях одновременно – вышележащего и нижележащего уровня.  А в целом   система уровней образует как бы иерархическую лестницу взаимосвязанных уровней. Это второе фундаментальное свойство системы.

   Системный подход представляет собой определенный этап в развитии методов познания, методов исследования и конструирования, способов описания и объяснения природных или искусственно созданных объектов. Наиболее широкое применение системный подход находит при исследовании сложных развивающихся объектов — многоуровневых иерархий, как правило, самоорганизующихся биологических, психологических, социальных, экономических и других систем.

   Системный анализ возник в 60-х гг. XX в. как результат развития исследования операций и системотехники. Он применяется главным образом к исследованию искусственных (возникших при участии человека) систем, причем в таких системах важная роль принадлежит деятельности человека.  При формальном рассмотрении неких системных единиц используют несложные вспомогательные концепции «черных ящиков» и «белых ящиков».  Черный ящик — понятие кибернетики, с помощью которого пытаются справиться с трудностями при изучении сложных систем. Представление системы в виде черного ящика означает, что при настоящем уровне знаний мы не можем проникнуть вглубь данной системы (или подсистемы) и разобраться, каковы внутренние закономерности, преобразующие ее входы и выходы. Однако, мы можем изучать поведение этих входов и выходов, т.е. зависимость изменений на выходе от изменений на входе. Многократный учет позволяет открыть закономерность между поведением входов и выходов и предвидеть поведение системы в будущем, а значит, управлять ею. Иногда, если известен закон преобразования, связь между входом и выходом можно представить в аналитической форме. Тогда, «черный ящик» — это объект, который воспринимает входные сигналы и генерирует выходные сигналы, предварительно ассоциируя их с входом по некоторому закону. Только в этом случае  удается установить  объяснительные механизмы поведения системы при воздействиях и  выявить новые закономерности, открыть новые, ранее неизвестные факты. Строится модель предполагаемой схемы и проверяется, совпадает ли ее реакция с реакциями «черного ящика». Чем больше совпадений, тем ближе к реальной схеме. Успехи в анализе и конструировании систем могут быть условно представлены как постепенное замещение «черных ящиков» «белыми ящиками». Если быть  честным, к сожалению,  до этого  обычно дело доходит очень редко, чаще исследователи систем ограничиваются предположениями в стиле ”по – видимому…”. 

   Кроме этого, даже большие любители системного анализа пишут , что «как правило, для сложных организационных систем он никогда не может быть доведен «до конца» в силу постоянно изменяющихся внешних или внутренних условий». С построением мысленных моделей окружающего связана еще одна интересное.  Уже давно было замечено, что одно и то же явление можно описать по-разному, построить разные модели, но ни одна из них не будет исчерпывающей. Мало того, в разных случаях удобными могут оказаться разные модели одного и того же явления, в зависимости от задачи исследования

   Итак, традиционно системный подход и системный анализ выступают в качестве методологии исследования сложных объектов посредством представления их в качестве систем, моделирования этих систем и их анализа. Соответственно системный анализ сводится к уточнению сложной проблемы и ее структуризации в набор задач, решаемых с помощью математических методов, детализации целей, нахождению критериев оптимизации, конструированию эффективного решения для достижения целей. Такой  подход к системному подходу и анализу существенно снижает эффективность и  даже возможности их использования. 

   Мы попытались решить совершенно нестандартную задачу – можно ли использовать системный подход без стадии моделирования системы (по принципу ”умный в гору не пойдет, умный гору обойдет”). Мы обратили внимание на некоторые свойства систем, прежде всего технических, на которые не обратили внимание сторонники классического подхода. Итак, продолжим рассматривать свойства систем уже с новых позиций – отказа от математического моделирования. Прежде всего, необходимо отметить, что в технике системный анализ проводят не из любви к искусству, а с целью вполне конкретной и рыночной задачи – оптимизации системы. При решении этой утилитарной задачи мы обратили внимание на то, что любая многоуровневая техническая система (а других и не бывает!)  с точки зрения оптимизации может быть охарактеризована на одном, лимитирующем, определяющем все свойства системы   иерархическом уровне.  А тогда незачем заниматься оптимизацией всей системы, чем часто занимаются начинающие ученые и не только в технике, но и в экономике, политике, при решении социальных проблем. Достаточно сформулировать и решить задачу на этом лимитирующем уровне, и это гораздо проще и дешевле. А, главное, как будет  показано ниже, вполне возможно  обойтись  без  малополезного  процесса математического моделирования. И наличие лимитирующего уровня – важное третье фундаментальное свойство любой иерархической системы. 

   И еще одно важное четвертое свойство, которое обязательно необходимо отметить. Мы живем в мире колебаний. На каждом уровне  обязательно имеются  собственные колебания, с  резонансной частотой и амплитудой. 

   Пятое свойство, которое нам также потребуется, заключается в том, что амплитудно - частотные характеристики собственных колебаний на каждом уровне определяются его так называемыми характеристическими размерами. Вспомним хотя бы о низкочастотных циклах Кондратьева, которые имеют большую амплитуду, так как совершаются на самых высоких иерархических уровнях системы с большими характеристическими размерами. А также вспомним о том, что температура любого тела определяется высокочастотными колебаниями его молекул, имеющих чрезвычайно малые определяющие размеры.

   И, наконец, шестое свойство, которое придется привести в данной статье заключается в том, что параметры оптимизации системы   на каждом ее иерархическом уровне различны по масштабу и определяются также его амплитудно – частотными характеристиками. В самом деле, на самых верхних иерархических уровнях работают глобальные параметры – индексы устойчивости развития, о которых мы уже писали  ранее,  на нижерасположенных уровнях – экономические параметры, ниже – технико- экономические параметры, затем - чисто технические и, наконец, на самых низких иерархических уровнях – кинетические  (к примеру, константа скорости химической реакции или коэффициент массопередачи).

   Пусть вас вдохновит на дальнейшее чтение этой статьи тот факт, что   алгоритм оптимизации, который вам предлагается, ранее не был опубликован и удивит вас своей простотой и результативностью, ибо все самобытное просто. Итак, алгоритм оптимизации по упрощенному до безобразия системному подходу прост:

Декомпозиция системы и получение многоуровневой иерархической лестницы.

Исследование системы на этапе анализа (определить границы исследуемой системы, определить все надсистемы, определить основные черты и направления развития всех надсистем и роль исследуемой системы в каждой надсистеме, выявить состав системы, уточнить структуру системы, определить функции компонентов системы. выявить причины, объединяющие отдельные части в систему, в целостность, определить все возможные связи системы с внешней средой, рассмотреть систему в динамике, в развитии). 

Определение лимитирующего уровня системы. Это самая трудная творческая часть системного анализа, которая, собственно, и является нашим основным ноу – хау. Отметим только, что мы используем имеющиеся кинетические данные о процессе, протекающем в технической системе, иногда приходится при ограниченности данных получать некоторые  дополнительные  данные о кинетике  по оригинальным упрощенным методикам (чаще всего нам не нужны точные значения, а лишь тенденции их изменения).

Определение амплитудно – частотных характеристик собственных колебаний системы на лимитирующем уровне. Наложение внешних возмущений с близкими параметрами колебаний вызывает резонансные явления в объекте оптимизации на лимитирующем уровне. Это явление мы назвали принципом соответствия или гармонии (о нем немного ниже). 

Подбор в созданных нами базах данных режимно- технологических (РТ) и аппаратурно – конструктивных (АК) методов оптимизации,  близких по амплитудно – частотным характеристикам к характеристикам колебаний объекта на лимитирующем уровне. 

Проверка значимости и результативности принятых решений на физической модели  или непосредственно на системе. Цель проведения этого  этапа заключается в проверке   выполнения поставленной задачи. 

Осталось написать в этом сообщении совсем немного. Прежде всего, рассказать о принципе соответствия (сейчас мы чаще говорим о гармонии). Он, в самом деле, является фундаментальным для предложенного алгоритма оптимизации. Суть его станет сразу понятной, если снова вернуться к тому же слону, с которого началась данная статью. Заболел у слона зуб.  Ревет, больно ему. Вызвали слоновьего дантиста. Он отказался даже подойти к разъяренному от боли слону, побоялся, потребовал его усыпить. Куда  и как ввести слону снотворное? Ясно, что инъекцией, а вот куда – в хобот – страшно, “долбануть” хоботом или бивнями может, сзади – чего доброго, хвостом достанет или ногой придавит. А задача простая -  поперечные размеры инъекционной иглы в десятки раз меньше, чем поперечные размеры нервов у слона.  Значит, боль от укола слон просто не почувствует (вот где принцип соответствия в действии).  

2. Экологизация (повышение чистоты) производства 

   Мы не замечаем, что приход в рынок существенно меняет все аспекты нашей повседневной жизни. Меняется потребность в специалистах, меняются наши требования к работе, наши планы по карьерному росту. Но мы не заметили, как существенно изменяется содержание нашего образования, в особенности в высшей школе. И дело не в приходе пресловутой Болонской системы. Это явно случайная затея многих администраторов в области образования, ведь, эта система никак не влияет на содержание образование, а лишь формализует проверку и фиксацию знаний.  Другой вопрос возникает, как высшая школа может обеспечить изменение требований к подготовке специалистов с учетом прихода рынка. 

   Попробуем рассмотреть вопрос на конкретном примере – подготовке специалистов по химической технике.  Учебные планы и программы по конкретным лекционным курсам для подготовки специалистов по этому направлению существенно не менялись уже много лет. 

   Но ведь за эти годы существенно изменились функции  специалистов. Раньше выпускники, в основном, работали на химических и нефтехимических предприятиях (сегодня многие из них уже не работают) и занимались ремонтом оборудования. Сегодня мы уже убедились, что зачастую выгодно не бесконечно ремонтировать оборудование (в Украине есть одно химическое предприятие в Рубежном, где еще недавно эксплуатировалось химическое оборудование, произведенное еще в 19 веке с использованием заклепок, видимо, тогда сварки еще не было), а приобретать и монтировать новое. Кроме того, на механиков на предприятиях чаще всего ложится вся тяжесть реструктуризации действующих производств, подбора, монтажа нового оборудования, реконструкция действующего оборудования с целью его оптимизации.  Да и требования к аппаратурно – технологическому оформлению производств существенно изменились.  Если  еще не так давно подбирали оборудование с учетом требований по его  стоимости (с учетом его потребительских качеств), эффективности,  ремонтопригодности, дизайна и т.п. и именно эти показатели были положены в основу  спецкурсов  на выпускающих кафедрах, которые проводили “огранку” специалистов,  то с  приходом рынка  стали важными совсем другие показатели оборудования, или, привычнее, параметры оптимизации: интенсивность, экологичность, не только технологическая, но и энергоэффективность оборудования,  его гибкость (т.е. способность работать при переменных технологических показателях, производить изменения в номенклатуре  выпускаемой продукции с учетом  изменений конъюнктуры на рынке), его экологичности (повышенияе чистоты производства). В большинстве университетов в странах бывшего СССР, не обучают технологическому бизнесу, концепции устойчивого развития, индустриальному симбиозу и методам обращения с отходами. Этот перечень можно продолжать, но уже можно очертить проблему – необходимо  оперативно вносить изменения в профессиональную подготовку специалистов с учетом вышеизложенного. А пока, сегодня высшая школа  не готова  оперативно реагировать на изменение рыночных требований к  содержанию подготовки специалиста, и это снижает его профессиональный уровень и готовность к работе в новых условиях. И никакая Болонская система здесь помочь не в состоянии.

   В связи с серьезными изменениями экологической обстановки в мире в силу прихода рыночных условий  в сферу бизнеса, наиболее острой  в последние годы стала проблема экологизации производств (за рубежом в ходу  другая терминология – ”cleaner technology” – более чистые производства), к сожалению, не только действующих, но и   вновь создаваемых и реконструируемых.  Поэтому ниже будут рассмотрены именно эти вопросы. 

   Ориентация на широкое  внедрение оборудования для очистки токсичных выбросов не обеспечивает решения всех проблем взаимодействия человека и  среды его обитания.  Их решение возможно лишь на основе концепции экологизации техники как единства технологии и оборудования для ее реализации, основанной на системном анализе взаимодействия производства и среды.  Такой анализ позволяет определить направление совершенствования технологических процессов, обеспечивающее снижение их отрицательного воздействия на окружающую среду. В этом случае удается рассмотреть взаимодействие природы и человека на основе комплексного системно подхода, основанного на сознании того факта, что техника является лишь частью системы.  В связи с этим, необходимо учитывать не только влияние техники на психо-физическое состояние людей, но и ответные реакции-  влияние этого состояния на производительность и качество труда, а, значит и на все технико-экономические показатели производства. 

   Отсюда становится понятным стремление к гармонизации отношений природы и техники, при которой функционирование промышленных комплексов связывается не только с техногенной деятельностью человека и эксплуатацией объектов техники, но и с состоянием природной среды обитания.  В идеале решением задачи является создание технических систем, обеспечивающих высокие технические показатели при благоприятной экологической обстановке. Дело за немногим - выбором тактики экологизации для конкретного объекта. 

   Системная экологизация  иногда приводит к нетривиальным выводам даже при рассмотрении "затасканных" проблем.  Несколько десятилетий   создаются катализаторы и устройства для дожигания выхлопных газов автомобилей.  Но и сегодня в полном соответствии с системным подходом каждому пешеходу впору выдавать индивидуальный противогаз. А дело, оказывается, в том, что, пока химики пытались создать надежный катализатор дожигания  выхлопных газов при использовании этилированного бензина, содержащего соединения свинца, качественный бензин в Украине стали  массово "разбодяживать" ароматизированными отходами коксохимических заводов Украины. Автомобильные выбросы стали содержать не только неполностью сгоревший бензол, толуол, ксилол, но и продукты их неполного сгорания или окисления в цилиндрах двигателя. А это в большинстве своем токсичные продукты. Именно это, по мнению многих экспертов в области экологии, стало одной из причин резкого возрастания количества легочных заболеваний. Решить эту проблему путем создания новых катализаторов дожигания выхлопных газов вряд ли удастся ввиду уж больно широкого спектра  токсичных веществ в выбросах.  Видимо, выход в том, чтобы перейти на другой иерархический уровень системы и заставить нефтехимиков проводить более глубокую переработку нефти, смешанной с отходами коксохимических заводов   с получением высокооктанового   бензина без  добавления  соединений свинца.

   Сегодня уже предложено достаточно стратегических принципов экологизации, определяющих выбор тактических приемов для конкретных случаев. Некоторые из принципов имеют общетехнический характер (рекуперация, утилизация отходов и ресурсосбережение), некоторые из них предпочтительнее для перерабатывающих отраслей промышленности, в частности, для химической, металлургической, пищевой. К примеру, к последним относится концепция обеспечения безотходности не только за счет утилизации отходов или ресурсосбережения, но и за счет повышения селективности, т.е. выхода именно целевого продукта. В конце концов, эта концепция сводится к стремлению не бороться с отходами, а вести процесс так, чтобы они образовывались в минимальном количестве. 

   Современная экологизация предусматривает также не обезвреживание выбросов  "вообще" в смешанном жидком или газовом сбрасываемом потоке, а локальное обезвреживание выбросов по возможности по-компонентно как можно ближе к источнику их образования.  Этот подход является альтернативным по отношению к принятому у нас принципу создания  глобальных  очистных сооружений для нейтрализации или утилизации всей гаммы вредных выбросов. Локальная очистка, максимально  приближенная  к источникам выбросов,  как показал мировой опыт,  оказалась гораздо  более  эффективным  направлением экологизации, особенно в сочетании с концепцией безотходности. Пришли как-то в университет  руководители химфармзавода, на котором закрыли одно из производств за превышение в выбросах предельно допустимых концентраций высокотоксичного акрилонитрила. Попросили порекомендовать им хороших разработчиков очистной установки и исполнителей оной установки в металле. Судили-рядили и выяснили, что даже в ценах застойных времен установка эта влетит в копеечку, а сейчас и подавно. Загрустили гости. Предложили им взглянуть на проблему с другой стороны, так сказать, идти от конечной цели. Ведь им нужна не установка сама по себе, а отсутствие акрилонитрила в воздухе. Почти очевидно, что вещество это в воздух вообще можно не пустить, если отойти от обычной гигантомании и ввести в технологическую цепочку, в нужном месте, обычный скруббер или адсорбер. И стоимость такой локальной очистной установки будет исчисляться цифрами со значительно меньшим числом нулей, чем могло бы быть, если пойти на традиционную схему улавливания в конце процесса всех и всяких нехороших примесей. 

    Дальше - больше. Оказалось, что и без скруббера можно обойтись, если посмотреть внимательнее сам процесс реагирования акрилонитрила с нетоксичным вторым реагентом. Подают их в реактор, как это принято у химиков, в соотношении, близком к стехиометрическому. Поэтому и не связываются они полностью (“нет в мире совершенства!” - в технике тоже). А кто мешает подать второй реагент в количестве, превышающем требуемое по стехиометрии? И не на проценты, а может быть, даже в несколько раз, чтобы гарантировать от проскока ядовитого газа. Можно и вообще ничего не выбрасывать, а организовать рециркуляцию, вернув все, что выбрасывается, в начало процесса. Говорят, мол, экономически все это невыгодно. А многомиллионная очистка выбросов? Куда выгоднее вкладывать средства - в системы очистки, мониторинги, в лечение людей и Природы или в совершенствование производства, чтобы сделать его экологически безопасным? При такой постановке вопроса ответ вроде бы однозначен. Но, увы, еще и сейчас редко кто комплексно оценивает все аспекты производства с учетом того, что оно, производство, стало частью экологической системы. 

   Думается, что именно такая стратегия комплексного подхода к проблемам технологии и природы должна бы стать заботой даже плачущих гуманитариев. Конечно, вкупе с грамотными технарями, которые блоху, может, и не подкуют, но уж обеспечить экономически оправданный экологический уровень технологической установки - могут. И приемы знают те, что позволят работать, если не совсем чисто, то чище. Тут и упомянутые уже процессы, идущие при избытке нетоксичного реагента, и рециркуляция, и локальные установки очистки, максимально приближенные к месту образования токсичного вещества. Это, говоря высокопарно, основные направления инженерной защиты природы. Есть и другие, но о них чуть позже. Разговоры о дороговизне экологизации оказываются несостоятельными,  если принять во внимание затраты не только на производство продукции, но и на природоохранные мероприятия,  в частности, на очистку выбросов от токсичных веществ, предотвращение ущерба окружающей среде и т.д. Следует заметить,  что принятое во многих странах раздельное финансирование и отдельное проектирование технологических установок и установок природоохранного назначения является анахронизмом, приводящим к появлению промышленных  объектов с "забытыми" установками очистки выбросов  (вспоминается срытый по этой причине бульдозером с лица земли  французский завод фурфурола   в Украине). Этому способствует также остаточный принцип финансирования природоохранных объектов.  При современном подходе установки очистки или утилизации должны быть составной частью промышленного объекта, включенной в основную технологическую линию. 

   Одним из наиболее эффективных принципов экологизации является комплексность в решении задач уменьшения степени загрязнения окружающей среды промышленными установками. При этом подразумевается не только использование безотходных или малоотходных технологий, не только применение оборудование для локальной очистки газов и жидкостей, а, прежде всего - решение комплексной задачи по созданию экологической техники как единства технологии и оборудования.  Таким образом, принцип комплексности в этой трактовке подразумевает одновременное решение вопросов оптимизации аппаратурного и технологического оформления процессов. 

   Наряду с комплексностью необходимые требования экологичности обеспечиваются принципом обеспечения достаточного уровня гибкости. Под гибкостью при этом подразумевается количественный показатель, отражающий возможность работы технологии и оборудования в широком диапазоне изменения  внешних  и  внутренних параметров установки с заданными значениями уровня образования  побочных  продуктов.  Можно воздействовать на объект экологизации, прежде всего изменяя его гибкость.  Воздействовать на объект можно также достаточно результативно, используя принципы "многократность использования ресурсов и энергии" и "максимальная селективность синтеза и разделения", смысл которых ясен из их названия. 

   Кроме общих принципов экологизации, учеными определены наиболее употребительные приемы для их реализации,  в частности,  применительно к перерабатывающим отраслям производства. Среди них следует разграничить  две  тесно связанные между собой группы методов: режимно - технологические и аппаратурно - конструктивные.  Наряду с традиционными для любой области техники методами (замкнутость структуры и многофункциональность оборудования, интенсификация) особенности перерабатывающих отраслей предопределяют использование некоторых специальных методов экологизации. Среди них: 

минимизация времени обработки и избыток одного из реагентов, приводящие чаще всего к повышению селективности и уменьшению образования побочных продуктов,

рекуперация, замкнутость потоков вещества и энергии, приводящие к "идеализации" режимов синтеза и значительному уменьшению скорости побочных реакций, 

совмещение синтеза и разделения, гетерогенизация, позволяющие существенно уменьшить образование побочных продуктов за счет отвода целевого продукта из реакционной зоны в момент его образования, 

адаптивность технологии и оборудования, позволяющая обеспечить надежную работу технической системы за счет "внутренних" резервов (гибкости) установки, что уменьшает возможность залповых выбросов вредных веществ или получения некондиционного продукта. 

Все рассуждения о необходимости экологизации останутся словами, пока не установлены четкие количественные характеристики экологических показателей систем на различных иерархических уровнях.  Без этого невозможно заниматься оценкой различных методов производства и техники очистки газов и жидкостей, невозможно сопоставлять варианты решений, предлагаемых для конкретных производственных задач, наконец, невозможно заниматься оптимизацией экологической техники. 

   Основной принцип экологизации - системность положен нами в основу алгоритма экологизации, например, типичного химического производства. Ниже приводится  алгоритм с некоторыми пояснениями, опирающимися на изложенные выше соображения. 

1. Анализ исходной информации, включающий обследование производства, ознакомление с данными экологических паспортов и другой экологической документацией, отчетными данными, актами обследований, проектной документацией, регламентами и т.п.  Цель этого этапа:  получить необходимые данные, провести  декомпозицию производства по типовым уровням иерархии  (например,   производство- цех- установка- аппарат- контактная ступень- молекулярный  уровень) и   выявить  лимитирующие с точки зрения загрязнения окружающей среды уровни иерархии. 

2. Выбор методов воздействия на систему на лимитирующем  уровне,  соответствующих по режимным и геометрическим параметрам масштабу лимитирующего уровня.  Предполагается использование  сформулированного нами принципа соответствия, согласно которому необходимо подбирать методы воздействия, соответствующие,  например,  по  амплитудно-частотным  характеристикам амплитудно-частотным характеристикам объекта на лимитирующем уровне. 

3. Технико-экономический анализ выбранных направлений и  методов экологизации  с  составлением расчетов,  учитывающих не только затраты на экологизацию и ее результаты в сфере производства, но и платежи  за ресурсы,  платежи за сверхнормативные выбросы и другие эколого-экономические показатели.  

4. Выбор эколого-экономически оправданного варианта экологизации экспертами. 

5. Составление исходных данных на проектирование (технического задания) по выбранному экспертами варианту экологизации. 

6. Составление бизнес-плана по реализации намеченной программы экологизации с решением вопросов инвестирования, размещения заказов на проектирование, поставку оборудования, строительство и т.д.  

3. Стратегия и тактика энергосбережения 

   Проблемы энергосбережения и поиска альтернативных источников энергии актуальны для большинства стран мира. Вопросов — масса. К примеру, почему мы так много говорим о безотходных технологиях, а отходов у нас больше всех в мире? Или другой: появилось множество проектов и разработок по альтернативной энергетике — солнечной, ветровой, волновой, а используем мы в основном зарубежные, и то весьма редко. Почему? Ответ, думается, на поверхности. До сих пор остается нереализованным системный подход к решению проблем энергосбережения на основе принципов, которые уже хорошо себя зарекомендовали в мире, а у нас все еще не вышли из сферы осознания лишь узким кругом украинских «энергетических» специалистов. А ведь именно системный подход необходим для фундаментальной составляющей современной экономики, каковой является энергоэффективность. И охватывать он должен и моделирование процессов, и иерархичность структуры, и множественность связей элементов, и неопределенность состояний, и чувствительность к помехам, и многое другое. 

   Видимо, необходимо просто поменять акценты. Реальный эффект может дать только та методология энергосбережения, которая основана на системном анализе и во многом совпадает с методологией экологизации, о которой я  писал выше. Лишь такой анализ позволяет сформулировать основные стратегические принципы и определить тактические приемы реализации этих двух направлений оптимизации, являющихся основой устойчивого развития. И работать здесь должны правила логики и здравого смысла. Хотел бы остановиться лишь на нескольких таких стратегических принципах энергосбережения, сформировавшихся в последние годы и уже при первых опытах, доказавших свою высокую эффективность. Один из них, получивший широкое распространение на Западе, — принцип индустриального симбиоза. Это совмещение якобы несовместимых объектов, материальных и энергетических потоков в единый энерготехнологический комплекс, связываемый этими потоками в сложную многоуровневую систему. А в ней уже «работают» практически все отходы (энергетические и материальные) одних производств в качестве вторичного сырья техногенного происхождения для других производств.

   При таком симбиозе появляется возможность реализовать также известный принцип рециркуляции, когда не добиваются полного использования исходного сырья или энергии, а обеспечивают наиболее выгодные режимы переработки при экономически оптимальной конверсии (так называют специалисты полноту превращения сырья в целевой продукт — обычно 20—30 процентов), выделяя после этого готовый продукт (вещество или энергию) и возвращая неиспользованные ресурсы в начало процесса.

   Существует еще концепция обеспечения энергетической малоотходности не только за счет утилизации энергетических отходов или ресурсосбережения, но и путем повышения селективности — выхода высокопотенциального целевого продукта. Главное в том, что эта концепция сводится не к стремлению бороться с энергетическими низкопотенциальными отходами, а требует вести процесс так, чтобы минимизировать их образование.

   Современная энергетическая оптимизация технологии предусматривает также локальную обработку выбросов по возможности как можно ближе к источнику их образования. Это своеобразная альтернатива принятому у нас принципу создания глобальных сооружений для утилизации отходов энергии. Мировой опыт уже показал высокую эффективность такого направления, особенно в сочетании с концепцией индустриального симбиоза. Дороговизна локальных установок оказывается кажущейся, если учитывать затраты не только на производство энергии, но и на природоохранные мероприятия. Принятое у нас раздельное финансирование и отдельное проектирование технологических установок и установок природоохранного назначения — это вообще анахронизм, приводящий к появлению промышленных объектов с «забытыми» установками утилизации и очистки энергетических низкопотенциальных выбросов. При современном подходе установки утилизации должны быть составной частью промышленного объекта, включенной в основную технологическую линию.

   Еще один достаточно эффективный принцип — комплексность в решении задач уменьшения энергопотребления промышленными установками. При этом подразумевается прежде всего решение комплексной задачи по созданию энергосберегающей техники как единства технологии и оборудования. Принцип комплексности в такой трактовке — это одновременное решение вопросов оптимизации аппаратурного и технологического оформления процессов. 

   Одна из основных проблем энергосбережения, которая постоянно на слуху, — переход на возобновляемые и экономически выгодные источники энергии. Здесь ситуация та же: много слов — мало дела? Сегодня так называемых альтернативных источников энергии у нас немало. Беда в том, что мы очень нерационально их используем: в основном фотосинтез и энергию ветра, немножко — гидроэнергию. Все остальное в буквальном смысле слова пропадает. Приведу несколько примеров. 

   Странная ситуация с запасами угля. Мы привыкли его сжигать. Но сегодня уголь, тем более такой некачественный, лучше  не сжигать, а с успехом использовать  для синтеза с помощью известных технологий газа, пригодного для применения взамен природного. Еще пример — многочисленные разработки экологически чистых компактных мобильных установок непрерывного действия для переработки изношенных шин и резиновых отходов. Продукты переработки: мазут, технический углерод, сталь, тепло, горючий газ. Преимуществ множество: мобильность, энергетическая независимость, экологическая, пожарная и взрывобезопасность, безотходное производство, ликвидная продукция.  Или появление многочисленных установок во многих странах мира по производству биодизеля.

   Это экологически чистый вид топлива, используемый для замены, и следовательно, экономии обычного дизельного топлива. Сырье для его производства — растительные масла: рапсовое, соевое, арахисовое, пальмовое, отработанные подсолнечное и оливковое (уже использованные, к примеру, при приготовлении пищи), а также животные жиры. Биодизель может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания как самостоятельно, так и в смеси с дизтопливом и некоторыми растворителями без внесения изменений в конструкцию двигателя. И при этом целый ряд преимуществ: биодизель менее токсичен, практически не содержит серы и канцерогенного бензола; обеспечивает значительное снижение вредных выбросов в атмосферу при сжигании; имеет высокую температуру воспламенения (более 100°С), что делает его использование относительно безопасным; его источником являются возобновляемые ресурсы. Кроме того, производство биодизеля легко организовать, в том числе в условиях небольшого фермерского хозяйства, используя при этом недорогое оборудование. Эта технология уже получила широкое распространение в Германии, Австрии, Чехии, Франции, Италии, Швеции, США… 

   Приведенные примеры иллюстрируют: сегодня нам есть из чего выбирать. Между тем доля угля, нефти, газа, атомной энергии — так называемых невозобновляемых источников — уменьшается в мире из года в год. И при этом увеличивается энергетический «вклад» возобновляемых: ветра, воды, солнца…. Но источники энергии и того, и другого вида имеют свои положительные и отрицательные стороны. Их необходимо учитывать при системном анализе, подбирая технологии в соответствии со свойствами объекта, который мы рассматриваем. Всегда можно четко определить, когда какие рациональнее применять. Современный энерготехнологический и экологический инжиниринг основан не только и не столько на дизайне современной технологии, сколько на искусстве выбора оптимального оборудования и метода воздействия на систему. Делать это необходимо на базе системного анализа, концепции устойчивого развития и использования современных информационных технологий.

   Системные подходы к энергосбережению на сегодня четко сформулированы. Определены три основных глобальных принципа:

     — использование рециркуляции вторичного сырья техногенного происхождения;

   — работа на всех трех основных стадиях — производства, транспортировки и преобразования, потребления энергии;

  — наибольшая эффективность на стадии производства энергии, а не ее потребления.

   Мы говорим о системном подходе к решению вопросов энергосбережения в рыночных условиях. Насколько эффективно задействованы в этих процессах рыночные механизмы? Видимо, недостаточно эффективно, ибо в них практически не вовлечены предприниматели и субъекты малого и среднего бизнеса. А составляющие успеха в данном случае — сочетание среднего и малого бизнеса и инновационных технологий, что приводит к появлению качественно нового технологического бизнеса. Для решения задач энергосбережения сегодня необходим совершенно другой инновационный алгоритм. Начинать нужно не с бизнес-планирования своей работы, а с создания информационного поля, поиска объектов, партнеров, инвесторов… И только потом осуществлять бизнес-планирование по конкретному проекту. Это азы технологического бизнеса. Из всего вышесказанного следует вывод: очень многому нам сегодня нужно научиться. А где-то, что, наверное, еще сложнее, переучиться, переориентироваться, отойти от привычных стереотипов деятельности… Нужно перейти от бесплодных разговоров и обычной созерцательности к реальной деятельности по энергосбережению. Ее основой могут стать только системный анализ и современные информационные технологии и следовательно, реализовать эту концепцию способны будут только специалисты, овладевшие ими. 

4. Системные методы энергосбережения в химической промышленности. 

   Поскольку часто невозможно уменьшить энергопотребление и снизить уровень отрицательного влияния производства на среду без изменения технологических процессов, конкретная деятельность по реализации концепции устойчивого развития, которая давно уже для всех стран мира (кроме Украины) стала основной стратегической линией развития, и направлена либо на улучшение действующих, либо на создание новых технологических процессов, направленных не только на то, чтобы решать утилитарные проблемы, но и на защиту окружающей среды. 

  Концепция устойчивого развития (КУР) в нашем понимании полностью включает, использует концепцию энергосбережения и развивает ее. Дальнейшей задачей концепции является интеграция решений в области энергосбережения и защиты окружающей среды с усовершенствованием системы сбора данных и аналитических методов. Необходим комплекс методов оценки последствий решений в экономической, социальной и экологической сферах. Это необходимо не только на уровне отдельных проектов, но и на уровне политики и программ. Анализ должен включать в себя оценку затрат, выгод и рисков. При выполнении этого анализа основную роль должен играть аудит, который мы рассматриваем как интеграцию экспертизы и консалтинга для каждого проекта. К сожалению, сложилась практика, когда, зачастую непрофессиональными аудиторами выполняется лишь первый этап аудита и совершенно игнорируется необходимость выдачи профессиональных рекомендаций по устранению обнаруженных недостатков. Кроме того, обычно проводят совершенно независимо энергетический, экологический и технологический аудиты. Между тем, методы исследования при аудите и, главное, предлагаемые решения задач совершенствования объекта в этих видах аудита чаще всего идентичны или, по крайней мере, близки. Всегда одновременно с совершенствованием технологии улучшаются экологические и энергетические показатели объекта. Поэтому, видимо, давно следует проводить не автономные независимые аудиты, а комплексные эко – энерго - технологические аудиты. Это позволит значительно сократить время аудита, расходы и, главное, повысить его результативность и эффективность. 

   Реализовать концепцию устойчивого развития необходимо уже сегодня хотя бы для того, чтобы прекратить или сократить субсидирование объектов, которые не способствуют достижению целей устойчивого развития, проводить политику, способствующую снижению загрязнения окружающей среды и уменьшению ресурсопотребления, экологически безопасному освоению ресурсов, а также способствовать внедрению энергосберегающих экологически безопасных технологий. 

   Основой современного подхода к реализации концепции устойчивого развития и решения задач энергосбережения как одного из важных факторов устойчивости является системный анализ, являющийся по своей сути прикладной диалектикой, который исходит из того, что любая система, в том числе и природно-техническая, состоит из находящихся в иерархической зависимости под- и надсистем. Причем проблема обеспечения требуемых энергетических и экологических показателей на каждом иерархическом уровне носит частный характер, в то время, как для реализации общей цели необходимо установить основные определяющие компоненты системы, их внешние и внутренние связи, закономерности функционирования системы и связь частных параметров подсистем с общим интегральным показателем ее функционирования. 

   Рассматривая стратегические основы развития экономики страны или ее отдельной отрасли, нельзя не учитывать интегральные показатели – индексы устойчивости развития.  Современная методология энергосбережения, в значительной степени определяющего устойчивость развития, основана на системном анализе и, как отмечено, во многом совпадает с методологией экологизации. Именно системный анализ позволяет сформулировать основные стратегические принципы и определить тактические приемы реализации этих двух смежных направлений оптимизации, являющихся основой устойчивого развития сложных технических и экономических систем. 

   Некоторые из этих принципов имеют общетехнический характер (ресурсосбережение, рекуперация, утилизация низкопотенциальных энерговыбросов) и имеют особое значение для перерабатывающих отраслей промышленности, в частности, для химической, металлургической, пищевой. К примеру, реализуется концепция обеспечения энергетической малоотходности не столько за счет утилизации энергетических отходов или ресурсосбережения, сколько за счет повышения селективности, т.е. выхода высокопотенциального целевого продукта или отходов. В конце концов, эта концепция сводится к стремлению не бороться с энергетическими низкопотенциальными отходами, а вести процесс так, чтобы они образовывались в минимальном количестве. 

   Современная энергетическая оптимизация технологии предусматривает также не утилизацию или обезвреживание предварительно смешанных выбросов энергии, а локальную обработку выбросов по возможности как можно ближе к источнику их образования. Этот подход является альтернативой принятому у нас принципу создания глобальных сооружений утилизации или нейтрализации сразу всей смеси отходов энергии. Локальная обработка, максимально приближенная к источникам выбросов, как показал мировой опыт, оказалась гораздо более эффективным направлением, особенно в сочетании с концепцией индустриального симбиоза. Дороговизна локальных установок оказывается кажущейся, если принять во внимание затраты не только на производство энергии, но и на природоохранные мероприятия, в частности на утилизацию энергетических выбросов, предотвращение ущерба окружающей среде.

____________________________________

© Задорский Вильям Михайлович, Фиговский Олег Львович

Природа в фотографиях
Фотографии живой и неживой природы из разных частей света
На руинах рухнувших иллюзий
Смешались в кучу быт и психбольница... / Не время ль жить на водах и на видах / вдали от потребительской корзи...
Интернет-издание года
© 2004 relga.ru. Все права защищены. Разработка и поддержка сайта: медиа-агентство design maximum