автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Совершенствование методологии выбора технических решений для повышения эффективности защиты воздуха рабочих зон

На правах рукописи

ОВЧИННИКОВА ЛЮБОВЬ ЮРЬЕВНА

Совершенствование методологии выбора технических регаешш для повышенна эффективности зашгггы воздуха рабочих зон

05.26.01 - Охргпа труда (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 1997

Работа выполнена в Ростовском государственном строительном университете

Научные руководители: заслуженный деятель науки и техники

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Медиокритский Е.Л.

Ведущая организация: ТОО Фирма "ПРОЕКТПРОМВЕНТИЛЯЦИЯ" ЛТД

Защита состоится " " июня 1997 года в ов на заседании диссертационного совета К 063.64.02 при Ростовском Государственном строительном университете по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГСУ

Российской Федерации, д.т.н., профессор В.П. Журавлей, к.т.н., доцент Н А. Страхова.

к.т.н., профессор Караголип (О Н.

Автореферат разослан " " мая 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, у

к.т.н., доцент ^ - С Л. Пушенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Л к т у а л ь н о с т ь ра С> о т ы.

Дальнейшее эффективное развитие предприятий стройиидустрин связано, в первую очередь, с игх переводом на интенсивные технологии. Одной из основных причин, сдержи вагой (ей внедрение в строительной отрасли высокопроизводительного оборудования является загрязнение воздуха рабочих зон, расположенных как внутри производственных помещений, так и в приземном слое атмосферы. По мере повышения производительности технологического оборудования неуклонно растет интенсивность образования и выделения загрязняющих веществ, основными из которых являются пыль и газы. Загрязнение воздуха рабочих зон ухудшает условия эксплуатации технологического оборудования и время безаварийной его работы, санитарно-гигиенические условия труда работников, а, в ряде случаев, создает взрывоопасную ситуацию.

Без применения мероприятий по снижению содержания загрязняющих веществ их концешрация в воздухе рабочих зон в десятки и сотни раз превышает ПДК. На современном этапе развития производительных сил решающая рать в обеспечении нормативных параметров воздуха принадлежи! техническим средствам. Техника снижения содержания загрязняющих веществ в воздухе рабочих зон за многолетнюю историю своего развитая накопила обпгарный научно-практический потенциал. Его эффективное практическое использование определяется условиями оптимального применения имеющейся научно-технической информации в каждом конкретном случае, что требует сравнения возможных к применению вариантов технических решений и выбора оптимального варианта. Решение задачи обеспечения нормативных параметров воздуха рабочих зон невозможно без создания единого подхода к процедуре процесса выбора и принятия технических решений. В настоящее время общепринятым подходом является технико-экономическое обоснование Попытки расширить круг оптимизируемых параметров не носят системного характера и зачастую ограничиваются рекомендациями и качественной оценкой. При этом рекомендации, предлагаемые различными авторами во многом противоречивы и субъективны. Вследствие этого разработка единого подхода к процедуре оптимизации и выбора воздухоохран-ных технических решений при их принятии является актуальной задачей.

Диссертация выполнена в соответствии с планом важнейших научных исследований РГСУ по теме N 01.9.2004851 "Разработка и внедрение в практику систем жизнеобеспечения в производственной и окружающих средах".

Цель р по о ты.

Разработка методологии выбора инженерных решений по обеспечению надежной, эффективной и экономичной очистки воздуха рабочей зоны от промышленных загряшеннй.

Ноем работы заключается в моделировании процедуры многокритериального выбора при принятии технических решений по снижению содержания загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны.

Научная новизна заключается в следующем: I. Обобщены и систематизированы (по области применения и по типам решаемых задач) технические, экономические и функциональные параметры, характеризующие инженерные решения с точки зрения целесообразности их применения для снижения содержания загрязняющих веществ в воздухе рабочих зон. 2 Введены понятия технологической и санитарно-гигиенической эффективности, определяющие соответственно вероятность выполнения системой ССЗВ (или ее подсистемой) своего функционального назначения (улавливания, очистки, рассеивания и транспортирования) и вероетность снижения концентрации загрязняющих веществ в значимых точках воздуха рабочей зоны. ? Предложена группа критериев надежности, определяющая безотказность инженерных решений, математическое описание которых учитывает виды возможных отказов (внезапный, постепенный, параметрический) и различную степень детализации расчетов в зависимости от видов решаемых задач (ориентировочный и окончательный). 4 Разработана модель процедуры многокритериального выбора инженерных решений по снижению содержания загрязняющих веществ в воздухе рабочих зон, позволяющая осуществить прогноз целесообразности применения инженерного решения при различных значениях групп расчетных и нерасчетных критериев.

Досггнюерность научных положений выводов а рекомендаций подтверждаются:

- использованием классических положений теории вероятности; использованием известных из теории и практики методов, способов снижения содержания захрязняющих веществ в воздухе рабочих зон, а также их математического описания;

- применением при обработке результатов экспериментальных исследований аппарата математической статистики;

- удовлетворительной сходимостью результатов промышленных испытаний с теоретическими выводами работы.

Практическое значение работы заключается в разработке методики выбора технических решений по снижению содержания загрязняющих веществ в воздухе рабочих зон (на примерю подсистемы очистки), которая обеспечивает необходимую эффективность при максимальной надежности и минимальных энергетических и стоимостных затратах в условиях заданных технологических, физико-химических и архитектурно-планировочных ограничений.

Реализация работы.

Результат» работы (методика выбора) внедрены:

1. При проектировании подсистемы очистки системы ССЗВ бетоносмесительно-го узла в бетоносмесительном цехе Заречеиского завода ЖЬИ г. Росгова-иа-Дону.

2. При экспертной оценке надежности работы системы ССЗВ от деревообрабатывающих станков в цехе по изготовлению столярных изделий ТОО фирмы "САМ" г. Ростов- на- Дону.

3. Модель процедуры выбора технических решений использована в учебном процессе РГСУ (кафедра ОТОС) в рамках лекционных курсов "Надежность и техногенный риск", спецкурсов и ПИР для студентов специальности 330200 "Инженерная защита окружающей среды".

Апробация [юботы.

Основные положения работы доложены и одобрены на: Всероссийской шестой методической конференции "Безопасность жизнедеятельности человека", г. Новочеркасск, 1994г.; Международной студенческом научно-практической конференции: "Экология и регион", г. Ростов-на-Дону, 1995г.; Международном научном симпозиуме "Природа и человек: Взаимодействие и безопасность жиз-недеятеьности", г. Таганрог, 1996г.; Российской научно-технической конференции, г. Оренбург, 1996г.; Международной научно-практической конференции РГСУ, г. Ростов-на-Дону, 1997г.; Областном конкурсе по "Охране окружающей среды", г. Росгой-на-Дону, 1996г.; ежегодных научно-практических конференциях РГАС, 1992-1997г.

По результатам областного конкурса по "Охране окружающей среды" 1996 года наутая работа отмечена грамотой.

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в семи научных работах, а также в госбюджетных научно-технических отчетах кафедры "Охраны труда и окружающей среды" РГСУ.

Объем и структура работы. Работа состоит из: введения, 5 разделов и заключения представленных на 193 стр., машинописного текста 184 стр., рисунков 35, табл.14, приложений на 11стр. и библиографии из 130 наимепопанин литературных источников на русском и иностранных языках.

На защиту выносятся следующие основные положения: I. Целесообразность применения технических решений по снижению содержания загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны определяются тесной взаимозависимостью рассчитываемых технических, функциональных и экономических параметров, а также нерассчитываечых критериев-ограничений: - в технологических рассчитываемых параметрах понятия санитарно-гигиенической и технологической эффективности систем ССЗВ определяют, соответственно, вероятность выполнения системой ССЗВ (подсистемой) своего функцио-

нального назначения (улавливания, очистки, рассеивания и транспортирования' и вероятность снижения концентрации за!рязняющих веществ в значимых точках воздуха рабочей зоны;

- в функциональных рассчитываемых параметрах понятие надежности систем ССЗВ определяют вероятность сохранения физической и параметрической работоспособности в течении заданного периода времени, математическое опи-описанне которого учитывает внезапную, постепенную и параметрическую безотказность;

- нерассчитываемые параметры-ограничения количественно и экспертно ovlиcы-вают архитектурно-планировочные, производственно-технологические условия и физико-химические свойства загрязняющих веществ.

2. Модель процедуры многокритериального выбора технических решений пс снижению содержания загрязняющих веществ позволяет осуществлять прогноз целесообразности их применения с учетом групп рассчитываемых (эффективность, надежность, экономичность) и нерассчитываемых критериев (архитектурно-планировочные, производственно-технологические условия, физико-химические свойства).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Основным обобщающим требованием, предъявляемым к системам снижения концентрации вредных веществ в воздухе (ССЗВ), является обеспечение необходимой эффективности при максимальной надежности и минимуме энергетических и стоимостных затрат применительно к конкретным производственно гехнологаческим условиям. Однако, на практике дзлеко на всегда системы обеспечивают даже достаточную для достижения санитарных норм эффективность. Одной из основных причин этого является доминирование субъективного фактора при выборе и проектировании систем, основанного на интуиции и опыте проектировщика или эксплуатационника

Поэтому проблема обеспечения нормативных параметров воздуха рабочей зоны по содержанию загрязняющих веществ в каждом конкретном случае усложнена неоднозначностью, субъективностью выбора варианта метода, способа, конструктивного решения, наиболее приемлемого в конкретных производственно-технологических условиях.

Процедура выбора представляет собой оптимизацию, использующую систематизированное информационное пространство и комплекс критериев, использование которых должно обеспечить объективно обоснованное выделение одного решения или примерно равнозначных вариантов, которые при оптимальном соотношении технологических, экономических, функциональных, эргономических и других факторов процесса снижения загрязнения позволят уменьшить концентрации загрязняющих веществ в воздухе рабочих зон внутри помещения, а также в приземном слое атмосферы до предельно-допустимых величин.

Для решения этой задачи нами проведено обобщение и систематизация имеющегося материала в области обеспечения чистоты воздуха рабочей зоны.

В качестве опорной терминологии в работе использованы следующие основные уточненные нами определения:

- загрязненный воздух рабочих зон - дисперсная система, состоящая из дисперсной фазы ( загрязняющего вещества ), роль которого выполняет пыль, твердые и жидко - капельные частицы, газовые примеси, и дисперсионной среды (воздух, газ);

- процесс снижения загрязнений воздуха рабочих зон - процесс отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды, с различной степенью эффективности, степень достаточности которой определена санитарно - гигиеническими нормативами через ПДК;

- система ССЗВ - совокупность взаимосвязанных между собой элементов ( известных подсистем улавливания, очистки, рассеивания и введенной нами подсистемы транспортирования), обеспечивающих конструкпшгую целостность и подчиненных единой цели - уменьшению концентрации содержащихся в воздухе загрязняющих веществ. При этом расширение известпого перечня подсистем путем введения четвертой подсистемы (подсистемы транспортирования), являющейся необходимым связующим звеном, позволяет говорить о единственности решения поставленной задачи снижения загрязнений воздуха рабочих зон;

- техническое решение - последовательная совокупность реализации " метода, способа, устройства " подсистем ССЗВ с возможной конкретизацией каждого ее звена на любом этапе процесса снижения загрязнений;

- выбор инженерш« мероприятий - принятие объективно обоснованного технического решения системы ССЗВ, которое при оптимальном соотношении технологических, экономических, эргономических и других параметров процесса снижения загрязнений в конкретных производственных условиях обеспечит уменьшение концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны, промышленной площадки и атмосфер« населенных мест до предельно-допустимых значений.

Учитывая многообразие известных классификаций процессов и устройств по борьбе с загрязняющими веществами, трудности ориентации при их выборе для практического использования, а также необходимость единого подхода ко всей системе как совокупности взаимосвязанных элементов (от источника до выброса), в процессе выбора технических решений нами реализован единый системный подход к рассмотрению этой проблемы с максимальным учетом всех определяющих ее факторов.

Процедура выбора предполагает, прежде всего, наличие критериев, количественно оценивающих то или иное качество конкретного физического процесса или объекта системы. Критерии, входящие в группы технических, экономических и функциональных параметров, зачастую являются несводимыми и конкурирующими.

В результате проведенной систематизации критериев мы выделили рассчитываемые и нерассчитываемые группы критериев.

Причем нерассчитываемые критерии использованы нами в качестве полноправных критериев выбора, высту пающие как условия-ограничения, объективно определяющие исходные производственно-технологические условия (рис. I).

рис. 1 Группа нерассчитываемых критериев Группа нерассчитываемых критериев-ограничений охватывает весь спектр групп архитектурных, технологических и физико-химических условий практической реализации систем (подсистем) ССЗО. Учет этих критериев позволяет дать экспертную (качественную) оценку и максимально учесть любого рода сведения, известные из теории и практики. По мере развития научных знаний по этим критериям замена качественных экспергных оценок на количественные диапазоны изменения их значений не вызовет затруднений.

Поскольку основным обобщающим требованием, предъявляемым к системам снижения концентрации вредных веществ в воздухе, является обеспечение необходимой эффективности при максимальной надежности и минимуме энергетических и стоимостных затрат, в качестве основных рассчитываемых групп критериев мы использовали наиболее часто применяемые на практике:

- технологические (эффективность);

- функциональные (надежность),

- экономические (чистый диск01гтированный доход и энергетические затраты)

Приоритет критерия эффективности обусловлен, прежде всего, целевым назначением систем ССЗВ и ее подсистем. Кроме того, перечень и значимость других критериев в процедуре выбора также определяется их влиянием на эффективность. Так, надежность является характеристикой изменения качества работы систем (эффективности) во времени, а экономичность - характеристикой удельных энергетических затрат или стоимости при заданной эффективности. Чем выше требования к степени очистки воздуха и к надежности систем, тем большими оказываются энергопотребление, капитальные и эксплуатационные затраты.

Систематизация и форматизация всей совокупности представлений об эффективности, как понятия, и разработка алгоритмов, пригодных для проведения инженерных расчетов, легли в основу возможности использования эффективности как критерия выбора.

Проведенная систематизация и анализ применяемых в настоящее время параметров эффективности по области применения позволили определить в качестве основного рассчитываемого критерия, интегральную (фракционную) эффек-

тивность. В соответствии с типами решаемых задач нами выделены два вида критериев эффективности (рис.2):

-технологическая эффективность, характеризующая вероятность выполнения подсистемой (системой) своего основного целевого назначения ( процессов улавливания, очистки, рассеивания, транспортирования) - Е,«,,;

- санитарно-гигиеническая эффективность, характеризующая вероятность снижения концентрации загрязняющих веществ в значимых точках рабочей зоны - Ее.

Формализация представлений о группе параметров эффективности в совокупности с обобщением известных математических зависимостей для ее определения положены в основу выбора технических решений по защите воздуха рабочих зон от загрязняющих веществ.

Эффективность снижения концентрации вредных веществ в воздухе при соблюдении конструктивных, параметрических, технологических требований, предъявляемых с системам ССЗВ (четырем подсистемам в нее входящим), обеспечивается, прежде всего, их качественной работой во времени.

Реализация этого условия возможна в случае выполнения функциональных требований, предъявляемых к надежности работы систем ССЗВ. Если критерии эффективности и экономичности достаточно широко представлены как в теоретических, так и практических работах по защите воздуха рабочих зон от ЗВ и по ним имеется достаточно разнообразная справочная литература, то критерии надежности в технике защиты воздуха известны только в качестве обшетехниче-ских рекомендаций, без уточнения конкретных критериев н расчетных схем для их определения.

Надежность системы ССЗВ (подсистемы) определена нам и как свойство сохранять способность выполнять заданные технологические и санитарно-гигиенические функции по сохранению во времени значении установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям их работы, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировшгия. Это обобщенное понятие включает такие свойства, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость, а также их сочетания. Безотказность стоит первой в логической последовательности параметров описывающих надежность систем ССЗВ (ее подсистем). При наступлении отказа как отдельная подсистема, так и система ССЗВ в целом перестает выполнять свои функции, следовательно нельзя говорить ни об эффективности, ни о каком-либо другом критерии ее работы. Последнее позволило нам выделить безотказность в качестве основного свойства систем ССЗВ, характеризующим ее надежность.

Систематизация представлений о природе появления отказов позволила определить группу критериев надежности с точки зрения их возникновения по времени и причинам появления (рис.2):

- внезапные отказы, обусловленные воздействием внезапной внешней нагрузки, превышающей допустимую, Они имеют случайный и непредсказуемый характер и не зависят от конструктивных особенностей технического решения, а также уровня технического обслуживания;

- постепенные отказы, обусловленные постоянным изменением характеристик технического устройства при его эксплуатации. Такие отказы, возникающие хоть и случайно, можно предотвратить путем профилактических осмогров и ре-мотов",

- параметрические огказы, являющиеся частным случаем постепенных отказов, когда при физической работоспособности технического решения возникают сбои в его работе по какому-либо определяющему параметру. В нашем случае этим параметром является эффективность

Проведенные систематизация и анализ параметров безотказности позволили определить вероятность безотказной работы в качестве основного рассчитываемого критерия надежности.

рис. 2. Классификация критериев эффективности и отказов по типам решаемых задач

С точки зрения надежности система ССЗВ представлена нами в виде основного соединения элементов, которое подразумевает совокупность элементов системы (подсистемы), безусловно и единственно необходимых для выполнения ею своего назначения, отказ каждого из которых ведет к прекращению нормальной работы всей системы.

Учитывая особенности показателей надежности, их вероятностно-статистический характер, законы распределения, которые описывают безотказность работы систем ССЗВ (подсистем) и характер возможных огказов (внезапный, постепенный, параметрический) в математической модели нами вы-

делены два вида расчетов по критерию надежности: ориентировочный и окончательный.

Ориентировочный расчет учитывает влияние на надежность только количества и типов применяемых элементов, а окончательный расчет выполняется когда известны реальные режимы работы цементов после испытаний в лабораторных или промышленных условиях или после тщательного расчета общей схемы системы.

В зависимости от природы возникновения отказов, в математическом описании физической и параметрической безотказности нами использованы параметры и законы, описывающие распределение случайной величины (табл. 1).

Таблица. 1.

Математическое описание основных видов отказов.

Вид отказа Закон распределения Вероятность безотказной работы

Внезапный экспоненциальный Р,(/)-ехр(-Я * / |— при непрерывной работе

/>,(/) = ехр(-А:хЛ)-при цикличной работе

Постепенный и параметрический ■у- распределение -й*' У ¿г '')

нормальный Х-с />(')='-¿г ]е"Чи

логнормальный 'еГ-с Р(') = 1- }2л \ е^с1и

где X - интенсивность возникновения отказов, 1/шт; £ - количество включений (циклов), для которых рассматривается вероятность безотказной работы, шт; ( - время, для которого рассчитывается вероятность безотказной работы, ч,С - математическое ожидание времени безотказной работы объектов, ч, (у - дисперсия.

Внезапные отказы подчиняются экспоненциатьному распределению. В этом случае повышение надежности достигают путем принципнального конструктивного улучшения систем и ее элементов, или путем снижения внешних чагрузок-

При отказе системы в случае накопления нескольких повреждений (износе), необходимо использовать у - распределение времени безотказной работы. При-

чем, с увеличением числа повреждении нами учтен возможный переход от у -распределения к нормальному и логнормальному законам

Условия применимости законов распределения случайной величины вероятности безотказной работы нами определены через значение величины накопления повреждения до отказа г '■

11 - экспоненциальный закон распределения;

I < г ¿12-у- распределение; (I)

12 - нормальный (логнормальный) закон распределения:

Г ™ . (2)

где Д/ - предельный уровень износа; У - приращение

износа за каждое повреждение.

Этот подход, основанный на математическом анализе областей применения законов распределения случайной величины, учитывает только среднюю скорость возникновения повреждения. Поэтому, принимая во внимание перечисленные выше особенности различных видов расчетов, величина с найденная по

выр. (1) может быть использована на стадии ориентировочного расчета.

На стадии окончательного расчета величина накопления повреждения до отказа г оценивается через статистические параметры, полученные на базе экспериментальных данных лабораторных или промышленных испытаний образцов.

Т

где 'Г - среднее время безотказной работы объекта, - среднеквадратичное отклонение времени безотказной работы объекта от среднего значения, ч~.

Увеличение требований по надежности к системам снижения загрязнений, к повышению их эффективности влечет за собой увеличение энергозатрат и стоимостных затрат на их сооружение и эксплуатацию. Поэтому необходимо выделить экономические показатели в качестве третьей группы рассчитываемых критериев при оценке и выборе систем ССЗВ.

Экономический критерий по стоимостным затратам определен нами как-чистый дисконтированный доход (Э), в расчетной зависимости которого учтен ущерб, наносимый состоянию атмосферы в результате загрязнения воздуха:

(4)

где ,- штата за выбросы соответственно до и после сооружения системы ССЗВ, руб./год; К - капитальные затраты на сооружение системы ССЗВ,

руб/год; С.". - затраты на эксплуатацию системы ССЗВ, руб./год, Е ' норма

дисконта, равная приемлемой для инвестора норме дохода на капитал;'/ -время эксплуатации, год.

Известное понятие удельных энергозатрат, пошедших на реализацию процесса снижения загрязнений воздуха загрязняющими веществами, также использовано нами в качестве рассчитываемого критерия..

Проведенные анализы и систематизация основных расчетных критериев оценки технических решений по снижению игрязнсния, позволили разработать процедуру методики объективно обоснованного выбора технических решений, применительно к конкретным производственно-технологическим условиям

Процедура выбора технических решений системы ССЗВ, положенная в основу одноименной методики, разработанной в работе, предусматривает:

- максимальную информационную насыщенность, прежде всего , норматипно-справочними данными, что обеспечивает снижение субъективного фактора и делает возможным доступ к процедуре выбора практически любого пользователя независимо ог его квалификации и без ущерба принимаемым решениям;

- алгоритмический принцип построения, что связано с последующим использованием средств вычислительной техники для ее практической реализации, что несет явные преимущества, связанные с быстротой обработки информации по принятию технических решений;

- открытость алгоритма выбора, что обеспечивает его саморазвивающийся характер и доступность к любого рода дополнениям и изменениям без нарушения общей структуры;

- диалоговый режим организации алгоритмической процедуры выбора, что позволяет при принятии тех(шческих решений решать как общую задачу ( по подсистемам, критериям и т.п.), так и любого рода частную, связанную с анализом отдельных подсистем, технических решений, критериев и т.п.

Укрупненная блок-схема методики выбора технических решений по защите воздуха рабочих зон от загрязняющих веществ предстазлена на рис. 3. Она включает шесть связанных между собой блоков, каждый из которых реализует соответствующий этап процедуры выбора:

- блок постановки задачи выбора;

- блок исходных данных, совмещенный с 1 ступенью выбора;

- блок справочных данных;

- расчетный блок;

- блок П ступени выбора и печати результатов.

Блок постановки задачи стоит первым в последовательности реализации методики выбора, он необходим для уточнения объекта и предполагаемого объема задачи выбора технических решений. Этот этап позволяет определить, по какой подсистеме (системе в целом) принимается решение, какие критерии выбора рассматривают при его оценке и принятии решения.

После уточнения условий постановки задачи переходят к вводу исходной информации. При этом под "информацией" мы понимаем такие сведения об ис-чотых данных, которые качественно н количественно отображают всю совокупность факторов: физико-химических свойств ЗВ, архитектурно-планировочных производственно-технологических условий и обеспечивают решение поставлен-

ной задачи выбора с выявлением зоны неопределенности оптимальных технических решений.

Ввод исходных данных по группам нерассчитываем ых критериев-ограничений позволяет перейти к их анализу и реализации 1 ступени выбора технических решений (блок ! ступени выбора). Соответствия между техническими решениями систем ССЗВ (подсистем) и группами критернев-ограничецнй табулированы с учетом многочисленных данных, представленных в справочной и научной литературе по этому вопросу. I ступень выбора реализуется по последовательной схеме, заключающейся в последовательном исключении вариантов, неудовлетворяющих требованиям критериев-ограничений, и исключающей дальнейшее рассмотрение технических решений системы ССЗВ (ее подсистем), не удовлетворяющих хотя бы по одному критерию-ограничению. Таким образом при анализе условий, применительно к которым проектируется система ССЗВ (подсистема) учитываются планировочные решения производственного помещения, технологическая схема производства, оборудозапие путем задания соответственно архитектурно-планировочных и производственно-технологических критериев-ограничений. Физико-механические и физико-химические свойства загрязняющих веществ, выделяющихся от технологического оборудования, учитываются заданием физико-химических свойств загрязняющих веществ как критериев-ограничений.

На этом этапе процедуры выбора формируются варианты технических решений, применение которых возможно в данных производственно-технологических условиях. Каждый такой вариант может состоять как из одного технического решения, так и из их сочетания (одно- и многоступенчатые схемы).

Определение вариантов технических решений позволяет перейти ко II ступени выбора - оптимизации по группам рассчетываемых критериев. Для этого определяются их численные значения. Учитывая большой объем проводимых расчетов этот предварительный этап II ступени выбора выделен в отдельный расчетный блок.

Расчетный блок предлагаемой методики представляет собой математическое описание рассчитываемых критериев работы системы ССЗВ или отдельных ее подсистем. Предусмотрена возможность оптимизации и выбора технических решений как по всем расчетным критериям (эффективности, надежности, экономическим и энергетическим затратам) так и по какому-либо отдельно взятому кри-з«рию.

Расчеты по каждому из используемых критериев осуществляются независимо друг от друга. В то же время учитывается и их взаимосвязь. Так, уровень параметрической надежности должен обеспечивать требуемый диапазон значений эффективности систем ССЗВ. В случае, если эффективность работы в рамках подсистемы меньше требуемой (по санитарно-гигиеническим и экологическим нормативам) методика предусматривает возможность реализации многоступенчатой схемы технических решений, что обязательно отразится на значениях надежности, экономических и энергетических затратах.

УТОЧНЕНИЕ ОБЪЕКТА ЗАДАЧИ ВЫБОРА

Система СС"Ш

подсистемы

транспортирования

I

улавливания

т

очистки

рассеивания

блок постановки задачи

ТЕКУЦИЕ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Группы нерассчотываемых критериев

I-

Лрхитек-турно-планировочные

Производ-сгвенно-технологические

Физико-химические свойства ЗВ

X

Дисперсная фаза

Г 1

1

Дисперсионная среда

1

Ввод данных по критериям

блок исходите данных

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАБОРА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИИ ВОЗМОЗЯЫХ К ПРИМЕНЕНИЮ В ДАННЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Учет значений нерассчитываемых критериев

Компоновка расчетных вариантов технических решений

блок I ступени выбора

СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ

Система СС'ЗН и ее подсистемы

методы

способы

виды

технические устройства

вспомогательное оборудование

/ 'руппы нерас-

считывачых

критериев

соответствие технических решений и критериев

требования проектирования

требования по охране труда

рис.3. Блок-схема методики выбора технических решений по защите воздуха рабочих зон от загрязняющих веществ

Важным моментом разработки методики выбора технических решений по тащите воздуха рабочих зон от ЗВ является предусмотренный в ней блок справочных данных. Его структура повторяет структуру и последовательность реализации всех рассмотренных блоков (этапов методики). Он несет в себе систематизированную общетехническую, проектную, нормативную и другого рода справочную информацию, доступ к которой открыт на любом этапе осуществления методики выбора технических решений.

Определение оптимальных вариантов технических решений систем ССЗВ (ее подсистем) для заданных производственно-технологических условий осуществ-ляегся при реализации заключительного блока процедуры методики - блока II ступени выбора.

В отличие от первого этапа выбора, который реализован по последовательной схеме, выбор с использованием рассчитываемых критериев реализуется по параллельной схеме с возможностью использования утяжеляющих (весовых) коэффициентов. Параллельная схема предусматривает определение "суммы месг" по всем расчетным критериям для каждого из рассматриваемых вариантов технических решений. Вариант (варианты) технических решений, набравший минимальную "сумму мест", свидетельствующую о том, что данное решение обладает лучшими характеристиками по группам рассчитываемых критериев, является наиболее предпочтительным при принятии технического решения.

Нами предусмотрена априорная группировка расчетных критериев в матрицу, при которой учтено требование достижения максимальной эффективности и надежности и минимальных энергетических и экономических затрат, что базируется на их взаимосвязи при работе систем ССЗВ (подсистем).

В результате параллельной (матричной) оптимизации определяют технические решения, наиболее адаптированные к данным производственным условиям, удовлетворяющие этим требованиям, и получают в виде выходной информации перечень выбранного одного или нескольких вариантов технических решений, численные значения расчетных параметров которых максимально удовлетворяют условиям I и II этапа выбора. В связи с этим необходимо отметить, что полное соответствие условиям максимальной эффективности н надежности при минимальных стоимостных и энергозатратах достижимо только при использовании рангового подхода через применение утяжеляющих коэффициентов. При обычном анализе конкурирующих вариантов речь может идти только об относительной их оптимальности, достижимой в данных производственно-технологических у словиях. Последнее не снижает ценности получаемых результатов, т.к.:

- отражает реальную ситуацию условий выбора технических решений:

- отражает реально - достижимый технике - экономический уровень реализации систем ССЗВ (подсистем);

- в наибольшей степени лишено влияния субъективного фактора.

Таким образом, оптимизация и выбор технических решений предусматривает использование большого количесгва исходных, промежуточных и результирую-

щих параметров, что обуславливает существенный объем информации. Последнее предполагает создание удобной сервисной оболочки процедуры выбора технических решений, позволяющей облегчить определение границ рассматриваемой задачи, ввод данных, задания основных критериев, расчеты, оптимизацию и вывод результатов.

В связи с этим для практической реализации предлагаемой методики для подсистемы очистки разработан программный комплекс "МЕТСЬЕАИ" выбора технических решений на языке ТиЯВО-РАБКЛЬ 6.0 для ПЭВМ.

Представленная методика выбора технических решений по снижению загрязнений воздуха является саморазвивающейся, предусматривает возможность усовершенствования, расширения и создания на ее базе единого комплекса по проектированию технических решений по защите воздуха от загрязняющих веществ

Методика апробирована нами: !. При проектировании подсистемы очистки загрязненного воздуха от пыли немента и песка на узле перегрузки составляющих бетонной смеси от бетоносмеси-тельной установки СБ-70-1 в бетоносмесительном цехе, Ростовского-на-Дону Зареченского завода ЖБИ. Установка цикличная, с двухступенчатой подачей сырьевых материалов, вертикальной компоновки (3 уровня обслуживания), объемный расход аспирируемого воздуха 0,19м5/с. Определенная нами концентрация загрязняющих веществ в рабочей зоне составила:

- I уровень обслуживания: (10,200м) Сср=394мг/м3;

- 2 уровень обслуживания (6,700м) Сср=226мг/м3;

- 3 уровень обслуживания (3,400м) Сср=93мг/м3.

Значение требуемой эффективности подсистемы очистки рассчитано из условия соблюдения санитарно-гигиенических норм в воздухе приземного слоя атмосферы с учетом ПДВ и составило 91,73%.

Методика использована в полном объеме применением программного комплекса "МЕТСХЕАК".

В результате 1 этапа определен перечень технических решений (3 варианта) возможных к применению в даш)ых производственных условиях (табл. 2)

Полученные расчетные значения эффективности очистки по этим вариантам не обеспечили соблюдения требуемой эффективности очистки, поэтому, к дальнейшей оценке и оптимизации приняты варианты двух ступенчатой очистки воздуха: I вариант (I ступень: метод - аэродинамический, способ- инерционный, вид- центробежный, устройство - циклон марки ЦН-1 !;2 ступень: способ - фильтрационный, метод - фильтрационный, вид - регенерирующиеся, устройство -фильтр ФВ-30);2 вариант (1 ступень: способ - аэродинамический, метод - инерционный, вид- центробежный, устройство - циклон марки ЦН-11, (1 315мм: 2 ступень- способ - гидродинамический, метод - гидравлический, вид - орошение, подвид - низконапорное орошение, устройство - скруббер, с!=400мм). Их компоновка учитывает три ранее определенных варианта технических решений Оптимизация проведена по всем группам рассчитываемых критериев: эффективности, надежности, экономическим и энергетическим затратам.

Таблица 2.

Реализация I этапа методики выбора но нерасечитываемым группам критериев.

Группы критериев Возможные к применению варианты технических решений подсистемы очистки. Эффективность очистки, %

N гт/п Метод Способ Вид Устройство

Архитектур- план ировоч.. Производст,- технологич. Физико.-хим. свойства 1 аэроди-намич. инерционный центробежный ЦН-11, сГ'315 мм 90,8

2 филь-трац. фильтрационный регене-рирующ. фильтр ФВ-30 90,0

3 гидродинам. гидрав-лическ. низконап орошение скруббер (ЫООмм 89,2

В результате реализации расчетного блока методики определены численные значения рассчитываемых критериев и в соответствии со вторым этапом методики выбора произведена оптимизация расчетных вариантов технических решений по их численным значениям (табл. 3)

Таблица 3.

Сводная сравнительная таблица-матрица вариантов технических решений подсистемы очистки.

наименование эффективность, % надежность, % экономические затраты,руб/год энергешч. затр., К Д ж/1000м1 газа сумма мест

1 вариант 99,1 59,40 382 713,68 4

2 вариант 99,0 56,36 517 912,83 8

оптимального варианта технического решения подсистемы очистки принят I вариант (1 ступень очистки: метод -инерционный, способ - центробежный, техническое устройство - циклон ЦН-П; 2 ступень очистки: метод - фильтрационный, способ - фильтрационный, вид - регенерирующиеся, техническое устройство - ФВ-30).

2. При экспертной оценке надежности уже существующей системы ССЗВ в деревообрабатывающем цехе ТОО "С.А.М" г. Ростова-на-Дону.

Соблюдение санитарно-гигиенических норм воздуха рабочих зон в цехе обеспечивает двухступенчатая подсистема очистки ССЗВ (1ступень: уловитель крупных отходов (опилок и стружки), реализующая аэродинамический метод, способ гравитационного осаждения, эффективность очистки воздуха по данным паспорта на установку очистки газов составляет 59%;2 ступень: циклон института Гнпродревпроча, ( метод аэродинамический, способ - инерционный, вид - центробежный), эффективность очистки по данным паспорта на установку очистки

газов составляет 97%. Система С'СЗВ обслуживала 4 станка и выполнена по последовательной схеме. Требуемая эффективность очистки, найденная из условия соблюдения санитарно-гигиенических норм в воздухе приземного слоя атмосферы с учетом ПДВ составила 98.2°'о.

Опыт эксплуатации системы в течении 3 лет показал, что при фактической эф<|>ективности очистки 98,7%, удовлетворяющей санитарно-гигиеническим требованиям, надежность работы системы вызывает сомнения и требует оценки с целью выработки рекомендаций по совершенствованию системы ССЗВ.

Для решения задачи экспертной оценки надежности существующей системы ССЗВ в деревообрабатывающем цехе нами использована методика выбора технических решений, реализованная программным комплексом «METCLEAR». В качестве основною расчетного критерия, используемого для экспертной оценки принят критерий физической надежности работы системы - вероятность безотказной работы по постепенным отказам. Постепенные отказы работы системы ССЗВ обусловлены забиванием вертикальных участков отводов от технологического оборудования в районе дроссельных шайб и на участках, примыкающим к местным сопротивлениям (отводам, тройникам и т.п.).

В качестве исходного материала для расчета использованы данные по времени межремонтных циклов за последние 3 года эксплуатации системы по журналу выпуска продукции деревообрабатывающего цеха.

Оценка требуемой степени надежности по постепенным отказам рассматривалась нами из условия обеспечения безотказной работы технологического оборудования в течении рекомендуемого планового межремонтного цикла вентиляционных систем, транспортирующих пыль и газы некоррозиошюго действия, составляющего шесть месяцев, т.е. 1200 часов при пятидневной рабочей неделе, односменном и восьмичасовом рабочем дне.

При таком интервале обязательной работы системы ССЗВ, требуемая вероятность безотказной работы (по постепенным отказам) составила 99,65%. Проведенная нами экспертная оценка фактического значения вероятности безотказной работы по постепенным отказам показала, что она составляет 81,13%.

Таким образом, система ССЗВ деревообрабатывающего цеха не удовлетворяет параметрам надежности, предъявляемым к вентиляционным системам. В качестве рекомендаций, направленных на повышение надежности работы систем ССЗВ, нами предложено изменить схему системы ССЗВ, заменив схему ее трассировки с последовательной на кустовую.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В результате теоретических исследований и практической реализации методологии выбора технических решений для повышения эффективности защиты воздуха рабочих зон в работе:

1 Обобщены и систематизированы (по области применения и типам решаемых задач ) представления о технических, экономических и функциональных параметрах, определяющих целесообразность применения технических решений по снижению содержания загрязняющих веществ в воздухе рабочих зон.

2. Предложены и исследованы понятия технологической и санитарно- гигиенической эффективности, определяющие соответственно вероятность выполнения системой ССЗВ (подсистемой) своего функционального назначения (улавливания, очистки, рассеивания и транспортирования) и вероятность снижения концентрации загрязняющих веществ в значимых точках воздуха рабочей зоны.

3. Предложена и исследована группа критериев надежности, определяющая безотказность технического решения, математическое описание которых учитывает виды возможных отказов (внезапный, постепенный, параметрический) и различную степень детализации расчета в зависимости от его вида (ориентировочный и окончательный).

4. Разработана методика выбора технических решений по снижению содержания загрязняющих веществ в воздухе рабочих зон, реализация которой обеспечива-ает необходимую эффективность при максимальной надежности и минимальных энергетических и стоимостных затратах в условиях заданных технологических, физико-химических и архитектурно-планировочных ограничениях (на примере подсистемы очистки);

6. Результаты работы внедрены:

-при проектировании подсистемы очистки системы ССЗВ от бегономесителыюго утла в бетоносмеснтельном цехе Заречепского завода ЖБИ г. Ростова-на-Дону; -при экспертной оценке надежности работы системы ССЗВ от деревообрабатывающих станков в цехе по изготовлению столярных изделий ТОО "С.А.М." г. Ростова-на-Дону.

7. Модель процедуры выбора технических решений использована в учебном процессе РГСУ ( кафедры ОТОС ) в рамках лекционных курсов " Надежность и техногенный риск ", спецкурсов и НИР для студентов специальности "330200 - Инженерная защита окружающей среды"

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Страхова H.A., Бударь Л.Ю. (Овчинникова Л.Ю.) Принятие технических решений в вопросах загрязнения воздуха // Тезисы докладов шестой Всероссийской научно-методический конференции "Безопасность жизнедеятельности человека" //. - Санкт-Петербург: 1994. - с.61. 2 Бударь Л.Ю. (Овчинникова Л.Ю.) Выбор технических решений по очистке воздуха от загрязняющих веществ // Системы обеспечения нормативных параметров воздушной среды. Сборник научных трудов //. - Ростов-на-Дону: РГАС, 1993.-с.16.'

3. Страхова H.A., Бударь Л.Ю. (Овчинникова Л.Ю.) Автоматизация принятий технических решений по защите атмосферы. //Экология и регион. Материалы международной студенческой научно-практической конференции Ч. - Ростов-на-Дону: РГ АС, 1995. -с. 232. 4 Журавлев В.П., Страхова H.A., Бударь Л.Ю. (Овчинникова Л.Ю ) Анализ эффективности систем защиты воздушного бассейна как критерия их выбора ' Известия академии промышленной экологии N 1-2 //. -М.: Изл. АПЭ. 1996. -

с.74.

5. Бударь Л.Ю. (Овчинникова Л.Ю.) Формализованный автоматизированный выбор систем снижения загрязнений // Тезисы докладов Российской научно-технической конференции //. -Оренбург: 1996г. - с. 171.

6. Слрахова H.A., Бударь Л.Ю (Овчинникова Л.Ю.) Критерии - основа автоматизированного выбора технических решений по защите атмосферы от вредных выбросов. // Материалы международного научного симпозиума "Природа и человек: Взаимодействие и безопасность жизнедеятельности" //. -Таганрог: 1996г. с. 4.

7. H.A. Страхова, Л.Ю. Бударь (Овчинникова Л.Ю.) Объективный выбор систем защиты воздуха // Тезисы докладов международной научно-практической конференции//. -Ростов-на-Дону: РГСУ ИИЭС, 1997г. - с. 60.

Вклад автора в работах 2,3,5,6,7 заключается в моделировании процедуры выбора инженерных решений по обеспечению надежной, эффективной и экономичной очистки воздуха рабочей зоны от промышленных загрязнений.

ЛР 020818 от 20.09.03. Подписано в печать 13.05.97. Формат 60x84' Бумага белая. Ризограф. Уч. - изд. 1,0. Тираж 110 экз. С 136.

Редакционно-издательскнй; центр Ростовского государственного строительного университета. 344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162.