научная статья по теме МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТХОДОВ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ С ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДОЙ Геофизика

Текст научной статьи на тему «МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТХОДОВ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ С ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДОЙ»

L ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ,

А

УДК 502.36:622.276

© Е.А. Колобова, 2015

Методологические принципы моделирования взаимодействия отходов нефтеперерабатывающих производств с окружающей природной средой

Е.А. Колобова

(Пензенский гос. технологический университет)

Methodological principles of modelling

oil refineries waste interaction with the natural

environment

Адрес для связи: Bel-eka@yandex.ru

Ключевые слова: отходы нефтеперерабатывающих производств, окружающая природная среда, математическое моделирование, система управления отходами, системный анализ.

E.A. Kolobova (Penza State Technological University, RF, Penza) E-mail: Bel-eka@yandex.ru

Key words: oil refineries waste, natural environment, mathematical modelling, waste management system, system analysis.

The oil refinery and the surrounding natural environment are presented as complex technical systems, as objects of research and modelling. The methodological principles of modelling the interaction of oil refineries waste with the natural environment are proposed. System analysis of oil refinery -natural environment system is made on the basis of the proposed principles.

Проектирование и разработка экологически безопасных производств связаны со значительным объемом экспериментальных исследований, физическим и математическим моделированием. Анализ и оценка влияния антропогенных факторов на окружающую природную среду (ОПС) обусловливают необходимость проведения большого числа научных работ, изучения механизмов взаимодействия составляющих производств, различных физико-химических процессов, методов и алгоритмов управления объектами промышленных предприятий. Вместе с тем значительное разнообразие применяемых методов, подходов, методик существенно затрудняет проведение таких исследований. Это обусловливает необходимость создания единой методологии.

За основу построения единой методологии выполнения и системной организации научных работ и математического моделирования нефтеперерабатывающих производств и оценки влияния их отходов на ОПС примем системный подход и принципы системного анализа [1-3]. Исследования механизмов преобразования энергии, количества вещества, импульса базируются на принципах и методах энергетического подхода, а оценка элементов производств как объекта экологического контроля - на информационно-алгоритмическом причинно-следственном подходе [4].

Систему управления отходами нефтеперерабатывающего завода (НПЗ) как объекта экологического анализа в контексте системного, энергетического и информационно-алгоритмического причинно-следственного подхода представляют как:

- элементы, формирующие системные свойства объекта;

- системы взаимосвязанных элементов;

- преобразователи энергии;

- объекты экологического мониторинга, контроля и управления.

Первый этап исследования - изучение каждого элемента производств, входящих в систему управления отходами НПЗ, с точки зрения выполнения системной функции, обусловливающей оценку экологического ущерба, наносимого объектом ОПС и возможного вклада в достижение цели исследования. Все компоненты производств НПЗ анализируют как системы вложенных элементов, стратифицированных по уровням вложенности на основе выполняемых каждым элементом функций в обеспечении системных свойств.

Функциональное назначение очистных и защитных сооружений и в целом технологий, снижающих риск экологического загрязнения, - обеспечение экологической безопасности производств. Каждый элемент технологической цепочки защитных сооружений выполняет свою функцию в обеспечении эффективности производств. Считается, что для химической промышленности безотходным является производство, в котором образующиеся отходы используются в рамках единого технологического цикла. С этим можно не согласиться, так как химическое производство многономенклатурное, т.е. из одного сырья можно получить несколько видов продукции путем последовательной переработки, а химическое оборудование имеет узкую специализацию и предназначено для выпуска определенного вида продукции. В связи с отмеченным организация технологических систем по замкнутому циклу возможна для ограниченного круга продуктов. Кроме того, предприятие может не располагать необходимым оборудованием для переработки отходов или не иметь дополнительно необходимых для переработки отходов видов сырья. В результате решение задач в области развития безот-

ходнои и малоотходной технологии часто сводится к увеличению использования объемов вторичного сырья.

Нефтеперерабатывающие производства представляют собой сложные многокомпонентные системы, поэтому каждый уровень вложенности в качестве важнейшего элемента, обеспечивающего выполнение определяющей системной функции, может включать как один, так и несколько базовых элементов. В связи с этим составляют многокомпонентные топологические, структурные и иконографические пространственно-временные модели.

Рассмотрение нефтеперерабатывающих производств с позиций системного подхода предполагает, что НПЗ входит в состав и является элементом сложной технической системы, выполняет обусловленные этой системой функции по выпуску продукции и снижению экологического ущерба и одновременно представляет собой техническую систему взаимосвязанных элементов, предопределяющих функциональные возможности и свойства элемента в составе экологической системы более высокого уровня (см. рисунок).

Энергетический подход основан на следующих основных законах физики и химии [5]:

- сохранения субстанции (количества вещества, энергии и импульса): возможны только такие превращения, при которых алгебраическая сумма массы, энергии и импульса внутри системы не меняются;

- термодинамического равновесия: условия, при которых процесс переноса субстанции отсутствует;

- переноса субстанции: интенсивность протекания технологических процессов производств.

Экологический анализ технологий производства на НПЗ, отходов нефтепереработки и экосистемы в целом позволяет разработать математическую модель. Анализ

любого компонента системы НПЗ как объекта, влияющего на экосистему, в области моделирования и управления предполагает (см. рисунок):

- определение координат экологического состояния объекта - переменных, характеризующих поведение элемента экосистемы в едином для всех ее компонентов пространстве вектора экологического состояния;

- выявление управляемых координат - выходных переменных объекта, отражающих его эколого-технико-экономические свойства, подлежащие управлению в соответствии с задачами экосистемы;

- установление управляющих воздействий - величин, технических средств, комплекса действий технико-экономического характера, посредством которых наиболее рационально управление экологическим состоянием объекта;

- нахождение возмущающих воздействий - входных параметров объекта управления, влияющих на экологическое состояние и управляемые координаты экосистемы, управление которыми нецелесообразно на современном этапе развития науки и техники или неосуществимо;

- установление внутренних параметров объекта экологического анализа, обусловливающих его статические и динамические свойства;

- формирование критериев экологического управления и ограничений возможных изменений состояний объекта экологического исследования под действием возмущений и изменений внутренних параметров экосистемы.

В качестве координат моделирования и управления предлагается принять комплекс показателей состояния объекта в векторном пространстве, задающих все его эколого-технико-экономические свойства в единой области значений.

Системный анализ НПЗ

НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО

05'2015 111

Утилизация отходов нефтеперерабатывающих производств (например, серы и нефтешламов) [5-7] путем соединения их в экологически безопасный композиционный материал с набором полезных эксплуатационных свойств является компонентом векторов управляющих воздействий и управляемых координат.

НПЗ и ОПС представляют собой многомерные объекты с управляемыми координатами, характеризующими множество эксплуатационных свойств, поэтому имеют несколько управляемых и управляющих переменных, совокупности которых в математических моделях заданы векторами. Совокупность управляющих и возмущающих воздействий задается одним вектором входных воздействий.

Методика представления системы НПЗ - ОПС как объекта моделирования включает:

- определение координат состояния объекта - переменных, характеризующих поведение системы НПЗ -ОПС в пространстве состояний;

- выявление управляемых координат - выходных переменных, подлежащих управлению в соответствии с технологией нефтепереработки;

- установление управляющих воздействий - параметров, посредством которых можно наиболее эффективно обеспечить управление в заданном диапазоне выходными координатами объекта управления (продукция НПЗ и отходы таких производств);

- нахождение возмущающих воздействий - входных параметров объекта управления, влияющих на его управляемые координаты, которые не могут быть изменены с помощью управляющего устройства или управление которыми нецелесообразно (аварии, сбои технологического оборудования);

- выявление внутренних параметров объекта управления, характеризующих статические и динамические свойства объекта (показатели структур и характеристик НПЗ и ОПС);

- установление критериев управления и ограничений на входные и выходные переменные, возможных пределов изменения под действием возмущений внутренних параметров объекта (технологические ограничения, связанные с выбранной технологией на НПЗ и системой управления отходами).

Исходя из изложенного выделим следующие этапы управления многокритериальным синтезом сложной технической системы НПЗ - ОПС.

1. Формулировка целей управления - синтез системы НПЗ - ОПС с заданными структурой и свойствами.

2. Определение объекта управления - многоуровневые структуры системы НПЗ - ОПС и их параметры.

3. Создание модели объекта управления - нелинейные распределенные динамические модели различных подуровней НПЗ и линейные кинетические модели влияния отходов нефтеперерабатывающих производств на ОПС.

4. Синтез управления - создание алгоритма п

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком