Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


Исходные положения

Современная система централизованного теплоснабжения города или промышленного центра представляет собой технический комплекс разнородных теплопроизводящих и теплопотребляющих установок со сложной схемой внутренних и внешних связей. В энергоустановках этого комплекса одновременно протекают и тесно взаимодействуют различные физико-химические процессы. СЦТ может иметь множество различных схем распределения теплоты, в ней могут найти применение разнообразные типы энергоустановок. Развитие СЦТ идет по пути создания новых технологий, увеличения отпуска теплоты в виде пара и горячей воды, внедрения новой техники, экономного расходования топлива и других материалов, создания безотходных и малоотходных производств.

Большая сложность внутренних взаимосвязей параметров, процессов и характеристик СЦТ, а также внешних ее связей с другими объектами энергетического комплекса и народного хозяйства страны является отличительной чертой современных СЦТ. Весьма существенны также такие факторы, как непрерывность, а часто и неразрывность во времени процессов производства, распределения и потребления тепловой энергии. Поэтому комплексный выбор оптимальных параметров для любой СЦТ означает, с одной стороны, максимально возможный учет всех внешних технических и экономических факторов, а с другой стороны, полноту учета внутренних физических, технических и экономических взаимосвязей при многочисленных факторах, действующих в конкретной специфике схемы, и типов энергоустановок СЦТ.

Принимая во внимание многообразие типов оборудования энергоустановок, число параметров, характеризующих каждый тип оборудования, число возможных схем подачи теплоты потребителям, без труда можно убедиться, что количество возможных вариантов выполнения СЦТ очень велико. Задача состоит в том, чтобы найти эти варианты, проверить их техническую выполнимость, экономически оценить каждый из них и, сравнивая между собой, выбрать наилучший.

При поиске конструктивных путей решения этой очень сложной задачи целесообразно использовать методологию системных исследований, которая является одним из ведущих направлений в современном научном познании [9, 18, 19]. Главное в системных исследованиях — изучение объектов (явлений) в единстве, развитии, целостности, во временной взаимосвязи при относительности знаний об этих объектах (явлениях).

Традиционные методы решения сложных задач ориентированы на непосредственное изучение объектов с учетом их специфики. При этом полагают, что исследуемый объект можно выделить, ограничить от окружающей среды, т.е. его можно изучать изолированно. Для этих методов характерно стремление к разложению исследуемого сложного объекта на отдельные составляющие и объяснение свойств целого из свойств, его составляющих. В отличие от этого системные исследования базируются на рассмотрении изучаемого объекта во взаимосвязи с окружающими его объектами. Системные исследования исходят в общем случае из того, что целое и его составляющие имеют разные качества (свойства) и что целое поэтому обладает особыми свойствами при синтезе их составляющих.

Системные исследования в настоящее время — это широко распространенная научная методология, наиболее продуктивная для исследования сложных и очень сложных объектов, которые представляют собой целенаправленно развивающиеся высокоорганизованные множества сложной структуры. Средствами реализации системных исследований во многих случаях стали численные математические методы и модели, расчеты по которым производятся с использованием ЭВМ.

Среди системных исследований особое место занимает описание строения системных объектов. Эти исследования опираются на ряд понятий, среди которых в первую очередь следует отметить понятие системы.

Пока еще не выработано общее определение системы, а поэтому приведем основные положения, которые наиболее часто высказывают советские философы. Системой называют совокупность любым способом выделенных реальных или воображаемых элементов. Эта совокупность является системой, если: а) заданы связи, существующие между этими элементами; б) каждый из элементов внутри системы считается неделимым; в) с окружающей средой система воздействует как целое; г) при изменении во времени совокупность будет считаться одной системой, если между ее элементами в разные моменты времени можно провести однозначное соответствие.

Как видно, система рассматривается как целостное множество взаимосвязанных неделимых элементов. Однако такое деление системного объекта на части носит условный характер и изменяется в зависимости от принимаемого уровня систем. Это значит, что при системных исследованиях рассматриваемого объекта любое системное представление о нем носит относительный характер. Любой элемент при определенных условиях может рассматриваться как система.

Наличие связей между составляющими системы означает, что изменение одной части системы вызывает изменение другой. Связи между частями относятся к категории внутренних связей. Кроме внутренних связей, имеют место внешние связи, с помощью которых осуществляется взаимодействие между системой и окружающей средой. Для системы характерна большая сила внутренних связей относительно силы внешних связей. Именно наличие сильных внутренних связей между элементами обусловливает появление у I совокупности элементов новых качеств, отражающих интегральные свойства системы. Указанные свойства отличают систему от простого конгломерата и выделяют ее из окружающей среды в виде целостного объекта.

Одной из основных операций системных исследований является определение границ системы. Эта операция в принципе является качественной и базируется на изучении связей между структурными составляющими и их свойствами. Ошибки в определении границы системы могут быть двух видов: объединение в систему тех элементов, которые не имеют между собой связей, и разделение на структурные составляющие объектов, которые нельзя разделить, так как при этом нарушается их целостность.

Цель, вытекающая из постановки проблемы, дает ориентир для отбора того, что должно войти в систему и что образует окружающую среду.

В систему включают конечное тасло элементов, которое необходимо для функционирования системы и обеспечивает достижение системой поставленной цели. Исходя из этого, можно представить границу между созданной системой и окружающей средой.

Принципиальное значение имеют понятия замкнутых и открытых систем.

Ни одна система не является абсолютно замкнутой. Взаимодействие системы со средой представляется внешними связями. На входе система получает воздействие от среды, а выход системы воздействует на среду. Следует отметить, что технические системы не просто находятся в окружении, они существуют благодаря окружению, и успех проектирования объектов (искусственных систем) определяется их совместимостью с окружающей средой.

Всякая система допускает разделение ее на подсистемы. Объекты, принадлежащие к одной подсистеме, можно рассматривать как составляющие окружения другой подсистемы. Поведение подсистемы необязательно во всем подобно поведению всей системы. Разделение системы на подсистемы приводит к иерархичности структуры.

В свою очередь, подсистемы включают элементы, не подвергающиеся дальнейшему разделению. Число подсистем в системе, как и число элементов в подсистеме, может быть различным и зависит от сложности систем и подсистем, а также от постановки задачи.

В зависимости от постановки и цели решаемой задачи один и тот же объект, рассматриваемый как система, в другой иерархической системе может быть рассмотрен как подсистема, а в третьей — как элемент. В общем случае можно считать, что любая часть технической системы может изменять свое положение в иерархическом построении системного объекта.

Границы структурных составляющих определяются сложностью системы, задачами исследования, а также взаимодействием с окружающей средой. При этом под окружающей средой понимают совокупность естественных и искусственных систем, по отношению к которым рассматриваемая система не является функциональной.

Весьма важен вопрос о взаимоотношении человека и средств вычислительной техники, поскольку современные автоматизированные системы включают человека в управляющую часть системы, а очень часто и в ее управляемую часть. Сочетание способностей человека и возможностей вычислительной техники существенно повышает эффективность системы. Одна из важнейших проблем построения человеко-машинной автоматизированной системы - оптимальное распределение функций между человеком и техническими средствами.

В системных исследованиях введены понятия простой, сложной и большой системы [9]. Простой называют систему по уровню ее элементарных компонентов (элементов), которые могут быть точно количественно соизмерены. При этом свойства простой системы достаточно полно характеризуются на основе свойств элементов, образующих систему. Под сложной понимают систему, в которой ее составляющие компоненты (элементы) сами являются системами (подсистемами) со всей характерной сущностью системы (в первую очередь определяемой понятием целостности). Или, иначе, сложная система сложна уже на элементном уровне. Большими обычно называют сложные, иерархически построенные (многоуровневые) человеко-машинные системы, в которых пространственный (географический) фактор имеет существенное значение; в то же время для большой системы характерно, что она обладает столь сложной структурой, что ее нельзя в целом одновременно точно количественно охарактеризовать, а органы, ею управляющие, располагают лишь неполной (неоднозначной) информацией о системе. Рассматриваемые в данной монографии системы централизованного Теплоснабжения следует относить к большим системам, а входящие в СЦТ в качестве элементов энергетические установки и тепловые сети - к сложным системам.

Одним из центральных вопросов методологии системных исследований является процесс количественной оценки альтернатив, поэтому важно выбрать соответствующий критерий, выраженный в терминах цели системы. Назначение критерия состоит в том, чтобы установить предпочтительный вариант выполнения объекта при решении многовариантных задач в процессе разработки и проектирования.

При решении массовых оптимизационных задач на нижних ступенях иерархии в энергетике, к которым относятся задачи исследования систем централизованного теплоснабжения, их подсистем и элементов, в качестве основного критерия можно принимать минимум приведенных затрат, т.е. затрат, соизмеряющих с учетом фактора времени единовременные (капиталовложения) и ежегодные расходы. Вместе с тем наряду с критерием минимума приведенных затрат следует применять и другие, в том числе, неэкономические, критерии выбора оптимального решения. К ним нужно отнести: наибольшее приближение к объективным тенденциям научно- технического прогресса, обеспечивающим рост общественной производительности труда, прямой рост производительности труда, экономию материальных затрат, экологические ограничения и др. Причем чем выше иерархический уровень исследуемого объекта, тем большее значение приобретают дополнительные критерии.

Кратко резюмируя изложенное, можно наметить следующую последовательность решения сложных задач.

1. Постановка задачи: установление цели; выявление условий и ограничений при решении и достижении поставленной цели; установление границы исследуемой системы и критерия эффективности состояния системы и ее структурных составляющих; выявление взаимосвязей и их оценка.

2. Анализ решаемой задачи: установление границ структурных составляющих и существенных связей между структурными составляющими; уточнение данных, описывающих состояние структурных составляющих; проверка возможности использования установленных критериев; разработка схемы решения задачи; установление возможных вариантов решения задачи, подлежащих сравнению для выбора оптимального.

3. Решение поставленной задачи: разработка плана решения задачи; установление количественной оценки связей между структурными составляющими; оценка частичных и полных решений; принятие решения, подлежащего реализации.

Вместе с тем следует оговорить, что в настоящее время метод системных исследований еще не вполне оформился теоретически и недостаточно оснастился конструктивным аппаратом исследования. В связи с этим системные исследования нельзя рассматривать как совокупность строго установленных правил, применение которых позволит автоматически получать решения сложнейших проблем. Тем не менее образующие его в значительной мере эвристические процедуры существенно облегчают решение таких проблем.

Применительно к энергетике системные исследования охватывают три направления: а) теоретическое, нацеленное на изучение природы исследуемых систем: исследование свойств систем энергетики и особенностей их проявления, анализ формирования и силы проявления основных объективных тенденций развития систем; б) методическое, включающее: создание и совершенствование методов исследования систем, в том числе при неполной информации; формирование более совершенных математических моделей систем и процедур принятия решений; создание и совершенствование методов и средств сбора, обработки, передачи и изучения информации; в) прикладное, направленное на использование системных исследований в решении основных проблем энергетики: разработка концепции оптимального управления в энергетике и создание научных основ автоматизированных систем управления, в том числе плановыми расчетами и проектированием систем; решение основных межотраслевых комплексных проблем энергетики, например проблемы научно-технического прогресса в энергетике; долгосрочное прогнозирование энергетики; разработка концепций развития основных функциональных больших систем энергетики; оптимизация схем и параметров сложных энергетических установок.

Рассмотрению указанных трех направлений системных исследований в энергетике применительно к системам централизованного теплоснабжения посвящено содержание всех последующих глав монографии.

Исследование систем теплоснабжения/Л.C. Попырин, К.С. Светлов, Г.М. Беляева и др. М.: Наука, 1989.

Экспертиза

на главную