Системно-процессный подход к проектированию энерготехнологических поточных линий для агропромышленного комплекса

Однако, как следует из рис. 2, эффективность предложения по повышению температуры стенок цилиндра и камеры сгорания с ростом этих температур будет неуклонно снижаться и при температуре стенок порядка 1100°С теряет смысл. При наличии технической возможности дальнейшего повышения температуры внутренних стенок ЦПГ возникнет потеря эксергии вследствие обратного теплового потока.

Изложенные теоретические положения были подтверждены экспериментально [3-8] на дизеле 4411/12,5.

Литература

1. Шокотов Н.К. Основы термодинамической оптимизации транспортных дизелей. -Харьков: Вища шк., 1980. - 120 с.

2. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения / Под ред. В.М.Бродянского. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 288 с.

3. Ливенцев Ф.Л. Высокотемпературное охлаждение поршневых двигателей внутреннего сгорания. - Л.: Машиностроение, 1964.

4. Петриченко P.M. Системы жидкостного охлаждения быстроходных двигателей внутреннего сгорания. - Л.: Машиностроение, 1975. - 224 с.

5. Агапов Д.С., Николаенко A.B., Андреев П.А. Оптимизация температурного режима автотракторных двигателей //Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения. - Труды междунар. науч.-практ. конф. - Челябинск, 2003. - С. 128-133.

6. Агапов Д.С. Улучшение топливно-экономических и энергетических показателей дизеля оптимизацией температурного режима //Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Сб. науч. тр. науч.-практ. конф. по теме:- СПб., 2004. - С. 340-348.

7. Прохоренко A.A., Кувика М. Н. Энерго - эксергетический анализ действительного рабочего цикла дизяля // Вестник национального технического университета "ХПИ -2006. - Вып. 26. - С .157-165.

8. Агапов Д.С., Николаенко A.B. Оптимизация температурного режима тракторных дизелей // Двигателестроение. - СПб.: Изд-во СПбГПУ., 2004, С. 63-70.

УДК 621.311

Канд. техн. наук C.B. ГУЛИН

СИСТЕМНО-ПРОЦЕССНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОТОЧНЫХ ЛИНИЙ ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

Системное проектирование, энерготехнологическая поточная линия, случайные события.

В связи с тем, что энерготехнологические поточные линии (ЭТЛ) являются разновидностью сложных технических систем, задачи их проектирования невозможно решать без системного анализа и синтеза.

Как показано в работе [1], одним из основных аспектов системного проектирования энергетических объектов является то, что оно дает не просто решение задачи, а поиск оптимального варианта решения. В свою очередь поиск оптимального варианта предполагает выделение трех иерархических уровней системного анализа [2, 3]:

- выбор принципа действия энергетического объекта, его элементов и подсистем (синтез принципа);

- поиск наилучшей структуры энергетического объекта в рамках выбранного принципа действия (задача структурного синтеза);

- определение наилучших значений параметров выбранной структуры (задача параметрического синтеза).

Характерной особенностью ЭТЛ является то, что в ней все элементы и подсистемы, выполняющие отдельные технологические процессы и операции, как правило, располагаются последовательно от «входа» к «выходу». Первый и второй уровни системного синтеза в данном случае позволяют получить обобщенную структурную схему в виде, как представлено на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема ЭТЛ:

ЭТП, - /-ый энерготехнологический процесс; С - объем сырья, поступающего на вход линии;

И - объем выпускаемой продукции; С,.;, С, - промежуточное состояние сырья, находящегося в стадии переработки (полуфабриката) на входе и выходе /-того ЭТП

Будем считать, что каждый из ЭТП, представленных на рис. 1. обеспечивается отдельным энергетическим объектом (дозатором, смесителем, измельчителем, транспортером и т.д.). Если энергетический объект представляет собой также сложную техническую систему состоящую из л элементов (рис. 2), то необходимо повторить второй уровень системного синтеза, если нет, то можно перейти к третьему уровню -параметрическому синтезу.

В качестве оптимизируемых параметров отдельных элементов энергетического объекта может быть мощность, скорость вращения или перемещения, производительность, надежность, стоимость и т.д. Здесь необходимо оценить влияние параметров друг на друга и согласовать их значения. Весьма важной задачей является оценка влияния мощности отдельных элементов на их производительность и согласование производительности этих элементов. В отдельное направление целесообразно выделить вопросы, связанные с энергосбережением в энерготехнологических процессах [5].

Поскольку системное проектирование направлено с одной стороны на последовательное выполнение вышеперечисленных уровней системного синтеза, с другой стороны предполагает декомпозицию ЭТЛ в пространстве, т.е. ее деление на отдельные подсистемы и элементы, которое можно рассматривать, только используя системно-процессный подход.

Рис. 2. Обобщенная схема энергетического объекта

Поскольку в реальной практической деятельности, связанной с проектированием, возникает множество случайных факторов, следует считать, что процесс системного проектирования в целом является случайным [4]. В связи с тем, что системное проектирование включает в себя три уровня системного синтеза, его эффективность можно оценить следующим образом:

МО[Тпр| = МО[Тсп] + МО[Тсс] + МО[Тпс],

где МО[Тпр] - математическое ожидание времени выполнения всего проекта;

МО[Тсп], МО[Тсс], МО[Тпс] - математические ожидания времени выполнения синтеза принципа, структурного синтеза и параметрического синтеза соответственно.

Формула (1) по своей сути характеризует процессный подход к проектированию.

Системный подход характеризуется определением вероятностей выполнения качественно и в срок отдельных проектов энергетических объектов ЭТЛ, обеспечивающих соответствующие технологические процессы. Полагая, что события, заключающиеся в своевременном и качественном выполнении отдельных проектов, являются независимыми случайными событиями, можно записать следующее:

т

Рэтл=ПЬ'

У=1

где Рэтл ~ вероятность своевременного и качественного выполнения проекта ЭТЛ в целом;

т - число проектов отдельных энергетических объектов, составляющих ЭТЛ;

у - порядковый номер соответствующего проекта;

Р] - вероятность своевременного и качественного выполнения /-го проекта.

Попытаемся объединить системную и процессную составляющие подхода к проектированию, используя формулу полной вероятности.

Пусть требуется определить вероятность некоторого события А, которое может произойти вместе с одним из событий Н^ Н2, ..., Ни ..., Нп, образующих полную группу несовместимых событий. Эти события будем называть гипотезами. В нашем случае формула полной вероятности приобретет вид [6]:

п

1=1 1

где Р(А) - вероятность некоторого события А\

п - общее число гипотез;

/ - порядковый номер гипотезы;

Р(Нг) - вероятность /-ой гипотезы;

Р(А Нг) - вероятность события А при /-ой гипотезе.

Формула (3) позволяет определить вероятность события А как сумму произведений каждой гипотезы на вероятность события при этой гипотезе.

Применим эту формулу при рассмотрении первого уровня системного проектирования - синтеза принципа.

Рассмотрим две гипотезы: первая гипотеза Н1 заключается в том, что синтез принципа осуществляется на основе анализа двух возможных принципов функционирования ЭТЛ (непрерывного и дискретного), вторая Д? -на основе трех возможных принципов (непрерывного, дискретного и дискретно-непрерывного).

Будем полагать, что вероятности вышеназванных гипотез равны Р(Н1) = 0,8 и Р(Н2) = 0,6. Выбрав в качестве критерия эффективности синтеза принципа предполагаемую вероятность безотказной работы поточной линии в течение определенного периода времени при ее эксплуатации Рб.р., и применив формулу (3), для нашего конкретного случая получим:

РБ.р. = РШ  р + РШ  Р

где А1, А2 - события, заключающиеся в безотказной работе ЭТЛ при первой и второй гипотезе соответственно;

Р(Ар'Н]), Р(А2/Н2) - вероятности этих событий.

В результате последовательного анализа возможных принципов по обеим гипотезам, проводимого с помощью вероятностного моделирования, определим значения вероятностей Р(АрН1) = 0,4 и Р(А2 Н2) = 0,6. Применив формулу полной вероятности (4) для нашего случая получим:

РБ.р. = 0,6 0,6 + 0,4 0,8 = 0,68.

Предварительно оценив предполагаемую эффективность функционирования ЭТЛ по критерию вероятности безотказной работы Рбр., перейдем к рассмотрению второго уровня системного проектирования - структурному синтезу. Синтез структуры будем производить в рамках непрерывно-дискретного принципа действия, обеспечивающего максимальную вероятность безотказной работы.

Предположим, что ЭТЛ состоит из 5 элементов, расположенных последовательно, от «входа» к «выходу» (первый вариант структуры).

Рис. 3. Первый вариант структуры

Для дальнейшего повышения надежности проектируемой ЭТЛ сформируем второй вариант структуры за счет параллельного включения элементов 6 и 7 (рис. 4).

I_______________________\

Рис. 4. Второй вариант структуры

Повышение надежности элементов 2 и 4 за счет резервирования, в свою очередь, приводит к увеличению времени безотказной работы Тб.р. и объему выпускаемой продукции П. Объем выпускаемой продукции будем измерять в условных единицах

п = П,  ТБ.р,

где П, - производительность ЭТЛ, у.е./ч;

Тб.р. - время безотказной работы, ч.

Так как величины П, и Ты> являются случайными, П тоже представляет собой случайную величину, и, в самом простом варианте, может быть оценена с помощью математического ожидания

МО[П] = МО[Пс]  МО[ТБ Р.].

В качестве примера предположим, что при первом и втором вариантах структуры ЭТЛ МО[Тб.р1] = 120ч, МО[Тб.р^] = 150ч, производительность в обоих вариантах остается постоянной МО[Щ = 10у.е/ч.

Воспользовавшись формулой (6), получим для первого и второго вариантов соответственно:

МО[П1] = 10 • 120= 1200у.е.

МО[П2] = 10 • 150= 1500у.е.

Из этого следует, что при переходе от первого ко второму варианту структуры объем выпущенной продукции увеличивается на 25%.

Аналогичным образом можно количественно оценить эффективность третьего уровня системного проектирования - параметрического синтеза.

В основе функционирования предложенных ЭТЛ лежит физическая реальность -взаимодействие материальных объектов, подчиняющихся физическим законам. Функционирование большинства изделий основывается на использовании нескольких физических законов. Взаимодействие, описываемое каким-то одним физическим законом, составляет элементарное физическое явление или физический эффект (ФЭ). Физический эффект устанавливает причинно-следственную связь и энергетические потоки между взаимодействующими объектами.

Наряду с физическими эффектами в процессе проектирования и производства учитывают и следующие:

- химические эффекты, характеризующие, например, способы повышения коррозионной стойкости металлов, склеивания деталей и т.п.;

- биологические эффекты, характеризующие взаимодействие живой и неживой природы, например, воздействие радиационного и теплового излучения;

- биотехнологические эффекты, характеризующие целенаправленное воздействие на биологические объекты с целью получения полезного эффекта (например, продукции растениеводства или животноводства).

В качестве примера биотехнологического эффекта можно привести проточную или аэроводную систему с обязательной циркуляцией и аэрацией питательного раствора для выращивания растений на гидропонных установках в условиях искусственного климата.

При конструировании самой системы и средств автоматического управления необходимо обеспечить достаточно надежное резервирование, особенно по каналу циркуляции и обеспеченности растений питательным раствором.

В традиционных гидропонных системах надежность обеспечивается резервированием насосных агрегатов.

Более надежными являются системы с внутренними, технологическими запасами надежности. Особенность этой схемы заключается в том, что питательный раствор хранится не в специальном баке, а в емкостях для выращивания растений, разделенных на две части. Питательный раствор не перекачивается из бака в емкости и наоборот, а циркулирует между двумя группами емкостей. При отключении циркуляционного насоса на длительное время питательный раствор остается в корневой зоне растений на стабильном уровне.

Литература

1. Гулин C.B., Пиркин А.Г. Комплексный подход при решении задач эксплуатации энерготехнологических систем на предприятиях АПК // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования. 4.1. / СПбГАУ. - СПб., 2015. - С.349-352.

2. Пиркин А.Г. Основы системного анализа в энергетике: Учебно-метод, пособие / СПбГАУ. -СПб., 2015.-50 с.

3. Беззубцева М.М., Гулин C.B., Пиркин А.Г. Менеджмент и инжиниринг в энергетической сфере агропромышленного комплекса: Учебное пособие / СПбГАУ. - СПб., 2016. - 152 с.

4. Гулин C.B., Пиркин А.Г. Оценка эффективности инжиниринга в энергетической сфере агропромышленного комплекса // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2015. - №41. - С.266-270.

5. Ракутько С.А. Прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах АПК: основные положения и практическая значимость // Известия Российской академии наук. Энергетика. - 2009. - №6. - С. 129-136.

6. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учебник для вузов. - 6 изд. - М.: Высшая школа, 1999. -576 с.