Optimization of the technological equipment of industrial water supply systems

Full Text

Введение Развитие промышленного производства связано с увеличением объема потребляемой технологической воды и повышением требований к ее качеству. В таком промышленном регионе, как Самарская область, существует задача рационального использования подземных и поверхностных источников одновременно для промышленного водоснабжения и обеспечения населения водой. Для управления региональной программой водоснабжения была разработана интеллектуальная система поддержки принятия решений по технологиям водоподготовки (ИСППР ТВ) [1, 2, 3]. Эта система на основе данных о параметрах воды в водозаборе и требуемых показателей качества воды для промышленного производства генерирует несколько альтернативных вариантов технологических схем водоподготовки и водоочистки. Полученные решения анализируются с учетом ограничений на ресурсы и существующую номенклатуру оборудования. В работе [4] сформулирована задача выбора технологической схемы для хозяйственно-бытового водоснабжения. В настоящей статье предлагается постановка и решение задачи оптимального выбора оборудования для систем промышленного водоснабжения. Постановка задачи Интеллектуальная система поддержки принятия решений ИСППР ТВ содержит базы знаний «Поверхностные воды» и «Подземные воды», а также базы данных по оборудованию и готовым технологическим схемам водоподготовки [5, 6]. Для каждой базы знаний создан сценарий логического вывода или база фактов на основе классификатора технологий НИИ ВОДГЕО, г. Москва [7]. Проведено заполнение базы правил в соответствии с синтаксисом правил продукционной модели и сформирован граф логического вывода. Подсистемы «Поверхностные воды» и «Подземные воды» содержат правила, описывающие: классы поверхностных и подземных источников водоснабжения; подклассы поверхностных источников по антропогенному загрязнению; классификацию основных технологий водоподготовки для промышленных производственных процессов предприятий Самарской области с учетом антропогенных и природных загрязнений; технологические схемы и оборудование очистки подземных и поверхностных вод от загрязнений по классам для промышленного водоснабжения; классификации примесей в воде Самарского региона. В статье выполнена постановка задачи оптимального выбора технологического оборудования системы водоснабжения, которая основывается на множестве альтернативных технологических схем, вырабатываемых ИСППР ТВ. Для системы промышленного водоснабжения с помощью ИСППР ТВ генерируется J вариантов технологических решений. Технологическая схема представляет собой совокупность аппаратов выбранных типов и вектор показателей качества воды для технологических процессов промышленного производства, который обеспечивается данным вариантом . При этом набор используемых типов аппаратов есть , где - индексное множество номеров всех типов аппаратов, рассматриваемых при проектировании данной системы промышленного водоснабжения, - индексное подмножество, содержащее номера выбранных типов аппаратов для технологической схемы . Тип аппарата включает набор из конкретных моделей с векторами параметров , где - число параметров модели аппарата. Связь переменных и индексов для технологических схем, аппаратов и их параметров определяется композицией двудольных графов (см. рисунок). Целевая функция - стоимость проектирования, строительства и эксплуатации системы промышленного водоснабжения: (1) где булева переменная оптимизации: (2) - стоимость n-й модели оборудования m-го типа в j-м варианте; - удельная стоимость потребляемой оборудованием электроэнергии; - удельные эксплуатационные расходы на тип оборудования; - стоимость технологического подключения электрической мощности для технологической схемы ; - стоимость отведения земельных участков или производственной площади под систему водоснабжения в j-м варианте. Технологические схемы . . . . . . Qj Sj S1 SJ . . . . . . . . . . . . r r+1 w µ=│IТА│ Модели типов аппаратов . . . . . . . . . . . . . . . 1 1,1 1,M1 r,1 r,Mr w,1 w,Mw µ,1 µ,M µ . . . . (d111,…, d11,k,…, d11,K11) (d1,M1,1,……, d1, M1,K1,M1) (dr,1,1,……, dr, 1,Kr,1) Индекс j Индекс m Индекс n Типы аппаратов Параметры аппаратов (dr,Mr,1,……, dr, Mr,Kr,Mr) . . . Параметры аппаратов Параметры аппаратов Графовая модель структуры данных задачи оптимизации Ограничения для задачи имеют вид: 1. (3) - условие единственности выбора моделей аппаратов для каждого типа оборудования. 2. , (4) - параметры воды на выходе системы должны отвечать нормам СанПиН либо требованиям технологического процесса выпуска продукции. 3. (5) - соответствие параметров оборудования заданным границам, - число параметров n-й модели оборудования m-го типа аппарата j-го варианта системы водоснабжения. Задача (1) - (2) с ограничениями (3) - (5) относится к классу задач дискретного программирования, и для небольшой размерности решение может быть найдено полным перебором. Для реальной целевой региональной программы характерны значения J = 3 - 10, = 10 - 50, = 5 - 10 . В этом случае используется метод ветвей и границ [8]. Использование методики при проектировании систем водоснабжения В результате работы ИСППР ТВ формируется технологическая схема, которая показывает, какие используются типы аппаратов водоочистки и в какой последовательности они соединяются. Табл. 1 содержит обозначения типов аппаратов. В табл. 2 приведены примеры оптимизации ряда систем водоснабжения, выполненной совместно с НПО «Фильтр», г. Тольятти. Таблица 1 Условные обозначения типов аппаратов для очистки воды Н Насос-автомат, насосная станция Аз Фильтрующая колонна с активированным углем Мк Фильтр очистки от механических примесей с картриджем С УФ-стерилизатор Мз Фильтр очистки от механических примесей с фильтрующей загрузкой Д Обратный осмос, деминерализатор с нерегенерируемой смолой О Обезжелезиватель безреагентный Е Накопительная емкость У Умягчитель натриевокатионитовый с регенерацией Р Комплекс пропорционального дозирования реагентов Ак Фильтр картриджного типа с активированным углем - В табл. 1 обозначены параметры воды в водозаборе: 1 - жесткость, 2 - железо, 3 - марганец, 4 - минерализация. Для каждого промышленного предприятия была сгенерирована технологическая схема, для которой решалась задача оптимизации выбора конкретных моделей аппаратов из базы данных оборудования. База данных составлена по каталогам фирм - производителей оборудования водоподготовки и водоочистки. Таблица 2 Примеры технологических схем промышленного водоснабжения Объект Технологическая схема, полученная из ИСППР ТВ Тип параметра воды Производительность, м3/ч Стоимость оборудования Удельная площадь на 1 м3/(чхм2) 1 2 3 4 Тыс.руб. На 1 м3/ч Сызранский автоагрегатный завод Н-МкУС + + + + 0,8 92,19 115,24 3,8 РСУ-1 Н-МкМзУАкС + + - - 1,0 198,2 198,2 7,0 GM-АвтоВАЗ, цех сварки Н-МкУР + + - - 3,0 344,1 114,7 2,0 ЗАО «Росскат» Н-МкУ + + - - 5,5 506,1 92,0 1,1 ЖБК «Тольяттинский» Н-МкУ + + - - 1,5 153,3 102,22 2,0 ООО «Автопластинжениринг» Н-МкСУАкС + + - + 4,0 АК «Озна» Н-МзУР + + - - 1,9 287,5 151,33 3,2 Заключение Разработанная методика применяется на этапе предварительной оценки стоимости проекта водоснабжения и использует укрупненную технологическую схему. В процессе проектирования уточняются параметры системы водоподготовки и условия достижения заданных показателей качества воды. Это может привести к итерационному процессу уточнения с помощью ИСППР ТВ технологической схемы и новому решению оптимизационной задачи.

About the authors

Dmitry A Nechaev

Samara State Technical University

Postgraduate Student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Sergey P Orlov

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files