книги / Оптимизация систем обеспыливания воздуха в промышленных зданиях
..pdfГосударственный комитет Российской Федерации
по высшему образованию
Пермский государственный технический университет
Ю.Г. Грачев
ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ
ОБЕСПЫЛИВАНИЯ ВОЗДУХА
В ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЯХ
П е р м ь 1 9 9 4
ПРЕДСДОВИЕ
Устойчивое удовлетворение раступщх потребностей в различных
видах тошпва и энергии требует улучшения структуры энергетическо го баланса и последовательного доведения во всех отраслях народ ного хозяйства активной и целенаправленной работы по экономии топливно-энергетических ресурсов..
В настоящее время наметился новый подход к инвестиционной политике. Она призвана обеспечивать быстрый рост эффективности капительных влажешй, их концентрацию на решающих участках, по лучение наибольшего прироста продукции и национального дохода на каждый рубль затрат. Поэтому большое внимание уделяется техническо му перевооружению и реконструкции действующих предприятий.
Проектирование, строительство, реконструкция и эксплуата ция систем кондиционирования микроклимата (СКМ) в зданиях тре буют больших энергетических и материальных затрат. Объем капита ловложений в систем* настолько велик, что сокращение его даже на несколько цроцентов за счет назначения оптимальных параметров систем и установок дает значительную экономию средств.
Одним из основных элементов энергосберегающих технологий яв ляется энергосбережение в СКМ зданий, который в настоящее время потребляют до 40 * добываемого в стране твердого и газообразно го топлива и около Ю % вырабатываемой электрической энергии. Ргвеше поставленных задач обеспечивается за счет создания и внедрения в производство высокоэффективных систем автоматизиро ванного проектирсвашя (САПР) и автоматизированных систем управ ления технологическими процессам! (АСУ ТП). Одним из основных звеньев математического обеспечения САПР и АСУ ТП являются про грем и статической и динвм1ческой о игигазации объектов проекти рования и управления.
При изучении таких елейных систем, как СКМ, используется системный анализ с пршенешем методов математического моделиро вания дня описания коячествен ш х закономерностей на всех уров нях иерархии системы. Системный анализ требует, в свою очередь, декомпозиции СКМ га подсистемы и отдельные элементы с их после дующим когачественшм анаязсм га основе математических моде лей и задачи синтеза оптимальной СЯМ, исходя из критерия эффек тивности системы.
За последние года пробиема оптимизации технологических и конструктивах параметров разичных систем в сооружений првоб-
3
рела исключительную актуальность, В ряде отраслей науки и техни ки задачи оптимального планирования, проектирования, функциональ но-стоимостного анализа и управления решаются довольно успешно, что позволяет достигать высоких технологических, энергетических и экономических эффектов. Однако в области оптимизации СКМ и, в частности, практического применения современных математических методов оптимального проектирования ресурсоэкономичных систем обеспыливания воздуха (СОВ) в промышленных зданиях отмечается еще большое отставание.
Широкое внедрение в практику проектирования методов опти мизации СКМ должно являться важнейшей производственной задачей научно-исследовательских и проектных институтов, располагающих математическими отделами и лабораториям!, оснащенными современ ными ЭВМ МИСИ им. Куйбшева, МЭИ, ЦНИИ промзданий, МАРКИ, НИИСФ Госстроя РФ, НИИОТ (Санкт-Петербург), Пермского государственно го технического университета (ПГТУ) и др.
В предлагаемой монографии автор поставил перед собой цель на примере зданий с пылевыделениями обобщить существующие прин ципы системного анализа и метода оптимизации СОВ и СКМ в целом. Это первая работа, систематизирующая основные идеи и результаты в области оптимального проектирования процессов обеспыливания воздуха (ПОВ) и кондиционирования микроклимата (ПКМ).
Болыцую помощь в работе над изданием книга оказали сотруд ники кафедры теплогазоснабжения и вентиляции ПГТУ И.Я.Вайоман, А.Л. Гришков, А.В. Гришкова, С.Н. Знаменский и А.Ю. Поляков.
Автор выражает глубокую признательность докторам технических наук, профессорам В.В. Богословскому, Л.Д. Богуславскому, M.H.I'pH-
митлину, Е.Е, Карпису, П.А, Коузову, |
своим учителям М.В. Пальши- |
||
НУ, |
|М.П. Квдинушкину|и Е.В. Донату за ценные совета и помощь |
||
при |
работе над монографией» |
|
|
|
Автор благодарит научного редактора |
д-ра техн.наук В .П .'й - |
|
това |
за ценные критические замечания |
при |
подготовке рукописи. |
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на улучшение условий труда в промышленных здани ях с выделениями пыли, запыленность воздушной среда в них зачас тую превышает допустимые значения, микроклиматические условия не
отвечают требованиям CHt велика доля тяжелого физического труда (например, ручного труда по уборке пыли в помещениях). Запылен ность воздушной среды помещений в значительной мере обусловли вает загрязнение атмосферного воздуха неорганизованным! пылевы
ми выбросами.
Используемые в |
настоящее время |
СКМ слишком д о р о й , энерго |
|
емки и недостаточно |
эффективны. Как |
правило, традиционные |
СОВ - |
одни из основных подсистем СКМ помещений с пылевыделениями |
- |
||
включают в себя лишь системы аспирации (СА), недостаточно |
эф |
фективно локализующие образования пыли, и приточные системы об щеобменной вентиляции (ПСОВ) или системы кондиционирования воз духе (СКВ), компенсирующие удаляемый аспирационный воздух. Крат ность воздухообмене в помещениях нередко достигает несколыих десятков единиц в час. Энерго- и металлоемкие СА перемещают большие объемы высококонцентрированного запыленного воздуха, который очищается в громоздких и дорогостоящих пылеулавливаю щих устройствах, имеющих большое аэродинамические сопротивление и занимающих значительные производственные площади. С аспираци онным воздухом нередко теряются дорогостоящие перерабатываемые материалы, а в окружающую среду поступает значительное количество пыли. При аспирационном воздухообмене затрачивается большое коли чество электроэнерпм на перемещение запыленного воздуха и прео доление сопротивления очистных устройств и металла на изготов ление аспирационных укрытий, воронок и воздухопроводов и пыле уловителей. Аспирационное оборудование занимает иногда до 2530 % производственных площадей и объемов.
Расходы аспирационного воздуха, как правило, однозначно определяют воз духопрои звода те льноеть ОПВ и СКВ. Это ограничи вает оптимизацию проектных решений этих систем и СКМ в целом.
Вследствие этого в ОПВ и СКВ расходуются большие количества теп ловой и электрической энергии, холода и воды. Так по данным ВНИИОТ ( г . Ленинград) энергетические затраты по стране только на нагревание приточного воздуха в холодный период года дости гают 100 млн.т условного топлива. Системы характеризуются зна чительной металлоемкостью, включают в себя много приточных ка мер и кондиционеров, которые занимают большие площади в помеще ниях.
Традиционные СОВ дорогостоящи, малоэффективны и требуют больших эксплуатационных затрат.
Современный уровень развит!я кондиционирования м кронлямата
псыещениА позволяет синтезировать различные подсистемы СОВ и СКМ, обеспечивающие получение конечного результата - нормируемых па раметров микроклимата на необходимом уровне• При проектировании СОВ и СКМ приходится решать задачи системного анализа, поиска оп тимального состава систем, подсистем и установок при многовахиантнсм обеспечении технологаческих решений на всех этапах обеспы ливания воздуха и кондиционирования микроклимата и одновременно технологические, энергетические, экономические, санитарно-пние- нические и экологические задачи.
Оптимальное проектирование СКМ в зданиях возможно лишь при сокращении величины воздухообмена в помещениях. Уменьшение возду хообмена только на I % приводит в масштабах страны к экономя около I млрд.кВт.ч электроэнергии. В помещениях с пылевыделениями уменьшения воздухообмена можно достачь за счет сокращения расходов аспирационного воздуха и применения комбинированных систем. Кроме того, уменьшить расход аспирационного воздуха мож но за счет использования нетрадиционных для цроадпленных зда ний способов и средств обеспыливания технологического оборудова ния. Системы гидро- и парообеспыливания, обеспыливания пеной или электрообеспыливания (СГО, СПО, СОП или СЭО) работают в комплексе с СА га менытх массах малоза пылеиного воздуха или позволяют в ряде случаев полностью отказаться от аспирации.
Совместная работа центральных воздушных систем ОВ и КВ с водяными и другими местным системами отопления или охлаждения, а также с местными увлажнительным иля осушительным устройствам сокращает воздухообмен и позволяет сберегать электрическую энер гию, а нередко, и теплоту, холод и воду. При этом чаще всего снижаются и материальные затраты.
Использование систем обеспыливания оборудования и Комбини рование центральных систем СВ я КВ о местными устройствами поз воляет осуществлять оптимальное проектирование СОВ и СКМ в целом.
Несмотря на устройство систем обеспыливания технологческого оборудования (СОТО) в воздушную среду помещений выделяется пыль: она частично витает в воздухе, часть ее удаляется вытяж ной системой общеобменной вентиляции (ВСОВ), а значительная до ля оседает на различных поверхностях. Осевшая пыль мажет снова поступить в воздух помещений (вторичное пылеобразаваняе). в свя зи с этим возникает проблема обеспыливания воздушной среды поме щений, что достигается про оптимизации организации воздухообме на И уборки осе впей пыли в помещениях.
В данной работе рассматриваются вопросы воздухораспределения в помещении при условии предотвращения вторичных пылеобра зо ва ний и естественного оседания витающей пыли и вакуумный способ уборки пылеосаждений, имеющий самые высокие технико-экономичес кие и санитарно-гигиенические показатели и сокращающий долю тя желого ручного труда.
Системный подход к решению указанных задач предполагает
использование современной математической теории оптимизации и практической реализации методов оптимального проектирования и оптимального управления.
Требования СИ, рекомендации СЙШ и отраслевых нормативных документов по проектированию систем ОВ в КВ оставляют большую свободу выбора состава систем, численных значений конструктив ных и технологических параметров, позволяющих достигать опти мальные параметры микроклимата, однако, материальные и энерге тические затраты цри реализации различных вариантов могут су щественно отличаться. Технико-экононяческая оценка вариантов систем пре проектировании возможна только при использовании ЭВМ и специальных СОВ и СКМ, характеризуемых многоуровневой иерархической схемой связей явлений различной природы, опреде ляется не только успешньы функционированием отдельных элемен
тов систем, но и сложной, взаимосвязанной работой всех их под систем, установок и устройств. Применение методологии систем ного анализа позволяет систематизировать и подчинять единой цели все ПОВ и ПКМ. При этом исследования СОВ и СКМ в целом ос новываются на анализе процессов и явлений, протекающих на всех их иерархических уровнях. Разделение системы на иерархические уровни, соответствующие блокам общей математической модели (ММ), позволяет, проведя детальный анализ нижних уровней, обоб щить информацию при передаче ее на верхние уровни и выявить основные факторы, влияющие на глобальный критерий оптимальнос ти системы.
Иерархическая схема СКМ включает ряд уровней от процессов на микроуровне, связанных, например, с молекулярным характером Процессов адгезии частиц пыли к стенке или тепло- и влагообмена между воздухом и водой в элементарном объеме тепло- в влагооб менного аппарата, до процессов функционирования СОВ или других отдельных подсистем и установок.
Оптиновация процессов на квждом уровне иерархии подчиняет ся частным критериям оптимальности, формирующим в той или иной
7
форме глобальный критерий, в качестве которого чаще используют ся технико-эконоляческие показатели. Исследование и оптимизация СКМ на основе критерия оптимальности включает две основные зада чи: выбор оптимальной структуры и определение эффективной после довательности. связей между подсистемами и установками, характери зуемыми определенным! условиями функционирования; выбор опти мальных условий функционирования подсистем и установок, их входных, выходных и управляющих параметров для СКМ заданной структуры.
Первая задача наиболее актуальна на этапах предпроектной и проектной цроработки новых систем и связана с разработкой
САПР СКМ. Вторая задача связана |
с анализом функционирования |
и оптимизацией действующих или |
проектируемых систем, создани |
ем АСУ ими. |
|
Страте тая системного анализа предполагает в каждом из рас смотренных случаев использование формализованных представлений в виде ММ подсистем и установок СКМ.
Данная работа посвящена оптимальному проектированию одной из основных подсиотем СКМ - СОВ, которая, в свою очередь, явля ется подсистемой комплекса инженерных систем (КИС) в помещении. Глобальным и универсальным критерием оптимальности систем яв ляется функция годовых приведенных затрат, описывающая экономи ческие, энергетические, технолотаческие и конструктивные пара метры.
Целью оптимального проектирования СКМ и СОВ в помещениях с
выделениями |
пыли является определение такого состава |
подсистем |
и установок |
и знвчений конструктивных и технолога ческих парамет |
|
ров, цри которых допустимый уровень запыленности и |
нормируемые |
микроклиматические параметры воздуха в помещениях достигаются с наименьшими приведенными затратами.
Машинно-ориентированная формализация и разработка алгорит мов расчета на ЭВМ являются цри этсм основой машинного анализа СОВ г СКМ и их последующей оптимизации.
ЭВМ служит техническим средством, эффективно реализующим Принципы кибернетического подхода к анализу, синтезу и управле нию ПОВ и ПКМ. При этом разработка и внедрение САПР систем и АСУ процессам являются важнейшим этапом технической модерни зации действущвх систем и создания на основе САПР новых высоко эффективных СКМ.
Идею комплексной оптимизации GKM выдвинул В.Н. |
Богословский |
|||||||||||||
/6 ,3 4 /• |
Пути энергосбережения в системах ОБ и КВ предложил |
|
||||||||||||
Е.Е. Карпас |
/4 ,3 0 /, |
который указал также нв необходимость много |
||||||||||||
вариантных расчетов, |
т .е . |
оптадо задай принимаемых решений СКВ, |
||||||||||||
Основные |
принципы |
поиска |
оптимальных |
решений |
систем на ос |
|||||||||
нове |
системного |
анализа |
разработаны |
А.А. Рымкевичем |
/6 3 / |
и |
||||||||
А.Я. |
Креслинь |
/4 0 /. |
Пути |
снижения |
|
расходов |
энергии |
в |
||||||
системах |
ОБ |
и |
КВ |
|
рассмотрены в |
работах |
В.В. Баркалова, |
|||||||
В.Н. Богословского, Л.Д. Богуславского, Е.Е. Карписа, О.Я. Коко |
||||||||||||||
рина, А.Я. Креслинь и др. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Фундаментальней работами в области обеспыливания воздуха |
|
|||||||||||||
являются работы В.В. Батурина, С.Е. Бутакова, Е.В. Доната, |
|
|
||||||||||||
М.П. Калинушкина, Л.С. Клячко, П.А. Коузава, В.Д. Коптева, |
|
|
||||||||||||
О.Д. Нейкова, А.И. Пирумава, В.Н. Талиева, Е.А.,Штокмана и др. |
|
|||||||||||||
Приближенный метод расчета |
тепловлажностного состояния воз |
|||||||||||||
духе и его |
изменений предложили В.Н.Богословский и сотрудники ЫИСИ |
|||||||||||||
/6 ,3 4 /. |
Аналитические зависимости для определения годовых рас |
|
||||||||||||
ходов теплоты, холода, электроэнергии установлены В.Н.Богослов |
||||||||||||||
ским, Ю.Я. Кувшиновым, |
А.М. СЬзовш, А. Г. Сотниковым и др. |
|
|
|||||||||||
Оптимальное |
проектирование |
СКИ широко используется |
за |
ру |
|
|||||||||
бежом. Методы оптимизации инженерных систем с помощью ЭВМ пред |
||||||||||||||
ложены, |
например, профессором В.Ф. Стоккером /7 7 / и др. |
008- |
|
|||||||||||
даны математические модели теплового режиме зданий с учетом |
|
|||||||||||||
стохастически изменяющихся параметров наружного воздуха |
/7 8 ,7 9 /. |
|||||||||||||
Разработано математичеокое обеспечение САПР СКВ /8 0 ,8 1 /. |
Комп |
|
||||||||||||
лексная оптимизация |
СКИ широко используется в Австралии |
/ 88/ . |
Ре |
|||||||||||
шение ряда оптимизационных задач в области |
ОВ и КВ предложено |
|
||||||||||||
учены»» |
Германии, Венгрии |
/83,84 |
и д р ./. |
|
|
|
|
|
|
В монографии приведены методологии и алгоритма и прогреты оптимизации на ЭВМ целостных СОВ и СКМ в промышленных зданиях о выделения»» пыли. Они позволяют решать широкий круг инженерных задач, основными из которых являются: выбор оптимального состава подсистем и установок КИС; определение оптимальных (ресурсосбере-
гаодзх) значений конструктивных и |
технологических параметров СОВ |
и отдельных устройств и элементов; |
анализ санитарно-гигиенической, |
энергетической и экономической эффективности всех подсистем СКМ. Автор надеется, что рассмотренные принципы системного анвта
за СЯМ, методы моделирования и оптимизации СОВ и других подсис тем будут полезны специалистам, работащам в облаота ОВ и КВ.
ШВА I . ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА
ИМОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ. КОЦЦИЦИОНИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТА
ВПОМЕЩЕНИЯХ С ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯМИ
1Л . Применение системного анализа при исследовании и проектировании процессов и систем обеспыливания воздуха
Системный анализ является основнш методом научного изуче ния сложных систем, включающих совокупность процессов и явле ний различной физической, химической и биологической природы. С помощью системного анализа решаются задачи математического моделирования и оптимизации отдельных устройств и подсистем, а также системы в целом. При этом методологая системного под хода сохраняется цри анализе иерархических уровней системы.
При рассмотрении процессов и систем обеспыливания воздуха (ПОВ и СОВ), процессов и систем кондиционирования широклима та (ПКМ и СКМ) в помещении с позиций системного анализа в них можно выделить ряд элементов, каждый из которых в свою очередь макет рассматриваться как технологаческвя система. Каждый из этих элементов (подсистем) характеризуется сложной иерархичес кой структурой связей, к которой также применим системный под ход. Так, любой ПОВ как сложная система может быть представлен многосвязной схемой, соответствующей различным механизмам обес пыливания воздуха. Кондиционер с позиций системного анализа
представляет многоуровневую систему, состоящую из аэро- и гидродинаш чески х и тепло- и массообменных процессов. СОВ в целом включает в себя различные процессы и установки обеспыливания, связанные материальными и энергетическими потокаш, и обеспе чивает нормируемые значения запыленности воздуха в помещении и в выбросах в атмосферу. Под СКМ в целом понимается совокуп
ность взаимосвязанных материальными, энергетическими и информа ционным! потокаш подсистем, в которых осуществляются процессы, обеспечивающие в помещении необходимые микроклиматические усло вия.
Рассмотрим качественные характеристики трех элементов и подсистем на различных уровнях иерархических схем СОВ. и СКМ, что позволит оценить сложность систем и определить метод их ис следования в оптишзации и целесообразный уровень детализации (декомпозиции) при разработке фодоализоваиных методов математи ческого описания систем.