Реалізація стратегічної мети - створення конкурентоспроможної економіки України та забезпечення високого рівня життя громадян потребує активного використання наукового потенціалу держави у створенні новітніх енергозберігаючих техніки та технологій, запровадження реально працюючих економічних моделей розвитку енергоефективної економіки та, на їх основі, вивільнення творчого потенціалу працівників підприємств для зміцнення потенціалу енергозбереження в усіх галузях економіки України.

Підвалинами для успішного та стабільного розвитку суспільства у в будь-якій сфері життєдіяльності є відповідні наукові здобутки, що чітко відповідають вимогам часу та потребам суспільства. Розвиток наукових досліджень у сфері енергозбереження на сьогодні є одним із напрямків, що найбільш динамічно розвивається в Україні. Це обумовлено не тільки відносною новизною цього питання для пострадянських умов господарювання, але й швидкими змінами економічних і політичних відносин у державі. Критична ситуація у сфері ефективного використання енергоресурсів в Україні гостро постала на початку 90-х років. Економічна та енергетична кризи суттєво вплинули на погіршення ефективності використання енергоресурсів в усіх галузях економіки України та призвели до усвідомлення актуальності та безальтернативності реалізації політики енергозбереження в державі.

Проекти тотальної реконструкції (або реінжинірингу) енергоємних підприємств, повний перехід на сучасні енергозберігаючі технології з використанням сучасних менш енергоємних агрегатів і машин вимагає суттєвих об'ємів фінансування, яких завжди не вистачає. Тому проблеми управління інноваційними проектами модернізації підприємств енергоємних галузей є сьогодні, на наш погляд, найбільш актуальними.

Питанням управління інноваційними проектами присвячені наукові праці багатьох авторів, серед яких необхідно згадати В.Ю. Бикова, І.О. Бланка, В.М. Буркова, С.Д. Бушуєва, В.І. Воропаєва, Л.М. Драгуна, В.М. Ілюшка, І.В. Кононенка, К.В. Кошкіна, П.Р. Левковця, В.В. Морозова, О.А. Павлова, В.І. Польшакова, Л.А. Пономаренка, Ю.М. Теслю, С.К. Рамазанова, В.А. Рача, М.Л. Разу, Х. Решке, А.І. Рибака, О.А. Стєніна, В.О. Ульшина, М.Т. Фісуна, І.В. Чумаченка, Х. Шелле, В.Д. Шапіро, В.Д. Шпильового та інших. Проте у відомій літературі, вочевидь, майже відсутні праці, в яких об'єктом дослідження були б підприємства енергоємних галузей виробництва - металургії, промисловості будівельних матеріалів, машинобудування, комунального господарства, електротранспорту тощо. З іншого боку, недостатньо уваги приділялося й різним аспектам такого важливого напрямку поліпшення роботи підприємств як їх модернізація.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася на кафедрі управління проектами (завідувач кафедри проф. С.Д. Бушуєв) та кафедрі інформаційних технологій (завідувач кафедри проф.В.Б. Задоров) факультету автоматизації та інформаційних технологій (ФАІТ) Київського національного університету будівництва і архітектури і прямо пов'язана із планами науково-дослідних робіт названих кафедр. Зокрема, результати дисертаційних досліджень використовувалися при виконанні таких тем: "Розробка індивідуальних методів створення автоматизованих технологічних комплексів та їх впровадження на цукрових заводах України" (шифр 183/98); "Дослідження та комп'ютеризація технологічних процесів цукрових заводів України та використання розрахунків за хіміко-технологічними показниками" (шифр 197/99); "Розробка алгоритмів та програм розрахунку матеріальних потоків та ТЕП Губиніхінського цукрового заводу" (шифр 277/2001); "Числове моделювання повітряно-теплових режимів енергетичних об'єктів" (№ держреєстрації 81-05 від 04.04.2005 р.); програми 8-ДБ-2004 "Теоретичні основи чисельного моделювання процесів нелінійного деформування ґрунтової основи з урахуванням напружено деформованого стану підземних приміщень" (№ держреєстрації 0106U000648) - участь в якості експерта з управління проектом реалізації розробки та ін. Крім того, деякі результати роботи отримані при виконанні теми "Розробка математичних моделей та алгоритмів прийняття рішень при оптимізації процесів обробки інформації в системах управління та зв'язку з використанням ситуаційних пріоритетів" (шифр 6.2/00068) Державної науково-технічної програми 06.02 "Нові технологічні засоби підтримки і прийняття рішень. Інструментально-технологічні програмні комплекси", яка виконувалась в ДНПП "АМІУС" НВК "КІА" за участі автора. Результати дисертаційних досліджень, які стосуються оптимізації процесів нагріву й відпалу металу в металургійних печах, реалізовані шляхом їх передачі НВК "Київський інститут автоматики" згідно з договором про науково-технічне співробітництво між НВК "КІА" та КНУБА

Об'єкт досліджень. Процеси та технології управління проектами модернізації енергоємних підприємств.

Предмет досліджень. Моделі і методи управління інноваційними проектами модернізації підприємств енергоємних галузей

Методи досліджень. Методологічною основою проведених досліджень були досягнення наукової школи під керівництвом професора Бушуєва С.Д. (до якої належить автор дисертації та її науковий консультант) в галузі розробки нових концепцій і сучасних методологій управління проектами. При написанні роботи використовувалися: теорія систем і системний аналіз, теорія управління проектами і програмами, методи математичного моделювання, математичне програмування і методи оптимізації, теорія ситуаційних пріоритетних систем масового обслуговування, теорія автоматичного управління і систем автоматизації виробничих процесів, сучасні інформаційні технології, теорія комп'ютерно-інтегрованих систем та інші.

Метою дисертаційного дослідження є розробка теоретичних основ, моделей, методів і засобів управління інноваційними проектами модернізації підприємств енергоємних галузей.

Для досягнення поставленої мети дослідження в дисертаційній роботі розв'язані такі завдання:

встановлення основних напрямків формування й реалізації стратегії управління проектами енергозбереження в енергоємних виробництвах;

визначення причин перевитрат палива та інших енергоресурсів на виробництво одиниці продукції в енергоємних галузях, аналіз чинників, що впливають на ці показники, пошук шляхів зменшення перевитрат палива при ініціації проектів енергозаощадження;

визначення головних проблем, що виникають при формуванні проектів енергозбереження, та шляхів їх розв'язання;

визначення спільних рис та відмінностей проектів "модернізації", "інжинірингу", "реінжинірингу", встановлення головних причин необхідності їх проведення на підприємствах;

дослідження питань планування з урахуванням специфіки предметної галузі та часових параметрів проектів модернізації підприємств;

здійснення класифікації задач календарного планування, розробка методів і засобів визначення переліку робіт проекту, формування розкладу робіт, оптимального за вибраним критерієм;

вибір програмних продуктів з управління проектами, що використовуються для автоматизації розробки розкладів виконання робіт проектів;

розробка методу мінімізації кількості варіантів перебору при визначенні множини робіт проектів модернізації виробничих процесів;

формулювання наукових основ і визначення ієрархічної послідовності моделей інноваційної технології управління проектами модернізації підприємств;

започаткування нового наукового напрямку в теорії календарного планування дискретного виробництва, який полягає у застосуванні в задачах складання та виконання розписів робіт проекту методами ситуаційного пріоритетного обслуговування;

формулювання головних правил визначення оптимальних ситуаційних пріоритетів при управлінні управління послідовністю виконання робіт проектів енергозбереження в умовах дискретного виробництва й доведення їх коректності;

аналіз стану наукових розробок та інноваційних проектів у галузі автоматичного управління об'єктами теплоенергетики (електричними й газовим печами, паровими котлами різного призначення, системами теплопостачання та ін.);

розробка методики вибору оптимального з точки зору енергозбереження варіанту обладнання котельної промислового призначення (boiler-plant) на фазі концептуального проектування;

математичне моделювання процесів нагріву й відпалу металу в металургійних електричних і газових печах з метою виявлення причин непродуктивного витрачання теплової та електричної енергії, числова реалізація моделей, внесення змін до режимів нагрівання з точки зору інноваційних проектів;

розробка логічно-структурної й математичної моделей і алгоритму теплового розрахунку парових котлів утилізаторів, які відіграють важливу роль у розв'язанні проблеми щодо проектів енергозбереження;

дослідження проблеми заощадження енергії в системах теплопостачання комунального господарства, визначення переліку заходів з енергозбереження у проектах модернізації систем теплопостачання;

побудова математичної моделі системи житлового теплопостачання як об'єкта управління в програмах розвитку;

розвинення методів застосування системного аналізу та теорії систем в процесі реалізації проектів створення проектів систем управління підприємствами енергоємних галузей.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому, що в дисертації вперше:

енергозбереження інноваційний проект модернізація

теоретично обґрунтований і розроблений метод оперативного календарного планування (диспетчеризації) планування дискретного виробництва, який ґрунтується на застосуванні оптимальних ситуаційних пріоритетів;

розширено клас керованих систем масового обслуговування з ситуаційними пріоритетами за рахунок систем із різними типами орієнтації, з можливістю витіснення вимог із заповненої черги, із ненадійними приладами як формального інструменту управління портфелями проектів енергозбереження;

виконана класифікація систем ситуаційного пріоритетного керування обслуговуванням вимог при реалізації проектів і для кожного типу систем розроблені критерії ефективності функціонування і запропоновані оригінальні, об'єднані в структурований комплекс моделі визначення оптимальних пріоритетів;

розроблена ієрархічна структура управління технологічним комплексом цукрового виробництва, виконана декомпозиція загальної задачі управління комплексом з метою координації функціонування та розвитку підсистем;

сформульовані комплексні проблеми формування інноваційних проектів енергозбереження в енергоємних виробництвах за рахунок їх модернізації;

визначено методологічні засади управління проектами модернізації теплоенергетичних об'єктів.

Вдосконалено:

ієрархічну структуру критеріїв оптимізації функціонування та розвитку технологічного комплексу цукрового виробництва;

стратегію управління проектами енергозбереження та реінжинірингу

методику програмної реалізації ситуаційного пріоритетного обслуговування різнотипних потоків вимог марковською системою зі скінченою чергою;

методи порівняльного аналізу характеристик обладнання промислових котелень з метою вибору оптимального з точки зору енергозбереження варіанту з використанням способів мінімізації вихідної множини таких варіантів на фазі концептуального проектування;

алгоритми розрахунку техніко-економічних показників технологічного комплексу цукрового виробництва, які безпосередньо використовуються для цілей управління проектами розвитку;

методи автоматичного контролю якості пари і живильної води парогенераторів, які використовуються в цукровій промисловості як головних центрів витрат теплоенергоресурсів в проектах модернізації.

Одержали подальший розвиток:

методи теорії систем і системного аналізу в процесі реалізації реальних проектів систем автоматизації управління підприємствами енергоємних галузей;

методи реінжинірингу та формування інноваційних платформ проектів в енергоємних галузях промисловості.

Практична значущість отриманих результатів. Розроблені у дисертації теоретичні засади управління проектами модернізації підприємств енергоємних галузей містять в собі елементи системного, інформаційного, проектного та процесного підходів. Це дало змогу одержати результати, які мають досить високий ступінь готовності до використання при реалізації аналогічних проектів на інших підприємствах.

До результатів, які мають найбільшу практичну значущість, можна віднести:

розробку методів і засобів розв'язання задачі оперативно-диспетчерського управління в рамках АСУ дискретним виробництвом організаційно-технологічного типу;

створення алгоритмічного й програмного забезпечення для роз'язування задач оптимального ситуаційного пріоритетного керування в марковських системах масового обслуговування з обмеженою чергою та орієнтацією. Отримані алгоритми й програми реалізовані в проектах енергозбереження при управлінні ділянками верстатів з числовим програмним керуванням на машинобудівних підприємствах і в системах управління ділянками нагріву та відпалу металу в ковпакових печах металургійних підприємств;

розробку методики концептуального проектування та вибору раціонального з точки зору енергозбереження обладнання промислових котелень;

розробку методів і способів контролю якості води і пари парогенераторів у цукровому виробництві в проектах енергозбереження;

комплексне вирішення проблем створення комп'ютерних інтегрованих систем управління підприємствами цукрової галузі та проектами їх розвитку.

Результати дисертаційних досліджень безпосередньо використовуються у навчальному процесі КНУБА при викладанні дисципліни "Системи управління інвестиційними проектами", зокрема при вивченні таких тем як "Структурні моделі управління проектами", "Сучасний системний підхід в управлінні інноваційними та інвестиційними проектами", "Інструменти управління інноваційними проектами модернізації", "Управління якістю бізнес-процесів при розробці інноваційних та інвестиційних проектів модернізації", "Вплив людського фактора на управління проектами та конфліктами у проектах", а також частково використовуються при викладанні дисциплін "Теорія управління", "Стандартизація і метрологія в інформаційних системах", "Методологія і інформаційні технології наукових досліджень".

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати, подані в дисертації, отримані здобувачем особисто у період з 1995 по 2006 рік. У роботах, виконаних зі співавторами, особистий внесок визначено при поданні списку опублікованих праць за темою дисертації

Апробація результатів дисертації. Основні висновки й положення дисертації були апробовані на міжнародних і республіканських наукових і науково-практичних конференціях і семінарах, зокрема, на VII Міжнародній науково-технічній конференції "Пріоритетні напрямки впровадження в харчову промисловість сучасних технологій, обладнання і нових видів продуктів оздоровчого та спеціального призначення", Київ, 2001; Міжнародній конференції з управління "Автоматика - 2001", Одеса, 2001; Міжнародній конференції з управління "Автоматика - 2002", Донецьк, 2002; Міжнародній конференції "Інноваційний розвиток на основі технологічної зрілості в управлінні проектами", Київ, 2004; Міжнародній конференції з управління "Автоматика - 2004", Харків, 2004; Міжнародній конференції "Інноваційний розвиток на основі технологічної зрілості в управлінні проектами", Київ, 2005; Міжнародній конференції "Управління проектами: стан та перспектива", Миколаїв, 2005; 4-й Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми екології та енергозбереження у суднобудуванні", Миколаїв, 2005; ІІІ Міжнародній конференції "Управління проектами у розвитку суспільства", Київ, 2006; Науковій конференції професорсько-викладацького складу КНТЕУ, Київ, 2003; 65-й, 66-й, 67-й Науково-практичних конференціях КНУБА, Київ (2004, 2005, 2006) та інших.

Публікації. Основні результати дисертації повністю опубліковані в 46 друкованих працях, з них 14 статей у наукових журналах, 12 статей у збірниках наукових праць, 16 - матеріали і тези доповідей конференцій, 4 навчальні посібники з грифом МОН України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі змісту, вступу, п'яти розділів, висновків і списку використаних джерел (248 найменувань на 22 стор.). Крім того, вона містить список скорочень і позначень (на 4 стор.) та додатки (на 6 стор.), в яких розміщені матеріали щодо практичного впровадження результатів роботи. Загальний обсяг основного тексту дисертації становить 335 сторінок, в тому числі 33 рисунки,20 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність, наукова новизна та практична значущість роботи, наведена її загальна характеристика.

Перший розділ "Енергозбереження - пріоритетний напрямок розвитку економіки" присвячений аналізу стану і перспективи розвитку енергетичного сектору України, особливостей управління енергетикою підприємств. Висвітлені організаційні та технічні аспекти стратегії управління підприємствами енергоємних галузей, основні функції інтегрованої автоматизованої системи управління підприємствами енергоємних галузей. Особлива увага приділена завданням формування і реалізації стратегії управління проектами енергозбереження в енергоємних виробництвах

Визначені напрямки й найважливіші заходи з економії енергоресурсів. Показано, що, враховуючи складності з інвестиціями, необхідно перш за все здійснювати заходи, не пов'язані з великими капіталовкладеннями. У першу чергу необхідно знижувати прямі втрати електричної й теплової енергії.

Подолання значної диспропорції в економічному розвитку України та провідних країн ЄС, особливо з урахуванням європейського вибору держави, зумовили потребу в інноваційному підході до розвитку її економіки, що потребує прискореного розвитку високотехнологічних виробництв, у першу чергу, завдяки вітчизняним і світовим науково-технічним досягненням. Провідне місце у науково-технічній та інноваційній політиці мають посісти пріоритетні науково-технічні розробки, пов'язані з модернізацією енергетичної галузі, енергопостачання і енергоспоживання.

Встановлені основні причини перевитрати палива на виробництво у деяких енергоємних галузях, проаналізовані чинники, які впливають на ці показники, визначені шляхи подолання перевитрат палива. Показано, що для зниження витрат палива необхідно забезпечити надійний безперервний контроль основних показників якості, зокрема тих технологічних параметрів, що визначають енерговитрати.

Запропонована системна модель методології дослідження керування енергоємними виробництвами на основі якісних показників контролю. Розкрито підходи до розширення сфери застосування інтегрованої інформаційної системи управління діяльністю підприємствами енергоємних галузей в нових економічних умовах.

Визначені основні проблеми, що виникають при формуванні проектів енергозбереження. Запропонована класифікація типів проектів енергозбереження та класифікацію ознак проектів енергозбереження в авторському визначенні для енергоємних виробництв. Показано, що успіх реалізації такого проекту залежить від якості координації множини співпроектів під керівництвом програм енергозбереження.

Зазначено, що програма енергозбереження є інструментом втілення стратегічного плану енергоємного виробництва, який має кілька характерних ознак, пов'язаних з розробкою максимально "стиснутого" базового (головного) проекту та подальшого "розтягування" цього базового проекту відповідно до наявних ресурсів.

Основні результати даного розділу висвітлені у роботах автора [9, 13, 16 - 18, 22, 27, 41].

У другому розділі "Управління проектами модернізації та реінжинірингу" розглянуті основні принципи модернізації та реінжинірингу підприємств, підкреслене значення інформаційних технологій при проведенні реінжинірингу, визначені головні причини проведення реінжинірингу чи модернізації на підприємствах. Вивчені питання планування і розробки предметної області та часових параметрів проектів реінжинірингу промислових підприємств, планування проекту за часовими параметрами та інші класичні питання теорії управління проектами.

Наведені тлумачення та порівняльні характеристики термінів "модернізація", "інжиніринг", "реінжиніринг". Визначені основні принципи проведення модернізації та реінжинірингу підприємства. Показано, що в умовах дефіциту інвестиційних пропозицій при одночасній енергетичній кризі єдиним прийнятним способом радикального поліпшення важливих показників енергозбереження на підприємствах енергоємних галузей є модернізація основного і допоміжного обладнання, поступове запровадження нових ресурсозберігаючих технологій. Модернізація виробництва та створення конкурентоспроможної вітчизняної промисловості - першочергове завдання всіх ланок і рівнів економічного механізму. Повсюдно має укріпитися розуміння того, що будь-яке підприємство не зможе ефективно працювати без нових розробок, реалізації ефективних інноваційних проектів.

Показано, що реінжиніринг і впровадження КІС (корпоративної інформаційної системи) - це процеси зовсім різні, і у жодному разі їх не слід змішувати. Більшість невдач при впровадженні КІС пов'язані саме з тим, що перед початком проекту не була чітко встановлена його мета, у процесі автоматизації ставали явними недоліки попередньої системи, з'являлася можливість змінити, прискорити, розширити процеси, які склалися. Через це приймалися рішення про локальну реструктуризацію, яка слабко контролювалася і була нетехнологічною.

Встановлено, що ключовою функцією процесу перетворення діяльності підприємства є побудова моделей функціонування підприємства. На передпроектному етапі здійснюється обробка результатів обстеження і побудова моделей діяльності підприємства таких двох типів:

моделі "як є", яка є відбиттям стану справ на підприємстві (структура організації, взаємодія підрозділів, прийняті технології, автоматизовані й неавтоматизовані бізнес-процеси тощо) на момент обстеження і дає змогу зрозуміти, що робить і як функціонує дане підприємство з позицій системного аналізу, а також на основі автоматичної верифікації виявити низку помилок і вузьких місць та сформулювати пропозиції з поліпшення ситуації;

моделі "як має бути", яка інтегрує перспективні пропозиції керівництва і працівників підприємства, експертів і системних аналітиків і дає змогу сформувати бачення нових раціональних енергозберігаючих технологій роботи підприємства.

Перехід від моделі "як є" до моделі "як має бути" здійснюється такими двома способами:

1) удосконалення технологій на основі їх ефективності (легкий реінжиніринг);

2) радикальна зміна технологій і переосмислення бізнес-процесів (жорсткий реінжиніринг).

Наведено порівняльну характеристику таких понять як інжиніринг інновацій, франчайзинг і ноу-хау. Показані сильні й слабкі сторони подібних процесів при їх застосуванні при розв'язанні проблем енергозбереження. Докладно продемонстровано різницю між удосконаленням ділових процесів і реінжинірингом. Визначені три типи організацій, для яких застосування реінжинірингу необхідне й доцільне. Досліджені причини невдач і чинники, які сприяють успіху реінжинірингу. Названі чинники успіху і перелічені типові помилки при проведенні реінжинірингу промислових підприємств.

Досліджені питання планування предметної області та часових параметрів проектів реінжинірингу промислових підприємств. Визначена інформація, необхідна для розробки предметної області та часових параметрів проекту, описані методи і засоби визначення цих компонентів проекту.

Наведена загальна постановка задачі календарного планування, здійснена класифікація задач календарного планування, розглянуті методи і засоби визначення переліку робіт проекту та розв'язування задач календарного планування, зокрема, формування розкладу робіт, оптимального за вибраним критерієм його оцінки, що є головною задачею календарного планування.

Виконано огляд програмних продуктів з управління проектами, що використовуються для автоматизації розробки розкладів проектів за допомогою розглянутих в дисертації методів.

Отримані результати, які дозволяють формалізувати алгоритм виконання операцій з'єднання відношень при побудові множини послідовностей робіт проекту і при цьому мінімізувати кількість кортежів на проміжних ітераціях. Загальна задача побудови плану виконання аналізу множини альтернативних робіт проекту зводиться до оцінки обчислювальних витрат за заданими критеріями. Розроблені перетворення кортежів варіантів дозволяють значною мірою збільшити швидкість обробки множини альтернативних робіт шляхом модифікації плану виконання певних алгебраїчних операцій, які ґрунтуються на двох фундаментальних результатах:

1) Доведено, що значення суми проміжних результатів P_i, (i = 1,…, m) послідовного добутку елементів множини X = {x₁,…, x_n} буде найменшим, якщо значення x₁, x₂,…, x_n упорядковані за зростанням, тобто x₁ < x₂ <… < x_n.

2) У розвиток цього показано що мінімальна сума довільних пар добутків досягається при перемноженні найменших і найбільших значень заданої множини. Доведена теорема про найменшу суму проміжних результатів парного добутку: Хай задана множина X = {x₁, x₂,…, x_n} N, тоді мінімум суми парних добутків досягається при x_i = min{x₁,…, x_n} і x_j = max{x₁,…, x_n}.

Основні результати даного розділу опубліковані в роботах автора [18, 23, 27, 28, 44].

Третій розділ "Головні завдання управління проектами поліпшення експлуатаційних параметрів теплоенергетичних об'єктів" містить в собі аналіз стану наукових розробок у галузі автоматичного управління об'єктами теплоенергетики, такими як електричні й газові печі, парові котли різного призначення, системи теплопостачання у комунальному господарстві та ін. Головна увага головним напрямам енергозбереження в таких об'єктах. На прикладі цукрового заводу здійснено вибір оптимального варіанту обладнання котельних при реалізації проекту енергозбереження.

Одним із найважливіших завдань промислового і сільськогосподарського виробництва, комунального господарства є підвищення їх економічності та застосування енергозберігаючих технологій. Зараз для України пріоритетним напрямком є теплоенергетика. Неефективність використання об'єктів теплоенергетики, серед яких виділяються електричні й газові печі, парові котли й об'єкти теплопостачання, призводить до суттєвих економічних втрат. Оптимальні (економічно найвигідніші) режими роботи об'єктів теплоенергетики можуть підтримуватися протягом тривалого часу лише за умови автоматичного управління їх основними параметрами. Очевидною є практична цінність і актуальність завдання оптимізації роботи об'єктів теплоенергетики, яке не може бути успішно розв'язане без реалізації комплексних проектів впровадження систем автоматичного управління, якість роботи яких визначається, в основному, регуляторами, які використовуються, та систем диспетчерського управління узгодженою роботою агрегатів і вузлів. В дисертації проаналізовані наявні системи регулювання і визначені перспективні шляхи реалізації проектів створення і впровадження високоякісних мікропроцесорних систем автоматичного управління параметрами теплоенергетичних об'єктів.

Показано, що на підставі наявних наукових результатів можна реалізовувати проекти створення і впровадження високоякісних мікропроцесорних систем автоматичного управління параметрами теплоенергетичних об'єктів. Предметом дослідження вибрані різноманітні електричні й газові печі та котлоагрегати, велика кількість яких застосовується у технологічних установках. З точки зору енергозбереження особливої уваги заслуговують металургійні печі й топкові печі великої потужності. Не дивлячись на різну конструкцію металургійних печей і видів теплової обробки матеріалів, спільність призначення печей (одержання тепла і його передача матеріалу) тягне за собою те, що низка локальних систем автоматичного управління параметрами різних печей служить для виконання однакових функцій. Загальність функцій викликає однаковість структурної, а часто й апаратної побудови локальних систем автоматичного управління параметрами печей.

Особлива увага приділена проблемам енергозбереження у ковпакових електропечах для відпалу сталевих рулонів або сталевого дроту в бунтах, Встановлена наявність суттєвої нерівномірності розподілу температури як за висотою завантаження в цілому, та і у радіальному напрямку окремих бунтів і рулонів, що обумовлено недосконалістю процесів зовнішнього теплообміну в робочому об'ємі печі, причому на якість нагріву бунтів сталевого дроту чи рулонів у печах даного типу суттєво впливає розміщення джерел і витоків теплової енергії. Дослідження показали, що збільшення концентрації потужності нагрівального ковпака в його нижній зоні дозволило значно поліпшити рівномірність нагріву дроту впродовж висоти закладки бунтів, а також підвищити темп нагріву нижнього бунта. Проте наявність значного перепаду температури по перерізу закладки, величина якого наприкінці періоду нагріву досягає 60-70С, обмежує швидкість підйому температури внутрішніх витків бунтів.

При математичному моделюванні процесу, який досліджується, розподіл температури по товщині намотки бунтів Т (r, ) описується одномірним диференціальним рівнянням нестаціонарної теплопровідності із нелінійними коефіцієнтами у циліндричних координатах

c (T) (T) = (T) (1)

із нелінійними умовами однозначності

T (r, 0) = T_n,0 - (2)

(T) = _н-м (Т_н - Т_м) + _к-м (Т_к - Т_м); (3)

= 0, (4)

де c (T) - питома теплоємність металу, Дж/ (кгК); (T) - питома щільність металу, кг / м³; r - просторова координата, м; - часова координата, с; (T) - коефіцієнт теплопровідності сталі, Вт / (мК); Т_н, Т_к, Т_м - температура нагрівальних елементів, футеровки нагрівального ковпака і металу, К; T_n,0 - температура зовнішньої поверхні бунта, К; Т₀ - різниця температур за перерізом бунта у початковий момент нагріву, Т₀ = Т (R₂, 0) - Т (R₁, 0), R₁, R₂ - внутрішній і зовнішній радіуси бунта, м; Т (R₂, 0), Т (R₁, 0) - температура зовнішньої і внутрішньої поверхні бунта у початковий момент нагріву, К; = R₁ /R₂; _н-м, _к-м - коефіцієнти тепловіддачі випромінюванням у системах "нагрівачі - метал", "кладка - метал", Вт / (м²К).

Числову реалізацію математичної моделі (1) - (4) здійснювали локально-одновимірним методом на ПЕОМ з використанням неявної різницевої схеми на рівномірній сітці. У розрахунках враховували залежність теплофізичних властивостей сталі від температури. При моделюванні задавали середньомасову температуру дроту на початку і при закінченні процесу відпалу, змінювали командну температуру у зонах нагрівального ковпака, а також тривалість періодів нагріву і витримки під відімкненим ковпаком на окремих стадіях відпалу. При цьому оцінювали як значення перепаду температури за перерізом бунтів, так і величину питомих витрат теплової енергії на проведення цього процесу.

Як показали результати досліджень на моделі, завданим вимогам найбільшою мірою задовольняє режим, який передбачає нагрів металу (у першій зоні при командній температурі 850 С) протягом 10,2 год. і витримку під вимкненим ковпаком протягом 3,3 год.

Оцінку енергетичної ефективності застосування розроблених заходів виконували шляхом зіставлення балансів теплової роботи ковпакової електропечі до і після її модернізації. Очевидними є переваги реалізації розроблених заходів з точки зору енергоспоживання: зниження на 12,7 % питомих витрат електроенергії на нагрів металу, а також скорочення на 21,4 % тривалості процесу відпалу.

Автоматизація процесу одержання і споживання теплової енергії займає чільне місце серед заходів щодо економії палива у системах теплопостачання. Актуальним завданням є розробка автоматів і систем автоматичного управління параметрами такого важливого об'єкту теплоспоживання як паровий котел. Показано, що задачі регулювання процесів у котлоагрегаті в стаціонарному режимі зводять до необхідності підтримання матеріального та енергетичного балансу у котлоагрегаті. Слід підтримувати у межах допустимих відхилень такі параметри: температуру перегрітої пари (шляхом впорскування води); рівень води і тиск пари у барабані (регулюється зміною подачі живильної води); розрідження у верхній частині топки (регулюється зміною продуктивності димососів, що відсмоктують димові гази); надлишок повітря за пароперегрівачем (регулюється зміною продуктивності вентиляторів); солевміст котлової води (регулюється зміною витрати води, що випускається з барабану до розширювача неперервної продувки). Ці параметри змінюються внаслідок керуючих впливів і під дією зовнішніх і внутрішніх збурень, які мають детермінований або випадковий характер. Зміна будь-якого з цих параметрів понад допустимі межі може призвести до серйозних аварій як котлоагрегату, так і турбіни. Припустимі відхилення температури перегрітої пари складають звичайно від + 5 до - 10 С, а тиск пари у барабані необхідно підтримувати із погрішністю 1 %.

Розглянута математична модель теплового розрахунку парових котлів-утилізаторів, які відіграють важливу роль у розв'язанні проблеми енергозбереження. Алгоритм і логіко-структурна схема моделі дають змогу здійснювати розрахунок всього різноманіття елементів і схемних рішень, які застосовуються для котлів-утилізаторів в умовах сучасного проектування й виготовлення. Реалізований в моделі алгоритм складається з чотирьох ієрархічних рівнів: 1-й рівень - керуюча програма; 2-й рівень - програми розрахунку теплового балансу; 3-й рівень - програми розрахунку основних конструктивних параметрів складових елементів; 4-й рівень - програми розрахунку термодинамічних і теплофізичних параметрів теплоносіїв і робочих середовищ (води, пари, повітря і димових газів).

Показано, що комунальна (або мала) енергетика України сформувалася в умовах монопольного розвитку централізованого теплопостачання з усіма його вадами: незадовільний стан теплових мереж; затримка розвитку технологій теплофікації та когенерації; практична відсутність сучасних систем контролю, обліку і керування теплопостачанням; дефіцит органічного палива; потреба у максимальному використанні його теплоти; необхідність розв'язання екологічних проблем; високий ступінь зношеності енергетичних потужностей, основного й допоміжного теплоенергетичного устаткування. Кінцева мета енергоощадної політики у житлово-комунальному господарстві - скорочення витрат на утримання та експлуатацію житла і, відповідно, пом'якшення для населення процесу реформування системи оплати житла й комунальних послуг під час переходу галузі на режим беззбиткового функціонування.

Для забезпечення економії витрат ресурсів і зниження тепловитрат у комунальному господарстві необхідно, у першу чергу, здійснити низку заходів з енергозбереження у системах теплопостачання, опалення, вентиляції та кондиціювання повітря, які можна розділити на чотири групи: організація обліку і контролю за використанням енергоносіїв; об'ємно-планувальні, будівельно-конструктивні заходи з енергозбереження; енергозбереження шляхом удосконалення систем та їх елементів; енергозбереження шляхом утилізації природного тепла та холоду, використання вторинних енергоресурсів.

Система житлового теплопостачання розглянута як об'єкт регулювання, схема якого подана на рис. 1.

Рівняння теплового балансу приміщення визначають за формулою

Q_i - Q_0i = k_i*A_i (_Bi - _A) + M_ic (_Bi - _A),

де Q_i - тепло, що надходить до приміщення, що опалюється, за одну секунду, Дж/с; Q_0i - тепло, що відводиться із приміщення, що опалюється, за одну секунду, Дж/с; Q_i - Q_0i - тепло, що передається внутрішньому повітрю за одну секунду, Дж/с; k_i* - загальний коефіцієнт теплопередачі загороджуючи конструкцій будинку, який нелінійно залежить від співвідношення температур, Дж/м²/с/С; А_і - гранична поверхня, нормальна до потоку тепла (площа зовнішньої поверхні приміщення), м²; М_і - маса внутрішнього повітря приміщення, що опалюється, кг; с - питома масова теплоємність внутрішнього приміщення, що опалюється, Дж/кг/С; _A - температура навколишнього середовища, С; _Bi - температура внутрішнього повітря приміщення, що опалюється, С.

Вираз k_i*A_i (_Bi - _A) описує теплові втрати приміщення у навколишнє середовище. Вираз M_ic (_Bi - _A) описує тепло, що акумулюється у внутрішньому повітрі приміщення і обумовлене зміною його температури. Рівняння теплового балансу справедливе для малих збурень, коли можна вважати, що коефіцієнт k_i*, який залежить від температури, є постійною величиною. Крім того, припускається, що навколишнє середовище володіє нескінченно великою масою і що втрати тепла приміщенням не підвищують температуру навколишнього середовища.

У заключному підрозділі даного розділу наведено методику вибору оптимального варіанту обладнання котельних цукрових заводів при реалізації проектів енергозбереження. Розглянуті основні характеристики об'єкту дослідження, наведена схема теплопостачання цукрового заводу. Здійснені розрахунки витрати теплоти, які визначаються питомими нормами теплоспоживання на одиницю продукції, що випускається, або на одного працюючого за видами теплоносіїв (вода, пара).

Виконано розрахунок теплової схеми котельної з метою визначення загальних теплових і масових потоків і початкових даних для подальших техніко-економічних розрахунків.

Визначені методи підбору і розміщення основного і допоміжного устаткування: парових котлоагрегатів, мережних і живильних насосів, конденсатного насосу, деаератора, парогенераторів, електрогенераторів тощо), виконано тепловий розрахунок різних котлоагрегатів, розрахунок об'ємів і ентальпії повітря і продуктів згоряння.

Показано, що запропонований у розділі 5 метод мінімізації сумарної кількості звернень до певних кортежів при послідовному їх з'єднанні дає змогу зменшити кількість варіантів перебору множин технологічного обладнання котелень на 42,65 %

Основні результати даного розділу опубліковані в роботах автора [1 - 7, 22, 23, 24, 26, 28, 29].

У четвертому розділі "Моделі ситуаційної диспетчеризації при виконанні робіт проектів модернізації енергоємних виробництв" розглянуті математичні моделі задачі диспетчеризації із ситуаційними пріоритетами. Питання практичної реалізації алгоритмів диспетчеризації досліджені на прикладі систем групового управління ділянками верстатів з числовим програмним керуванням та системи управління відділенням ковпакових печей для нагрівання і відпалу металу.

Різке підвищення вартості сировини, енергетичних та матеріальних ресурсів, загострення конкуренції на внутрішньому та зовнішніх ринках, необхідність постійного оновлення асортименту та підвищення якості продукції, а також ускладнення міжзаводських і внутрішньозаводських матеріальних та інформаційних потоків різко підвищили ціну помилок при прийнятті рішень, що вимагає нових підходів до розв'язання завдань управління. Серед таких завдань досить суттєвою є диспетчеризація виробництва, яка здійснює у реальному часі визначення черговості виконання певного набору технологічних операцій на наявному обладнанні з метою оптимізації певного критерію ефективності.

Диспетчеризація виконує функції управління по відношенню до календарного планування і забезпечує оптимізацію протікання виробничого процесу у порівняно коротких часових періодах. Обмеженість часу, що відводиться на прийняття рішення в умовах практично безупинного протікання виробничого процесу, не дозволяє використовувати для цих цілей складні алгоритми календарного планування, тому алгоритми диспетчеризації у більшості своїй зводяться до визначення різних правил надання переваги, які дають змогу знайти черговість виконання робіт на даному обладнанні. Математичною моделлю такого типу задач через випадковий характер процесів виконання робіт та інших чинників, що порушують попередній план-графік, є відповідним чином обрані керовані системи масового обслуговування (СМО).

Поставлена й розв'язана задача ситуаційної диспетчеризації, коли рішення щодо спрямування певної роботи на виконання її однією із машин (верстатів, агрегатів, приладів) приймається залежно від поточної ситуації виробничої системи, тобто наявності в черзі та на обслуговуванні інших вимог різних типів, а також орієнтації машин (налагодження їх на певну операцію). У математичній постановці задача зводиться до пошуку оптимальних ситуаційних (таких, що залежать від поточної ситуації) пріоритетів в системах масового обслуговування з обмеженою чергою та різнотипними вимогами. Хай для групи машин (станків, агрегатів, приладів), кількість яких дорівнює m, визначений об'ємний план робіт на певний період, що характеризується кількістю різнотипних операцій - n. Всі операції, які підлягають виконанню, надходять до системи у певні випадкові моменти часу t₀ < t₁ < … t_k < …. Інтервали між моментами їх надходження _k = t_k - t_k-1 є незалежними випадковими величинами, що підпорядковані експоненціальному закону розподілу F (t) = P{_k t} = 1 - e^-t, де ^-1 - середній час між моментами надходження двох послідовних робіт. У подальшому ми будемо розрізняти типи робіт (операцій), тоді _і (і = 1,…, n) - інтенсивність надходження операцій і-го типу. Таким чином, в систему надходять n пуасоновських вхідних потоків різнотипних операцій.

Всі операції, що надходять до системи, можуть бути виконані на будь-якій машині даної групи, при цьому час виконання або штучна трудомісткість операції буде також випадковою величиною зі щільністю імовірності (t) = e^-t, де ^-1 - середній час виконання операції. У загальному випадку час виконання залежить від типу операції та номера машини, на якій вона може виконуватися, тому завдається матриця М = {_ij} (i = 1,…, n; j = 1,…, m).

Перед початком виконання кожної операції на будь-якій з машин потрібне проведення підготовчих робіт (налагодження) із середньою тривалістю, (i = 1,…, n; j = 1,…, m), що відповідає поняттю орієнтації у теорії СМО. Цей час також розподілений за експоненціальним законом. Тривалості виконання операції й налагодження є незалежними випадковими величинами. Стан системи масового обслуговування описується двовимірним вектором (k, i), де k = (k₁, k₂,…, k_j,…, k_m) - вектор, компонентами якого є номери операцій, що обробляються на кожній з машин даної групи; i = (i₁, i₂,…, i_n) - вектор, компоненти якого означають кількість операцій кожного типу в черзі. Індексований параметр і означає кількість операцій даного типу в черзі, а без індексу - номер типу операції. При k|k_j = 0, (j = 1,…, m) - j-а машина вільна; при i|i_s = 0, (s = 1,…, n) у черзі немає операцій s-го типу. Обмеження на довжину черги завдається двома параметрами:

1) для роздільних черг - для кожного типу операцій - i_s r_s (s = 1,…, n), де r_s - максимально можливий розмір черги операцій s-го типу;

2) для загальної черги всіх типів операцій: , де R - обмеження на довжину загальної черги.

Стаціонарна імовірність стану (k, i) записується як (k, i).

За необхідності введення певної операції до заповненої черги використовується пріоритетний параметр (k, i), (s, t = 1,…, n; s t), який визначає, що при = 1 операція s-го типу має витіснити операцію t-го типу із черги. При = 0 стан черги не зміниться. При надходженні сигналу "машина вільна" може виникнути ситуація, коли у черзі перебувають операції різних типів. Для розв'язування таких конфліктних ситуацій використовується пріоритетний параметр (k|k_j = 0, i), (s = 1,…, n; j = 1,…, m), що визначає можливість вибору операції s-го типу для виконання j-ю машиною. Альтернативні ситуації, пов'язані з пошкодженням машин, розв'язуються за допомогою запровадження керуючого параметру (k, i), (s, t = 1,…, n; s t), який дає змогу визначити можливість введення до черги s-ї операції замість t-ї.

Запровадження керуючих параметрів , , дозволяє досить точно розбити загальну постановку задачі диспетчеризації не модулі, кожний з яких має самостійне прикладне значення. Таке розбиття загальної задачі на підзадачі наведене на рис. 2. Всі отримані моделі динамічних задач диспетчеризації умовно класифікуються за трьома рівнями: А) за типом орієнтації; В) за поведінкою черги (з можливістю внутрішнього витіснення операцій з черги або без неї); С) за врахуванням ремонтно-відновлювальних характеристик каналів обслуговування (машин).

Оскільки керуючий параметр присутній у всіх типах моделей, то визначається базова модель, яка утворюється такими складовими: з орієнтацією на кожну вимогу, без внутрішнього витіснення вимог із черги, без відмов приладів, тобто символічним записом базової моделі є А1В1С1.

Система рівнянь для визначення всіх стаціонарних імовірностей станів (k, i) базової моделі динамічної задачі диспетчеризації із ситуаційними пріоритетами записується так:

(0, 0) (s, 0);

[ (s, 0) = _k (0, 0) + (s, 0|0_k = 1);

[ (k, i) = u (i_s) (k, i|i_s = i_{s -} 1) +

+ ^k (i|i_k = i_k+1) (s, i|i_k = i_k + 1), (5)