Научные основы реновации производства в цехах верфи с учётом современных экологических требований

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.08.04 - Технология судостроения, судоремонта

и организация судостроительного производства

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Научные основы реновации производства в цехах верфи с учётом современных экологических требований

Бурмистров Евгений Геннадьевич

Нижний Новгород - 2009



Работа выполнена на кафедре «Проектирование и технология постройки судов» Волжской государственной академии водного транспорта

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Климов Евгений Николаевич

доктор технических наук, профессор Бавыкин Георгий Викторович

доктор технических наук, профессор Гримитлин Александр Михайлович

Ведущее предприятие: ОАО «Центр технологии судостроения и судоремонта»

Защита состоится «27» января 2010 г. в 1300 час. в ауд. 235 на заседании диссертационного Совета Д 223.009.04 в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7, СПбГУВК

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «СПбГУВК».

Автореферат разослан «15» октября 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, д. т. н., проф. В. Л. Ерофеев



Общая характеристика работы

Актуальность работы. Приоритетными задачами организации судостроительного производства являются повышение эффективности труда и качества выпускаемой продукции. Оба показателя определяют рост экономической эффективности производства и конкурентоспособность отечественного судостроения. Рост этих показателей на российских верфях сдерживается их общей технической и технологической отсталостью и тревожной тенденцией усугубления этого отставания. Это делает отечественное судостроение уязвимым для иностранной конкуренции и осложняет переход России к открытой экономике. Отмеченное обусловливает необходимость создания нового конкурентоспособного облика судостроительной промышленности на основе масштабной реновации производства на существующих верфях, проектирования и строительства качественно новых судостроительных предприятий.

Наряду с совершенствованием технологий, развитием производства, обеспечением его рентабельности и повышением качества выпускаемой продукции главными целями реновации являются увеличение производственных мощностей и повышение качества выпускаемой продукции при одновременном улучшении условий труда производственного персонала и состояния окружающей среды (ОС). Последнее, в связи с ужесточением требований к экологической безопасности применяемых технологий и экологической чистоте выпускаемой продукции, становится всё более важным инструментом конкурентной борьбы в мировом судостроении.

Реновация производства в цехах предполагает комплексное решение экономических, общепроектных, технологических, организационных и санитарно-экологических задач. Очевидно, что повышение качества реновации производства в цехах верфи лежит в плоскости повышения качества проектов реновации. Такой подход соответствует методологии MS ISO серии 9000 применительно к системе менеджмента качества проектной организации и стандартов в области экологического менеджмента MS ISO серии 14000.

Наиболее эффективным путём достижения высокого качества (то есть требуемого уровня конкурентоспособности) проекта является выполнение его в системе Total Quality Management (TQM), в русскоязычной транскрипции известной как Всеобщее управление качеством. При этом, для управления качеством проектов реновации, отвечающего требованиям TQM, принципиально могут использоваться разнообразные методы и средства, однако качество во всех случаях выступает как фактор, объединяющий все аспекты и проблемы проектирования, в том числе решение вопросов санитарной и экологической безопасности производства.

Обеспечение требуемого качества производственной среды (ПС) является одним из наиболее эффективных направлений выполнения санитарных и экологических требований при реновации производства в цехах. Это особенно важно при реконструкции и модернизации производства в рамках общепринятой концепции «компакт-верфи».

Решению данных проблем посвящены работы М.И. и А.М. Гримитлиных, С.П. Наседкина, Б.А. Старцева, А.Н. Забавского, Л.Н. Григорьева, В.С. Корюкаева, А.Л. Баранова, А.С. Курникова, А.П. Муракова, Дж. Х. Харрингтона и др. Однако, несмотря на большой объём выполненных исследований, вопрос обеспечения современных санитарных и экологических требований при реновации производства в цехах остаётся весьма актуальным. Дальнейшее решение этой проблемы сдерживается отсутствием соответствующей концепции и необходимых организационных решений.

Тема диссертации непосредственно связана с программами многолетних исследований ФГОУ ВПО «ВГАВТ» и выполнялась в соответствии с планами НИОКР «ВГАВТ», тематикой госбюджетных исследований, а также по договорам с различными предприятиями.

Областью исследований являются методы решения задач организации судостроительного производства, в частности разработка прогрессивных направлений реновации производства в цехах судостроительных предприятий, обеспечивающих улучшение экологической обстановки, рост производительности труда и качества выпускаемой продукции и повышение на этой основе экономической эффективности и конкурентоспособности отечественных верфей.

Целью работы является разработка научных основ реновации производства в цехах с целью повышения производительности труда, качества выпускаемой продукции, экономической эффективности и конкурентоспособности отечественных верфей на основе обеспечения современных санитарных и экологических требований.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

1. Обосновать перспективы повышения конкурентоспособности отечественного судостроения на основе обеспечения современных санитарных и экологических требований при реновации производства в цехах. реновация цех конкурентоспособность экологический

2. На основе анализа современных подходов к организации судостроительного производства, систем менеджмента качества и экологического менеджмента разработать концепцию обеспечения современных санитарных и экологических требований при реновации производства в цехах судостроительных предприятий.

3. Разработать алгоритмы процедур обеспечения современных санитарных и экологических требований при реновации производства.

4. С целью выработки адекватных превентивных мероприятий на ранних стадиях организации судостроительного производства, математически описать процессы образования и распространения в объёме цеха производственных эмиссий.

5. Изучить степень влияния образующихся эмиссий на показатели качества ПС и взаимосвязи между ними. Разработать их математическое описание.

6. Разработать показатели ресурсосбережения и эмиссионной активности производственных процессов, а также методику количественной оценки степени учёта при реновации производства современных требований.

7. Для обеспечения требуемых параметров ПС разработать альтернативные традиционным системам промышленной вентиляции технические решения.

8. Формализовать процедуры обеспечения современных санитарных и экологических требований к производственным процессам.

9. Выполнить комплекс необходимых экспериментальных исследований для проверки адекватности разработанных математических моделей, определения и уточнения входящих в них эмпирических коэффициентов;

10. Разработать методологию обеспечения современных санитарных и экологических требований при реновации производства в цехах.

Научная новизна работы

1. С целью повышения эффективности организации судостроительного производства впервые предложена и научно обоснована концепция обеспечения современных санитарных и экологических требований при реновации производства в цехах верфи.

2. С учётом специфики судостроения разработаны показатели ресурсосбережения и эмиссионной активности производственных процессов

3. Выполнено математическое описание процессов образования и распространения эмиссий в цехах судостроительных предприятий с учётом особенностей выполнения частных производственных процессов и влияния на эти процессы случайных производственных факторов

4. Разработан алгоритм обеспечения современных требований при реновации производства в цехах, удовлетворяющий стандартам, входящим в систему TQM, в том числе стандартам системы менеджмента качества проектной организации (ISO 9000) и экологического менеджмента (ISO 14000), и математическое описание процедур обеспечения качества ПС.

5. Для обеспечения требуемого качества ПС при реновации производства в цехах разработаны альтернативные традиционным системам промышленной вентиляции технические решения на основе систем технологического кондиционирования воздуха (СТКВ) с элементами активированных окислительных технологий (АОТ), а также математическая модель комплексной обработки воздуха в СТКВ на основе АО Технологий.

Практическая ценность работы заключается в создании научной основы для реновации производства в цехах судостроительных предприятий с учётом экологических требований и в повышении на этой основе производительности труда и экологической безопасности судостроительного производства.

Практическое использование результатов исследований позволяет:

? совершенствовать проекты реновации производства в цехах верфей;

? на этапе организации судостроительного производства в цехах выполнять оценку категории опасности отдельных видов производства и оптимизацию производственных процессов по параметрам технологических режимов и ресурсопотреблению;

? разрабатывать принципиально новые схемы технических средств обеспечения качества ПС при реновации производства в цехах, в том числе прогрессивные схемы цеховых климатических систем, обеспечивающие качество ПС на уровне, требуемом действующими нормативными документами и рекомендациями стандартов МС ИСO серии 14000.

Внедрение результатов исследований производилось на базе ПФ «Союзпроектверфь» (ОАО «ЦТСС»), ООО ИЭБ «Редокс-системы», ИК ЗАО «Консар», судостроительных заводов ОАО «Окская судоверфь» и ОАО «Завод «Красное Сормово».

В практику работы указанных научных и проектных организаций внедрены: 1) «Рекомендации по количественной оценке уровня экологической опасности применяемых технологий»; 2) «Выбор приоритетных направлений повышения качества подготовки производства в цехах. Типовая методика»; 3) «Метод оптимизации производственных процессов по параметрам технологических режимов и ресурсопотреблению»; 4) «Методика проектирования технических средств обеспечения качества производственной среды в цехах верфи».

Элементы разработанных автором технологических схем технических средств обеспечения современных санитарных и экологических требований к производственным процессам внедрены на участках плазменной резки СКЦ-1 ОАО «Окская судоверфь» и СК-1 ОАО «Завод «Красное Сормово», при модернизации системы вентиляции сборочно-сварочного цеха (СК-2) ОАО «Завод «Красное Сормово», кузнечно-прессовом участке механического цеха (МЦ-2), и на литейном участке фасонно-литейного цеха (ФЛЦ-2) того же завода.

Теоретические результаты исследований внедрены в учебный процесс - в цикл технологических дисциплин, читаемых на кафедре «Проектирование и технология постройки судов» ФГОУ ВПО «ВГАВТ» для студентов, обучающихся по специальности 180101 - Кораблестроение.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением апробированных методов теоретических и экспериментальных исследований, совокупностью данных лабораторных и натурных экспериментов и сопоставимостью полученных аналитических и опытных результатов. Основные аналитические зависимости получены с применением методов математического анализа, теории вероятности и теории планирования эксперимента, а также корреляционно-регрессионного анализа.

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований опубликованы в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в том числе в отраслевом научно-практическом журнале «Судостроение» (2003, № 5; 2005, № 6; 2008, № 6; 2009, № 6), докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО «ВГАВТ» 1998-2007 гг., I Международной научно-технической конференции «Малоотходные и энергосберегающие технологии» (г. Пенза, 1995 г.), II Международной научно-технической конференции «Экологическая безопасность машиностроительных технологий» (г. Пенза, 1996 г.), Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования (г. Москва, 1998 г.), II-IV Международных конгрессах «Вода: экология и технология» (г. Москва, 1996, 1998, 2000 г.г.), III Международной научно-технической конференции «Питьевая и сточная вода» (г. Пенза, 1997 г.), IV Международной научно-технической конференции «Экономика природопользования» (г. Пенза, 1998 г.), V Международной научно-технической конференции «Экология и жизнь» (г. Пенза, 2001 г.), Региональной научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта Поволжья» (г. Нижний Новгород, 2003 г.), IV-VIII-Международных форумах «Великие Реки» (г. Нижний Новгород, 2003-2008 г.г.), VII Общероссийской конференции и выставке по морским и интеллектуальным технологиям МОРИНТЕХ-2008 (г. Санкт-Петербург, 2008 г.).

Опытные образцы технических средств обеспечения санитарных и экологических требований в цехах верфи, разработанные по результатам исследований, экспонировались на международных выставках в г.г. Нижнем Новгороде и Москве.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту

? концепция и методология обеспечения современных санитарных и экологических требований при реновации производства в цехах судостроительных предприятий;

? математические модели процессов образования и распространения в объёме цеха производственных эмиссий с учётом специфики применяемых технологий и влияния случайных производственных факторов;

? обоснование перспективности применения для обеспечения качества ПС при реновации производства в цехах СТКВ на основе АО Технологий;

? математическая модель работы цеховой СТКВ с регенерацией промывной воды и математическое описание работы элементов СТКВ с учётом специфики судостроительных технологий, переходных процессов в элементах СТКВ и оптимизацией их конструктивных характеристик;

? методика проектирования технических средств обеспечения современных требований к качеству ПС в цехах основного производства верфи (на примере проектирования СТКВ);

? метод количественной оценки степени обеспечения современных экологических требований при реновации производства в цехах верфи.

Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты многолетних исследований, полученные автором самостоятельно, а также совместно с профессором Ю. Г. Куликом (в части совершенствования организации судостроительного производства), инженером А. П. Мураковым (в части разработки цеховых климатических систем), профессором А. С. Курниковым (в части обоснования применения АО Технологий). При этом автору принадлежат: выработка направлений исследований и методология решения проблемы, постановка задач и разработка программы исследований; организация, планирование и проведение экспериментов; обработка, анализ и обобщение данных, формулировка полученных закономерностей, разработка и обоснование математических моделей; проектирование цеховых и локальных СТКВ и их элементов, участие в монтаже, пусконаладочных работах и испытаниях; непосредственное участие в подготовке заявок по 10 патентам на изобретения и полезные модели.

Публикации. Список публикаций по материалам диссертации включает 1 монографию и 42 работы, в том числе 8 статей в журналах, реферируемых ВАК, 1 учебное пособие с грифом Министерства транспорта РФ, 8 патентов РФ на изобретения и 2 патента на полезные модели.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 246 страницах машинописного текста и включает 56 рисунков и 47 таблиц. Библиографический список включает 233 наименования. Приложения содержат акты внедрения результатов работы, заключения о результатах испытаний, копии патентов на изобретения и полезные модели.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, указана научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе показаны взаимосвязи проблемы обеспечения современных санитарных и экологических требований при реновации производства в цехах верфи, организации судостроительного производства и обеспечения качества выпускаемой продукции. Отмечено, что существующие взаимосвязи определяют конкурентоспособность отечественных верфей на мировом рынке судостроительных услуг.

В связи с возросшими требованиями к экологической чистоте выпускаемой продукции и безопасности производственных процессов, а также в связи с тем, что санитарная и экологическая безопасность производства становится важной составляющей конкурентной борьбы, определены место и роль соответствующих факторов при организации судостроительного производства и обоснована необходимость учёта современных санитарных и экологических требований при реновации производства в цехах.

На основе изложенного дана оценка современного состояния проблемы и выполнен аналитический обзор исследований по данной тематике. Отмечено, что решение данной проблемы лежит в плоскости повышения качества проектов реновации производства, которое, в свою очередь, определяется принятой системой менеджмента качества проектной организации. Рассмотрены существующие системы управления качеством продукции и эффективностью производства (УКП и ЭП), в том числе система TQM и входящие в неё стандарты менеджмента качества проектной организации на основе MS ISO серии 9000 и экологического менеджмента MS ISO серии 14000. Выяснено, что для управления качеством проекта реновации производства в цехах на базе стандартов MS ISO серии 9000 могут использоваться разнообразные методы и средства, такие как: внедрение новой техники и технологий; аудит качества; внедрение программ совершенствования проектов и проч. Качество во всех случаях выступает как фактор, объединяющий все аспекты и проблемы проектирования, в том числе решение вопросов обеспечения санитарной и экологической безопасности производства.

С учётом того, что состояние большинства отечественных верфей сегодня характеризуется высоким моральным (до 70%) и физическим (до 85%) износом технологического оборудования и низкими темпами обновления основных производственных фондов при низкой загрузке имеющихся мощностей (не более 45%), несоответствием действующих технологических процессов и оборудования современным требованиям, а также требованиям охраны ОС и безопасности жизнедеятельности, энерго- и ресурсосбережения, потребовалось проведение анализа особенностей частных производственных процессов по видам производства. По итогам анализа были выявлены проблемы, условия и направления решения задач совершенствования проектов реновации производства в цехах верфей с учётом современных требований. Установлено, что основные направления совершенствования проектов могут быть сведены в следующие группы:

? повышение технического уровня производства и его модернизация на принципах общепринятой концепции «компакт-верфи»;

? углубление специализации видов производства с внедрением организационных принципов, присущих поточному производству;

? совершенствование существующих технологий производства;

? разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий;

? обеспечение требуемых параметров ПС за счёт модернизации цеховых климатических систем;

? совершенствование существующих и разработка принципиально новых технических средств защиты ОС.

Выбор приоритетов дальнейших исследований выполнялся на основе анализа применимости показателей известных групп качества к перечисленным направлениям. Анализ показал, что выраженную санитарно-экологическую направленность имеют четыре последних из перечисленных направления. Из них только одно - совершенствование качества ПС - в полной мере учитывает доминирующий характер санитарных и экологических требований и позволяет прогнозировать в ближне- и среднесрочной перспективе возможность существенного улучшения качества реновации производства в цехах верфей и совершенствовать организацию судостроительного производства при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах. В контексте данной работы именно это направление является приоритетным.

Вторая глава посвящена разработке концепции обеспечения современных санитарных и экологических требований при реновации производства в цехах судостроительных предприятий.

Выполненный в главе 1 анализ профильной литературы показал, что в настоящее время в отрасли не существует чёткой концепции обеспечения современных санитарных и экологических требований ни в проектах реновации производства, ни при его организации в цехах. Все соответствующие процедуры в основном реализуются на основе устаревшей нормативной базы, а также стандартов в области экологического менеджмента MS ISO серии 14000 и, отчасти, стандартов предприятия (проектной организации), разработанных на основе MS ISO серии 9000 и недостаточно адаптированных к особенностям судостроительного производства. Так, требования стандартов MS ISO серии 9000, в современной их интерпретации, являются не более чем минимально необходимой базой для решения проблемы качества и к повышению экономической эффективности производства (а следовательно, и конкурентоспособности) верфей прямого отношения не имеют. Более того, в п. 2.1 и 2.2 MS ISO серии 9000: 3000 делается акцент на том, что цели в области обеспечения качества лишь дополняют другие цели предприятия (проектной организации), такие как развитие, рентабельность, охрана труда и окружающей среды, обеспечение безопасности жизнедеятельности и др.

Вместе с тем обзор сложившихся в судостроении тенденций дальнейшего развития позволил выработать стратегические приоритеты совершенствования проектов реновации производства в цехах верфи. Практическая реализация этих приоритетов потребовала разработки критериев экологической безопасности производства, в том числе критериев ресурсосбережения и оптимизации производственных процессов по технологическим режимам и ресурсопотреблению, а также критериев оценки эффективности цеховых климатических систем.

В качестве критериев ресурсосбережения при оценке ресурсопотребления судостроительных производств (с учётом их специфики) автором предложено использовать частные показатели малоотходности (в других секторах промышленности, как правило, для этих целей применяют суммарные показатели). Частный материальный показатель малоотходности предложено определять по формуле

где Мij - масса продуктивно использованной части i-го материала в j-м производственном процессе; Мi - общая масса поступившего на обработку материала.

а частный технико-экономический показатель - как отношение



где Vиi - объём полезно использованной части ресурса, руб.; Vi - общий объём подведённого ресурса, руб.

Для оценки экологической безопасности отдельных видов производства предложено применять специальный критерий Кэк, рассчитываемый по формуле

где miж, miг и miт - количество i-го токсичного компонента жидких, газообразных и твёрдых отходов соответственно, т/т. продукции; miэ - количественная характеристика i-й составляющей энергетического воздействия; Сiж, Сiг и Сiт - концентрации i-го компонента в жидких (мг/дм3), газообразных (мг/м3) и твёрдых (мг/дм3) отходах соответственно; Сiэ - уровень i-й составляющей энергетического воздействия; ПДКiж, ПДКiг и ПДКiт - соответственно предельно допустимые концентрации i-го компонента отходов в воде (мг/дм3) и в воздухе (мг/м3) ближайших населённых пунктов и твёрдых отходов, мг/дм3 на территории промышленной и прилегающей к ней зоны; ПДУiэ - предельный уровень i-й составляющей воздействия.



Рис. 1. Алгоритм моделирования детерминистской фазы экологически ориентированной оптимизации производственного процесса

В отличие от известных аналогичных критериев формула (3) имеет более чётко выраженную экологическую значимость, так как учитывает уровень, количество и токсичность всех видов отходов производства и воздействий на ОС. Это делает возможным на ранних этапах организации судостроительного производства обоснованно ориентироваться на применение экологически безопасных технологий и материалов.

Предложенные критерии позволяют выполнять оптимизационное моделирование параметров технологических режимов и ресурсопотребления процессов основного и вспомогательного производств: обработки металлопроката, сварочных, окрасочных и других работ.

При разработке соответствующих моделей автор исходил из того, что любую величину, изменения которой приводят к изменениям параметров технологических режимов, можно отнести к группе входных параметров, которые могут быть разделены на внешние (параметры ОС и ПС) и внутренние (оптимизируемые параметры производственного процесса).

Выходные параметры характеризуют реакции процесса на изменения внешних и внутренних производственных факторов (определяют количественный и качественный состав образующихся эмиссий). Они зависят от особенностей взаимосвязей отдельных технологических этапов производственного процесса между собой. Их изменение формирует новую структуру и влечёт за собой изменение выходных параметров. К аналогичным изменениям приводит варьирование основных и расходных материалов.

Рис. 2. Алгоритм моделирования вероятностной фазы экологически ориентированной оптимизации производственного процесса

Собственно моделирование включает две фазы исследований: детерминистскую (рис. 1) и стохастическую (рис. 2). В первой решается задача поиска допустимого решения , то есть вектора внутренних входных параметров, доставляющих минимум интегральному обобщённому показателю качества . Во второй фазе решается задача поиска оптимального решения , то есть вектора внутренних входных параметров, доставляющего максимум интегральному показателю оптимальных параметров технологических режимов .

В логическом смысле обе фазы моделирования представляют собой единый процесс, а каждая из фаз реализуется алгоритмически (см. рис. 1 и 2).

Разработанный алгоритм легко формализуется и позволяет решать проблемы экологической оптимизации и обеспечения современных требований при реновации производства в цехах на базе современных информационных технологий. При этом удовлетворительные решения могут быть получены как для производственного процесса в целом, так и для отдельного технологического процесса или операции.

В качестве иллюстрации изложенного на рис. 3 приведён алгоритм оптимизации параметров технологических режимов при сварке судовых конструкций.

Другой важнейшей задачей при реновации производства в цехах является создание ПС, параметры которой обеспечивали бы безопасную и высокопроизводительную работу производственного персонала и технологического оборудования. Такими параметрами являются концентрация образующихся эмитентов, относительная влажность воздуха, его температура, скорость движения или сочетание этих параметров.



Рис. 3. Принципиальная блок-схема оптимизационного моделирования параметров технологических режимов по экологическим требованиям

Задача, как правило, решается с помощью цеховых технических систем климат-контроля (систем отопления, общеобменной и местной вентиляции и др.). Однако традиционные климатические системы характеризуются высоким (до 30 % от общего) уровнем энергопотребления и требуют отдельного решения вопросов очистки вентиляционных выбросов. Поэтому логичным представляется разработка альтернативных методов обеспечения современных требований к качеству ПС в цехах верфи, например, на базе цеховых СТКВ.

В настоящее время не существует общепринятого подхода к оценке санитарно-экологической эффективности цеховых климатических систем. Целесообразным считается выполнение такой оценки с учётом равномерности создаваемых воздушных потоков и конфигурации полей концентраций эмитентов и их температур. Это даёт возможность регламентировать относительный объём, в котором допускается отклонение параметров от нормируемых. Исследования М.И. Гримитлина, Г.М. Позина и автора позволили установить, что важной характеристикой поля концентраций и температур является его стационарность. Конфигурация стационарного поля не зависит от времени, и для оценки эффективности цеховой климатической системы в этом случае достаточно использовать конфигурацию самого поля, значения параметров которого должны соответствовать установленным нормам нестационарных полей в качестве критерия эффективности целесообразно принимать интервал времени, в течение которого в обслуживаемом помещении создаётся атмосфера, параметры которой соответствуют установленным нормам.

На формирование полей концентраций и температур основное воздействие оказывает структура подаваемого в обслуживаемое помещение воздушного потока. Распределение потока можно описать уравнением

где Сi*=Ci/C0 - приведённая концентрация (Сi - концентрация в i-й зоне, С0 - концентрация на входе в обслуживаемый объём), мг/м3; z - координата точки в i-й зоне, м; - критерий Пекле для i-й зоны (vi - скорость потока в i-й зоне, м/с; li - длина i-й зоны, м, Dэфi- эффективный коэффициент диффузии); - приведённое время (ф - время, с); ki,j - коэффициент обмена веществом i-й зоны с примыкающими зонами; лi=Qi/Q - доля потока в i-й зоне (Q - расход воздуха через исследуемый объём, м3/с; Qi - расход воздуха через i-ю зону, м3/с); C*i,j - концентрация эмитентов в примыкающих зонах, мг/м3.

Однако для описания стационарного поля при наличии технологического оборудования - источника эмиссий - более корректно уравнение

где Wi - интенсивность источника эмиссий в i-й зоне; фвi=li/vi - среднее время пребывания потока в i-й зоне цеха.

Повышение экономичности климатических систем, в частности СТКВ, связанно с необходимостью поддержания более высокой степени герметичности цеховых помещений. Для характеристики степени герметичности предложено использовать показатели удельной степени герметичности и суммарной площади неплотностей в ограждающих конструкциях цеха. Оба этих показателя могут быть рассчитаны по известным в термодинамике формулам для определения расхода газа через отверстие.

Данные натурных экспериментов, выполненных автором, а также анализ работ М.И. и А.М. Гримитлиных, Г.М. Позина и других исследователей, показывают, что значения удельных степеней герметичности цеховых помещений (Г) лежат в пределах (2,5 - 10,5)·10-6 м-1 на каждые (1000 - 1500) м3 объёма, а суммарных площадей неплотностей fнп=(1,0 - 14,0) 10-3 м2. На основании этого предложено считать герметичность цехового помещения удовлетворительной, если Г?2·10-6 м-1. В этом случае fнп?3·10-3 м2 на каждые 1500 м3 объёма цеха.

Предложенные алгоритмы и критерии оптимизации, а также показатели эффективности цеховых климатических систем делают возможным научно обоснованное управление качеством реновации производства в цехах судостроительных предприятий и выработку соответствующих управляющих процедур. Задачами управления при этом могут являться: проверка соответствия применяемых технологий и оборудования санитарным и экологическим требованиям; оптимизация организационно-технологической структуры производства и управления им; оценка рисков от регулируемых и нерегулируемых воздействий на ОС и ПС. Объектами управления могут выступать: ресурсы всех видов и форм; технологические процессы; выпускаемая продукция; производственные эмиссии; отходы производства; экологическая политика предприятия и др. Такая постановка задачи управления качеством проектов реновации производства в цехах хорошо вписывается в модель системы менеджмента качества проектной организации, регламентированную ГОСТ Р ИСО 9004-2001.

Решать задачи управления обеспечением современных требований при реновации производства в цехах предложено на основе процедуры замещения воздействия, которая может быть эффективно реализована известными методами инженерной оптимизации (метод базовой точки, метод золотого сечения и др.). Целевыми функциями при этом могут выступать суммарные затраты на проведение соответствующих мероприятий (З) и годовой экономический эффект от их внедрения (Э). В ряде случаев в качестве целевых функций могут рассматриваться также абсолютные значения уровней механизации (УМ) и экологической безопасности производства (УЭБ). Оптимизируемыми параметрами во всех случаях являются капитальные затраты (ДК), а также уровни механизации (ДУМ) и экологической безопасности (ДУЭБ) производственных процессов.

Структурно-логическая схема такой оптимизации применительно к данной постановки задачи приведена на рис. 4.



Рис. 4. Структурно-логическая схема управления качеством реновации производства в цехах с учётом современных санитарных и экологических требований

Обобщение изложенных принципов, направлений и стратегических приоритетов сделало возможным разработку концепции обеспечения современных санитарно-гигиенических и экологических требований при реновации производства в цехах судостроительных предприятий.

Концепция предполагает решение задач четырёх уровней. Решения первого уровня определяют условия её реализации. Задачи этого уровня должны решаться на федеральном и региональном уровнях. Основными условиями являются: наличие долгосрочной стратегической программы развития отрасли; достаточное финансирование соответствующих программ, их научно-методическая, информационная и нормативная обеспеченность. Решения второго (отраслевого) уровня должны обеспечить соответствие применяемых техники и технологий ужесточающимся санитарным и экологическим требованиям. Они должны определять задачи повышения качества и эффективности (т. е. конкурентоспособности) производства. Решения третьего уровня (уровень проектных организаций) должны регламентировать методы обеспечения качества организации производства с учётом современных требований. Решения четвёртого уровня (уровень ОГК, ОГТ, ОГСв, ОГЭ предприятия) должны предусматривать разработку мероприятий по обеспечению современных требований при реновации производства непосредственно в цехах верфи.

Главными условиями реализации изложенной концепции является комплексное решение конструкторских, технологических, социально-правовых и других задач организации судостроительного производства.

Для планирования при реновации производства в цехах адекватных процедур по обеспечению современных требований к качеству ПС и управления ими в третьей главе разработаны теоретические основы организации судостроительного производства в цехах с учётом современных санитарных и экологических требований. Соответствующие процедурные вопросы решены методом формализации взаимосвязей производственных, санитарных и экологических факторов, оказывающих доминирующее влияние на качество ПС. Цех (производственный участок) интерпретирован как эколого-экономическая система (ЭЭС), процессы образования и распространения эмиссий в которой также формализованы.

Математическая модель процесса образования характерных для цехов основного производства эмиссий в общем виде описана уравнением

где с и с? - концентрация эмитента в рассматриваемой точке цеха и в месте его образования соответственно, г/м3; l - расстояние от источника эмиссий до рассматриваемой точки в объёме цеха, м; D - коэффициент диффузии; КВ - кратность воздухообмена, раз; v - скорость распространения эмиссий, м/с.

Для описания процессов распространения эмиссий в объёме цеха разработаны несколько моделей. Вид моделей в основном определяется влиянием производственных факторов (параметрами технологических режимов, единичной мощностью агрегатов и т. п.). Первая модель предполагает, что с производственного участка в объём V цеха в момент времени ф=0 эмитируется некоторый объём вредных веществ, а удаление эмиссий из объёма цеха не производится, что обусловливает их аккумуляцию в этом объёме. Число производственных участков (или СТО) - источников эмиссий в момент времени ф - составляет х(ф). Не загрязнённый эмиссиями объём цеха (часть этого объёма с течением времени может быть загрязнена) составляет y(ф). То есть в любой момент времени ф выполняется равенство х(ф)+ y(ф)=V+1. Причём при ф=0 > x(0)=1.

Количество эмиссий, образовавшихся за интервал времени ф+Дф, пропорционально Дф (Дх?Дф) и суммарной площади фазовой поверхности (х(ф)Мy(ф)). Таким образом, Дx?бx(ф)y(ф)dф, где б - коэффициент пропорциональности. Данное соотношение при Дф>0 позволило получить уравнение

которое, вместе с начальным условием х(0)=1, определяет функцию х(ф).

Решение задачи Коши для него имеет вид:

То есть распространение производственных эмиссий - функция времени. С течением времени при работающем оборудовании загрязняемый объём цеха может только увеличиваться (так как ) причём скорость загрязнения может быть оценена количественно из выражения:



Вторая модель учитывает удаление эмиссий из объёма цеха средствами общеобменной вентиляции или СТКВ, а также эксфильтрацию эмиссий через неплотности в ограждающих строительных конструкциях цеха.

Для решения этой задачи исследовался дифференциал величины :

, ф?0.

Из этого уравнения вытекает, что при и при . Следовательно, скорость загрязнения объёма цеха - функция - нарастает до момента насыщения при , после чего начинает уменьшаться.

Рис. 5. Графическая интерпретация зависимости концентраций эмитируемого агента от скорости его распространения в объёме цеха

Несмотря на упрощенный характер данной модели её адекватность подтверждена экспериментально (см. рис. 5).

Для оценки скорости нарастания объёма эмиссий предложена третья модель. Согласно ей, если эмитируемый агент имеет в момент времени ф0 объём х0 и скорость нарастания объёма в каждый момент времени пропорциональна уже имеющемуся объёму, то возникающие явления диссипации и ассимиляции уменьшают объём эмитента пропорционально квадрату наличного объёма:

где б и k - положительные постоянные параметры.

Решение задачи Коши для данного уравнения при начальном условии x(ф0)=x0 после соответствующих преобразований даёт

Четвёртая модель учитывает возможное одновременное присутствие в цехе разнородных эмиссий. Динамика нарастания их объёмов описывается системой уравнений:

где k1, k2, г1, г2, л1, и л2 - определённые положительные числа.

Первые члены правых частей характеризуют скорость нарастания объёмов эмиссий при отсутствии ограничивающих факторов. Вторые - учитывают изменения в скоростях нарастания, вызванные ассимиляционными явлениями. Решение задачи Коши для данной системы определяется начальными условиями и имеет вид: . То есть, эмиссии (в примере - двух видов) взаимно диффундируют с последующей стабилизацией и .

Предложенные модели допускают также учёт влияния случайных производственных факторов (изменение программы загрузки, смена номенклатуры выпускаемой продукции и др.) на распространение эмиссий.

В связи с тем, что обеспечение качества ПС является наиболее рациональным направлением обеспечения современных санитарных и экологических требований в цехах судостроительных предприятий, в четвёртой главе разработаны математические модели соответствующих организационных процедур. Важнейшей их составляющей является применение прогрессивных цеховых климатических систем, в частности СТКВ. Теоретическими предпосылками для разработки математических моделей послужили работы А. С. Курникова, А. П. Муракова и автора.

Анализ библиографии по вопросам применения технических средств обеспечения качества ПС в цехах, показывает, что рациональное решение данной проблемы возможно при использовании АО Технологий обработки воздуха в СТКВ. Полномасштабные исследования таких технологий, выполненные С.А. Сотниченко, подтвердили их высокую эффективность и экологическую чистоту.

Одним из элементов АО Технологий является озонирование промывной воды в соответствующей системе СТКВ. Однако при этом возможно появление в воде опасных побочных продуктов озонолиза. Повышение безопасности данного процесса возможно при активном принудительном управлении процессом озонирования промывной воды. С учётом отмеченного автором разработана технологическая схема перспективной для внедрения в цехах основного производства верфи СТКВ (рис. 6), которая позволяет производить одновременную тепловлажностную, химическую, биологическую и электрическую очистку воздуха от твёрдых и газообразных аэрополлютантов. Принципиальной отличительной особенностью данной схемы является применение адсорбционно-фильтрующего узла специальной конструкции, что позволяет значительно повысить качество обработки воздуха, улучшить массогабаритные и эксплуатационные характеристики СТКВ, минимизировать потребность в приточном воздухе; исключить возможность его вторичного загрязнения.

Рис. 6. Технологическая схема СТКВ с применением элементов АО Технологий комплексной обработки воздуха и промывной воды: 1 - воздухозаборное устройство; 2 - предварительный воздушный фильтр; 3 - калорифер I ступени; 4 - камера орошения; 5 - форсуночный аппарат; 6 - напорный трубопровод; 7 - эллиминатор; 8 - калорифер II ступени; 9 - постфильтр; 10 - поддон; 11 - блок подготовки воздуха; 12 - трансформатор высоковольтный; 13 - озонатор; 14 - грязевая коробка; 15 - струйный аппарат (эжектор); 16 - всасывающий трубопровод; 17 - циркуляционный насос; 18 - регулятор уровня

В результате обеспечивается требуемое качество ПС, что ведёт к росту производительности, качества и привлекательности труда, повышению качества выпускаемой продукции, экономической эффективности и конкурентоспособности производства.

Основные процессы обработки воздуха в СТКВ происходят в контактном аппарате, где одновременно происходит увлажнение, очистка от пыли, искусственное озонирование, ионизация, дезодорация и, частично, тепловая обработка воздуха. Концептуальная модель этих процессов в виде схемы материальных потоков в системе «СТКВ - обслуживаемое помещение» приведена на рис. 7.

Уравнение материального баланса расходов воздуха в обслуживаемом помещении и СТКВ имеет вид:

где L0 -расход приточного воздуха, м3/с; L1 - расход озоно-воздушной смеси, поступающей с водой из системы обработки промывной воды, м3/с; L2 - расход воздуха, поступающего в цех при инфильтрации через неплотности в строительных конструкциях, открытые окна, двери, ввозные и вывозные ворота, м3/с; L3 - расход рециркуляционного воздуха (для теплонапряжённых помещений учитывается только при работе СТКВ в весеннее-летний период), м3/с; L4 - расход воздуха, удаляемого из цеха, м3/с; L5 - расход воздуха из цеха при эксфильтрации через неплотности в его ограждающих конструкциях, м3/с.

Рисунок 7 - Схема материальных потоков в системе «СТКВ - обслуживаемое помещение»

Изменение во времени концентрации озона dс3 в помещении цеха с объёмом V1 при идеальном смешении кондиционируемого воздуха с озоном, вычислялось на основе уравнения материального баланса (13) по формуле:

где - производная по времени; s - потери озона в обслуживаемом помещении, г/с; _ скорость поглощения озона в воздухе; Fi - производная по времени; kдеп.i - условная скорость депозиции озона, м/с.

Изменение во времени концентрации озона dс2 для объёма кондиционера V2, в котором также принято идеальное смешение озона с воздухом, определяется уравнением:

где с1 - концентрация озона, поступающего из озонатора, г/м3; з - эмпирический коэффициент повышения концентрации озона в контактном аппарате.

При решении выражений (14) и (15) для стационарного режима обработки воздуха в СТКВ (ф>?, ,) возможно определение концентрации озона с1 в воздухе, который поступает из озонатора в кондиционер с промывной водой.

Для правильной организации работы СТКВ необходимо соблюдение условия равенства между концентрацией озона в воздухе обслуживаемого помещения и его фоновой концентрацией, то есть с3?с0. Тогда допустимая концентрация озона [с1] для СТКВ с рециркуляцией воздуха будет равна



где kр=L/L0 - коэффициент рециркуляции воздуха;

а производительность озонатора, работающего в составе СТКВ, по озону определится по формуле, г/с

Особенностью процессов обработки воздуха в контактных аппаратах СТКВ является относительно небольшой диапазон изменения параметров воздуха в обслуживаемом помещении. Поэтому, любое изменение состояния воздуха в кондиционере при орошении его промывной водой, может быть выражено через коэффициент эффективности СТКВ Ер:

где tм1, 2 - начальная и конечная температуры по «мокрому» термометру, °С; tж2 - температура промывной воды на выходе из аппарата, °С.

Эмпирическая зависимость коэффициента орошения мк от Ер впервые была получена А.П. Мураковым для систем комфортного кондиционирования воздуха. Для СТКВ потребовалось её уточнение с учётом специфики выполняемых производственных процессов. Уточнение формулы Муракова было осуществлено автором методами численного анализа. В окончательном виде зависимость имеет вид:

где - переводной коэффициент; рф - давление воды перед форсунками, кПа.

По известному значению мk можно рассчитать производительность СТКВ по промывной воде, кг/с:

где - массовая скорость воздуха, проходящего через СТКВ, кг/с.

Удельный расход промывной воды для теплонапряжённых цеховых помещений может достигать q''ж?10 г/кг. Поэтому более точно можно определить по выражению:

где Дd - требуемое повышение влагосодержания воздуха, г/кг.

Кроме тепловлажностной обработки воздуха и нейтрализации содержащихся в нём аэрополлютантов обогащение кондиционированного воздуха озоном поддерживает в нём оптимальный баланс лёгких аэроионов кислорода (в основном отрицательной полярности). Это так же определяет качество ПС в цехах и способствует снижению утомляемости производственных рабочих. Однако эффективность ионизации воздуха (коэффициент униполярности К) можно оценить только экспериментальным путём.

Согласно требованиям СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» качество обработки промывной воды в СТКВ по основным показателям должно соответствовать требованиям, предъявляемым к качеству питьевой воды. С учётом этого автором разработана модель обработки промывной воды с элементами АОТехнологий и управляемым процессом озонирования воды. Методической основой для создания модели послужили работы В.Л. Этина, А.С. Курникова, В.Н. Плотниковой и собственные разработки автора.

Математическая модель процесса озонирования промывной воды и адсорбции из неё загрязнений в общем виде описывается уравнениями:

где Vке - общий реакционный объём, м3; Vзаг - общий объём загрузки адсорбера, м3; - производительность СТКВ по воде, м3/ч; zo, zоз, zад - показатели качества исходной, озонированной и воды после адсорбции из неё загрязнений; доз - степень очистки промывной воды озонированием; дад - степень очистки промывной воды адсорбцией (определяется экспериментальным путём).

Для оценки переходных процессов в системе обработки промывной воды при управлении процессом её озонирования необходимо было определить время ф этих процессов, решив уравнение (23) с заменой на . Итоговое выражение для ф выглядит следующим образом:

Разработанные модели позволяют выполнять точный расчёт основных характеристик СТКВ, что является определяющим с точки зрения обеспечения современных требований к качеству ПС при реновации производства в цехах, повышения его эффективности и конкурентоспособности отечественных верфей (за счёт роста производительности труда, снижения текучести кадров, повышения качества выпускаемой продукции). Однако ряд уравнений, входящих в изложенные модели, содержит неизвестные коэффициенты (з, К, са, k1 и др.), для определения которых потребовалось проведение специальных экспериментальных исследований.

В пятой главе приводится описание выполненных экспериментов, анализ их результатов и выводы. Исследования проводились на специально разработанном автором стенде (рис. 8). Воздух обрабатывался в кондиционере с форсуночной камерой (кондиционер А) или с циклонно-пенным аппаратом (кондиционер Б). В системе обработки промывной воды СТКВ применялись элементы АО Технологий: озонирование промывной воды; последующая фильтрация; сорбция загрязнений.

Рис. 8. Схема экспериментального стенда: 1 - фильтр грубой очистки; 2 - калорифер; 3 - камера орошения; 4 - форсуночный аппарат; 5 - каплеуловитель; 6 - манометр; 7 - микроманометр с трубкой Прандтля; 8 - расходомер; 9 - насос; 10 - эжектор; 11 - пробоотборный кран; 12 - контактный фильтр; 13 - озонатор; 14 - термометр; 15 - холодильный агрегат; 16 - адсорбер; 17 - клапан электромагнитный; 18 - датчик измерения ОВП; 19 - деструктор озона; 20 - мановакуомметр; 21 - бункер; 22 - завихритель; 23 - пенная камера; 24 - сепаратор; 13 - корпус

Параметры работы СТКВ при проведении экспериментов варьировались в следующих диапазонах: Gв=(0,4…33,3) м3/с; мk=(0,5…1,0) кг/кг; (0…60) г/ч.

Для определения неизвестного в формулах (15) и (16) коэффициента з использовался кондиционер А, при этом работа СТКВ осуществлялась в двух режимах: непосредственным введением озона в кондиционируемый воздух (точка а) и методом орошения его озонированной промывной водой. В первом режиме производительность озонатора составляла (2…5) г/ч, во втором - (30…60) г/ч. Значение коэффициента з находилось из уравнения , где G?оз, G??оз - производительность озонатора, г/ч соответственно в первом и втором режимах работы.

Результаты эксперимента представлены на рис. 9.

а)б)

Рис. 9. Зависимость концентрации озона в кондиционируемом воздухе от производительности озонатора (заштрихованы зоны фоновых значений): а) при орошении воздушного потока насыщенной озоно-водяной эмульсией; б) введение озона непосредственно в обрабатываемый воздушный поток

По данным эксперимента определено численное значение коэффициента з=0,07. Доза gоз для поддержания концентрации озона в рециркуляционном воздухе в пределах фоновых значений при мk=1,0 составила 0,51 мгоз/дм3вод. Коэффициенты униполярности при данной дозе озона составили К?л=0,013 и К?т=0,35 по лёгким и тяжёлым ионам соответственно.

Для определения стационарной концентрации озона (са), г/м3 и константы скорости образования и разложения озона (k1), м3/(Вт?с) проводилась серия опытов при различных скоростях газа. Искомые величины са и k1 определялись решением системы уравнений:

где V?1, V?1 - объёмные скорости газа соответственно при первом и втором режимах введения озона в кондиционируемый воздух, м3/ч.

Рис. 10. Распределение величин са и k1 в зависимости от объёмной скорости газа

Результаты расчётов представлены в графическом виде на рис. 10.

Обработка полученных данных позволила определить константы са и k1 для расчёта процесса синтеза озона. Они составляют: са=27,0 г/м3; k1=5,87?10-7 м3/Вт?с.

...