Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Обеспечение экологической безопасности при эксплуатации трубопроводных систем жилых зданий

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Обеспечение экологической безопасности при эксплуатации трубопроводных систем жилых зданий"

На правах рукописи

КАЛИНИН Владимир Михайлович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ

Специальности 03.00.16 - «Экология» 05.23.04 - «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Московском государственном строительном университете

Научный руководитель: доктор технических наук., профессор

Кононович Юрий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук., профессор

Примин Олег Григорьевич

кандидат технических наук., старший научный сотрудник Прохоров Евгений Иванович

Ведущая организация:

Академия коммунального хозяйства им.К.Д. Панфилова

Защита состоится « » ¿^/С//"-^ 2005 г. в ^^ч. на заседании диссертационного совета Д 212.138.07 в Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское ш. 26, зал ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного строительного университета

Актуальность работы. Жилищный фонд является одним из основных и наиболее емких потребителей природных ресурсов (энергии, воды). Вместе с тем, их использование весьма нерационально. Это связано не только с техническим состоянием трубопроводных систем (в первую очередь тепло - и водоснабжения) жилых зданий (ТС), но и сложившимися методами их эксплуатации.

Как известно, значительная часть нарушений функционирования рассматриваемых систем возникает вследствие несовершенства сложившейся организации их эксплуатации и нередких ошибочных действий эксплуатационного персонала. При этом потери энергии и воды составляют не менее 30-40%, и во многих случаях, ухудшаются условия проживания населения. Такое положение не отвечает условиям устойчивого развития.

Этому способствует несовершенство экономических отношений, сложившихся в жилищно-коммунальной сфере. Удельная численность эксплуатационного персонала, приходящаяся на одно то же число потребителей в РФ в 1,5-2 раза выше среднеевропейского уровня, однако это не влияет на снижение удельного потребления на одного жителя. Например по воде оно в 1,5 - 2 раза больше.

Поэтому разработка теоретического обоснования практических методов оптимизации эксплуатационных мероприятий, обеспечивающих экологическую безопасность эксплуатации ТС и учитывающих материально-технические возможности эксплуатационных организаций, является актуальной задачей.

Объектом исследования в диссертационной работе являются технологически и эксплуатационно-технически связанные ТС (включающие тепловые пункты (ЦТП, ИТП), внутриквартальные сети и домовые системы тепло- и водоснабжения), рассматриваемые как единая эргатическая система массового обслуживания. Предметом исследования - выявление взаимосвязей между техническими, надежностными и организационными характеристиками ТС, и их совокупного влияния на экологическую безопасность и эксплуатационные затраты.

В исследовании использованы следующие специфические понятия:

Экологическая безопасность при эксплуатации ТС-комплексное свойство эргатической системы, характеризующее ее способность обеспечивать состояние защищенности жизненно важных интересов человека-жителя, связанных с

потреблением тепловых и водных ресурсов, рациональностью их использования, а также минимизацию экологического риска и ущербов от нарушения состояния компонентов природной среды, природно-антропогенных и антропогенных объектов, возникающих вследствие нарушений в работе системы.

Экологически неблагоприятная эксплуатационная ситуация - ситуация угрозы нарушения экологической безопасности вследствие воздействия совокупности эксплуатационных факторов.

Для унификации полученных в исследовании математических выражений и результатов расчетов все они представлены в обобщающих координатах - безразмерных (относительных) временных и стоимостных показателях.

При апробации полученных теоретических исследования учитывались технико-организационные характеристики объектов, расположенных в г. Москве.

Целью работы является теоретическое изучение условий формирования экологической безопасности и оптимизации методов эксплуатации ТС, а также разработка способов их практической реализации.

Для выполнения этих целей потребовалось решение следующих задач:

- создание математических моделей, описывающих влияние эксплуатационных воздействий на экологическую безопасность и экономические показатели эксплуатации ТС;

- обоснование критериев экологической безопасности при эксплуатации ТС, их экономических показателей и методов расчета;

- разработка алгоритмов и методов практического использования стратегий организации и оперативной эксплуатации ТС, в том числе в условиях неполной информации о техническом состоянии оборудования.

Достоверность полученных результатов основывается на их соответствии статистическим данным о величине и последствиях отказов оборудования и объемах ремонтных работ.

В качестве основногометода исследования процессов формирования экологической безопасности при эксплуатации систем ТС принято математическое моделирование, поскольку их экспериментальное изучение на натурных объек-

тах, связанное с полным или частичным воспроизведением физических процессов, неприемлемо.

Основным аппаратом анализа и синтеза моделей экологической безопасности при эксплуатации систем ТС явились современная теория инженерной экологии, охраны окружающей среды, теория надежности, теория массового обслуживания и теория управления, фундаментальные работы ученых: Н.Н. Абрамова, Е.М. Авдолимова, Л.Д. Богуславского, Ю.М. Воронова, В.П. Витальева, А.В. За-бегаева, Ю.А. Ильина, А.А. Ионина, Ю.В. Кононовича, И.И. Мазура, Б.А. Пер-мякова, Г.А. Порывая, А.Д. Потапова, О.Г. Примина, Е.И. Пупырева, А.Н. Ска-нави, Теличенко В.И., СВ. Храменкова и др.

Научная новизна диссертационной работы заключается в:

- системном анализе влияния технических и эксплуатационных факторов на экологическую безопасность тепло- и водоснабжения потребителей при оптимизации используемых на это материальных средств, что может служить теоретической и методологической основой отраслевой теории эксплуатации ТС:

- создании математических моделей и алгоритмов управления эксплуатацией ТС, оценивающих существующий уровень экологической безопасности и позволяющих прогнозировать его возможные изменения и связанные с этим экономические затраты;

- полученных выводах относительно целесообразности применения различных форм организационной и управленческой деятельности в реальных эксплуатационных условиях.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в:

- возможности использования в практике работы муниципальных служб городов РФ методов оценки и прогнозирования экологической безопасности эксплуатации ТС и материальных затрат при планировании эксплуатационных мероприятий;

- нормировании показателей экологической безопасности и обосновании выбора оптимальных эксплуатационных мероприятий с учетом материально- техни-

ческих возможностей собственников квартальных систем ТС и местных эксплуатационных организаций;

- возможности сравнительной оценки и анализа администрацией городских Управ качества работы подрядных организаций по показателям экологической безопасности и использования материальных ресурсов.

Результаты исследования нашли отражение в ряде нормативных документов - «Отраслевые нормы и правила по планированию и организации технической эксплуатации зданий и инженерных систем туристских предприятий Центрального Совета по туризму и экскурсиям ВЦСПС, «Правила технической эксплуатации зданий и инженерных систем РЭА им. Г.В. Плеханова», «Руководстве по правилам технической эксплуатации 18-ти этажного жилого дома по адресу: Мичуринский проспект кв. 396 к. 112». Разработанные методы моделирования включены в учебно-методические материалы для студентов специальности 2905 и используются при чтении дисциплины «Техническая эксплуатация зданий».

На защиту выносятся:

1. Показатели оценки экологической безопасности и экономической эффективности эксплуатации ТС.

2. Математические модели для исследования эколого-экономических и организационно-технических взаимосвязей при эксплуатации ТС.

3. Результаты теоретического исследования и оценки современных методов организации и планирования эксплуатации ТС с позиции обеспечения экологической безопасности и предложения по их совершенствованию.

4. Методики технико-экономического обоснования выбора вариантов организации и управления эксплуатацией ТС, обеспечивающих экологическую безопасность.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования докладывались и получили положительную оценку на научно - технических конференциях в МГСУ - 1989,1990,1992,2001гг.; МДНТП - 1990; МДО «Царев сад» - 2001; ПГУПС (ЛИИЖТ) - 2004; ВВЦ - 2004; КВЦ Сокольники 2005.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 16 научных трудах, включая учебники и нормативную литературу.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из: введения, 3-х глав, основных' выводов, литературы из 171 наименования и приложения. Работа включает 53 рисунка и 21 таблицу. Общий объем диссертации 182 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обосновывается актуальность разработки теоретических методов управления ТС, формулируется цель, конкретные задачи и методы исследований, приведена общая характеристика работы.

В первой главе дается анализ современного состояния проблемы обеспечения экологической безопасности систем ТС мероприятиями технической эксплуатации и разработка научно-методологических принципов ее решения.

Выполненный обзор и систематизация современных научных исследований, относящихся к вопросам обеспечения экологической безопасности и ресурсосбережению систем ТС, показал, что практически все научные работы в рассматриваемой области ориентированы на исследование отдельных вопросов без учета всего комплекса взаимосвязей, формирующихся в процессе эксплуатации. Кроме того, в настоящее время не существует общепринятых методов количественной оценки экологической безопасности, а также экологического ущерба от невыполнения ТС своих функций.

Анализ современных подходов к решению проблемы показал, что хотя все системы эксплуатации относятся к классу эргатических, однако, они рассматриваются только как технические системы без учета человеческого фактора в их управлении. Исследуемая эргатическая система (рис. 1) характеризуется тем, что результат ее работы определяется эмерджентными свойствами экологической безопасности. Поэтому эмпирическое объединение существующих отдельных теоретических разработок, не является достаточным условием для обоснования мероприятий по эксплуатации ТС.

Функционально система ТС предназначена для жизнеобеспечения, поэтому предложено экологическую безопасность при ее эксплуатации рассматривать, как свойство системы предотвращать угрозу нарушения теплового режима помещений и водоснабжение любого из потребителей и, одновременно, неблаго-

приятного воздействия на компоненты окружающей среды. Для количественного исследования воздействий на экологическую безопасность эксплуатации системы ТС разнообразных по природе факторов, предложено дополнить альтернативный показатель - экологический риск, определяющий вероятность наступления события, имеющего неблагоприятные последствия для природной среды, параметрами, характеризующими величину, продолжительность и частоту подобных событий на заданном интервале времени.

Установлено, что экологическая безопасность в основном определяется надежностью системы ТС, но при этом имеет специфические особенности:

- полная или частичная утрата работоспособности оборудования необязательно приводит к нарушению экологической безопасности, но неизбежно сопровождается отрицательным воздействием на окружающую среду; те же последствия могут сопровождать проведение планово-предупредительных мероприятий;

- нарушение экологической безопасности (АЭ рис. 2а) при эксплуатации систем ТС может являться функцией технологических свойств ее оборудования, а в определенных условиях одновременно функцией технологических свойств оборудования и оперативности эксплуатационных служб (рис. 26);

- стохастический процесс регенерации оборудования обуславливает кусочно-нелинейный вид функции изменения экологической безопасности во времени, что не позволяет непосредственно применять для анализа систем непрерывные функции, используемые в теории надежности;

Э

Эр

дэ

Эр

Эп

э

та

Тис 2 Сценарии развития экологического риска во времени при возникновении неблагоприятной эксплуатационной си-

г

1 туации, а - мгновенное, б- по-6)

степенное. Э^Эп - расчетное и

г, а)

предельное значение уровня экологической безопасноЗти^з'продолжитель-ности нарушения экологической безопасности или экологически неблагоприятного эксплуатационного события.

- экологический риск, определяемый тремя случайными аргументами - необеспеченностью жизненно важных потребностей жителей, нерациональностью использования ресурсов и ущербами, наносимыми компонентам окружающей среды, а также многообразие современных систем ТС переводят экологическую безопасность в разряд случайных функций, имеющих разработанный математический аппарат только для решения частных задач.

Анализ приведенных особенностей экологической безопасности определил методологию дальнейшего исследования — синтез элементов теории надежности, массового обслуживания и управления в аппарат, определяющий показатели жизнеобеспечения и воздействия на компоненты окружающей среды в зависимости от планируемых эксплуатационных воздействий на ТС.

С целью выявления принципиальных подходов к обеспечению экологической безопасности при эксплуатации ТС выполнено исследование временных и технических факторов, обуславливающих ее изменение. Установлено, что на стадии эксплуатации управляемыми параметрами, оказывающими многофакторное воздействие на показатели экологической безопасности, являются условия назначения регенерации (реновации) оборудования и принятая оперативность устранения экологически неблагоприятных эксплуатационных ситуаций.

Получено, что величина и продолжительность нарушения экологической безопасности являются функцией от частоты плановых и аварийных эксплуатационных мероприятий, производственных возможностей эксплуатационной ор-

ганизации и регламентированного времени существования экологически неблагоприятной эксплуатационной ситуации.

Определена на уровне математических зависимостей принципиально важная взаимосвязь частоты нарушения экологической безопасности и ТС и назначаемой стратегией эксплуатации.

Перечисленные зависимости являются основой для разработки математических моделей, определяющих эколого-организационно-экономические зависимости в ТС.

Для количественного определения показателей экологической безопасности эксплуатации ТС, определяющих обеспеченность жизненно важных интересов жителей в тепловых и водныхресурсах, эксплуатационный процесс представлен как последовательность отдельных отрезков времени между двумя стационарными моментами регенерации оборудования Совокупность значений случайной величины L, определяющей длительность цикла регенерации (восстановительного цикла (рис.3)), и случайного процесса У(г), описывающего изменение состояний оборудования ТС в течение этого цикла позволяет полностью представить изменение во времени экологической безопасности. Отношения числа неисправностей Ид и плановых мероприятий N^1 к математическому ожиданию длительности восстановительного цикла определяет частоту нарушения экологической безопасности системы ТС.

Установлено, что в современных условиях нерациональное использование ресурсов и неблагоприятное воздействие на компоненты окружающей среды при эксплуатации систем ТС можно оценить только на качественном уровне. Предложено их оценивать с использованием трехбалльной квалиметрической

шкалы, учитывающей опасность рассматриваемых воздействий (критическое (3), нежелательное (2) и допустимое (1 балл)).

Для снятия возможных неопределенностей при расчете показателей предложено использовать известный «принцип недостаточности обоснования Лапласа». Кроме того, предложено корректировать степень экологического риска посредством коэффициентов, учитывающих продолжительность перехода параметров компонентов окружающей среды в качественно новое состояние при количественном накоплении воздействий на них:

л(л+1)

где, Э/ - показательэкологической безопасности эксплуатации ¡-го оборудования системы; - частота ]- ойнеблагоприятнойэксплуатационнойситуации; ()] - вероятности реализации квалификационной оценки; -ранг ¡-го оборудования; Ц - коэффициент экспертной поправки к квалификационной оценке; п=3 —число квалиметрическихоценок.

Для случаев, когда принципиально недопустимо ухудшение любого из показателей экологической безопасности предложено рассматривать не усредненные, а предельные характеристики эксплуатационного процесса, использовать показатель конечная интенсивность отказов - выражающую склонность оборудования к отказам на момент регенерации.

Для сравнения экологической безопасности эксплуатации систем ТС, обслуживающих разное число потребителей и имеющих в своем составе разнотипное оборудование предложен критерий:

отклонений показателей экологической безопасности отрегламентированного

значения на велич^Ку^ и на время 21; т общее число отклонений в системе за время Z.

Экономическое обоснование мероприятий, обеспечивающих экологическую безопасность эксплуатации систем ТС предложено выполнять с учетом всех общесвенных затрат. Затраты, связанные с эксплуатационным процессом различны по своему характеру, времени вложения, зависят от вероятности возникновения и продолжительности эксплуатационных событий. Поэтому предложено использовать интегрированный показатель - интенсивность эксплуатационных затрат с, представляющий отношение суммы всех ожидаемых эксплуатационных затрат за заданный промежуток времени, к его продолжительности:

где, 1т, 1ав -частотыреализацииплановыхиаварийныхэксплуатационных ситуаций; Ст, Са„ - затраты, связанные с ними;- первоначальная стоимость оборудования; zae - продолжительность существования аварийной си-туации;2ср, Zoo, - средний срок службы и остаточная наработка оборудования.

Во второй главе выполняется математическое моделирование и теоретический исследование формирования уровня экологической безопасности как функции эксплуатационного процесса, и связанных с этим материальных затрат.

Предложена классификация стратегий управления эксплуатацией ТС в зависимости от выбираемых условий назначения регенерации оборудования - временные, количественные и мониторинговые. В качестве базовых стратегий приняты - система планово-предупредительных ремонтов с полной регенерацией (ППР-АП) и минимальным восстановлением (ПНР-AM) оборудования при аварийной ситуации, аварийной регенерации по факту отказа (АР), по допускаемому числу минимальных восстановлений с переменным ограниченным периодом плановой регенерации (НВ) и по результатам технической экспертизы (ТЭ). Для вариантов стратегий эксплуатации разработаны новые или адаптированы модели, используемые в других отраслях науки, позволяющие формализовать взаимосвязи между условиями назначения регенерации оборудования и частотой возникновения экологического риска, а также интенсивностью эксплуатационных затрат.

Основными параметрами, входящими в математические выражения, являются: средняя наработка оборудования Zq,, назначаемая периодичность плановых регенераций Z^ и освидетельствований ZK, допускаемое число экологически неблагоприятных ситуаций на заданном промежутке времени частота возникновения экологического риска а также материальные и трудовые

затраты, связанные с эксплуатацией системы ТС. Часть из перечисленных параметров является детерминированными, обладающими общепринятыми характеристиками. Для тех же параметров, значения которых не являются очевидными, рассмотрены возможные диапазоны принимаемых ими значений и выполнены оценки влияния погрешностей в исходных данных на рассматриваемые параметры экологической безопасности и экономической эффективности эксплуатации систем ТС.

Выведены математические выражения, позволяющие рассчитывать длительность восстановительного цикла L, вероятное число экологически неблагоприятных эксплуатационных ситуаций в нем а также ожидаемую продолжительность существования каждой ситуации Z^, Zn/.

Предложены аналитические зависимости, позволяющие одновременно рассчитывать экологическую безопасность эксплуатации и обосновывать возникающие при этом эксплуатационные издержки. Впервые в ТС предложено учитывать затраты, связанные с неполным использования ресурса оборудования при его плановых заменах: -,

где Срес, Сцб, С^ соответственно, издержки, вызванные неполным использованием оборудования, его первоначальная стоимость и сметная стоимость замены; Zcp, Zoen — средняя и остаточная наработка оборудования, v-процентная ставка.

Для оборудования, входящего в состав резервных групп, впервые предложены практические методы расчета экологического риска и безотказности, учитывающие выполнение восстановительных работ.

Разработанные модели позволили получить численные решения и аналитические выражения для оптимизации условий, состава и периодичности выполнения эксплуатационных действий по показателям частоты нарушения экологической безопасности и интенсивности эксплуатационных затрат.

На основании анализа математических моделей выявлено, что по совокупности экологических и экономических критериев различные формы организации эксплуатации оборудования не имеет явного преимущества друг перед другом. Это обусловило численный и аналитический поиск таких сочетаний управляющих решений, в которых каждый из показателей экологической безопасности эксплуатации принимает значения в некотором приемлемом диапазоне.

Исследование изменения уровня экологической безопасности в зависимости от частоты аварийных ремонтов показало, что это монотонная функция, не имеющая экстремумов. Поэтому в каждом конкретном случае условия проведения ремонтов должны определяться недопустимостью превышения прогнозируемой частоты аварийных ремонтов заданных значений.

Анализ стратегий эксплуатации по параметру частота аварийных ремонтов выявил, что наиболее эффективной является система ППР-АП\. Система ППР-АМ имеет ограниченную область применения, причем, если период выполнения плановых ремонтов превышает наработку оборудования то по

показателям экологической безопасности эта стратегия становится менее приемлемой, даже по сравнению с АР.

Стратегия эксплуатации NM-АП оказывается предпочтительней в двух случаях: при невозможности отслеживать изменение физического состояния оборудования; при планировании ремонтов через периоды времени, соизмеримые и большие ожидаемой наработки. Выявлено, что в ситуациях, при равнозначном воздействии на экологическую безопасность которых аварийных и плановых эксплуатационных событий, для стратегии ППР-АМ всегда существует оптимальный период, при котором суммарная частота любых ремонтов принимает минимальное значение. Этот период составляет 1,128-2^ (рис.4), при

этом частота проведения любых ремонтов равна 1,167/г 1/год. Для других стра-

тегии, предусматривающих плановые регенерации, при увеличении межремонтного периода суммарное число ремонтов всех типов возрастает и в пределе стремится к величине, обратной наработке оборудования. В практически значимом временном диапазоне стратегия НВ всегда имеет меньшую частоту ремонтов любого типа, по сравнению ППР-АП.

Рис. 4 Зависимость показателей, определяющих экологическую безопасность эксплуатации (частоты ремонтов и конечная интенсивность . отказов) от назначенного межремонтного периода в модели ППР-АМ

Исследование показателей экологической безопасности в зависимости степени восстановления оборудования при авариях показало, что во всех случаях регенерация оборудования при аварийных ремонтах более предпочтительна по сравнению с ремонтами, восстанавливающими только его работоспособность. Если же предусматривается только аварийная регенерация оборудования, то в этом случае частота ремонтов любого типа всегда меньше, чем в стратегиях с плановыми ремонтами.

Определены оптимальные в экономическом аспекте межремонтные периоды и соответствующие им значения интенсивности эксплуатационных затрат для различных стратегий эксплуатации. Получен ряд важных для практического использования результатов, например в стратегии «ППР-АМ» экономически оптимальный межремонтный период зависит от соотношения затрат, связанных с плановыми и аварийными ремонтами (Спл И Сав) и равен .При этом интенсивность эксплуатационных затрат со-

ставляет

Определены диапазоны экономически оптимальных межремонтных периодов и соответствующие интенсивности эксплуатационных затрат при различных относительных стоимостях плановых ремонтов и издержек, связанных с аварийными ситуациями. Пример результатов оптимизации для модели «НВ» приведен на рис. 5.

Выполнены сравнительные оценки интенсивности эксплуатационных затрат при применении различных стратегий эксплуатации. Например, для того, чтобы стратегия «ППР-АМ» была экономически предпочтительней стратегии

«АР» необходимо выполнение неравенства

• затраты, связанные с минимальным и полным восстановлением эксплуатационных свойств оборудования при аварийных ремонтах.

Выполнена исследование изменения интенсивности эксплуатационных затрат при проведении ремонтов в сроки, не соответствующие экономически оптимальному межремонтному периоду (рис.6). Полученные результаты позволяют корректировать моменты регенерации оборудования по показателям экологической безопасности при относительно незначительном изменении эксплуатационных затрат.

На качественном уровне проведен анализ экономических издержек, связанных с экологическим риском эксплуатации ТС, который позволил сделать выводы о предпочтительности применения той или иной стратегии при различ-

ных соотношениях стоимостей, связанных с ремонтами оборудования и компенсации экологического ущерба.

Рис.б Оценка вариации интенсивности эксплуатационных затрат при изменении межремонтного периода для модели «НВ»

Цифрами обозначено соотношение затрат, связанных с аварийными и плановыми ремонтами.

ысжрсчонпшй мерно!

Адаптирована к рассматриваемой проблеме стратегия ТЭ. В ней предложено учитывать, что при освидетельствовании оборудования может быть не выявлен факт нарушения экологической безопасности или нерационального использования природных ресурсов. На основании анализа модели «ТЭ» получены данные, позволяющие оптимизировать процесс мониторинга по экологическим и экономическим показателям. В частности:

- Для обеспечения экологической безопасности эксплуатации ТС в условиях, когда основным источником информации о нарушениях в ней являются освидетельствования, периодичность их проведения не должна превышать удвоенного значения допустимой продолжительности состояния, соответствующего экологическому риску.

- Затраты на выполнение технических освидетельствований, оказывают значительное влияние на оптимальную периодичность их проведения, особенно при относительно небольших издержках, связанных с неисправным состоянием и ремонтом оборудования. Это обстоятельство особенно важно при разработке систем непрерывного мониторинга за состоянием оборудования ТС.

- Оптимизация периодичности технических освидетельствований обеспечивает значительное уменьшение экологического риска и материальных издержек от возможных отказов оборудования.

В диссертационной работе разработаны математические модели, определяющие экологическую безопасность эксплуатации систем ТС как функцию нескольких переменных - частоты отказов, оперативности их обнаружения и ликвидации. В основу моделей заложены методы теории «динамика средних», а также предпосылки о возможных технических, организационных и материальных ограничениях при оперативном управлении системой:

где, то, т\, ГП2итз- соответственно среднее число единиц оборудования, находящегося соответственно в исправном и неисправном состоянии, подвергающихся аварийному ремонту и плановой регенерации.

Выявлено, что продолжительность «скрытого» существования неисправности оборудования, определяющая экологический риск и потери ресурсов, пропорциональна доли неисправного оборудования в объеме всей системы. Исходя из этого, выполнен анализ численности возможных состояний оборудования при различных режимах управления, который показал:

- Относительная оперативность устранения оказывает существенное влияние на показатели экологической безопасности ТС только при условии их достаточно быстрого выявления. Повышение оперативности в два раза приводит к сокращению экологического риска на 10-20%. Вместе с тем, высокая оперативность мониторинга состояния оборудования и устранения отказов обеспечивают весьма незначительную долю неисправного оборудования (менее 1%). Поэтому реальный эколого-экономический выигрыш за счет быстрого устранения неисправностей в таких условиях может оказаться несущественным. Таким образом, при соблюдении Действующих норм, по продолжительности устранения неисправностей, повышение экологической безопасности эксплуатации ТС за счет оперативности выполнения аварийных работ возможно только при условии, что не потребуется увеличение численности персонала эксплуатационной службы.

- Выведены зависимости относительного числа неисправных единиц оборудования от продолжительности времени с момента возникновения неисправности до момента начала работ по ее устранению. Полученные результаты позволяют обосновывать внедрение средств мониторинга за состоянием оборудования по экологическим и экономическим критериям

- Получен важный для практического применения результат - относительное число неисправных единиц оборудования в ТС при одинаковых значениях оперативности обнаружения неисправности и ее ликвидации изменяется пропорционально частоте возникновения аварийных ситуаций.

Для оптимизации эксплуатацией ТС разработаны диаграммы (рис.7), позволяющие оптимизировать оперативность эксплуатационных служб и, одновременно, параметры стратегического управления, определяющие частоту возникновения экологического риска.

Рис. 7 Фрагмент диаграммы оптимизации эксплуатации ТС по показателям экологической безопасности.

Пунктирные линии - частота возникновения экологического риска (год1); Вершины многоугольника - оперативность эксплуатационной службы (ед/сутки); концентрические линии число объектов, находящихся в неисправном состоянии, %.

Третья глава диссертации посвящена оптимизации эксплуатационных мероприятий по обеспечению экологической безопасности на основании разработанных математических моделей. Определены принципиальные направления оптимизации, которые можно использовать в практической деятельности эксплуатационных служб.

I направление - оценка показателей экологической безопасности в сложившихся условиях эксплуатации. Приведено описание стратегий эксплуатации систем ТС с численным примером на реальном объекте - системе горячего водоснабжения микрорайона. Выполнен анализ влияния нарушений в работе оборудования на обеспеченность жителей тепловыми и водными ресурсами. Одновременно с этим рассмотрены механизмы воздействия системы ТС на компоненты окружающей среды, выполнены оценки возможного экологического ущерба от аварий оборудования, так и в условиях нормального функционирования системы. Рассмотрен механизм обеспечения некоторого приемлемого уровня экологической безопасности посредством контроля и управления надежностью оборудования на стадии эксплуатации.

II направление - нормирование требований, предъявляемых к эксплуатации систем ТС по критериям экологической безопасности с учетом ограниченных материальных возможностей эксплуатационных организаций. Приведен пример нормирования уровня экологической безопасности для системы отопления жилого микрорайона. Оценка экологической безопасности эксплуатации сделана по критериям частоты возникновения и продолжительности отказов в трех диапазонах температурных границ — обеспечивающих оптимальные, допустимые и предельно допустимые уровни комфортных условий в помещениях. Определены пределы требований экологической безопасности, предъявляемые к эксплуатации систем при различных вариантах материального обеспечения эксплуатационного процесса.

III направление - сравнение вариантов организации эксплуатации ТС с различными техническими и надежностными характеристиками оборудования. Разработана методика анализа перспективного планирования регенерации оборудования. Она позволяет рассчитывать показатели экологической безопасности ТС с учетом процессов старения и, одновременно, регенерации оборудования и развития системы. Алгоритм сравнительного анализа и оптимизации приведен на примере эксплуатации водоразборной арматуры. Установлено, что только за счет правильного выбора стратегии эксплуатации при сохранении уровня экологической безопасности и без увеличения производственной мощности эксплуа-

тационной службы можно сократить потери воды на 12 - 15%, что обеспечит уменьшение интенсивности эксплуатационных затрат на 3 - 4%.

Практическая значимость разработанной методики не ограничивается внутриквартальными ТС. По предложенной методике рассчитаны изменения показателей экологической безопасности для перспективного плана восстановления трубопроводов Московского водопровода. Полученные результаты показывают, что при реализации намеченной программы частота возникновения отказов на Московском водопроводе может снизиться до 0,18 1/г.км., что подтверждает прогноз, выполненный МГП «Мосводоканал» (0,15 1/г.км).

Достаточно часто принятие управляющих решений происходит в условиях ограниченной информации о реальном техническом и надежностном состоянии оборудования. Для подобных случаев разработана минимаксная методика, использующая предельные значения управляющих параметров как исходные данные в моделях управления. В частности теоретически доказано, что эксплуатация водопроводных систем по стратегии ППР-АМ приводит к увеличению частоты экологического риска эксплуатации в три раза. Полученный результат полностью корреспондируется со статистическими данными МГП «Мосводоканал».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнен системный анализ влияния технических, организационных и экономических факторов на экологическую безопасность эксплуатации ТС который показал, что ее заданный уровень может быть достигнут за счет рационального сочетания стратегий регенерации оборудования и оперативного управления.

2. Разработаны математические модели, определяющие показатели экологической безопасности эксплуатации ТС и ее экономической составляющей в зависимости от применяемой стратегии регенерации оборудования. Модели позволяют рассчитывать частоту возникновения экологического риска, при отказах оборудования, ее временные характеристики как функцию от назначаемых условий проведения регенерации оборудования, степени восстановления эксплуатационных свойств оборудования при аварийных ремонтах, кратности резервирования, а также продолжительность наработки оборудования на момент регенера-

ции или аварийного ремонта. Посредством разработанных моделей определяются и оптимизируются параметры оперативного управления в зависимости от принятой стратегии управления эксплуатацией системой.

3. Предложена система количественных показателей экологической безопасности ТС определяющих, обеспеченность жизненно важных интересов человека в тепловых и водных ресурсах; рациональность использования этих ресурсов; риск нарушения компонентов окружающей среды, а также материальные затраты, связанные с обеспечением экологической безопасности как функции от величины, продолжительности и частоты нарушения работоспособности оборудования и проведения планово-предупредительных мероприятий.

4. Предложено оценивать эксплуатационные затраты, связанные с обеспечением экологической безопасности, комплексным показателем, учитывающим использование всех общественно значимых материальных ресурсов, включая компенсацию экологического и материального ущерба, а также издержки, вызванные неполным использованием ресурса оборудования при его плановых заменах.

5. Установлено, что не существует решения, оптимизирующего одновременно все слагаемые экологической безопасности. В связи с этим выполнено теоретическое исследование, позволившее установить количественно-качественные признаки для определения оптимальных соотношений между управляемыми параметрами эксплуатационного процесса и обеспечиваемой при этом экологической безопасностью. Определены условия, при которых применение каждой из стратегий эксплуатации предпочтительнее по эколого-экономическим параметрам.

6. Разработаны алгоритмы и методики применения моделей для анализа сложившегося состояния и прогнозирования развития показателей экологической безопасности в реальных условиях. Посредством их решаются следующие практические задачи:

- Оценка и оптимизация современного состояния организации эксплуатации, позволяющие определять организационные решения, которые обеспечивают наименьший экологический риск при равных эксплуатационных затратах;

- Нормирование параметров эксплуатационного процесса путем назначения периодов проведения плановых ремонтов на основании минимизации экологиче-

ского риска и оптимизации эксплуатационных затрат, а не только в зависимости от долговечности оборудования; назначение структур эксплуатационных служб по условиям экологической безопасности и расходов на ее обеспечение; - Сравнительная оценка качества эксплуатационного процесса, обеспечиваемого различными эксплуатационными организациями, при которой представители интересов собственников систем ТС имеют возможность объективно оценивать и стимулировать работу эксплуатационных служб по критериям экологической безопасности и использования материальных ресурсов вне зависимости от объемов эксплуатируемых объектов, их технической оснащенности и состояния на момент начала деятельности службы.

Основные положения диссертации отражены в работах:

1. Авдеева Т.А., Калинин В.М., Крупник Ю.Г. Обеспечение системы планово -предупредительного ремонта туристских объектов. Сборник научных трудов.-М,: МИСИ им. В.В. Куйбышева. 1991.

2. Датюк О.В. Калинин В.М. Некоторые задачи технической эксплуатации зданий. Сборник научных трудов «Актуальные проблемы городского строительства и хозяйства». - М.: МГСУ. 2001.

3. Исаев В.Н., Калинин В.М. Оценка эффективности эксплуатации внутриквар-тальных инженерных систем. - М.: Сантехника №2. 2004.

4. Калинин В.М. Авдеева Т.А. Овчинников Г.А Оценка надежности тепловодо-снабжения жилых зданий микрорайонов и эффективности ее обеспечения. -М.:МГЦНТИвып.6.1987.

5. Калинин В.М. Влияние ремонтов на эффективность функционирования систем тепло-водоснабжения Материалы семинара «Организация технической эксплуатации и наладка оборудования жилых домов». - М.: МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского. 1991.

6. Калинин В.М., Кононович Ю.В. и др. Отраслевые нормы и правила по планированию и организации технической эксплуатации зданий и инженерных систем туристских предприятий. - М.: Турист. 1991.

7. Калинин В.М. Сокова С.Д. Оценка технического состояния зданий, (гл.2, 4) Учебник. - М.: изд-во Инфра-М. 2005.

8. Калинин В.М., Сокова С.Д., Топилин А.Н. Обследование и испытание конструкций зданий и сооружений (гл 1): Учебник. - М.: изд-во Инфра-М. 2005.

9. Калинин В.М., Овчинников ГА., Пшизов А.Н. Управление надежностью систем тепло- и водоснабжения зданий. Сборник научных трудов «Надежность эксплуатируемых жилых зданий».- М.: МосжилНИИпроект. 1982.

10. Калинин В.М., Терлецкий Ю.А., Авдеева Т.А. Оценка надежности систем тепло- и водоснабжения при проектировании и эксплуатации зданий. Сборник научных трудов «Совершенствование проектирования, технической эксплуатации и реконструкции здания».- М.: МИСИ им. В.В. Куйбышева. 1989

11. Касьянов В.Ф. Калинин В.М. Организация мониторинга состояния зданий и сооружений. Сборник научных трудов «Актуальные проблемы городского строительства и хозяйства». - М.: МГСУ. 2001.

12. Касьянов В.Ф. Калинин В.М. Совершенствование организации эксплуатации жилищного фонда. Сборник научных трудов «Техническая эксплуатация и реконструкция зданий и жилой застройки». - М: МГСУ. 1996.

13. Овчинников Г.А. Калинин В.М. Оценка и анализ надежности систем тепло- и водоснабжения жилых микрорайонов г. Москвы в сборнике тезисов докладов «Московская городская научно-практическая конференция «Технический прогресс и ускорение строительства»». - М.: МИСИ им. В.В. Куйбышева. 1988.

14. Шубин Л.Ф., Датюк О.В., Кононович Ю.В., Умнякова Н.П., Калинин В.М. Примеры расчетов по организации и управлению эксплуатацией зданий. Учебное пособие. - М.: Стройиздат. 1991.

15. Щербакова И.Г. Калинин В.М. Новый метод расчета эффективности работы ОДС. - М.: ГОСИНТИ вып.Ю. 1981.

16. Щербакова И.Г. Калинин В.М. Определение периода приработки жилого дома. - М.: ГОСИНТИ вып. 11. 1981.

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.1997 г.

Подп^ано в печат Формат 60x84 1/16 Печать офсегная И- % Объем -/уг.ц^ ^ Т. {(С_Заказ

Московский государственный строительный университет. 129337, Москва, Ярославское ш., 26

1165

3 y.;*»».t»5.fs.' -j

13 HÎOfl 2C05 «■ '^."J

.......

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Калинин, Владимир Михайлович

Введение

Глава Современное состояние проблемы экологической безопасности при

1 эксплуатации систем жизнеобеспечения жилых зданий и научно-методические принципы ее решения.

1.1 Особенности объекта и предмета исследования

1.2 Классификация современных подходов к оценке экологической 18 безопасности при эксплуатации систем

1.2.1 Определение экологической безопасности системы по качествен- 19 ным показателям - соотношению фактических и нормативных параметров ТС

1.2.2 Определение экологической безопасности системы с использовани- 24 ем показателей надежности

1.2.3 Определение экологической безопасности ТС в зависимости от по- 25 казателей надежности входящего в ее состав оборудования

1.3 Современные подходы к оценке ресурсосбережения и воздействию 26 на окружающую среду при эксплуатации систем

1А Влияние деятельности операторов на формирование экологической 28 безопасности ТС

1.5 Современные подходы к технико-экономическому обоснованию 30 экологической безопасности при эксплуатации систем

1.6 Обоснование направлений исследования

1.6.1 Взаимосвязь и отличительные особенности экологической безопас- 32 ности и надежности систем

1.6.2 Предложения по количественной оценке влияния эксплуатации на 37 экологическую безопасность эксплуатации ТС.

1.6.3 Обоснования и основные направления исследования взаимосвязей 43 экологической безопасности и управления эксплуатацией ТС

1.6.4 Предложения по экономической оценке результатов обеспечения 50 экологической безопасности систем

1.7 Выводы к главе I. Задачи исследований

Глава Исследование экологической безопасности и экономических пара

2 метров эргатической системы «операторы - система жизнеобеспечения» методами математического моделирования

2.1 Основные принципы моделирования эргатических взаимосвязей в 57 системе

2.2 Формализованное представление компонентов математических мо- 63 делей

2.2.1 Длительность восстановительного цикла

2.2.2 Количественные и временные параметры эксплуатационных ситуа- 66 ций

2.2.3 Остаточный ресурс оборудования

2.3 Теоретическое исследование воздействия стратегического управле- 76 ния на экологическую безопасность и экономическую эффективность эксплуатации ТС

2.3.1 Система строго периодического проведения плановых ремонтов

2.3.2 Строго периодические плановые ремонты и аварийные с полным 92 восстановлением

2.3.3 Восстановление по наработке с верхним временным ограничением

2.3.4 Организация стратегического управления по результатам техниче- 105 ской экспертизы

2.3.5 Регенерация оборудования, назначаемая в зависимости от числа 113 выполненных ранее ремонтов с минимальным восстановлением

2.3.6 Сравнительный анализ моделей стратегического управления

2.4 Эргатические взаимосвязи оперативного управления эксплуатацией 126 ТС и эколого-экономических параметров системы

2.4.1 Моделирование оперативного управления методами «динамики 126 средних»

2.4.2 Исследование экологической безопасности ТС в зависимости от ин- 132 тенсивностей потоков эксплуатационных событий

2.5 Выводы по главе

Глава Обеспечение экологической безопасности при эксплуатации ТС

3.1 Общие подходы к оптимизации экологической безопасности и эко- 140 номической эффективности эксплуатируемых ТС

3.2. Анализ показателей экологической безопасности в сложившихся 143 условиях эксплуатации ТС

3.3 Принципы нормирования уровня экологической безопасности экс- 151 плуатируемых ТС

3.4 Принципы оптимизации управления эксплуатацией ТС

3.5 Прогнозирование показателей экологической безопасности экс- 164 плуатации ТС качественными методами

Выводы по главе

Введение Диссертация по биологии, на тему "Обеспечение экологической безопасности при эксплуатации трубопроводных систем жилых зданий"

Трубопроводные системы (ТС) являются важнейшим фактором жизнеобеспечения современных жилых зданий. При этом их функционирование потенциально связано с экологическим риском, поскольку большинство нарушений • в ТС вызывают изменение условий проживания и (или) нарушения и загрязнение природной среды. В первую очередь это относится к ТС тепло- и водоснабжения, поскольку их функционирование, а также техническое обслуживание и ремонты в наибольшей мере определяют:

-обеспеченность жизненно важных интересов человека, связанных с потреблением тепловых и водных ресурсов;

-рациональное использование этих ресурсов;

-состояние и ущерб, наносимым природной среде, природно-антропогенным и антропогенным объектам.

Системный анализ одновременно нескольких инженерных систем, участвующих в жизнеобеспечении жилых зданий, обусловлен тем, что между ними существует конструктивная, технологическая и эксплуатационно-техническая взаимная связь. Режимы работы домовых систем отопления, горячего и холодного водоснабжения, из-за особенностей технологических схем тепловых пунктов, жестко зависят друг от друга, поэтому, например, невозможно оценить работоспособность системы отопления без учета режима потребления горячей воды в конкретный момент времени. Техническое обслуживание и ремонт отдельных групп оборудования выполняется по «структурному» принципу (тепловые пункты (ЦТГТ, ИТП), квартальные сети, внутридомовые системы) без разделения на технологические подсистемы. Таким образом, только при комплексном анализе условий эксплуатации, свойств инженерного оборудования и организационной составляющей функционирования всей системы тепло- и водоснабжения как эр-гатической системы массового обслуживания (далее по тексту ТС) можно корректно оценивать процесс формирования экологической безопасности среды обитания.

Проблема обеспечения качества городской среды обитания в настоящее время приобрела государственный масштаб. Внедрения программы «Реформирование и модернизация жилищно-коммунального комплекса Российской Федерации» обусловлено: отсутствием возможности у получателей услуг влиять на их качество, высокий уровень потерь ресурсов при хроническом дефиците финансирования и отсутствии экономических стимулов снижения издержек.

По данным Госстроя РФ более 60% ТС в городах России имеют на сегодняшний день значительный моральный и физический износ, т.к. были введены в эксплуатацию десятки лет назад, без учета требований к экологической безопасности. Экономическая ситуация в стране в 90-е годы значительно ограничила ор-^ ганизационно-технические возможности эксплуатационных организаций, в результате чего предупредительные ремонты и модернизация систем свелись к единичным объектам. В результате число аварий в инженерных системах увеличивается на 50% каждый год, что составило в 2000 г. 70 аварий на 100 км сетей водоснабжения и 200 аварий на 100 км сетей теплоснабжения.

К основным причинам аварий в ТС относятся:

-5- организационная, финансовая или техническая неспособность эксплуатационной организации своевременно предотвратить наступление предельного состояния оборудования (27,3%);

- воздействие техногенных и природных факторов, приводящее к внезапным отказам (26,2%);

• - ошибочные действия эксплуатационного персонала 24,8%.

По данным Госстроя РФ более 50% из общего количества аварий в ЖКХ произошло по причине ветхости оборудования и сетей. Сохранение существующей ситуации вызовет дальнейшее увеличение износа ТС, приведет к резкому возрастанию аварий, ущерб от которых может значительно превысить затраты на их предотвращение. Образующийся лавинообразный, неуправляемый поток отказов приведет к нарушению нормальной жизнедеятельности города.

В связи с этим весьма актуальны на сегодняшний день работы по определению экологической безопасности ТС в тех или иных эксплуатационных ситуациях, в том числе с позиции взаимосвязи технического состояния оборудования и принципов организации его эксплуатации.

Особое значение имеет проблема оценки качества услуг, предоставляемых комплексом ЖКХ жителям и, в значительной мере, в сфере гарнированного тепло- и водоснабжения. Основными аспектами этой проблемы являются обеспечение интересов потребителей и, одновременно, привлекательность отрасли для инвесторов. Бесконфликтность взаимоотношений жителей и эксплуатационных предприятий будет обеспечена только при единообразном восприятии эксплуатационных проблем. Но в существующей нормативной базе, в основном, определены только требуемые значения параметров, определяющих качество среды обитания, а возможные отклонения от них практически не представлены. Вместе с тем, ТС относятся к восстанавливаемым объектам, т.е. отказы и проведение профилактических мероприятий, способных вызвать нарушение качества среды обитания, являются объективным фактором, присущим системе и не всегда предупреждаемым действиями эксплуатационного предприятия.

Таким образом, весьма актуальной является проблема разработки и нормирования системы показателей качества эксплуатации ТС, основанной на принципах обеспечения экологической безопасности и учитывающей объективные технические и надежностные свойства ее элементов.

Жилищно-коммунальное хозяйство является одним из основных потребителей воды, энергоресурсов и, в то же время, является источником загрязнения окружающей среды продуктами переработки потребленных ресурсов и их нерационального использования. Следовательно, совершенствование методов эксплуатации, эргономизация систем тепло- и водоснабжения жилых зданий, как наиболее весомой части жилищно-коммунального комплекса, являются важными условиями повышения экологической безопасности городской среды обитания.

• Сложившаяся ситуация с ТС значительно обострила в последние годы экологическую ситуацию в стране [78, 109, 119, 120]. Помимо нерационального использования природных ресурсов состояние большинства ТС оказывает значительное негативное воздействие на экологическое равновесие, отрицательно сказывается на состоянии окружающей среды. ТС большинства городов России являются потенциальными источниками экологической опасности для окружающей среды и человека и, следовательно, принципы обеспечения экологической безопасности являются основным требованиями, предъявляемыми к элементам системы жизнеобеспечения города.

До настоящего времени экологический аспект рассматриваемой системы жизнеобеспечения изучался в основном с точки зрения обеспеченности потреби-• телей водой и теплотой, а таюке с точки зрения рационального использования природных ресурсов. В то же время, исследования влияние на экосистему состояния оборудования систем, последствия их отказов и проведения ремонтно-восстановительных работ, моделирование процессов эксплуатации для оценки и анализа экологической безопасности практически не проводились.

С этой точки зрения весьма актуальной в настоящее время является задача разработки и реализации теоретических и практических основ экологической безопасности ТС как функции ее технических и надежностных свойств, а также эксплуатационных воздействий и их реализация в масштабах сложного городского хозяйства Москвы.

Организация экономических отношений в жилищно-коммунальном хозяйстве в настоящее время характеризуется рядом системных недостатков, без устранения которых в принципе невозможно вести речь о нормализации функционирования этого сектора экономики, повышения надежности и качества, обеспечения экологической устойчивости, а также обеспечении стабильной стоимости жилищно-коммунальных услуг.

Отсутствие серьезных экономических стимулов снижения нерациональных затрат материально-технических ресурсов у эксплуатационных предприятий с одной стороны и, с другой стороны разнохарактерные, зачастую не отражающие объективные финансовые потребности тарифы на тепловую энергию и воду у потребителей приводят к нерациональным расходам. В итоге, например, удельная численность эксплуатационного персонала, приходящаяся на одно то же число потребителей в РФ в 1,5-2 раза выше среднеевропейского уровня и в то же время, удельное потребление воды на одного жителя в 1,5-2 раза больше.

Утечка и неучтенный расход воды в системах водоснабжения в городах по данным Госстроя РФ составляет в среднем по России 16,7 % от всей подачи, а в ряде городов утечки достигают около 30% . Это вызывает не только потери воды и перебои в водоснабжении, но и загрязнение природной среды и нарушение санитарного благополучия населения. Суммарные потери в тепловых сетях превышают нормативы и достигают 30% от произведенной тепловой энергии (по мнению многих экспертов, реальные потери значительно превышают приведенные официальные данные).

Открытым остается вопрос о всестороннем экономическом обосновании эксплуатационных затрат, связанных с обеспечением качества тепло- и водоснабжения. В современных условиях учитываются в основном прямые затраты, » связанные с эксплуатацией ТС. Косвенные издержки, к которым относятся компенсация ущерба от отказов оборудования (в т.ч. экологического), потери, вызванные неполным использованием ресурса оборудования при предупредительных заменах и модернизации систем и т.п. учитываются весьма ограниченно.

Таким образом, весьма актуальной в настоящее время является задача разработки и внедрения системных методов экономического обоснования и оптимизации затрат, связанных с выполнением эксплуатационных мероприятий для ТС и направленных на обеспечение экологической безопасности.

Методологический подход к обеспечению экологической безопасности ТС - сложная и многоплановая задача. Ее решение видится в следующих основных направлениях:

-Исследование целевой функции ТС на стадии эксплуатации - уровня обеспечения качества среды обитания в течение заданного времени. В таком аспекте задача представляется как результат совместного воздействия функционирования инженерного оборудования и выполняемых эксплуатационных мероприятий на обеспеченность потребителей теплотой, холодной и горячей водой.

-Поиск решений, направленных на повышение эффективности использования природных ресурсов, предупреждение и снижение экологического ущерба. Причем, как непосредственно системой ТС, так и ее потребителями, поскольку, при отклонениях от нормы в процессе функционирования системы, потребители могут в определенной мере изменять режимы и источники необходимых им ресурсов. Здесь задача приобретает направленность, определяющую взаимное влияние ТС и потребителей на окружающую среду.

-Совершенствование методов экономической оценки функционирования ТС с целью выявления экономических стимулов для оптимизации эксплуатационных мероприятий с учетом рационального использования природных ресурсов и обеспечения сохранности окружающей среды.

Несмотря на предметно-целевую самостоятельность этих направлений, они системно взаимосвязаны, так как направлены на достижение общего результата -обеспечение нормальных условий существования биосферы и человека, как ее части. Таким образом, систему ТС необходимо рассматривать как разновидность эргатической системы с двумя звеньями уровнями управления «эксплуатационная система - человек-потребитель (как обратная связь)».

Объектом исследования в диссертационной работе являются технологически и эксплуатационно-технически связанные ТС, включающие в себя оборудование тепловых пунктов (ЦТП, ИТП), внутриквартальные сети и домовые системы тепло- и водоснабжения, как система массового обслуживания, а предметом исследования - выявление взаимосвязей между техническими, надежностными и организационными характеристиками ТС и их совокупного влияния на экологическую безопасность эксплуатации и на материальные затраты, связанные с ее обеспечением, применительно к объектам, расположенным в г. Москве.

Целью работы является теоретическое изучение условий формирования экологической безопасности и оптимизации методов эксплуатации ТС, а также разработка методов их практической реализации.

Реализация поставленной задачи требует:

-создания математических моделей, описывающих влияние эксплуатационных воздействий на экологическую безопасность и экономические показатели эксплуатации ТС;

-обоснования критериев экологической безопасности при эксплуатации ТС, их экономических показателей и разработка методов расчета;

-разработки алгоритмов и методов практического использования стратегий организации и оперативной эксплуатации ТС, в том числе в условиях неполной информации о техническом состоянии оборудования.

Основным математическим аппаратом анализа экологической безопасности систем жизнеобеспечения и их экономической эффективности является теория надежности, теория массового обслуживания и теория управления, использующие в качестве своей информационной базы статистические сведения об отказах оборудования ТС, потоках работ по восстановлению свойств системы, а также варианты эксплуатационных воздействий [1, 40, 42, 107].

Важно отметить, что приводимое во многих научных работах эргатическое представление взаимосвязей в ТС сводится в основном к двум, как правило, изолированно рассматриваемым аспектам: обеспечение качества функциональных параметров, предоставляемых ТС потребителям и исследованию статистики отказов оборудования. В первом случае не учитываются объективные условия, изменяющие состояние оборудования и приводящие к перебоям тепло- и водоснабжения, эксплуатационные факторы предупреждения нарушений. Исследование статистики отказов дает лишь представление об уровне надежности и, в некоторых случаях, экологической безопасности оборудования ТС, соответствующим принятым типам и материалам оборудования, а также условиям его эксплуатации. Но при этом невозможно оценить меру экологического ущерба, вызываемого отказами. Существующие подходы не дополняют друг друга в качестве обратной связи для оценки и обеспечения требуемого уровня экологической безопасности ТС, контроля и оптимизации управления эксплуатацией.

В такой методологической постановке формирование экологической безопасности среды обитания является формальной, слабоуправляемой категорией. Это обстоятельство является причиной того, что отраслевая наука о надежности ТС, управлении их эксплуатацией и формировании комфортных условий в помещениях в незначительной мере реализуется в практике эксплуатации и не предлагает научно обоснованных подходов к оценке и анализу эргатических принципов управления этой системой.

При эксплуатации ТС недостаточно уделяется внимание оценке возможных экологических рисков от неисправности оборудования и режимных отказах, методам теории и практики инженерной экологии, надежности и управления сложными техническими системами.

Во многом это вызвано спецификой ТС, отличием их от других инженерных систем, для которых разрабатывались современные теории надежности и управления. Особенности ТС заключается в структурном и техническом многообразии, условиях их функционирования, длительном периодом эксплуатации, а также в несистемном выполнением ремонтов и модернизации. Кроме того, в существующих нормативных документах по организации эксплуатации ТС вопросы экологической безопасности и эксплуатационной надежности и отражены недостаточно [107, 159].

Сложившееся положение с нормативным и методическим обеспечением решения экологических вопросов при эксплуатации ТС не означает, что на практике не осуществляются мероприятия, направленные на минимизацию возможного экологического ущерба. Но в большинстве случаев они не обосновываются оргатическими взаимосвязями в системе, категориями надежности и экологического риска от неисправностей оборудования систем.

Анализ современных форм управления и организации эксплуатации ТС показал, что они по прежнему используют несовершенную нормативную базу, традиционные методы управления, которые принципиально не могут обеспечить • требуемый уровень качества среды обитания, экологическую безопасность и экономическую эффективность ТС.

Это зачастую приводит к принятию неоптимальных решений при выборе методов организации эксплуатации ТС, не позволяет всесторонне реализовать системный подход к стратегии управления эксплуатацией.

Приведенные причины, а также дискуссионность методов учета факторов управления эксплуатацией экологической безопасностью среды обитания, разрозненность и несовершенство математических моделей организации эксплуатации, отсутствие современной методической и нормативной и информационной базы комплексной оценки экологической безопасности и экономической эффективности ТС определили актуальность темы данной диссертационной работы.

Методологической основой для решения практических задач оценки и обеспечения экологической безопасности является современная теория и практика надежности инженерных систем, систем массового обслуживания и управления, фундаментальные работы отечественных и зарубежных ученых по проблемам инженерной экологии, надежности систем ТС и управления эксплуатацией H.H. Абрамова, Е.М. Авдолимова, Л.Д. Богуславского, Ю.М. Воронова, ВюП. Витальева, A.B. Забегаева, Ю.А. Ильина, A.A. Ионина, В.Н. Исаева, Ю.В. Коно-новича, И.И. Мазура, Э.М. Малой, В.Б. Николаева, Б.А. Пермякова, Г.А. Порывая, А.Д. Потапова, О.Г. Примина, Е.И. Пупырева, А.Г. Ройтмана, А.Н. Сканави, В.И. Теличенко, C.B. Храменкова и др.

В современной отечественной и зарубежной научно-технической литературе не встречаются публикации, посвященные взаимосвязи организации эксплуатации ТС и экологической безопасности их функционирования. Вместе с тем обобщение опыта эксплуатации систем указывает на наличие в рассматриваемой эргатической системе однозначных взаимосвязей показателей экологической безопасности ТС от способов организации их эксплуатации. В работе предложено методическое обоснование решения этой задачи.

Показано, что определяющим фактором экологической безопасности ТС является обеспечение надежности составляющих ее элементов посредством выполнения эксплуатационных мероприятий.

Указанные взаимосвязи раскрываются в диссертационной работе посредством анализа эксплуатационных показателей как функции надежности отдельного оборудования и ТС в целом в режиме активного воздействия эксплуатационных факторов, в число которых входят эксплуатационно-технические меро-% приятия и воздействие окружающей среды.

Исходными данными для диссертационной работы является статистическая информация о функционировании и эксплуатации ТС г. Москвы. Материалы по отказам оборудования и организации эксплуатации получены в эксплуатационных организациях муниципальных округов «Северное Тушино», «Ясенево», «Зябликово», «Теплый стан» и «Орехово Северное». Кроме того, в работе использованы результаты оценки надежности оборудования ТС, полученные в работах [124, 108, 156, 101, 47, 85, 104, 69, 84 и др.].

Для организации системного подхода к обработке данных по эксплуатации оборудования ТС было разработано информационно-техническое обеспечение в программной среде «Mathcad», позволяющее проводить оценку и анализ качест-• ва функционирования ТС, устанавливать факторы, дестабилизирующие их экологическую безопасность и экономическую эффективность.

Для оценки влияния отказов оборудования, экологического ущерба и экономических издержек при эксплуатации ТС требуется достоверная информация о структуре и величине подобных явлений. В этой связи в диссертационной работе приведены результаты исследований по выявлению структуры нарушений среды обитания, потерь воды и теплоты в ТС во взаимосвязи с показателями безотказности и долговечности оборудования. Оценка экологического и экономического ущерба от отказов оборудования выполнена по статистическим данным, приведенных в работах [159, 157, 117], а также по методикам, разработанным [84, 123, 72, 44]. На их основании в диссертационной работе выполнены численные оценки экологического и материального риска.

На основании вышеизложенного, основными этапами диссертационной работы, составляющими ее структуру, являются:

1. Разработка математических методов анализа и прогнозирования экологической безопасности при эксплуатации ТС.

2. Исследование современных научных подходов к эксплуатации систем жизнеобеспечения жилых зданий с учетом экологических, социальных и экономических факторов.

3. Анализ и оптимизация способов планирования и организации эксплуатации ТС с целью обеспечения экологической безопасности жилой среды.

4. Предложения по подходам к исследованию эргатических внутрисистемных взаимосвязей и их оптимизации.

Научная новизна диссертационной работы основана на решении научной проблемы - впервые сделана попытка системного анализа влияния технических и эксплуатационных факторов на эффективность тепло- и водоснабжения потребителей и экологическое равновесие в окружающей среде с учетом оптимизации материальных вложений, что может служить теоретической и методологической основой отраслевой теории эксплуатации ТС:

- созданы математические модели и алгоритмы управления эксплуатацией ТС, оценивающих существующий уровень экологической безопасности и позволяющих прогнозировать его возможные изменения и связанные с этим экономические затраты;

- сделаны научные выводы относительно целесообразности применения различных форм организационной и управленческой деятельности в реальных экс* плуатационных условиях.

Практическая ценность диссертационной работы основана на:

- возможности использования в практике работы муниципальных служб городов РФ методов оценки и прогнозирования экологической безопасности эксплуатации ТС и материальных затрат при планировании эксплуатационных мероприятий;

-11- нормировании показателей экологической безопасности и обосновании выбора оптимальных эксплуатационных мероприятий с учетом материально- технических возможностей собственников квартальных систем ТС и местных эксплуатационных организаций;

- возможности сравнительной оценки и анализа администрацией городских Управ качества работы подрядных организаций по показателям экологической безопасности и использования материальных ресурсов.

Реализация результатов работы:

1. Полученные результаты использованы при разработке «Правил и норм эксплуатации объектов туристских предприятий» [50], утвержденных в 1991г. Центральным Советом по туризму и экскурсиям ВЦСПС.

2. Разработаны ведомственные «Правила технической эксплуатации комплекса РЭА им. Г.В. Плеханова».

3. Результаты работы применены в действующем «Руководстве по правилам технической эксплуатации 18-ти этажного жилого дома по адресу: Мичуринский проспект кв. 396 к. 112», 1996г.

4. Разработанные модели эргономических взаимосвязей при эксплуатации объектов включены в учебно-методические материалы для студентов специальности 2905 и используются в МГСУ при чтении дисциплины «Техническая эксплуатация зданий».

На защиту выносятся:

1. Показатели оценки экологической безопасности и экономической эффективности эксплуатации ТС.

2. Математические модели для исследования эколого-экономических и организационно-технических взаимосвязей при эксплуатации ТС.

3. Результаты теоретического исследования и оценки современных методов организации и планирования эксплуатации ТС с позиции обеспечения экологической безопасности и предложения по их совершенствованию.

4. Методики технико-экономического обоснования выбора вариантов организации и управления эксплуатацией ТС, обеспечивающих экологическую безопасность.

Основные положения и результаты исследования опубликованы в 19 работах, включая раздел учебника «Оценка технического состояния зданий» [51], в нормативной литературе - «Правила и нормы эксплуатации объектов туристских предприятий» [50], докладывались на конференциях в МГСУ - 1989, 1990, 1992, 2001гг.; МДНТП - 1990; МДО «Царев сад» - 2001; ПГУПС (ЛИИЖТ) -2004, ВВЦ - 2004; КВЦ Сокольники 2005.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, выводов и рекомендаций, литературы из 171 наименований и приложения. Работа включает 53 рисунка и 21 таблицу. Общий объем диссертации 182 страницы.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Калинин, Владимир Михайлович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнен системный анализ влияния технических, организационных и экономических факторов на экологическую безопасность эксплуатации ТС кото

• рый показал, что ее заданный уровень может быть достигнут за счет рационального сочетания стратегий регенерации оборудования и оперативного управления.

2. Разработаны математические модели, определяющие показатели экологической безопасности эксплуатации ТС и ее экономической составляющей в зависимости от применяемой стратегии регенерации оборудования. Модели позволяют рассчитывать частоту возникновения экологического риска при отказах оборудования, ее временные характеристики как функцию от назначаемых условий проведения регенерации оборудования, степени восстановления эксплуатационных свойств оборудования при аварийных ремонтах, кратности резервирования, а также продолжительность наработки оборудования на момент регенерации или аварийного ремонта. Посредством разработанных моделей определяются и оптимизируются параметры оперативного управления в зависимости от принятой стратегии управления эксплуатацией системой.

3. Предложена система количественных показателей экологической безопасности ТС определяющих: обеспеченность жизненно важных интересов человека в тепловых и водных ресурсах; рациональность использования этих ресурсов; риск нарушения компонентов окружающей среды, а также материальные г затраты, связанные с обеспечением экологической безопасности как функции от величины, продолжительности и частоты нарушения работоспособности оборудования и проведения планово-предупредительных мероприятий.

4. Предложено оценивать эксплуатационные затраты, связанные с обеспечением экологической безопасности, комплексным показателем, учитывающим использование всех общественно значимых материальных ресурсов, включая компенсацию экологического и материального ущерба, а также издержки, вызванные неполным использованием ресурса оборудования при его плановых заменах.

5. Установлено, что не существует решения, оптимизирующего одновременно все слагаемые экологической безопасности. В связи с этим выполнено теоретическое исследование, позволившее установить количественно-качественные признаки для определения оптимальных соотношений между управляемыми параметрами эксплуатационного процесса и обеспечиваемой при этом экологической безопасностью. Определены условия, при которых применение каждой из стратегий эксплуатации предпочтительнее по эколого-экономическим параметрам.

6. Разработаны алгоритмы и методики применения моделей для анализа

• сложившегося состояния и прогнозирования развития показателей экологической безопасности в реальных условиях. Посредством их решаются следующие практические задачи:

Оценка и оптимизация современного состояния организации эксплуатации, позволяющие определять организационные решения, которые обеспечивают наименьший экологический риск при равных эксплуатационных затратах;

Нормирование параметров эксплуатационного процесса путем назначения периодов проведения плановых ремонтов на основании минимизации экологического риска и оптимизации эксплуатационных затрат, а не только в зависимости от долговечности оборудования; назначение структур эксплуатационных служб по условиям экологической безопасности и расходов на ее обеспечение;

Сравнительная оценка качества эксплуатационного процесса, обеспечиваемого различными эксплуатационными организациями, при которой представители интересов собственников систем ТС имеют возможность объективно оценивать и стимулировать работу эксплуатационных служб по критериям экологической безопасности и использования материальных ресурсов вне зависимости от объемов эксплуатируемых объектов, их технической оснащенности и состояния на момент начала деятельности службы.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Калинин, Владимир Михайлович, Москва

1. Абрамов H.H. Надежность систем водоснабжения. -М.: Стройиздат. 1979.

2. Авдеева Т.А., Калинин В.М., Крупник Ю.Г. Обеспечение системы планово-предупредительного ремонта туристских объектов. Сборник научных трудов .- М.: МИСИ им. В.В.Куйбышева. 1991.

3. Авдонькин Ф.Н. Теоретические основы технической эксплуатации автомобилей.- М.: Транспорт. 1985.

4. Алиев Б.Т. Совершенствование методов эксплуатации систем водоснабжения зданий в условиях дефицита воды (на примере г. Баку). Автореферат на соискание ученой степени кандидат технических наук.- Л.:ЛИИЖТ. 1990.

5. Андрющенко А.И. Показатели совершенствования тепловых сетей ТЭЦ и их эксплуатации. Материалы международной конференции. «Технические, экономические и экологические проблемы энергосбережения»,- Саратовский государственный технический университет. 2001.

6. Антипова O.A., Карнаухова Г.Ю., Репин И.Н. Пути повышения надежности санитарно-технической арматуры. Сборник научных трудов НИИсан-техники№56.-М.: 1981.

7. Ахтырский A.A. Ремонт тепло-энергетического оборудования,-М.:Стройиздат. 1987.

8. Байхельт Ф., Франкен П. Надежность и техническое обслуживание. Математический подход. -М.:Радио и связь. 1988.

9. Балыхин В.В. Никитин A.M. Техническая эксплуатация сооружений водоснабжения.- Новосибирск. 1993.

10. Биллинтон Р., Аллан Р. Оценка надежности электро-энергетических систем.- М.: Электроатомиздат. 1988.

11. Богуславский JI.Д. Повышение экономичности систем теплоснабжения и вентиляции.-М.: Стройиздат. 1964.

12. Богуславский Л.Д. Экономия теплоты в жилых зданиях. М.: Стройиздат. 1990.

13. Богуславский Л.Д., Стражников A.M. Эксплуатация инженерного оборудования зданий в условиях экономии энергетических ресурсов.- М.: Стройиздат. 1984.

14. Богуславсукий Л.Д., Ливчак В.И. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Справочное пособие.- М.: Стройиздат. 1990.

15. Брагин М.И., Репин И.Н., Карнаухова Г.Ю. Методы оценки надежности санитарно-технической арматуры по результатам наблюдений. Сборник трудов НИИСантехники №56.- М.: 1981.

16. Вавуло Н.М. Правила и нормы технической эксплуатации жилищного фонда. ГК РФ по жилищной и строит.политике ГУП АКХ им. К.Д. Панфилова.- М.: 4-й филиал Воениздата. 1998.

17. Варварин В.К., Швыряев A.B. Наладка систем теплоснаюжения, водоснабжения и вентиляции.- М.: Росагропромиздат. 1990.18.