Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ потенциала и практики применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве 15
1.1. Анализ производственно-экологических систем вторичных ресурсов для строительства 15
1.2. Анализ состояния, перспектив, организационного потенциала и практики применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве 20
1.3. Повышение эффективности строительного производства на основе использования организационного потенциала применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем 30
1.4. Выводы по главе 1 39
2. Структурно-функциональное моделирование организационного потенциала применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве 42
2.1. Организационный потенциал строительства 42
2.2. Система критериев организационного потенциала применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве 45
2.3. Структурно-функциональная модель организационного потенциала применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве 49
2.4. Выводы по главе 2 56
3. Оценка эффективности организации производственно-экологических систем 58
3.1. Особенности организационных структур и систем оперативного управления производством сульфогипса 58
3.2. Организация моделирования и оптимизации режимов функционирования систем получения сульфогипса 64
3.3. Прогнозирование оптимальных режимов работы производственно-экологической системы получения сульфогипса 80
3.4. Выводы по главе 3 98
4. Практика использования и перспективного планирования применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве 101
4.1. Методика перспективного планирования применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве 101
4.2. Область применения сульфогипса в производстве строительных материалов 116
4.3. Перспективные направления дальнейших исследований в рамках обозначенной предметной области 121
4.4. Выводы по главе 4 124
Заключение 125
Литература 127
- Анализ состояния, перспектив, организационного потенциала и практики применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве
- Система критериев организационного потенциала применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве
- Организация моделирования и оптимизации режимов функционирования систем получения сульфогипса
- Область применения сульфогипса в производстве строительных материалов
Введение к работе
-3-
Актуальность темы диссертации. В настоящее время разработка научных, методологических и организационных принципов совершенствования организации строительного производства является исключительно важной и своевременной и напрямую связана с решением задач по применению новых конкурентоспособных материалов с высокими санитарно-экологическими стандартами. В связи с этим в данной научной работе исследовано применение вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве. Применение таких ресурсов решает две актуальные задачи, 1-я из которых -оптимизация организации строительного процесса с уменьшением срока и издержек строительства, 2-я - разработка принципов повышения эффективности функционирования и качества организации производственно-экологических систем.
Так, при решении вышеперечисленных задач социально-экологическая сторона проблемы удачно совмещается с чисто экономической, поскольку огромное количество безвозвратно теряемых полезных веществ может, при их рациональном извлечении, существенно увеличить сырьевые ресурсы для строительства.
Выполняя решения законодательных органов (Федеральный закон РФ №7-ФЗ от 10.01.2002 «Об охране окружающей среды», Федеральный закон РФ №89-ФЗ от 24.06.1998 «Об отходах производства и потреблении») и требования государственных стандартов (ГОСТ Р ИСО 10396-2006 «Выбросы стационарных источников», ГОСТ 17.2.3.02-78 «Охрана природы. Атмосфера») директивные ведомства постановили интенсифицировать работы по модернизации и строительству производственно-экологических систем.
Также необходимо учитывать факт постоянно растущих мировых требований к применяемым строительным материалам для строительства зданий и сооружений (СанПиН 2.1.2.1002-00 «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям»).
Основной целью эффективной организации строительного производства является направленность всех организационных, технических и технологических решений на достижение конкретного результата - ввода в действие объекта с необходимым качеством и в установленные сроки. Так строительство каждого объекта допускается осуществлять только на основании предварительно разработанной проектной документации, в которой четко определены технологии производства работ, применяемые материалы и решения. Одним из важных параметров является экономический эффект от применения проектных решений, варьирование которых в определенных условиях, может влиять на уменьшение или увеличение прибыли для организации. С другой стороны строительный проект должен учитывать комплекс научных, технических, организационных и хозяйственных мероприятий для повышения эффективности строительного производства и технического развития. Выбор материалов в значительной мере определяет «взвешенную сумму» социально-экологического и технико- экономического показателей оптимальности.
В свою очередь, задача построения структурно-функциональной модели организационного потенциала применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве позволяет объединить различные комплексы экономики Российской Федерации и повышать их общую эффективность, следовательно, вышеуказанная задача обладает необходимыми признаками актуальности.
Проведенный анализ позволил сделать вывод о целесообразности применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем, обеспечил необходимую информационную и научную базу для проектных решений и организации производства в строительстве.
Научно-техническая гипотеза диссертации состоит в предположении возможности повышения эффективности строительного производства на основе структурно-функционального моделирования организационного потенциала применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве.
Цель исследований состоит в построении структурно-функциональной модели организационного потенциала применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве.
Достижение цели требует решения следующих основных задач:
анализ производственно-экологических систем вторичных ресурсов для строительства;
анализ состояния, перспектив, организационного потенциала и практики применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве;
построение структурно-функциональной модели организационного потенциала применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве;
построение системы критериев организационного потенциала применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве;
разработка методики оценки эффективности организации производственно-экологических систем;
разработка методики перспективного планирования применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве;
практическая апробация предложенных решений;
определение перспективных направлений дальнейших исследований в рамках обозначенной предметной области.
Объектом исследования являются производственно-экологические системы вторичных ресурсов для строительства.
Предмет исследования - организационный потенциал, процессы и результаты применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве.
Теоретические и методологические основы исследования определяются проблемной областью решаемых задач и включают в себя методы структурной организации строительного производства, функциональный подход,
-5-теорию и практику отечественного и зарубежного применения вторичных ресурсов в строительной отрасли, а также методы проектной и оперативной оптимизации и методы математического моделирования процессов производственно-экологической системы.
Научная новизна диссертации состоит в создании:
-
структурно-функциональная модели организационного потенциала применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве;
-
системы критериев организационного-потенциала применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве;
-
методики эффективности организации производственно-экологических систем;
-
методики перспективного планирования применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве.
Практическая значимость состоит в разработке структурно-функциональной модели организационного потенциала применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве, которая служит для повышения эффективности строительного производства и применения вторичных ресурсов. Указанная модель является теоретической базой для научно-обоснованного планирования применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве.
Реализация результатов исследований. На основе полученных результатов для научных и проектных организаций, производственных и строительных фирм и предприятий подготовлены рекомендации по применению вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве. Экспериментальная проверка и практическое внедрение результатов работы осуществлялось в Закрытом акционерном обществе (ЗАО) «Управление экспериментальным строительством «Стройпрогресс»». Отдельные результаты исследования внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «МГСУ».
Публикации и апробация работы. Результаты работы отражены в 14 публикациях автора (4 из них включены в перечень ВАК), докладывались и обсуждались на Словацко-Польско-Российском симпозиуме «Теоретические основы строительства» (Жилина, Словакия, 2010), 5-ти международных Научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - Формирование среды жизнедеятельности» (Москва, МГСУ, 2007-2011 гг.), научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, ВВЦ, НТТМ, 2008), межд. науч.-техн. конф. «Проблемы и достижения Строительного Комплекса» (Ижевск, ГТУ, 2010), заседаниях и семинарах кафедры Информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве ФГБОУ ВПО «МГСУ».
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех основных глав, основных выводов и предложений, библиографического списка и приложений.
Содержание диссертации соответствует п.п. 1,4,5,7 Паспорта специальности 05.02.22 - Организация производства (строительство).
Анализ состояния, перспектив, организационного потенциала и практики применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве
В работах [7,76] показано, что технологическая себестоимость при производстве побочных продуктов на установках сероочистки зависит, главным образом, от заданной степени очистки и содержания основных компонентов в орошающих растворах на входе и выходе циркуляционных сборников.
Однако, во всех случаях степень экономического эффекта от режимов очистки и производства сульфогипса зависит от содержания извести в поглотительном растворе. В то же время и на очищенный газ, и на строительный гипс наложены жесткие ограничения, обусловленные требованиями ПДК и СНиП к качеству основных и побочных продуктов. Эти ограничения делают минимизацию технологической себестоимости довольно условной, поскольку связь качества очищенного газа и получаемого сульфогипса с физически реализуемыми управлениями описывается в динамике сложными уравнениями, при этом размерность вектора управлений настолько велика, что и оперативная оптимизация переменной части себестоимости безотходных производств становится трудно выполнимой [46,50,56]. Однако, можно указать способ организации производства гипса из дымовых газов, который не требует преодоления описанных трудностей, и в то же время позволяет получить результат близкий к оптимальному. Для этого следует учесть ряд важных обстоятельств.
1. Источниками выбросов сернистых соединений в энергетике, промышленности строительных материалов и коммунальном хозяйстве являются технологические и топливосжигающие агрегаты (печи, сушилки, агломашины, котлы и др.), в отходящих газах которых наряду с диоксидом серы содержатся также частицы пыли и золы. Поэтому очистке газов всегда предшествует операция пылеулавливания этих частиц в циклонах, зернистых, тканевых и электрических фильтрах. Рациональная организация работы этих аппаратов позволяет уже на стадии проектирования ПЭС решить задачу стабилизации содержания твердых частиц в газах поступающих на очистку в скрубберы. Таким образом, основными источниками возмущений режимов работы цикла очистки и получения сульфогипса являются изменения состава и количества загрязненного газа — внешние возмущения, производительности и характеристик оборудования - внутренние возмущения.
2. Как внешним возмущениям, так и уже на стадии эксплуатации внутренним возмущениям присущи низкие частоты. Только при отсутствии сырья или энергии в основных производственных процессах (плавке, обжиге, сушке, агломерации и др.), либо во время плановых переключений отдельных аппаратов в связи с началом или окончанием ремонтных работ и работы системы в аварийном режиме происходят резкие колебания частоты.
3. Отдельные участки и вся система имеет разную производительность, которая приводит к изменению технологической части себестоимости, которая является переменной, следует учитывать, что составы выходных и промежуточных материальных потоков имеют оптимальные значения и остаются неизменными. Изменение задания степени очистки дымовых газов может служить для существенных колебаний нагрузок.
Исходя из этого, проектируемая производственно-экологическая система должна стабилизировать состав внутренних промежуточных потоков на оптимальном уровне в рамках ограничений обусловленных требуемым количеством и качеством очищенного газа и побочного продукта (сульфогипса). В отдельных случаях, когда динамическая по времени производительность отдельных участков технологического процесса производственно-экологической системы не обеспечивает эти ограничения при заданном объеме сульфогипса, необходимо задание на стабилизацию состава выходных и промежуточных материальных потоков изменить с учетом оптимального соотношения - соответствующего качества очищенного газа и объема побочного продукта. Такая стратегия организации технологического процесса позволяет управлять материальными потоками отдельных производственных участков независимо друг от друга (в автономном режиме). Так как целью оптимизации производства сульфогипса является управление выходными и промежуточными материальными потоками отдельных участков системы, алгоритм работы системы в заданном режиме можно синтезировать современными методами теории управления с применением упрощенных математических моделей для конкретных участков системы [48,68,86]. Таким образом, установление связи критериев качества организации процесса получения побочного продукта с величиной переменной части себестоимости приобретает существенное значение.
Система критериев организационного потенциала применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве
В настоящий момент решения по организации строительного производства базируется на следующих основных проектах и документации: проект организации строительства (ПОС), проект производства работ (ППР) и документации по организации работ при подготовке к строительно-монтажным работам, предусмотренных производственной программой. В реализации организационных решений принимает участие большое число служб: Инвестор, Заказчик-Застройщик, Технический Заказчик, проектные, изыскательские и строительные организаций, предприятия-изготовители (поставщики-изготовители) (рис. 2.3.). На этой схеме установлены связи иерархии служб и взаимодействия с государственными органами и органами эксплуатации.
Исследуя основные жизненные этапы строительства объекта (рис. 2.4.), становится очевидным, что только на этапах 1.1, 1.2, 3.1-3.3 можно управлять проектными решениями и технико-экономическими показателями в части применения строительных материалов и на решения применения тех или иных строительных материалов, помимо, проектных организаций могут повлиять службы Инвестора, Заказчика-Застройщика и Технического Заказчика, притом в четких границах нормативно-правовых документов (СНиП, ГОСТ, ТУ и др.) В условиях многократно увеличившегося техногенного воздействия человека на окружающую природную среду, необходима интеграция дополнительного этапа в жизненный цикл строительного объекта «утилизация», т.е. предусмотреть в проектной документации раздел «Мероприятия по утилизации строительного объекта». Поскольку необходимо учитывать и объем строительных отходов от ремонта, реконструкции или разборки (сноса) зданий и сооружений, а также от брака строительной индустрии, что составляет 14,6 млн. тонн только за 2012 г. Расчеты показывают, что в ближайшие годы рост строительных отходов увеличится за счет сноса первых индустриальных поколений зданий и сооружений и составят 35-45 млн. т в год [67]. Строительные отходы в Российской Федерации подлежат в основном захоронению на полигонах, что негативно сказывается и на экологии окружающей среды и приводит к потерям сырьевых ресурсов. В связи с этим необходимо применять основные методы регулирования природопользования и охраны окружающей среды (рис. 2.5.) [34] для модернизации и разработки новых инструментов для выбора проектных решений, в том числе с учетом фазы «утилизация» и нормализации экологической ситуации.
Основываясь на проведенном в данном исследовании анализе области применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем, автором предложена структурно-функциональная модель организационного потенциала применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем в строительстве (рис. 2.6.). Которая учитывает строительную сферу как часть комплексной системы экономической и социально-экологической деятельности в стране. В европейских странах достигнут определенный прогресс в части применения вторичных материальных ресурсов производственно-экологических систем, и доказано, что продукция на основе вторичного сырья в 2-3 раза дешевле, чем сырье специально изготовляемое.
В укрупненной структурно-функциональной модели организационного потенциала применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем выделена электроэнергетическая сфера и промышленность строительных материалов, поскольку доказана эффективность применения вторичных ресурсов производственно-экологических систем на примере получения побочного продукта -сульфогипса и применения его в изготовлении гипсосодержащих строительных материалов, которые впоследствии могут быть также переработаны. Более того, можно соотнести положительный опыт применения вторичных ресурсов в строительной промышленности и с другими видами промышленности, поскольку все виды промышленности имеют техногенные отходы и побочные продукты.
Укрупненная структурно-функциональная модель (рис. 2.6.) показывает этапы эффективного применения вторичных ресурсов, которые определяют важнейшие показатели при выборе сырья и разработан механизм эффективного использования и интеграции в хозяйственную деятельность страны.
Организация моделирования и оптимизации режимов функционирования систем получения сульфогипса
Блок-схема технологического процесса получения сульфогипса представлена на рис. 3.2. Реакции первой стадии происходят в скруббере 1, регенерации - в циркуляционном сборнике (регенераторе) 2, осаждения осадков сточных вод - в отстойнике 8, обезвоживания шлама - в вакуум-фильтре 10. Регенерированный раствор с выхода циркуляционного сборника поступает в скруббер 1 на орошение обрабатываемых потоков газа 4. Даже такое краткое упрощенное описание процесса дает представление о важной черте организационной структуры: наличии оборотного потока раствора, связывающего выходные параметры процесса с входными. Степень значимости этого потока, (а значит и образуемой им обратной связи) становится очевидной, если учесть, что в контур, образованный потоком оборотного раствора, могут быть включены дополнительные насосы, теплообменники и другие элементы схемы. Кроме основного, в организационной структуре имеется и менее мощный, хотя и весьма важный контур обратной связи, образованный внутренним потоком в отстойнике при сгущении отработанного раствора.
Отмеченные глубокие внешние и короткие внутренние обратные связи технологического процесса, охватывающие весь цикл производства сульфогипса и его отдельные участки, исключают возможность значительных изменений параметров режимов работы на каком-либо одном участке без анализа производственной ситуации системы в целом. Характер технологических процессов изменяется на любом из участков производственно-экологической системы, что влияет на режим работы не только последующих, но и предыдущих машин и аппаратов структуры, связанных с последующими потоками оборотных полупродуктов. Например, изменение режима регенерации в циркуляционном сборнике вызывает изменение качества орошающего раствора, которое, в свою очередь, влияет на режим поглощения диоксида серы в скруббере. Благодаря этому происходят колебания состава отработанного насыщенного раствора, в связи с чем изменяются режимы регенерации. Иными словами, в зависимости от режима функционирования производственного процесса может изменяться не только интенсивность, но и знак обратных связей по каналам, образованным потоками оборотных потоков.
Итак, строго говоря, оборотные потоки делают режим отдельных участков структуры получения сульфогипса настолько взаимосвязанными, что с позиций организации проектирования и управления всю производственно-экологическую систему следует рассматривать как целостную систему со множеством взаимосвязанных элементов различного уровня, условно обособленное от внешней среды и взаимодействующую с ней, как единое целое в части реализации как основной (производственной), так и вспомогательной (экологической) функции. Этот фактор усложняет проектную оптимизацию исследуемых производственных процессов и затрудняет синтез системы технологического управления. В то же время высокие требования, предъявляемые к качеству получаемого сульфогипса и составу очищенных дымовых газов, накладывают весьма жесткие условия на проектирование и функционирование режимов работы этих систем.
Для достижения результата близкого к оптимальному необходимо учесть ряд важных аспектов технологического процесса работы производственно-экологической системы: 1. Организовать рациональную работу аппаратов по стабилизации содержания твердых частиц в газах, поступающих на очистку в скрубберы для получения сульфогипса, при этом изменение состава и количества загрязненного газа - внешние возмущения, производительности и характеристик оборудования - внутренние возмущения. 2. Низкая частота свойственна для внешних и внутренних возмущений в процессе эксплуатации. 3. Резкие колебания возможны в период аварийных или плановых переключений отдельных аппаратов. 4. Технологическая себестоимость изменяется в зависимости от производительности отдельных участков всей производственно экологической системы. В моменты времени, когда по указанным выше причинам необходимо регулировать режим работы системы, для формирования управляющих воздействий необходимо сопоставлять и состояние всех участков технологического процесса. Система управления при этом должна быть переведена в диспетчерский режим, т.е. в режим оперативной оптимизации участков комплексной технологии очистки дымовых газов, при этом должно быть выбрано новое задание для стабилизации выходящих и промежуточных материальных потоков системы. С другой стороны, в автономном режиме работы системы возникает необходимость определить оптимальные величины компонентов на всех участках системы, что можно реализовать с помощью методов статической оптимизации, так как в этом режиме производные от содержания различных компонентов во времени малы - это обстоятельство позволяет быстро перевести систему в новый оптимальный режим. Заметную роль для проектируемых производственно-экологических систем создает установление связи технико-экономических показателей оптимальности с общим социально-экологическим эффектом процесса, как природоохранного мероприятия.
Область применения сульфогипса в производстве строительных материалов
Календарные графики производства работ строительства многофункционального комплекса с применением гипсовых пазогребневых плит (ПГП) (на основе вторичного сырья) (рис. 4.2) и с применением кирпича (рис. 4.3). Очевиден факт, что устройство внутренних перегородок и коммуникационных шахт из ПГП блоков эффективнее, т.к. срок их устройства значительно меньше, чем из кирпича и стоимость ниже. Кроме этого, используя сухую штукатурку и шпатлевку на основе гипсосодержащего сырья также можно добиться значительной экономии при выполнении отделочных работ не только денежных средств, но и продолжительности, при этом без потери в качественных характеристиках.
Существенным моментом при выборе материала для устройства перегородок - является безопасность производства работ и скорость монтажа. Изучив технологии устройства перегородок из кирпича (Технологическая карта на устройство кирпичных перегородок, ОАО ПКТИпромстрой) и перегородок из гипсовых пазогребневых плит (Типовая технологическая карта на устройство перегородок из гипсовых пазогребневых плит, Knauf), следует очевидный вывод, что снижаются трудозатраты, срок монтажа и при устройстве из ПГП перегородок толщиной 80 мм, присутствует незначительная экономия площади, против устройства перегородок из кирпича 120 мм.
Расчет стоимости строительства многофункционального комплекса апартаментного типа с надземным гаражом-стоянкой, торговыми и административными помещениями по ул. Ленина, Адлерского района, г. Сочи Вариант 1 Вариант 2
Применение гипсосодержащих строительных ресурсов с использованием вторичного сырья при производстве строительно-монтажных работ позволили достичь следующих результатов: 1) обеспечить более высокую безопасность строительных работ; 2) обеспечить рациональное природопользование и охрану окружающей среды; 3) повысить качество строительной продукции и степени готовности её к эксплуатации; 4) изменить характер сооружаемых объектов (в части отделочных работ), обеспечить их быструю адаптацию к изменяющимся условиям производства; 5) сократить продолжительность строительства объектов непроизводственного назначения; 6) снизить энергозатраты; 7) повысить экономический эффект от применения таких материалов.
Для описания методики перспективного планирования вторичных ресурсов производственно-экологических систем путем выбора экологичных строительных материалов на их основе объединим критерии для предпочтений выбора организационного потенциала применения строительных материалов, представленные в главе 2 в табл.4.3, притом обозначим СМ) - строительный материал на основе первичных ресурсов (природных); СМ2 - строительный материал на основе вторичных ресурсов (побочных продуктов, отходов) для их последующей оценки применения:
Для решения этой задачи выполним структуризацию задачи в виде иерархической структуры с несколькими уровнями: цели - критерии -альтернативы (рис. 4.5):
Иерархическая схема проблемы выбора сырья для производства строительного материала из На основании экспертной оценки дается шкала словесных определений уровня важности, причем каждому определению ставится в соответствие число (табл. 4.4): Табл.4.4. Шкала относительной важности Уровень важности Количественное значение Равная важность 1 Умеренное превосходство 2 Существенное или сильное превосходство 3 Значительное (большое) превосходство 4 Очень большое превосходство 5 Матрица сравнений для критериев формируется на основании табл. 4.4. при сравнении элементов, принадлежащих одному уровню иерархии. Матрица сравнения критериев для выбора строительного материала СМ, или СМ2 приведена в табл. 4.5.
Матрица (табл.4.5) соответствует следующим предпочтениям гипотетической экспертной оценке. В последующих таблице 4.6 сравниваются заданные альтернативы (конкретные строительные материалы) по каждому критерию отдельно:
Таблица 4.6. позволяют рассчитать коэффициенты важности соответствующих элементов иерархического уровня и выделить «веса» соответствующего строительного материала. Определим наилучшую альтернативу - синтезом полученных коэффициентов по формуле: Vj=I,Uwi-Vji, (4-І.) 115 где Vj - показатель качества j-ой альтернативы; w; - вес і-го критерия; Vy -важность j-ой альтернативы по і-му критерию. Для двух строительных материалов проведенные вычисления представлены в табл. 4.7.
Попутные продукты промышленности, содержащие сульфаты кальция (гипсосодержащие отходы), получаются при производстве минеральных и органических веществ на предприятиях различных отраслей промышленности (энергетической, химической, пищевой и др.). В настоящее время насчитывается около 50 видов гипсосодержащих отходов [74]. Наиболее распространенные из них приводятся в табл. 4.8.
