Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Технико-экономический анализ многофункциональных водохозяйственных систем
Водохозяйственные комплексы — сложные системы, предназначенные для выполнения нескольких определенных задач. Сложная система представляет собой совокупность взаимосвязанных элементов, обеспечивающих выполнение заданных функций несколькими различными способами и отличающихся уровнями качества функционирования. Многоцелевая эффективность водохозяйственных комплексов. Народнохозяйственная эффективность сложных водохозяйственных систем связана с всесторонним учетом полезных эффектов и отрицательных последствий. Подобная проблема мало изучена по ряду причин. Во-первых, это связано с большим числом полезных эффектов и отрицательных последствий, а также с неоднородностью их пространственно-временного проявления. Во-вторых, подобное техническое решение затрагивает интересы почти всех отраслей народного хозяйства. В-третьих, предполагаемый комплекс мероприятий после их осуществления окажет воздействие на многие экологические системы, поведение которых не поддается прогнозу даже при всестороннем учете имеющейся исходной информации. Реализация проектов сложных водохозяйственных систем связана с неизбежной необходимостью развития нашей страны,
и поэтому надлежит выбрать оптимальное техническое решение. Одним из средств поиска такого решения может быть анализ намечаемых в проекте целей. Глобальная цель — обеспечение наилучших условий развития народного хозяйства для наиболее полного удовлетворения материальных и духовных запросов народа. Эта цель, к сожалению, не имеет количественной оценки, поэтому ее расчленяют на ряд локальных целей. Набор многих локальных целей поддается ранжировке. Следовательно, можно построить дерево целей в зависимости от важности в достиже- * нии главной цели. Цели высшего ранга обозначим Ai(i= 1,..., n). Цель второго ранга Bij (i = 1,..., т), а третьего ранга Cijk (к = 1,..., q) и т. д. Важным этапом дальнейшего исследования является подбор альтернативных вариантов достижения целей. Здесь могут быть не только однородные по природе варианты, но и комплексные мероприятия, обеспечивающие достижение нескольких или многих целей. Определение наиболее эффективного варианта с учетом природоохранных мероприятий требует по существу решения такой сложной задачи, как унификация измерений полезных эффектов и негативных последствий (ущербов). Критерий, основанный на расчете приведенных затрат, в данном случае является недостаточным, поскольку применение этого критерия требует обеспечения тождества эффектов и ущербов по всем рассматриваемым вариантам. В практике проектирования такое тождество, как правило, нарушается, особенно по социальным и природоохранным факторам. Например, условия работы персонала гидроэлектростанций намного лучше, чем шахтеров в угледобывающей промышленности. Производительность труда на ГЭС в 4—5 раз выше, чем на ТЭС, включая добычу топлива и его транспортировку. В отношении природоохранных мероприятий также имеются большие расхождения. При создании водохранилищ происходит затопление ценных сельскохозяйственных угодий, промышленных предприятий, жилых зданий, дорог и т. п. С другой стороны, строительство водохранилищ в южных засушливых районах страны и переброска части стока позволяют освоить для сельского хозяйства значительные земельные массивы. При строительстве тепловых электростанций на органическом топливе предусматривается очистка дымовых газов. Однако частичное загрязнение воздушного бассейна остается. Примеры показывают, что имеется значительное число факторов, по которым не удается обеспечить тождества в сравниваемых вариантах. Поэтому необходим более общий метод для оценки достижения совокупности целей: экономической, социальной, охраны и улучшения природы и т. п. Такой метод назван методом многоцелевой (многокритериальной) оптимизации и позволяет учесть не только количественные, но и качественные факторы. Главная цель водохозяйственной системы — обеспечение потребностей в воде, электроэнергетической — в электроэнергии. Эти цели должны достигаться во всех вариантах, но, кроме того, каждый из них должен удовлетворять и целому ряду других требований, например иметь наименьшие затраты, обеспечивать лучшие социальные условия, меньше загрязнять атмосферу и т. д. Состав целей определяется конкретными условиями строительства и эксплуатации данной системы. Одной из целей, которая в ряде случаев может быть главной, является минимизация приведенных затрат. Кроме того, перед водохозяйственными системами ставятся цели обеспечения надежности и бесперебойности снабжения водой, качества воды, санитарных и рекреационных условий, охраны и улучшения природы и т. п. Получить одновременно максимальный эффект по всем целям невозможно вследствие их противоречивого характера. Надо стремиться к наибольшему народнохозяйственному, в данном случае комплексному, эффекту, т. е. наилучшему сочетанию показателей эффективности по всей совокупности целей. Это условие является основой метода многоцелевой (многокритериальной) оптимизации. Показатель многоцелевой эффективности можно представить в следующем виде: (7.40) где Ек — интегральный показатель многоцелевой (многокритериальной) эффективности варианта k-й системы; а, — коэффициент весомости или оценка значимости цели i; екi — оценка эффективности варианта k в отношении обеспечения цели i.
Коэффициент весомости определяют в долях единицы i=1.
Оценка эффекта е является безразмерной величиной, и ее характеризует индекс достижения цели. Численное увеличение свидетельствует об улучшении решения, и наоборот. Наилучшим будет вариант, имеющий максимальное значение для идеального варианта, в котором полностью удовлетворяются все цели, Еk = 1. Для реальных вариантов Еk < 1. Наибольшее значение величины Ек определяет оптимальный вариант использования водных ресурсов, в котором наиболее полно удовлетворяется совокупность поставленных целей. Критерий многоцелевой (многокритериальной) оптимальности может быть записан виде Еk→ max. (7.41) На область определения функции оптимальности накладывают ограничения по условиям заданного водо- и электропотребления, допустимым параметрам отдельных водохозяйственных или энергетических объектов и т. п. Для варианта k значение еki определяется сравнением степени достижения цели / с максимальным или минимальным его значением. В простейшем случае для минимальных показателей расчетных затрат значение екз = Зmin/Зk, (7.42) а для максимальных показателей качества воды екз = k / max где Зmin — расчетные затраты для варианта с их минимальным значением; max — показатель качества воды для варианта с его максимальным значением; k — символ, обозначающий соответствующие значения для варианта k. При большом числе вариантов для повышения точности расчетов eki определяют по разности предельных значений соответствующих показателей, например:
Имеются и другие, более сложные способы определения eki или α i, еki. Значения коэффициентов весомости α i,, т. е. оценку значимости целей, находят экспертным путем. Так, например, имеются три варианта: в I и III водоснабжение обеспечивается из специально создаваемого водохранилища; во II — из подземных источников с исключительно высоким качеством воды, какого не удается достигнуть в других вариантах.
Поставлены цели: минимизация приведенных затрат; обеспечение наивысшего качества воды; создание наиболее благоприятных условий для занятий спортом и отдыха населения. Экспертным путем определены коэффициенты α I= 0, 65; α II = 0, 25; α III = 0, 1. Варианты характеризуются приведенными затратами (тыс. руб./год): ЗI = 100; ЗII = 110; ЗIII = 125. В I и III вариантах учтены затраты на водоочистку. Относительное качество воды после водоочистки: I = 0, 4; II = 1; III = 0, 5. Площадь водной поверхности для рекреационных целей (га): А I= 12; А II= 2; А III= 60. Определим комплексную (многокритериальную) эффективность для одного, например I, варианта простейшим способом подсчета — отношением соответствующих величин. Тогда получим для достижения первой цели eI.1 = Зmin/ЗI = 100/100 = 1; второй — eI.2 = I/ max 0, 4/1 = 0, 4; третьей — eI.3 =AI/Amax = 12/60 = 0, 2. В результате получим для I варианта:
для II варианта ЕII = 0, 84 и для III — ЕIII = 0, 745. По методу многоцелевой оптимизации наилучшим оказался II вариант водоснабжения из подземных источников, для которого показатель эффективности ЕII — 0, 84 — наибольший. Если бы все три варианта при указанных выше приведенных затратах обеспечивали одинаковое качество воды и одинаковые рекреационные условия, то наилучшим считался бы I вариант, имеющий минимальные приведенные затраты. Таким образом, эффективность развития больших водохозяйственных систем должна устанавливаться с помощью различных методических подходов. Только всесторонний анализ приводит к оптимальному решению. Процедура анализа. Процедура технико-экономического анализа при решении любых задач проектирования многофункциональных систем включает ряд последовательных типовых этапов, которые рассмотрены на примере задач проектирования водохозяйственного комплекса многоцелевого назначения. Первый этап — постановка задачи и уточнение целей, поставленных перед водохозяйственной системой. Эффективность капитальных вложений в создание комплекса оценивают по достигнутому результату и снижению уровня ущербов от возможных перебоев работы системы. Поэтому принимаемую в проекте систему обосновывают экономически с учетом будущей эксплуатации. Общая цель обоснования любого проектного решения всегда одна: отыскание наиболее рационального использования ограниченных водных ресурсов и повышение эффективности общественного труда. Конкретные цели анализа могут быть весьма разнообразными, например: обоснование целесообразного соотношения между параметрами в системе водоснабжения и водоотведения; определе- ние оптимального соотношения подач оборотной и свежей воды; выбор оптимального режима подачи воды для работы элементов системы водоснабжения и водоотведения; обоснование целесообразности замены оборудования водоохлаждения другим оборудованием, обеспечивающим снижение потребности в воде, и др. На втором этапе намечают возможные варианты проектного оформления, отличающиеся способами достижения поставленной задачи. В настоящее время действуют Строительные нормы и прави- -ла, устанавливающие допустимый уровень водообеспечения для создания необходимых условий технологического процесса, требуемую степень очистки стоков и т. п., которые должны предусматриваться на стадии проектирования системы. Варианты проектных решений, разрабатываемые в соответствии с требованиями норм, оценивают экономически, сравнивая по критерию «минимум приведенных затрат». В случае обоснования характеристик технических решений основных элементов системы устанавливают число альтернативных вариантов с изменяющимися параметрами (например, для системы водоснабжения: производительность подачи водопитателя, вместимость водоисточников, пропускная способность систем подачи и распределения воды и др.). На этом этапе анализа используют метод сравнительной оценки экономической эффективности капитальных вложений с учетом эксплуатационных расходов и затрат на возмещение ущербов. Вариантный анализ дает возможность выбрать из конкурирующих вариантов наиболее рациональный. Третий этап, наиболее ответственный, — это установление критерия оптимизации параметров, с помощью которого можно найти наибольший эффект от вложения средств или же необходимый их минимум для достижения поставленной цели. Этот критерий учитывает капитальные затраты, эксплуатационные расходы и затраты на возмещение потерь от возможных ущербов. В то же время он должен допускать возможность сравнения приведенных затрат в зависимости от изменения уровня качества функционирования водохозяйственного комплекса. Задача проектировщика заключается в установлении признаков, по которым отдается предпочтение тому или иному решению. Критерий оптимизации в данном случае должен представлять собой соотношение между ожидаемым полезным эффектом (результатом) решения и связанными с ним затратами. Когда рассматриваемые варианты проектного решения имеют равно- ценный ожидаемый полезный эффект, в качестве критерия может быть использован экономический эффект, определяемый по приведенным затратам. В остальных случаях предпочтительность проектных решений не может оцениваться с помощью этого критерия, поскольку последний не учитывает ожидаемый результат, который будет достигнут за наименьшую плату. Точно так же недостаточным будет такой критерий, который оценивает решение, обещающее наибольший полезный эффект. Трудно предположить единую методику выбора критериев, удовлетворяющих все встречающиеся на практике ситуации. При проектировании сложных систем водоснабжения часто приходится использовать различные показатели выходного (полезного) эффекта и затрат, которые должны входить в единый критерий, удовлетворяющий условиям иерархической структуры. Сведение многокритериальных задач к однокритериальнои заключается в выборе коэффициентов, определяющих относительную важность частных показателей эффективности. Пример субоптимизации решений при проектировании системы водоснабжения показан на рис. 7.1. Четвертый этап состоит в определении затрат на основании сметно-финансовых расчетов, эксплуатационных расходов и возможных ущербов, а также других характеристик, входящих в экономико-математическую модель оптимизации. Этот этап анализа представляет собой расчетно-творческий процесс, для выполнения которого наиболее целесообразно применение вычислительной техники.
Рис. 7.1. Пример субоптимизации решений при проектировании водохозяйственного комплекса промышленного узла. Оптимизация параметров: 1 — водохозяйственного комплекса; 2 — системы водоснабжения; 3 — системы водоотведения; 4 — системы ирригации; сооружения: 5 — рекреационного комплекса на воде; 6— рыбохозяйственной системы; 7—водоохранного комплекса; 8— водоисточника; 9 — водопитателя; 10— подсистемы подачи и распределения воды; 11 — подсистемы регулирования подачи воды Пятый этап содержит математические операции построения экономико-математической модели и ее решение. При проектировании приходится находить решения, обеспечивающие экстремальные значения критерия эффективности. Эти задачи решают с применением специальных методов оптимизации. Наиболее часто в практике проектирования систем водохозяйственного комплекса используют метод перебора вариантов (слепой поиск), суть которого сводится к сравнению по выбранному критерию технических решений, отличающихся различным сочетанием основных элементов. В ряде случаев для решения указанных задач используют методы математического (предельного) анализа, с помощью которых функцию эффективности выражают в зависимости от искомых переменных с последующим дифференцированием функции и приравниванием производных нулю после соответствующего анализа на экстремум. В последнее время для решения многомерных экстремальных задач (при наличии ограничений на области изменения переменных) применяют методы математического программирования. В наибольшей степени разработаны методы линейного программирования, предусматривающие нахождение экстремума линейных целевых функций. Следует отметить, что зависимости полезного эффекта и затрат от параметров элементов проектных решений системы водоснабжения, как правило, нелинейны, что требует использования специальных методов нелинейного программирования, реализация которых возможна с помощью электронно-вычислительных машин. Шестой этап представляет собой процедуру решения задачи и отыскания оптимального варианта на основе построенной экономико-математической модели, анализа полученных результатов и разработки рекомендаций. Блок-схема процесса технико-экономического анализа представлена на рис. 7.2. Линиями показана последовательность выполнения отдельных этапов анализа и обратные связи, которые возможны при проверке оптимального решения на устойчивость или выявлении несостоятельности полученных решений. Система водоснабжения представляет собой группу водопроводных сооружений, действующих совместно при выполнении поставленной задачи. Решение вопросов оптимизации системы в целом на основе технико-экономического анализа оказывается
Рис. 7.2. Блок-схема технико-экономического анализа: 1 — постановка задачи; 2 — определение области возможных технических решений и характеристик; 3— выбор критерия эффективности; 4— выбор характеристик «внешних» условий (определение характеристик возможных ущербов); 5— выбор характеристик «внутренних» условий (определение характеристик капитальных вложений и эксплуатационных расходов); 6— построение экономико-математической модели и выполнение расчетов; 7— выбор оптимального решения; 8 — анализ полученных результатов и разработка рекомендаций очень сложным, поэтому прибегают к решению оптимизации входящих в систему элементов или подсистем. Экономический анализ по частям требует сопоставления результатов частной оптимизации при получении единого комплексного критерия. В проектном задании целесообразно приводить не один вариант проектного решения системы, а несколько лучших (близких к оптимальному) с указанием затрат на каждый из них. Это дает возможность более детально рассмотреть варианты в процессе выбора окончательного решения и учесть возможности технического исполнения и социально-экономические соображения. Оптимизация параметров замкнутой системы водного хозяйства. Вопросы оптимизации параметров рассмотрим на примере построения системы водного хозяйства промышленного узла, где вода многократно используется в производствах по замкнутому циклу. Для рассмотрения приняты различные варианты схем «безводных» или «маловодных» технологических процессов, условия многократного использования воды в производстве, требования к сокращению количества и загрязненности образующихся сточных вод, возможность извлечения из стоков ценных компонентов и их утилизации. Для решения поставленной задачи используется методика, позволяющая выбрать наиболее рациональный вариант системы производственного водоснабжения и водоотведения промышленного узла, расположенного в районе водоисточника с ограниченным дебитом воды и водного объекта с исчерпанной самоочищающей способностью для приема сточных вод. Определение наиболее эффективного варианта с учетом указанных выше требований является сложной задачей. Для решения такой задачи необходимо унифицировать измерения полезных эффектов (особенно природоохранных) и негативных последствий (ущербов). Критерий, основанный на минимуме приведенных затрат, в данном случае приемлем лишь при равновеликих результатах полезного эффекта. В основу методики оптимизации параметров системы положен количественный критерий, учитывающий комплексный показатель качества функционирования, слагаемые которого, помимо технологических, учитывают экологические, социологические параметры, а также затраты на возведение сооружений и эксплуатацию системы. Технологические параметры характеризуют способность системы обеспечивать бесперебойно водой требуемого качества все объекты промышленного комплекса, отводить сточные воды после надлежащей их очистки и извлекать из них полезную продукцию. Экологические параметры характеризуют эффективность природоохранных мер, предусматриваемых при возведении системы и направленных на снижение отрицательного воздействия на природу и улучшение ее состояния. Социологические параметры характеризуют эффективность инженерных и организационно-технических мероприятий, направленных на повышение жизненного уровня населения, прирост национального дохода и др. Важным этапом в решении этой задачи является отыскание эффективного варианта решения из числа альтернативных вариантов достижения поставленной цели. В соответствии с действующей терминологией эффективность решения в данном случае представлена в виде продукции, которая рассматривается как материализованный результат процесса трудовой деятельности, обладающий полезными свойствами, полученный в определенном месте за определенный интервал времени, предназначенный для использования потребителями в целях удовлетворения их потребностей. Количественной характеристикой степени достижения цели при проектировании является полезный результат, представляющий собой полное или частичное достижение определенных технологических, экономических, экологических, социальных целей, которые ставятся перед системой водного хозяйства. В результате совершенствования технологического оборудования можно уменьшить или
полностью устранить подачу свежей воды для производственных целей и тем самым уменьшить материальный ущерб от недопустимого изъятия свежей воды. В этом случае достигаются экономическая и экологическая цели. Оснащение промышленного комплекса безотходной системой водного хозяйства, обеспечивающей локальную ликвидацию загрязнений и их утилизацию, а также исключающей токсическое воздействие на людей, дает социологический эффект. К затратам отнесены расходы материальных, трудовых и природных ресурсов, а также потери от отрицательных эффектов. При оценке эффективности системы водоснабжения и водоотведения учитываются капитальные вложения на возведение элементов системы, издержки эксплуатации и потери, обусловленные ущербами от воздействия промышленных стоков, образующихся в результате низкой эффективности системы очистки сточных вод. Система водного хозяйства обладает сложными свойствами, которые характеризуются комплексным показателем качества функционирования Для решения задачи необходимо количественно оценивать технологические характеристики системы, эффект от эксплуатации, затраты на разработку, строительство и эксплуатацию, потери от ненадежности водообеспечения, ущербы от загрязнения водоема и др. Полезный результат и затраты оценивают в виде технических единиц измерения (производительность системы водоснабжения, расход сточных вод, дебит водоисточника и т.п.), денежных единиц, условных единиц (баллы, коэффициенты весомости, индексы, шкалы полезности). В результате анализа выявляются наиболее весомые при достижении поставленных целей факторы, параметры которых определяют слагаемые комплексного показателя качества функционирования. Основные слагаемые комплексного показателя качества функционирования водохозяйственного комплекса промышленного узла приведены в табл. 7.3. Таблица 7.3. Слагаемые комплексного показателя качества функционирования
(7.43) где Аi-, — параметр, характеризующий качество функционирования i -го элемента; i — коэффициент весомости i -го элемента, выраженный в долях единицы i = 1; j , -— коэффициент весомости j-го фактора внешней среды; j — параметр, характеризующий влияние j-го фактора внешней среды; C1 — параметр 1-й составляющей приведенных затрат. Проектирование рациональной системы основано на количественных методах оптимизации параметров. При этом устанавливают такие значения параметров и такое изменение их во времени, при которых достигается максимально возможная эффективность. Математическая модель оптимизации включает целевую функцию и ограничения. Целевая функция представляет собой максимум полезного результата на единицу затрат — минимум народнохозяйственных затрат. Эту зависимость можно представить в виде Ц= Ф/3→ max, (7.44) где Ф — полезный результат, характеризуемый комплексным показателем качества функционирования; 3 — приведенные затраты.
Примечание. Qai и Сф —расход свежей воды для нужд водохозяйственного комплекса и гарантированный расход в водоисточнике; Ми Мф — интегральный показатель качества воды, требуемой для объекта, и исходной воды в водоисточнике; Q^ — расход воды,
повторно используемой в производстве; Р, τ, Т — показатель надежности, учитывающий кратность безотказной работы, время восстановления, срок службы; QK — расход сточных вод; Сф и ПДК — фактическая концентрация загрязнений в сточных водах и предельно допустимая концентрация; Мk и М0— общая масса годового сброса загрязнений и допустимая масса сброса загрязнений; и 0 — общая масса извлеченной ценной продукции и масса обязательного извлечения продукции при очистке; А и А0, — площадь земли (леса), вовлеченная в комплекс при отсутствии защитных мер и при их реализации; V и V 0 — объем воздушного пространства, вовлеченного в комплекс при отсутствии защитных мер и при их реализации; и 0— площадь акватории, вовлеченная в комплекс при отсутствии защитных мер и при их реализации; У и У0 - ущерб от загрязнения водоема при отсутствии защитных мер и при их реализации; Пс ПП, Р, П, ПВ — урожайность сельскохозяйственных угодий, продуктивность водных объектов, рекреационная ценность территории, производительность и перевозки водного транспорта при отсутствии водохозяйственных мероприятий; Пс0 ПП0, Р0, П0, ПВ0 — то же, при реализации водохозяйственных мероприятий. Интегральный индекс достижения i -й цели: Фi = i j (7.45) где i - — коэффициент весомости при достижении i -и цели (эффекта); j — индекс i -го параметра. Например, Q1 = Qсв1/Qф1; Q2 = Qсв2/Qф2; 1 = Q2/Q1. Комплексный показатель качества функционирования системы: Ф = j Фj ; (7.46) где j — весомость j -й цели в решении поставленной задачи; на пример, j для водоснабжения (см. табл. 7.3) равен 0, 5; Фj, — интегральный индекс достижения j -й цели. Численное увеличение индекса свидетельствует об улучшении свойства. Наилучшим, с точки зрения достижения цели, будет вариант, имеющий максимальное значение Фj. Оптимизация параметров при проектировании системы заключается в установлении таких значений этих параметров и такого изменения их во времени, при которых достигается максимальный экономический эффект. Процедура технико-экономического анализа при этом включает: — постановку задачи и уточнение цели;
—разработку альтернативных вариантов, отличающихся способами достижения поставленной задачи; —установление критерия оптимизации, представляющего собой соотношение между полезным эффектом, который оценивается комплексным показателем качества функционирования, и приведенными затратами; —расчеты капитальных вложений, эксплуатационных расходов и возможных последствий от ущербов; экономико-математическое моделирование и разработка алгоритмов решения; —отыскание оптимального варианта технического решения системы на основе анализа полученных результатов. Основные технико-экономические показатели заносятся в табл. 7.4, форма которой представлена ниже. Таблица 7.4. Технике -экономические показатели водохозяйственного комплекса промышленного узла
|