КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

КАЛЮЖНИЙ АНАТОЛІЙ ПАВЛОВИЧ

УДК 628.179

ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ

СИСТЕМ ОБОРОТНОГО ВОДОПОСТАЧАННЯ

ПРОМИСЛОВИХ ПІДПРИЄМСТВ

05.23.04 – Водопостачання, каналізація

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник : Новохатній Валерій Гаврилович,

кандидат технічних наук, доцент

кафедри гідравліки, водопостачання і водовідведення

Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Офіційні опоненти : Прокопчук Іван Тимофійович,

доктор технічних наук, професор

кафедри водопостачання

Київського національного університету будівництва і архітектури.

Чарний Дмитро Володимирович

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

відділу водопостачання і каналізації

інституту гідротехніки і меліорації УААН.

Провідна установа - Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури.

Захист дисертації відбудеться “12” лютого 2003 р. о 13-00 годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект , 31, ауд. 466.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект , 31.

Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою, на адресу: 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект , 31, КНУБА, Вчена рада.

Автореферат розісланий “9” січня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради к.т.н., професор О.А. Василенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Економічні умови сьогодення призводять до розукрупнення систем виробничого водопостачання і створення ефективних зонованих і локальних охолоджуючих систем оборотного водопостачання для окремих споживачів води. Але відсутність методів визначення ефективності зонування або локалізації не дозволяє приймати доцільні технічні рішення, які б зменшували собівартість продукції. Сучасні умови роботи підприємств вимагають пошуку і розробки методів порівняльного аналізу ефективності зонування і локалізації охолоджуючих систем оборотного водопостачання з метою заощадження енергоресурсів, що у кінцевому рахунку призводить до зменшення собівартості продукції. Одними з найважливіших споруд в охолоджуючих системах оборотного водопостачання є градирні. Тому виникає проблема поліпшення конструкції існуючих та розробка нових конструкцій градирень, у тому числі таких, які могли б споруджуватись підприємством самостійно. Вказане підтверджується роботою ВАТ “Полтавський алмазний завод”, коли виникла необхідність у розукрупненні охолоджуючої системи оборотного водопостачання і створення локальних систем. Особливого значення набувають ці питання в умовах діючого виробництва, тобто у разі реконструкції.

Вищенаведені обставини стали підставою для вибору теми дисертаційного дослідження охолоджуючих систем оборотного водопостачання, визначили її актуальність та практичну важливість.

Зв’язок роботи з науково-технічними програмами. Роботу виконано у відповідності до плану науково-дослідних робіт Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за темою “Розробка, дослідження та упровадження нових технічних рішень систем водопостачання та водовідведення” затвердженою 05.07.1999 р. та у відповідності до “Програми охорони довкілля та раціонального використання природних ресурсів з урахуванням регіональних пріоритетів Полтавської області на період до 2010 року” затвердженою рішенням Полтавської обласної Ради 12.07.2001 року.

Метою роботи є наукове обгрунтування і розробка методів порівняльного аналізу ефективності охолоджуючих систем оборотного водопостачання промислових підприємств та розробка для цих систем охолоджувача води поліпшеної конструкції.

Задачі дослідження:

- вивчити стан питання з оцінювання ефективності охолоджуючих систем оборотного водопостачання;

- обчислити питомі капітальні вкладення у будівництво вентиляторних градирень і циркуляційних насосних станцій;

- побудувати цільові функції і виконати порівняльний аналіз ефективності охолоджуючих систем оборотного водопостачання за приведеними затратами (З) та за чистим дисконтованим доходом (ЧДД);

- розробити градирню поліпшеної конструкції, побудувати виробничу установку цієї градирні та визначити величину краплинного виносу;

- розробити методику порівняльного аналізу ефективності та вибору типу охолоджуючої системи оборотного водопостачання (централізованої, зонованої, локальної).

Об’єкт дослідження – охолоджуючі системи оборотного виробничого водопостачання і безкраплинна вентиляторна градирня для охолодження води.

Предмет дослідження – методи порівняльного аналізу ефективності охолоджуючих систем оборотного водопостачання і оцінювання краплинного виносу з безкраплинної вентиляторної градирні у ВАТ “Полтавський алмазний завод”.

Методи дослідження. Математичне моделювання ефективності охолоджуючих систем оборотного водопостачання з побудовою відповідних цільових функцій; експериментальне дослідження краплинного виносу з безкраплинної вентиляторної градирні.

Наукова новизна одержаних результатів:

-

-

-

Практичне значення отриманих результатів:

Розроблено методику порівняльного аналізу ефективності та вибору типу охолоджуючої системи оборотного водопостачання, яка базується на цільових функціях за чистим дисконтованим доходом (ЧДД), що відповідає умовам ринкового виробництва і дозволяє визначити оптимальні значення технічних показників для вказаних систем.

Створено конструкцію безкраплинної вентиляторної градирні для охолоджуючих систем оборотного водопостачання (отримано патент України № 33592 А), побудовано виробничу установку і проведено експериментальні дослідження, які підтвердили значне зменшення краплинного виносу оборотної води у порівнянні з існуючими конструкціями.

Порівняльний аналіз ефективності охолоджуючих систем оборотного водопостачання довів доцільність упровадження локальної системи і градирні безкраплинної вентиляторної ГБВ-1,0 у ВАТ “Полтавський алмазний завод”, що дає річний економічний ефект 59,0 тис. грн.

Особистий внесок здобувача: особисто автором побудувано цільові функції за чистим дисконтованим доходом та за приведеними затратами для трьох типів систем і виконано порівняльний аналіз їх ефективності; автором розроблено методику вибору типу системи оборотного водопостачання і проект виробничої установки безкраплинної вентиляторної градирні; обчислено питомі капітальні вкладення у будівництво вентиляторних градирень і циркуляційних насосних станцій; автор експериментально визначив величину краплинного виносу із запатентованої конструкції безкраплинної вентиляторної градирні.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на 50-53 наукових конференціях викладачів, аспірантів і співробітників Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка (Полтава – 1998-2001 р.р.), на 60-62 науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури (Київ – 1999-2001 р.р.), на 56-й науково-технічній конференції Харківського державного технічного університету будівництва і архітектури (Харків – 2001 р.).

Публікації. За результатами роботи опубліковано 12 друкованих робіт, у тому числі 9 у фахових виданнях, отримано 2 деклараційні патенти України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку літератури з 154 найменування та додатку. Загальний обсяг роботи 167 сторінок, із них 148 сторінок основного тексту, 8 таблиць на 6 сторінках, 25 рисунків.

Роботу виконано в Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Текст роботи містить у собі всі основні результати дисертаційних досліджень.

У вступі сформульована актуальність роботи, об’єкт, предмет, методи, мета і задачі дослідження, наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі дисертації розглянуті стан теоретичних та експериментальних досліджень систем оборотного водопостачання, показники порівняльного аналізу ефективності, існуюча термінологія та запропонована додаткова термінологія, яка необхідна для виконання дослідження.

Установлено, що найбільшого розвитку серед країн СНД дослідження систем оборотного водопостачання та охолоджувачів води набули у Росії – роботи Л.А. Алфьорової, О.П. Нечаєва, Д.І. Кучеренко, В.О. Гладкова, В.С. Пономаренко, Ю.І. Ареф’євої, Є.І. Прохорова, І.Г. Барменкової, Ю.П. Беліченко, П.П. Пальгунова, В.І. Малова, С.С. Запорожця та інших.

В Україні дослідження систем оборотного водопостачання ведуться під керівництвом у: Києві – д.т.н., проф. Терновцева В.О.; Харкові – д.т.н., проф. Пантелята Г.С., д.т.н., проф. Шеренкова І.А., д.т.н., проф. Душкіна С.С.; Макіївці – д.т.н., проф. Найманова А.Я. Нові конструкції градирень досліджуються і розробляються ЗАТ “СП БРОТЕП-ЕКО” в м. Бровари. Широко відомі серед фахівців дослідження з питань техніко-економічної ефективності систем водопостачання д.т.н., проф. Хоружого П.Д., проф. Тугая А.М., д.т.н., проф. Прокопчука І.Т., д.т.н., проф. Гіроля М.М., д.т.н., проф. Орлова В.О., д.т.н., проф. Грабовського П.О., кандидатів технічних наук Ткачука О.А., Шаркова М.В., Сівака В.М., Чарного Д.В. та інших. Але детальне вивчення наукових джерел показало, що питання порівняльного аналізу ефективності зонованих і локальних охолоджуючих систем оборотного водопостачання відповідним чином не досліджувались. Запропонована додаткова термінологія, у якій визначено три типи систем і виділено фіксованого і розрахункового споживачів (рис.1).

У другому розділі запропоновані основні технічні показники, за якими визначається тип системи: відстань L від циркуляційної насосної станції до споживачів; висота зони – перепад геодезичних позначок поверхні землі між розрахунковим споживачем і насосною станцією; перепад напорів – різниця потрібних вільних напорів між споживачами; витрата води розрахункового споживача. Для виконання порівняльного аналізу ефективності охолоджуючих систем оборотного водопостачання обчислені питомі капітальні вкладення у будівництво вентиляторних градирень і циркуляційних насосних станцій.

У третьому розділі виконано порівняльний аналіз ефективності охолоджуючих систем оборотного водопостачання за приведеними затратами. Для цього була побудована цільова функція , яка для централізованої системи набула вигляду:

(1)

де: індекс 1 присвоєно фіксованому споживачу, індекс 2 – розрахунковому споживачу; L41, L42 – довжина подавального трубопроводу; L51, L52 – довжина зворотнього трубопроводу; D41, D42 – діаметр подавального трубопроводу; D51, D52 – діаметр зворотнього трубопроводу; Q41, Q42 – витрата охолодженої води; Q41, Q42 – витрата нагрітої води; n4, n5 – кількість ниток подавального і зворотного водогонів; Z1, Z2 – позначки поверхні землі; Zцнс – позначка поверхні землі біля циркуляційної насосної станції; - коефіцієнт корисної дії циркуляційної насосної станції; r1, r2 – коефіціенти резерву насосів; fцнс1, fцнс2 – питомі вартості циркуляційних насосних станцій; fгр1, fгр2 – питомі вартості градирень; Т1, Т2 – кількість робочих діб у році; t1, t2 – кількість годин роботи на добу; г – коефіціент нерівномірності використання електроенергії; Р – витрата води на підживлення

системи оборотного водопостачання (у відносній частці від Qоб); у – тариф на елетроенергію; ув – тариф на воду; а, b, б – коефіцієнти та показник степені у формулі вартості водогону; k, m, в – коефіцієнт та показники степені у формулі втрат напору; р1, р2, р3 - норма відрахувань на амортизацію і поточний ремонт відповідно сталевих труб, насосних станцій, градирень.

Всі інші умовні позначення наведені на рис. 1.

Аналогічні цільові функції були побудовані для зонованої З2 і локальної З3 систем оборотного водопостачання. Для порівняльного аналізу ефективності систем за відстанню L рівняння для З було представлено у вигляді . Для знаходження коефіцієнта було взято частинну похідну , а вільний член знайдено при L= 0 . Аналогічні рівняння були побудовані для і .

Порівняльний аналіз за витратою води розрахункового споживача виконуємо за формулами:

;

; .

Сумісне рішення цих рівнянь дозволило визначити економічно доцільне значення витрати води розрахункового споживача для кожного типу системи.

У четвертому розділі виконано порівняльний аналіз ефективності систем за економічним показником - чистим дисконтованим доходом (ЧДД). Він обчислюється за такою формулою:

, (2)

де - роки реалізації проекту, включаючи етапи будівництва ();

- чистий потік платежів за рік ; - ставка дисконтування.

З формули (2): , (3)

де - річні експлуатаційні затрати для року відповідно для базисного і плануємого варіанту системи; - річні капітальні вкладення для року; - економічний ефект року; - період у роках віддачі та інвестицій.

Порівняльний аналіз ефективності систем оборотного водопостачання за перепадом геодезичних позначок на прикладі побудови цільової фукції ЧДД для зонованої системи виконаємо з урахуванням експлуатаційних затрат і капітальних вкладень :

(4)

(5)

Складові функції ЧДД запишемо у лінійній формі: ; . Коефіцієнти і визначаються з частинних похідних:

. Вільні члени і визначаються при :

і . Подальші розрахунки виконані для умов ВАТ “Полтавський алмазний завод” і продисконтовані для періоду 6,25 років. Обчислено , у залежності від і визначені області економічно вигідних систем оборотного водопостачання. Результати розрахунків для Днаведені на рис. 2.

Порівняльний аналіз ефективності системи оборотного водопостачання за відстанню L, перепадом напорів Д, витратою води розрахункового споживача дозволяють визначити області економічно вигідних систем. Результати розрахунків для і Д наведені на рис. 3, 4.

В п’ятому розділі виконані дослідження з удосконалення охолоджувачів води та розроблена методика порівняльного аналізу ефективності та вибору типу системи оборотного водопостачання.

Конструкція градирні (рис. 5), що має безкраплинний водорозподілювач і двохсторонній плівковий зрошувач дозволяє забезпечити інтенсивне охолодження води і зменшити краплинній виніс.

Перевірка працездатності градирні проведена на виробничій установці з площею зрошувача F=1 м2. Питоме гідравлічне навантаження складало ·м2. Оцінка величини краплинного виносу виконана за допомогою

трассера – сульфата заліза за формулою:

, м3/год ,

де , - початкова і кінцева концентрація трассера в оборотній воді, мг/л;

- час роботи градирні, год; - маса трассера, кг.

Краплинний виніс у % визначено за формулою: , % ,

де - витрата охолоджуючої води, м3/год.

Величина краплинного виносу становить %, що у 10…20 разів менше, ніж у вимогах СНиП.

Алгоритм методики порівняльного аналізу ефективності і вибору типу охолоджуючої системи оборотного водопостачання представлено на рис. 6.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Для порівняльного аналізу ефективності науково обгрунтовано застосування трьох типів охолоджуючих систем оборотного водопостачання: централізованої, зонованої, локальної та чотирьох технічних показників: відстані L від циркуляційної насосної станції до споживачів; перепаду ДZ геодезичних позначок між циркуляційною насосною станцією і споживачами; перепаду ДH напорів між споживачами; витрати Q охолоджуючої води споживачів шляхом побудови відповідних цільових функцій.

2. Встановлено, що результати порівняльного аналізу ефективності систем оборотного водопостачання суттєво залежать від вибраного економічного показника, а тому приведені затрати З при Ен = 0,16 можуть бути використані тільки для наближених розрахунків. В умовах ринкової економіки перевагу слід надати чистому дисконтованому доходу ЧДД, який враховує не тільки затрати, а й прибуток у разі застосування економічно більш доцільної системи.

3. Доведено, що цільова функція – чистий дисконтований доход ЧДД є аддітивною функцією багатьох змінних та існує лінійна залежність .Порівняльний аналіз ефективності та обчислення за ЧДД меж застосування трьох типів охолоджуючих систем оборотного водопостачання: централізованої, зонованої, локальної за оптимальними значеннями технічних показників потрібно виконувати шляхом попарного порівняльного аналізу ефективності вказаних типів систем.

4. Доведено, що цільова функція – приведені затрати З також є аддітивною функцією багатьох змінних та існує лінійна залежність , яка дає можливість обчислити наближені межі застосування трьох типів охолоджуючих систем оборотного водопостачання за технічними показниками .

5. Визначено, що капітальні вкладення у будівництво вентиляторних градирень Кгр. лінійно зростають з ростом витрати Q охолоджуючої води. Капітальні вкладення у будівництво циркуляційних насосних станцій Кцнс нелінійно зростають з ростом потужності N робочих насосів, а питомі

капітальні вкладення зменшуються із збільшенням потужності N

робочих насосів.

6. Запатентована конструкція, побудована виробнича установка, виконані дослідження і оцінена величина краплинного виносу з безкраплинної вентиляторної градирні ГБВ-1,0. Встановлено, що використання запропонованої конструкції градирні у охолоджуючих системах оборотного водопостачання дозволяє зменшити у 10 разів краплинний виніс і довести його до 0,005% від витрати охолоджуючої води. Упровадження у виробництво одної виробничої установки ГБВ-1,0 у ВАТ “Полтавський алмазний завод” дає економічний ефект 9,5 тис. грн.

7. Розроблена методика порівняльного аналізу ефективності і вибору типу охолоджуючої системи оборотного водопостачання за чотирма технічними показниками та за економічним показником – ЧДД, яка включає побудову схем трьох типів охолоджуючих систем оборотного водопостачання, визначення споживачів води і напрямків для розрахунку, порівняння й вибір типу системи. Відповідні розрахунки у ВАТ “Полтавський алмазний завод” показали, що застосування локальної системи оборотного водопостачання для цеху № 3 дає річний економічний ефект 59,0 тис.грн.

СПОСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

водопостачання згідно з перепадом напорів // Науковий вісник будівництва.- Харків, ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2001. – Вип. 15. – С. 282-286.

11.

12.

АНОТАЦІЯ

Калюжний А.П. Порівняльний аналіз ефективності систем оборотного водопостачання промислових підприємств. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 – Водопостачання, каналізація. Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2002.

Виконано порівняльний аналіз ефективності охолоджуючих систем оборотного водопостачання шляхом побудови цільових функцій. При виконанні порівняльного аналізу перевагу слід надати чистому дисконтованому доходу ЧДД, який враховує не тільки затрати, а й прибуток у разі застосування економічно більш доцільної охолоджуючої системи оборотного водопостачання. Доведено, що оптимальні значення технічних показників визначаються у результаті попарного порівняння ефективності за ЧДД трьох типів систем. Запатентована конструкція, побудована виробнича установка і оцінена величина краплинного виносу з безкраплинної вентиляторної градирні ГБВ-1,0. Розроблена методика порівняльного аналізу ефективності і вибору типу охолоджуючої системи оборотного водопостачання, яка включає побудову схем трьох типів систем, визначення споживачів води і напрямків для розрахунку, порівняльний аналіз за ЧДД і вибір типу охолоджуючої системи оборотного водопостачання.

Ключові слова: оборотне водопостачання, зонування, локалізація, ефективність, приведені затрати, чистий дисконтований доход, вентиляторна градирня.

АННОТАЦИЯ

Калюжный А.П. Сопоставительный анализ эффективности систем оборотного водоснабжения промышленных предприятий. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 – Водоснабжение, канализация. Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2002.

В диссертации выполнен детальный анализ научных источников и показано, что вопросы технико-экономического обоснования применения зонных и локальных охлаждающих систем оборотного водоснабжения должным образом не исследовались. Предложена дополнительная терминология, в которой определено три типа охлаждающих систем: централизованная, зонированная, локальная и выделены фиксированный и расчетный потребители. Для выполнения сопоставительного анализа и оценки эффективности систем обосновано применение четырех основных технических показателей: расстояния от циркуляционной насосной станции до потребителей; перепада геодезических отметок поверхности земли у расчетного потребителя и насосной станции; перепада напоров между потребителями; расхода воды у расчетного потребителя.

Проанализированы недостатки экономического показателя - приведенных затрат и сделан вывод, что в условиях современного производства предпочтение следует отдать чистому дисконтированному доходу. Для сравнения результатов по этим двум экономическим показателям сопоставительный анализ эффективности охлаждающих систем оборотного водоснабжения выполнен сначала по приведенным затратам, а затем – по чистому дисконтированному доходу. Для этого построены целевые функции для приведенных затрат З и чистого дисконтированного дохода ЧДД, которые были представлены в линейной форме для трех технических показателей.

Доказано, что приведенные затраты З при ЕН = 0,16 могут быть использованы только для приближенных расчетов. Для получения несмещенной оценки следует использовать чистый дисконтированный доход ЧДД при норме дисконта d = 0,08.

Разработана методика сопоставительного анализа эффективности и выбора типа системы оборотного водоснабжения по четырем техническим показателям и по экономическому показателю – чистому дисконтированному доходу. Методика включает построение схем трех типов систем, определение потребителей воды и направлений для расчетов, сравнение и выбор типа системы. Соответствующие расчеты в ОАО “Полтавский алмазный завод” доказали экономическую целесообразность устройства локальной системы оборотного водоснабжения для цеха № 3.

Запатентована конструкция, построена производственная установка и оценена величина капельного уноса из безкапельной вентиляторной градирни ГБВ-1,0, который в 10 раз меньше, чем у существующих конструкций.

Ключевые слова: оборотное водоснабжение, зонирование, локализация, эффективность, чистый дисконтированный доход, приведенные затраты, вентиляторная градирня.

RESUME

Kalyuzhnyi A.P. Comparative analysis of the effectiveness circulating water-supply systems in the industrial enterprises. – Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidat engineering science by a speciality 05.23.04 – Water supply and sewerage systems. Kyiv national university of building and architecture.

There was fulfilled the comparative analysis of the effectiveness circulating water-supply systems by means of the formation purposeful functions. It was proved that the comparative analysis of the effectiveness it ought to fulfil simultaneously by technical and economical indexes. It is necessary to give the advantage to net present value NPV under fulfilement of the comparative analysis because net present value take into consideration the expences and the profits also if it was chose the circulating water-sypply system more economical profitable.

It was patented the more advanced construction of the ventilating water-cooling installation GBV-1,0; builded the industrial installation and determined the quantity of the entrained water. There is developed a metodic of the comparative analysis of the effectiveness and choice of a type circulating water-supply system. The metodic include a formation of three schemes circulating water-supply system, the comparative analysis by NPV and choise of a type circulating water-supply system.

Key-words: circulating water supply, zoning, localization, effectiveness, reduced expenses, net present value, ventilating water-cooling installation.