НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

ШТЕПА Володимир Миколайович

УДК 628.16.087+631.171:636.5

ЕНЕРГОЕФЕКТИВНІ РЕЖИМИ ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЧНОЇ ОЧИСТКИ СТІЧНИХ ВОД ПТАХІВНИЧОГО КОМПЛЕКСУ

05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, професор ЛИСЕНКО Віталій

Пилипович, Національний аграрний університет, професор

кафедри автоматизації сільськогосподарського виробництва

ім. академіка І. Мартиненка

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ФУРМАН Ілля Олександрович, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. П. Василенка, професор кафедри автоматизації і компютерних технологій

доктор технічних наук, професор ФЕДОРЕЙКО Валерій Степанович, Тернопільський національний педагогічний університет ім. В. Гнатюка, професор кафедри машинознавства та комп'ютерної інженерії

Захист відбудеться “ 11 ” березня 2008 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.07 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, Київ – 41, вул. Героїв Оборони, 15, навчальний корпус 3, аудиторія 65

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041, Київ – 41, вул. Героїв Оборони, 13, навчальний корпус 4, к. 28

Автореферат розісланий “ 07 ” лютого 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М.Т. Лут

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Згідно з даними “Національних доповідей про стан навколишнього середовища в Україні” Міністерства охорони навколишнього природного середовища, щорічно неочищеними скидаються у поверхневі водойми близько 3 млрд куб. метрів води. Тим часом частка агропромислового комплексу (АПК) у водоспоживанні поряд із електроенергетикою та житлово-комунальним сектором є однією з найвагоміших і становить близько 20%.

Потужними водоспоживачами в АПК є птахівничі комплекси – ними скидаються близько 50% отриманої води залежно від технології виробництва та регіону.

Стічні води промислових птахівничих комплексів за багатьма параметрами перевищують встановлені норми щодо скиду у водойми. Одні з найбільших відхилень зафіксовано стосовно завислих частинок (у 100-1000 разів), що пов’язано з технологією виробництва продукції птахівництва. До ефективних технологій очистки води від завислих частинок належать електротехнологічні методи. Процеси, що відбуваються у електротехнологічних установках залежно від вхідних показників стічних вод, у тому числі завислих частинок, конструктивних параметрів тощо, супроводжуються явищами перевитрат електроенергії та зменшенням ефекту очистки.

До ефективних та уніфікованих методів запобігання перевитрат електроенергії та підвищення якості очистки води слід віднести використання адаптивних систем керування (АСК), здатних підтримувати технологічні параметри такого процесу в енергоефективних межах за умови дотримання вимог щодо якості водоочистки.

Зв’язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Дисертаційна робота виконувалась у рамках науково-дослідних робіт Національного аграрного університету “Розробка енергоощадних систем автоматичного управління технологічними процесами та виробництвами на сільськогосподарських підприємствах промислового типу” (державний реєстр № 0103U006013) та “Математичне моделювання в агротехнологіях” (державний реєстр № 0101U000664).

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є підвищення енергоефективності процесу електротехнологічної очистки стічних вод птахівничих комплексів шляхом реалізації раціональних режимів процесу із використанням нейроінформаційних систем.

Для досягнення мети сформульовано такі завдання:

- обґрунтувати перспективні напрями підвищення енергоефективності роботи електротехнологічних установок очистки стічних вод птахівничого комплексу від завислих частинок;

- провести експериментальні дослідження щодо встановлення режимів очистки стічних вод птахівничого комплексу в електротехнологічних установках;

- провести теоретичні дослідження процесу електротехнологічної очистки стічних вод птахівничого комплексу та обгрунтувати енергоефективність режимів водоочисного електротехнологічного обладнання;

- розробити алгоритм створення нейроінформаційної системи керування електротехнологічною установкою очистки стічних вод птахівничого комплексу;

- провести імітаційне моделювання режимів роботи електротехнологічної установки очистки стічних вод птахівничого комплексу;

- реалізувати апаратно-програмну нейроінформаційну систему керування електротехнологічною установкою очистки стічних вод птахівничого комплексу;

- провести перевірку електротехнологічної установки очистки стічних вод птахівничого комплексу із нейроінформаційною системою керування у виробничих умовах;

- визначити еколого-економічний ефект використання електротехнологічної установки очистки стічних вод птахівничого комплексу із нейроінформаційною системою керування.

Об’єкт дослідження: процеси електроочистки стічних вод птахівничого комплексу та електротехнологічна водоочисна установка.

Предмет дослідження: закономірності процесів в електротехнологічних установках очистки води, вплив режимних параметрів на енергоефективність і якість очистки стічних вод птахівничого комплексу.

Методи дослідження ґрунтуються на основних положеннях теорії автоматичного керування, тепломасообміну, математичного моделювання, планування багатофакторних експериментів, теорії нечітких нейронних мереж і статистичної обробки даних з використанням комп’ютерних технологій.

Наукова новизна одержаних результатів:

- теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено доцільність застосування для очистки стічних вод птахівничого комплексу електротехнологічних установок із використанням нейроінформаційних технологій, що дає можливість порівняно з роботою електрокоагулятора без системи керування покращити якість очистки приблизно на 50%, енергоефективність – майже на 60%;

- експериментально виявлено і кількісно оцінено вплив конструктивних і режимних параметрів на якість очистки та енергоефективність роботи електротехнологічних водоочисних установок у птахівничому комплексі;

- отримано регресійні моделі залежності якості та енергозатратності електротехнологічної очистки стічних вод птахівничого комплексу від густини анодного струму, водневого показника, лінійної швидкості потоку у міжелектродному просторі та вхідної концентрації завислих частинок, з їх використанням встановлено діапазон зміни показників енергоефективності електроочистки – 13-42%;

- розроблено з врахуванням конструктивних та режимних параметрів вдосконалену математичну модель процесів електрообробки стічних вод птахівничого комплексу в проточній електротехнологічній установці, виявлено нелінійність зміни її параметрів внаслідок впливу технологічних факторів;

- обгрунтовано із використанням створених моделей (статичної, динамічної, нейроінформаційної) енергоефективні режими функціонування електротехнологічних установок очистки стічних вод птахівничого комплексу від завислих частинок.

Практичне значення одержаних результатів. Обгрунтовано технологічні і конструктивні параметри електротехнологічної установки очистки стічних вод птахівничого комплексу від завислих частинок, що реалізовано в експериментальному зразку комплексу обладнання, яке пройшло виробничу перевірку та впровадження на промислових об’єктах ВАТ “Володимир-Волинська птахофабрика” та ПП “Кий Промінвест Груп”.

Запропоновано вдосконалену структуру системи управління робочими режимами електротехнологічної очистки стічних вод птахівничого комплексу від завислих частинок. Розроблено і реалізовано алгоритм управління процесом з використанням систем нечіткої логіки та нейронних мереж.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто проведено аналіз існуючих електротехнологічних методів і засобів очистки води із застосуванням електротехнологічних установок; експериментально досліджено вплив технологічних факторів на режими роботи електротехнологічної установки очистки стічних вод птахівничого комплексу; створено та досліджено відповідні статичні моделі очистки стічних вод птахівничого комплексу; розроблено динамічну модель роботи електротехнологічних установок очистки стічних вод птахівничого комплексу та досліджено на її основі впливи збурюючих факторів; із застосуванням нечітких нейронних мереж досліджено відповідні статичні моделі процесу очистки стічних вод птахівничого комплексу; розроблено алгоритм створення енергоефективної поновлювальної бази знань; синтезовано та шляхом імітаційного моделювання перевірено якість функціонування АСК електротехнологічних водоочисних установок; запропоновано та перевірено у виробничих умовах ресурсозберігаючу схему водозабезпечення птахівничого комплексу із нейроінформаційною АСК електротехнологічними установками водоочистки.

Автор висловлює щиру подяку за надання науково-методичних консультацій під час написання дисертаційної роботи д.т.н., с.н.с. М.І. Донченко, к.т.н., доц. Ф.І. Гончарову, к.т.н., с.н.с. О.Г. Срібній.

Апробація результатів дослідження. Основні положення і результати дисертаційної роботи висвітлено і схвалено на Всеукраїнській науково-практичній конференції “Екологічні проблеми регіонів України” (Одеський державний екологічний університет, м. Одеса, 2004 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції “Екологія. Людина. Суспільство” (Національний технічний університет “КПІ”, м. Київ, 2005, 2006 рр.), на Міжнародній науково-практичній конференції “Екотрафологія. Сучасні проблеми” (Білоцерківський державний аграрний університет, м. Біла Церква, 2005 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції “Підтоплення” (НПЦ “Екологія. Наука. Техніка”, смт Лазурне, Херсонська обл., 2005 р.), на науково-практичних конференціях професорсько-викладацького складу Національного аграрного університету (м. Київ, 2006, 2007 рр.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми енергозберігаючих технологій в АПК” (Національний аграрний університет, м. Київ, 2006 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (ННЦ “ІМЕСГ”, смт Глеваха, Київська обл., 2006 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Перспективи розвитку агропромислового комплексу в поліському регіоні” (Ніжинський агротехнічний інститут НАУ, м. Ніжин, 2007 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми екології” (Житомирський державний технологічний університет, м. Житомир, 2007 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційна техніка та електромеханіка” (Східноукраїнський національний університет ім. В.І. Даля, м. Луганськ, 2007 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Інтелектуальний аналіз інформації” (Національний технічний університет “КПІ”, м. Київ, 2007 р.), на науково-практичному семінарі пам’яті академіка І.І. Мартиненка “Проблема автоматизації сільськогосподарських об’єктів” (Національний аграрний університет, м. Київ, 2007 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції “Екологічні проблеми сільськогосподарського виробництва” (Інститут агроекології та біотехнологій УААН, м. Київ, 2007 р.), на розширеному засіданні наукового семінару кафедри автоматизації та комп'ютерно-iнтегрованих технологій Національного університету харчових технологій (Національний університет харчових технологій, м. Київ, 2007 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції “Еколого-правові та економічні аспекти техногенної безпеки регіонів” (Харківський національний автомобільно-дорожній університет, м. Харків, 2007 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції “Новітня енергетика та електротехнології” (Національний аграрний університет, м. Київ, 2007 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 17 праць (із них: 7 – у фахових виданнях, 6 – одноосібно).

Структура і обсяг роботи. Дисертаційну роботу викладено на 239 сторінках комп’ютерного тексту, у тому числі основного тексту – 172 сторінки. Дисертація складається зі вступу, 5-ти розділів, висновків та додатків, містить 37 таблиць, 89 рисунків. Список використаних літературних джерел включає 150 найменувань, із них 31 іноземною мовою.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі визначено актуальність проблеми, мета і завдання дослідження, обєкт та предмет дослідження, наукову новизну, практичне значення та відображено дані про апробацію результатів дисертаційної роботи.

У першому розділі “Аналіз енергозатратності та якості електротехнологічної очистки стічних вод птахівничих комплексів” проаналізовано: водоспоживання та якість стічних вод птахівничих комплексів, сучасні електротехнологічні методи і засоби очистки води, передумови підвищення енергоефективності та якості функціонування електротехнологічних установок шляхом їх автоматизації.

урахуванням функціональних особливостей сучасних водоочисних методів та засобів, технології виробництва продукції птахівництва, складу і об’єму стічних вод птахівничих комплексів запропоновано для видалення завислих частинок використовувати електротехнологічні коагуляційні установки.

Питанням ефективності та перспективності цього напряму присвячені дослідження Акімова Г.А., Батракова В.П., Колотиркіна Я.М., Донченко М.І., Кульського Л.А., Рогова В.М., Філіпчука В.Л., Д. Штерна, Й. Окомото, Б. Еделана, С. Пражека, А. Франка та ін. У їхніх працях встановлено, що вплив на енергоефективність процесу мають такі фактори, як густина струму на електродах, швидкість руху води, її температура, водневий показник (рН) води, склад води, тиск у міжелектродному просторі та низка інших.

Проведеним аналізом встановлено: до найбільш ймовірних енергоперевитратних впливів на птахівничому комплексі можна віднести перевищення за вмістом завислих і органічних частинок. Тому підвищення енергоефективності роботи електротехнологічних коагуляційних установок очистки стічних вод птахівничого комплексу доцільно реалізувати створенням АСК режимами функціонування таких установок. Ефективність та перспективність цього напряму підтверджена дослідженнями Назаряна М.М., Гончарова Ф.І., Кульського Л.А., Кульського А.Л., Мануйлова М.Б., Єфімова В.Т., Гороновского І.Т., Ф. Шинси, У. Рей, Чаусова М.Г., Левчука А.П., Смирнова Д.Н. та ін.

Передумовами для синтезу АСК електротехнологічною коагуляційною установкою є: енерговитратність процесу, відпрацьованість технології, нерозривність технологічної лінії, неперервність процесу. Однак у випадку очистки стічних вод птахівничих комплексів складність автоматизації електрокоагуляції полягає у нелінійності, нестаціонарності об’єкта та випадковості дії збурення, що зумовлено сезонними коливаннями характеру виробництва та можливістю нештатних виробничих ситуацій. Вплив сезонності на якісні показники складу стічних вод виражаються у зміні їх значень (дані для ЗАТ “Комплекс Агромарс”: завислі речовини – 500 мг/л за півроку, сухий залишок – 150 мг/л за півроку). Також відбуваються істотні коливання витрат стічних вод (у забійному цеху ВАТ “Володимир-Волинська птахофабрика” – 5-10%), пов’язані із завантаженістю технологічної лінії, надзвичайними ситуаціями тощо. На цьому базується потреба у використанні АСК, яка прилаштовується до нових умов роботи і розраховує (визначає) енергоефективні та екологобезпечні значення керуючих впливів в умовах невизначеності. До таких систем належать системи керування, синтезовані на основі апарату нечітких множин та нейронних мереж.

На основі проведеного аналізу обгрунтовано, що використання автоматичної системи керування технологічними процесами – один із основних напрямів підвищення енергоефективності функціонування електротехнологічних установок очистки стічних вод птахівничого комплексу.

У другому розділі “Експериментальні дослідження режимів електрообробки водогінної води та стічних вод птахівничого комплексу у електротехнологічній установці” наведено результати розробки програмно-методичного забезпечення, встановлено конструктив експериментальної установки, представлено результати експериментальних досліджень режимів роботи електротехнологічних установок водоочистки за умов використання модельного розчину стічних вод птахівничого комплексу без дисперсних домішок (завислих частинок) та модельного розчину з ними.

Враховуючи, що розчинення електрокоагуляційним шляхом 1 граму заліза еквівалентно введенням у воду для очистки 2,904 грамів FeCl3 і Fe2 (SO4)3 та його меншу вартість порівняно із алюмінієм, як матеріал електродів використано сталь.

Вимірювання виконували потенціостатом ПІ-50-1-1 та самописцем ПДА-1. Анодні потенціодинамічні поляризаційні криві одержували за умов швидкості розгортання потенціалу 2 мВ/с; проводили також гальваностатичні вимірювання потенціалів при анодних густинах струму 0,1–2 А/дм2.

Потенціали анода встановлювали порівнянням відносно насиченого хлор-срібного електрода. За допомогою вольтметра М–253 вимірювали різницю потенціалів між катодом та анодом. Водневий показник (рН) розчинів визначали іонометром ЕВ - 74.

Дослідження проводили у лабораторному проточному бездіафрагменному електролізері прямокутної форми (матеріал – оргскло, внутрішні розміри – 230 мм х 37 мм х 47 мм) з робочою ємністю 100 мл (рис. 1). Загальна довжина шляху, який протікала вода у двох камерах, становила 460 мм.

Рис.1. Зовнішній вигляд експериментальної установки.

В обидві камери завантажували по два електроди – катод і анод – зі сталі марки Ст.3. Робочі площі катодів і анодів були рівними між собою і становили 1,15 дм2. Відстань між електродами – 7-15 мм. Перед дослідом зразки стальних електродів зачищали наждачним полотном, знежирювали віденським вапном, протравлювали у 20%-ній соляній кислоті протягом 10 хвилин та промивали водогінною водою. Перед вмиканням струму зразки витримували у модельному розчині впродовж 5-10 хвилин, потім вимірювали величину стаціонарного потенціалу.

Результатами досліджень електрообробітку модельного розчину стічних вод птахівничого комплексу (рис. 2) встановлено, що величина напруги на електролізері при початковому показнику рН 6,7 зростає від 1,3 В до 10 В при збільшенні густини струму від 0,09А/дм2 до 0,8 А/дм2.

При густинах струму, менших за 0,5 А/дм2, величина напруги (U) є стабільною в часі, а при перевищенні цього значення густини струму напруга зростає в часі, що пояснюється утворенням на анодах і катодах пасивуючих плівок, які ускладнюють процес і підвищують загальний опір системи.

Анодні поляризаційні характеристики демонструють, що в непроточній воді швидкість розчинення сталі зростає до максимуму при зміщенні потенціалу у позитивну сторону. У точці максимуму густина анодного струму сягає 0,42 А/дм2, потім спостерігається зменшення струму, що свідчить про пасивацію сталі. Проте пасивний стан сталі не є стабільним, а струм повної пасивації має досить велике значення (густина струму – 0,15 А/дм2). При потенціалі 0,1 В відбувається локальне руйнування пасивної плівки й депасивація сталі, що відображується у різкому зростанні анодного струму. У проточній воді (лінійна швидкість протоку – 20,5 м/год) характер анодної кривої не змінюється, але спостерігається полегшення процесу пасивації, тобто зменшення максимального анодного струму пасивації та струму повної пасивації сталі до величин 0,3 А/дм2 та 0,08 А/дм2 відповідно.

Рис. 2. Динаміка осідання твердої фази після обробітку модельного розчину стічних вод птахівничого комплексу при різних режимах

(початкове рН 6,8, сила струму 0,65 А):

1 – швидкість протоку – 5 м/год, 2 – швидкість протоку – 6 м/год,

3 – швидкість протоку – 7 м/год,

4 – швидкість протоку – 5 м/год (добавлено 2 г глини).

Для імітації дисперсної домішки (завислих частинок) у модельний розчин додатково вводили суспензії (роздрібнена глина). При інтенсивніших умовах обробки розчину чітка межа між освітленим розчином і осадом з'являється вже через 2-3 хвилини.

У той же час вода, що не пройшла електрообробки та має добавки суспензій, залишалась каламутною і через кілька діб після відбору.

Таким чином, обгрунтовано перспективність застосування електротехнологічної коагуляції для очистки стічних вод птахівничого комплексу від завислих частинок.

У третьому розділі “Експериментальні та аналітичні дослідження режимів електротехнологічної очистки стічних вод птахівничого комплексу” наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень впливу технологічних факторів на енергозатратність, взаємозв’язок цих факторів у статичних і динамічних режимах та якість функціонування електротехнологічних установок очистки стічних вод птахівничих комплексів.

Враховуючи, що електрокоагуляційна очистка є складним процесом, для встановлення зв’язків між якістю очистки (Свих, г/л) та затраченою потужністю (Р, Вт) і факторами, що впливають на технологічний процес (густина анодного струму (і, А/дм2) – х1; рН вхідної води – х2; лінійна швидкість потоку у міжелектродному просторі (V, м/год) – х3; вхідна концентрація завислих частинок (Cвх, г/л) – х4), вибрали план дослідів Ha – Ко34 (Хартлі – Коно), що близький до D – оптимального.

Рівні варіювання факторів: 0,1 і 1,2; 3 pH 7; 2 V 6; 0,5 С 3.

На основі використання програмного середовища Statistica 6.0 були отримані рівняння регресії у вигляді поліномів другого порядку (для рівня ймовірності – 0,95, коефіцієнта множинної детермінації – 0,99, коефіцієнта множинної кореляції – 0,918, стандартному відхиленні оцінки – 1,675 мг/л):

Свих = 4,46 - 0,119і - 0,88рН + 0,186V + 0,913Cвх - 0,083і2 - 0,125ірН – 0,061іV+ +0,376iCвх – 0,057рН2 + 0,055рНV +

+ 0,727pHCвх + 0,173V2 + 0,827VCвх + 0,906Свх2 . (1)

Для потужності (для рівня ймовірності – 0,95, коефіцієнта множинної детермінації – 0,997, коефіцієнта множинної кореляції – 0,919, стандартному відхиленні оцінки – 0,586 Вт):

Р = -3,077 + 0,955і + 0,075рН + 0,162V + 0,152Cвх + 0,963і2 + 0,876ірН + +0,802іV + 0,723iCвх - 0,072рН2 + 0,273рНV +

+ 0,082pHCвх + 0,154V2 +0,201VCвх + 0,17Свх2 . (2)

Для спільного аналізу отриманих статичних моделей (1, 2) вирішували компромісну задачу (метод двомірних перерізів). За основну функцію було взято енергозатратність. Двомірні перерізи будували за умов енергоефективності двох інших вхідних факторів.

Вирішення компромісної задачі здійснювали накладанням двомірних перерізів один на одного за одинакових комбінацій факторів із використанням середовища Statistica 6.0. Таким чином, були отримані енергоефективні значення факторів для електрокоагуляційної очистки, затрачену потужність та якість очистки: і = 0,49 А/дм2; рН = 6,18; V = 3,93 м/год; Свх = 1,53 г/л; Р = 9,72 Вт; Свих = 310-2 г/л

У процесі дослідження впливу неконтрольованих факторів на статичні характеристики очистки був проведений ще один факторний експеримент. У модельному розчині концентрацію іонів SO4-2 збільшували на 50% (відсутні ефективні проточні промислові сприймаючі елементи), залишаючи всі вхідні параметри незмінними. При цьому якість очистки погіршилась на 12–15%, а затрати електроенергії зросли на 10–15%.

Відповідно, при вирішенні компромісної задачі були отримані відмінні від попередніх енергоефективні значення факторів для електрокоагуляційної очистки, затрачену потужність та якість очистки: і = 0,63 А/дм2; рН = 6,96; V = 3 м/год; Свх = 1,12 г/л; Р = 11,86 Вт; Свих = 3,7610-2 г/л

Оскільки процес очистки відбувається у проточному режимі та має місце вплив збурюючих технологічних факторів, то для подальших досліджень енергоефективності очистки стічних вод птахівничого комплексу було запропоновано вдосконалену динамічну модель електротехнологічної коагуляційної установки як об’єкта управління, що представлено системою диференційних рівнянь:

(3)

початкові умови: = 0; dC/d = 0; C = C0; dt/d = 0; t = t0 ,

де: Т2 – стала часу розігріву, с;

С – концентрація цільового компоненту у розчині, г/м3;

Свх – концентрація речовини на вході в електрокоагулятора, г/м3;

Vk – об’єм робочої зони електрокоагулятора, м3;

L – об’ємні витрати рідини, м3/с;

– густина рідини, кг/м3;

с – питома теплоємність рідини, Дж/ 0С;

t – температура рідини, 0С;

tз – температура зовнішнього середовища, 0С;

tвх – початкова температура рідини, 0С;

Н – тепловий ефект процесу (реакції електрокоагуляції), Дж/гс;

S – поверхня робочої зони апарата, м2;

К – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/м20С;

І – сила струму, А;

a0 -a3 – емпіричні коефіцієнти.

Для перевірки адекватності моделі реальному об’єкту (електротехнологічній коагуляційній установці) був проведений експеримент: варіювали силу струму, вхідну концентрацію завислих частинок та температуру води, реєстрували вихідну концентрацію завислих частинок. Експериментальні та теоретичні криві розгону збігаються за формою (S-подібні), похибка – 1,8% (рис. 3). Отже, аналітична модель – адекватна.

Рис.3. Дослідження динамічних характеристик електротехнологічної коагуляційної установки: 1 А та 1* А – відповідно, теоретичні та експериментальні дані (І = 0,75 А, Свх = 3 г/л, t = 25 0C); 2 А та 2* А – відповідно, теоретичні та експериментальні дані (І = 0,75 А, Свх = 1,75 г/л, t = 25 0C); 2 А та 2* А – відповідно, теоретичні та експериментальні дані (І = 0,75 А, Свх = 0,5 г/л, t = 25 0C).

На основі використання теоретичних кривих розгону електрокоагулятора стічних вод птахівничого комплексу та розв’язання (3) методом площин отримали передаточну функцію з відповідними коефіцієнтами вигляду:

, (4)

де: К – коефіціент передаточної функції;

Т3, Т2, Т1 – сталі часу;

р – оператор Лапласа.

Результати експериментальних та статистичних досліджень показали, що взаємозв’язки між вхідними та вихідними параметрами електрокоагуляційної очистки стічних вод птахівничого комплексу характеризуються високою нелінійністю. Тому доцільно дослідити залежність динамічних параметрів об’єкта (коефіцієнтів передаточної функції) від технологічних збурюючих факторів. За останні взято: вхідну концентрацію завислих частинок (Свх), силу струму (І), витрати стічних вод (Q).

З метою визначення залежності динамічних характеристик електротехнологічної установки від впливу збурюючих факторів проводили числовий експеримент із використанням створеної аналітичної моделі (3). За результатами досліджень, можна стверджувати, що динамічні властивості електрокоагулятора змінюються нелінійно (за винятком коефіцієнта Т3) під впливом витрат стічних вод птахівничого комплексу, сили струму, вхідної концентрації завислих частинок. Тобто, традиційний підхід до побудови системи керування вимагає додаткового створення підсистеми коригування коефіцієнтів передаточної функції об’єкта. Ситуація ускладнюється ще й тим, що у системі “стічні води птахівничого комплексу електрокоагулятор” відбувається постійна зміна гідродинамічних параметрів; розроблена обмежена кількість контрольно-вимірювальних приладів, здатних у потоці забезпечувати вимірювання кількісних показників якості води (рН-метри, витратоміри, датчики температури та концентрації завислих частинок); традиційна методика (метод Лур’є) для якісного аналізу складу води потребує від кількох годин до кількох діб (залежно від контрольованого параметру); усі вхідні фактори перебувають у взаємозв’язку.

Таким чином, найкращим варіантом, на нашу думку, є створення енергоефективної АСК електротехнологічною коагуляційною установкою із застосуванням апарату нечітких множин та нейронних мереж, що забезпечить відповідну енергоефективність та якість функціонування електрокоагулятора її самоналаштуванням у процесі водоочистки, навіть за відсутності повної вхідної інформації.

У четвертому розділі “Синтез енергоефективної адаптивної системи керування електротехнологічною очисткою стічних вод птахівничого комплексу на основі нечітких нейронних мереж та дослідження якості її функціонування” наведено матеріали щодо створення нейромережевої експертної системи (ЕС) електрокоагуляційної очистки стічних вод птахівничого комплексу на основі апарату нечітких нейронних мереж (ННМ).

При цьому застосовано графічний інтерфейс нечітких нейронних мереж, реалізований в пакеті прикладних програм ANFIS Editor (Fuzzy Logic Toolbox) системи MatLAB.

Налаштування параметрів ННМ на якість очистки та її енергозатратність здійснювали шляхом експертного ітераційного навчання системи на набори вхідних експериментальних даних, діапазони зміни яких відповідають умовам протікання технологічного процесу на виробництві: густина анодного струму (0,1-1,2 А/дм2), водневий показник стічних вод (3-7), лінійна швидкість потоку в міжелектродному просторі (2-6 м/год), вхідна концентрація завислих частинок (500-3000 мг/л).

Технологічні вимоги задовольнила мережа з архітектурою: 16 правил нечітких продукцій та, відповідно, 16 правил нейронів перехідного шару (середньоквадратична похибка самоналаштування “навчених” протягом 64-х етапів ітерацій мереж на вхідні перевірочні дані якості очистки становить 0,34339 мг/л, на перевірочні дані щодо потужності – 0,15468 Вт).

Для порівняння результатів моделювання на основі використання методів математичної статистики (2,3) та ННМ синхронно змінювали значення всіх вхідних параметрів та визначали за моделями значення концентрації завислих частинок та затраченої на очистку потужності.

Різниця становила щодо:

- вихідної концентрації завислих частинок – 12,71 мг/л (9,78%);

- потужності – 10,09 Вт (7,76%)

Для створення ефективної ННМ АСК, згідно з попередньо заданими технологічними вимогами, потрібно при синтезі ННМ ЕС у якості навчальної, контрольної та перевіряльної вибірок подати комбінації даних, вихідні параметри котрих відповідають цим вимогам. Тоді у процесі свого функціонування ННМ АСК, отримавши набір вхідних величин, генеруватиме керуючий вплив, що наближатиме технологічний процес до встановлених норм.

Для вирішення зазначеного синтезували відповідну ННМ ЕС, для якої з метою адекватного реагування АСК на нештатні ситуації діапазони зміни вхідних технологічних параметрів було взято ширшими від зареєстрованих на виробництві: густина анодного струму – 0,1-30 А/дм2; рН – 5,5-8,5; лінійна швидкість потоку – 2-7 м/год; вхідна концентрація завислих частинок – 1000-4000 мг/л.

Технологічною вимогою до якості роботи АСК електротехнологічною коагуляційною установкою була вихідна з електрокоагулятора концентрація завислих частинок, яка не повинна перевищувати 15 мг/л. При цьому АСК має мінімізувати кількість спожитої електроенергії.

Алгоритм отримання екологічно безпечних та енергоефективних вибірок із використанням ННМ ЕС такий:

- вхідна концентрація завислих частинок, рН, лінійна швидкість потоку у міжелектродному просторі задаються (повинні належати визначеному технологічному діапазонові);

- густина струму змінюється до встановлення значення вихідної концентрації завислих частинок 15 мг/л;

- отриманий набір даних входить в одну із вибірок (навчальну, контрольну або перевірочну) для створення екологічно безпечної енергоефективної АСК.

За критерій енергоефективності функціонування системи керування електротехнологічною коагуляційною установкою взято:

, (5)

де: EF – критерій енергоефективності, г/кВт

Свих – фактична вихідна концентрація завислих частинок, г/м3;

Сзад – задана концентрація завислих частинок, г/м3;

С – відхилення фактичного значення вихідної концентрації завислих

частинок від встановленого (нормативного) значення, г/м3;

Q – об’ємні витрати стічних вод, м3/год;

W – електроенергія, затрачена на електрокоагуляцію, кВтгод.

Завданням системи керування є максимальне наближення EF до нуля. Якщо:

- EF > 0 – не досягається якісна очистка;

- EF < 0 – є перевитрати електроенергії.

Крім рН, лінійної швидкості потоку у міжелектродному просторі та концентрації завислих частинок як вхідний параметр АСК використано і швидкість (напрям) зміни концентрації завислих частинок у стічних водах птахівничого комплексу. Останній параметр взято для підвищення якості керування.

Для перевірки функціонування електротехнологічної установки із адаптивною системою керування створили імітаційну модель у пакеті Simulink середовища MatLAB (рис. 4). Модель процесу очистки – це відповідне рівняння регресії (1), реалізоване в середовищі MatLAB у вигляді функціонального блоку.

Імітаційне моделювання дало можливість встановити такі кількісні показники ННМ АСК: швидкодія – 0,5-1 с (залежно від комбінації вхідних параметрів); перерегулювання – близько 2%; максимальне динамічне відхилення – близько 1,5 мг/л.

Рис. 4. Імітаційна модель роботи електротехнологічної коагуляційної установки із ННМ АСК у пакеті Simulink.

Апаратна реалізація АСК включає у себе: мікроконтролер (МК) ICP DAS ICPCON i-8447, ультразвуковий промисловий комплект вимірювання концентрації завислих частинок (Solortron Mobrey “MSM 400”), промисловий рН-трансміттер (Hanna Instruments “HI 8641”), промисловий стаціонарний комплект вимірювання витрат та швидкості потоку рідини – “Днепр 7”.

Для програмування МК використали засіб проектування ISaGRAF, що відповідає стандарту IEC 1131-3. Алгоритм роботи нечіткого програмного забезпечення АСК електрокоагулятором виконали функціональним блоком FBD/LD у ISaGRAF.

Використання вибраних апаратно-програмних засобів забезпечує гнучкість функціонування нейроінформаційної АСК шляхом поновлення у виробничих умовах енергоефективної бази знань електротехнологічної водоочистки.

У п’ятому розділі “Дослідження еколого-економічного ефекту використання електротехнологічних установок із нейроінформаційною АСК для очистки стічних вод птахівничого комплексу” наведено результати досліджень функціонування електротехнологічної установки із синтезованою нейроінформаційною АСК. За результатами виробничої перевірки, було запропоновано ресурсозберігаючу схему технологічного водозабезпечення птахівничого комплексу.

Теоретичні дослідження проводили на основі використання синтезованої ННМ ЕС. Динаміка якості електрокоагуляційної очистки стічних вод птахівничого комплексу вивчали шляхом одночасної зміни технологічних параметрів таким чином, щоб погіршити умови електрокоагуляції. Максимальна різниця між значеннями концентрації завислих частинок на виході забезпеченими електрокоагулятором із застосуванням енергоефективної АСК за результатами зміни трьох вхідних параметрів та іншими варіантами роботи електрокоагулятора становила: без використання АСК – 47,3 мг/л; регулювання за результатами зміни водневого показника – 32 мг/л; регулювання за результатами зміни водневого показника середовища та швидкості потоку у міжелектродному просторі – 12,3 мг/л; регулювання за результатами зміни водневого показника середовища та вхідної концентрації завислих частинок – 2,4 мг/л; робота електрокоагулятора із розробленою нейроінформаційною АСК забезпечила нормоване ГДК завислих частинок.

Виробниче випробування електротехнологічної установки із нейроінформаційною АСК провели у м’ясопереробному цеху компанії “Кий Промінвест Груп” (Київська обл., м. Переяслав-Хмельницький) у лютому 2007 року. Застосовували доочистку стічних вод з подальшим їх використанням у технологічному циклі (митті обладнання).

Перші два тижні (14 днів) електрокоагулятор працював у стаціонарному режимі (густина струму незмінна – 10 А/дм2). Наступні два тижні (14 днів) електрокоагуляційне обладнання було доповнено нейроінформаційною АСК.

Система керування підвищила енергоефективність процесу електрокоагуляції приблизно на 50% (рис. 5), ефект очистки – на 40%.

Враховуючи технологічні аспекти водоочистки та з метою підвищення енерго- та ресурсозбереження, електрокоагуляційну очистку стічних вод птахівничого комплексу доцільно розглядатити в комплексі з іншими водоочисними заходами.

Для забезпечення замкнутого циклу технологічного водопостачання птахівничого комплексу рекомендовано ресурсозберігаючу схему, до складу якої входять: механічна очистка; електрокоагуляційна інтенсифікація; вуглецевий шар підвищеної реакційної здатності (ВШПРЗ).

Рис. 5. Енергоефективність функціонування електротехнологічної коагуляційної установки: 1 – без АСК, 2 – із АСК.

У цьому випадку нейроінформаційна АСК електротехнологічною установкою у водоочисній схемі здійснюватиме:

- регулювання напряму подачі стічних вод залежно від потреб виробництва та їх якості (на скид, додаткові очисні споруди або на ВШПРЗ-фільтр);

- коригування їх якості шляхом установлення густини анодного струму на електродах електрокоагулятора.

Нейроінформаційну систему керування електротехнологічною водоочисною установкою та схему замкнутого технологічного водопостачання впроваджено на ВАТ “Володимир-Волинська птахофабрика” (Волинська обл., м. Володимир-Волинський).

ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що показники якості стічних вод птахівничих комплексів та об’єми цих вод коливаються у межах 5-20%, що призводить до непередбачуваних змін енергоефективності режимів електротехнологічної водоочистки в межах 10-40%, тому перспективним напрямом підвищення енергоефективності цих процесів є використання адаптивних систем керування.

2. Експериментально встановлено, що енергоефективність електротехнологічної очистки стічних вод птахівничого комплексу досягатиметься за умов стаціонарності вхідних параметрів для таких діапазонів: концентрація завислих частинок – 0,1-1,2 г/л, рН – 3-3,5, швидкість потоку води – 3-5 м/год, густина анодного струму – 0,5-1 А/дм2.

3. За результатами дослідження регресійних моделей електротехнологічної очистки стічних вод птахівничого комплексу, визначено, що при збільшенні густини анодного струму (0,1-1,2 А/дм2), рН (3-7) та лінійної швидкості потоку (2-6 м/год) якість очистки нелінійно покращується на 5-60%, а енергозатратність при цьому нелінійно зростає на 5-30%;

4. Дослідження математичної моделі електротехнологічної водоочисної установки виявили істотний нелінійний вплив збурюючих факторів (об’єм скиду, якість води, сила струму) на електротехнологічну очистку води, що свідчить про доцільність застосування нейроінформаційної системи керування для забезпечення енергоефективності режимів роботи електрокоагулятора у птахівничому комплексі.

5. Обґрунтовано та розроблено алгоритм застосування ННМ для встановлення енергоефективних режимів функціонування електротехнологічної коагуляційної установки на птахівничому комплексі, що дало можливість створити енергоефективну поновлювальну базу знань режимів функціонування такого обладнання (похибка не перевищує 1,6%).

6. Шляхом імітаційного моделювання встановлено, що якість роботи електротехнологічної водоочисної установки із нейроінформаційною системою керування характеризується такими показниками: швидкодія – 0,5-1 с, перерегулювання – близько 2 %, максимальне динамічне відхилення – близько 1,5% г/л, що відповідає технологічним вимогам “Правил охорони поверхневих вод від забруднення зворотними водами” (Затверджено Постановою Кабінету Міністрів України від 25 березня 1999 р. - № 465).

7. За результатами виробничих випробувань, встановлено, що апаратно-програмна реалізація нейроінформаційної АСК на базі мікроконтролера ICP DAS ICPCON i-8447, мови нечіткого програмування FCL у середовищі ISaGRAF підвищила енергоефективність використання електротехнологічної установки у водоочисних схемах птахівничого комплексу майже на 50%, покращила якість водоочистки порівняно із роботою електрокоагулятора без системи керування приблизно на 40% .

8. Показано, що термін окупності електротехнологічної коагуляційної установки очистки стічних вод птахівничого комплексу від завислих частинок із нейроінформаційною системою керування у розробленій схемі замкнутого технологічного водопостачання забійного цеху становить 5-6 місяців (залежно від поточного тарифу на електроенергію та воду), при цьому підвищується економія води питної якості (ГОСТ 2874-82) приблизно на 10% та покращуються екологічні характеристики птахівничого комплексу як регіонального об’єкта природокористування.

РЕКОМЕНДАЦІЇ ВИРОБНИЦТВУ

1. У випадку, якщо концентрація завислих частинок у стічних водах птахівничого комплексу становить 0,5-2,5 г/л, доцільно застосувати для очистки стічних вод електротехнологічну коагуляцію, оскільки:

- виключається необхідність утримання реагентного господарства: масовий вихід речовин, що використовуються для коагуляції, зменшується в 20-25 разів порівняно з реагентною коагуляцією;

- знижується вміст іонів кальцію і магнію на 15-20%, сульфатних іонів – на 8-12 %, хлоридних – на 3-15%;

- активність продуктів, що утворилися за рахунок електродних реакцій, вища, ніж отримана реагентним шляхом;

- високий бактерицидний ефект дії електричного струму знижує витрати реагентів для подальшого знезараження води.

2. При виборі електротехнологічної коагуляційної установки для птахівничого комплексу слід врахувати: регіональний екологічний стан, технологічні особливості виробництва продукції, об’єми водоспоживання, якість та об’єми стічних вод підприємства в цілому, якість та об’єми стічних вод кожної технологічної лінії, відповідність нормативним вимогам виробничих площ під водоочисне обладнання, напірні характеристики водорозподільної мережі підприємства. Зазначена інформація формується із врахуванням перспективного плану розвитку птахівничого комплексу.

3. Враховуючи коливання показників якості стічних вод птахівничого комплексу (у межах 5-20%) та можливість появи нештатних ситуацій, для забезпечення раціональних параметрів процесу водоочистки доцільно використати автоматичну нейроінформаційну систему керування електротехнологічним водоочисним обладнанням.

4. Для апаратної реалізації нейроінформаційної АСК електротехнологічною очисткою стічних вод птахівничого комплексу від завислих частинок рекомендується використати мікроконтролер із стандартом підтримки програмного забезпечення ІЕС 1131-7; сприймаючі елементи такої системи повинні бути з електричними виходами з класом точності – не гірше 1,5.

5. Налаштування параметрів функціонування нечіткої нейроінформаційної адаптивної системи керування проводиться за умов відсутності на підприємстві нештатних ситуацій, а саме: незапланованих збільшень об’ємів скидів стічних вод та підвищень концентрації нормованих речовин, поривів водорозподільної мережі, незапланованих викидів нетипових для стічних вод речовин.

6. Для підвищення екологічної безпеки та ресурсозбереження електрокоагуляційної очистки стічних вод птахівничого комплексу слід розробити шляхи застосування електрозгенерованого осаду. Рекомендується його використання для будівництва.

7. При створенні замкнутих циклів технологічного водопостачання птахівничих комплексів враховується рівномірність навантаження технологічних ліній, через які подаватиметься вода, та робочі характеристики локальної водорозподільної мережі даного підрозділу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦЇЇ

1. Лисенко В.П., Штепа В.М. Передумови створення автоматичної системи керування електролізними процесами очистки стічних вод промислових птахівничих комплексів з використанням нейроінформаційних технологій // Аграрна наука і освіта. – К.: НАУ. – 2006. – Т.7. - № 1-2. – С. 99-104. (Автору належить ідея застосування електрокоагуляції для агрегації завислих частинок та розробка структурної схеми автоматичної системи керування електротехнологічною коагуляційною установкою очистки стічних вод птахівничого комплексу).

2. Донченко М.І., Лисенко В.П., Штепа В.М. Електрохімічна поведінка електродів у водогінній воді та модельному розчині стічних вод птахівничого комплексу // Електрифікація та автоматизація сільського господарства. – К.: НАУ. – 2006. – № 2 (17) – С. 29-36. (Автором визначено режими роботи електротехнологічної коагуляційної установки стічних вод птахівничого комплексу, обгрунтовано конструктивні параметри експериментальної установки).

3. Лисенко В.П., Штепа В.М. Енергоефективність та якість функціонування нейроінформаційної автоматичної системи керування процесом електрокоагуляційної очистки стічних вод птахівничого копмплексу // Електрифікація та автоматизація сільського господарства. – К.: НАУ. – 2006. – № 2 (18) – С. 72-81. (Автором теоретично досліджено енергоефективність режимів роботи електротехнологічної коагуляційної установки стічних вод птахівничого комплексу із нейроінформаційною АСК, розраховано економічний ефект від використання системи керування, обгрунтовано ресурсозберігаючу схему технологічного водозабезпечення птахівничого комплексу).

4. Лисенко В.П., Штепа В.М. Порівняння моделей процесу електрохімічної очистки стічних вод птахівничого комплексу, отриманих методами математичної статистики та ANFIS // Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатизації. – Луганськ: МАІ. – 2007. – № 1 (14). – С. 37-40. (Автор експериментально формував базу знань для створення матстатистичних та ANFIS-моделей, здійснював їх синтез із використанням дисперсійно-регресійного аналізу та апарату нечітких нейронних мереж).

5. Лисенко В.П., Штепа В.М. Синтез енергоефективної адаптивної системи керування електрокоагуляційною очисткою стічних вод птахівничого комплексу на основі гібридних нейронних мереж // Аграрна наука і освіта. – К.: НАУ. – 2007. – Т.8. - № 1-2. – С. 77-83. (Автор розробив алгоритм синтезу енергоефективної ННМ АСК електрокоагулятором стічних вод птахівничого комплексу, реалізував його, створив