Объекты инжиниринга: технологические системы, законы их создания и развития

Итак, мы показали, что объектами инжиниринга являются технологические системы, от самых простых до самых сложных, на всех стадиях их жизненного цикла.

Согласно стандарту (см. [21.7] в прил. 7) технологическая система (ТС) представляет собой совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения, предметов производства и исполнителей для выполнения в регламентированных условиях производства заданных технологических процессов или операций. В этом же стандарте указывается, что следует различать четыре иерархических уровня ТС:

  • • технологические системы операций;
  • • технологические системы процессов;
  • • технологические системы производственных подразделений;
  • • технологические системы предприятий.

Часто в литературных источниках встречается выражение «техническая система», которое в употребляемом контексте всегда по значению совпадает с выражением «технологическая система», и поэтому можно считать их синонимами, хотя понятия «техника» и «технология» различны (см. табл. П1.2).

К предметам производства относятся материалы, заготовки, полуфабрикаты и изделия, находящиеся в соответствии с выполняемым процессом в состояниях хранения, транспортировки, формообразования, обработки, сборки, ремонта, контроля и испытаний, а к регламентированным условиям производства — регулярность поступления предметов производства, параметры электроснабжения, окружающей среды и др.

Как видно из этих определений, в [21.7] и во всех других государственных стандартах имеется в виду ТС, целью которой является выпуск промышленной продукции в виде изделий, главным образом машиностроительных. Тем не менее представляется вполне обоснованным распространить все основные принципы этих систем и на ТС любых отраслей народного хозяйства, в том числе и на электроэнергетику.

В электроэнергетике иерархическому уровню ТС предприятий соответствуют электрические станции, подстанции, ЛЭП, т.е. энергообъекты. Территориально рассредоточенные ТС энергообъектов, электрически связанные друг с другом, образуют ТС более высокого уровня — электрические сети, ЭЭС (определения см. в табл. П1.1). К ТС уровня Объединенной энергетической системы (ОЭС) и ЕЭС применяется определение большая [6, 38], чтобы подчеркнуть особенности развития и функционирования территориально рассредоточенной технологической системы (ТРТС) высокой размерности — межрегиональных, государственных и межгосударственных энергообъединений.

Создание и развитие ТС, как и любых других систем, подчиняются общим законам диалектики. Они изучаются общими методами системного анализа [46, 49] и в отношении их взаимодействия с человеком [64], а также с точек зрения конкретной отраслевой принадлежности [6] и творческого решения различных инновационных (изобретательских, рационализаторских) проблем [140]. Именно в последнем случае известный ученый Г.С. Альтшуллер [140] считает главным инструментом исследования ТС исторический поиск в отношении существующих систем за как можно более длительный срок (патентные и историко-технические материалы, отражающие развитие какой-то одной системы за 100—150 лет).

Г.С. Альтшуллер также называет одним из объективных законов развития ТС «закон согласования ритмов» технологических операций всех входящих в них подсистем и комплексов. Он состоит в том, что системы с несогласованной ритмикой вытесняются более совершенными системами с согласованной ритмикой.

Еще одним интересным обобщением, которое Г.С. Альтшуллер ввел для решения изобретательских задач, но которое полезно для общего понимания ТС в любой сфере деятельности, является понятие «веполь» (вещество — поле). Он показал, что любой результат, получаемый ТС, может быть представлен в самом общем виде как взаимодействие треугольника «вещество 1 (результат) — вещество 2 (обобщенные вещественные средства получения результата) — поле (обобщенные энергетические полевые средства получения результата, включая средства контроля технологического процесса)». Любой обобщенный веполь можно представить в виде более сложной схемы взаимодействия нескольких веществ и полей в соответствии с особенностями ТС. Утверждается, что чем совершеннее система, тем выше её степень «вепольности»: больше полей, меньше вещества.

Если применить данный подход к энергетическим ТС, то мы приходим к несколько иному веполю: «поле 1 (результат — электроэнергия и (или) теплота) — вещество (обобщенные вещественные средства получения результата — топливо, вода, агрегаты) — поле 2 (обобщенные энергетические полевые средства получения результата, включая средства контроля технологического процесса)».

Г.С. Альтшуллер сформулировал несколько законов при выполнении которых, по его мнению, ТС становится «жизнеспособной». Они, как указывалось выше, имеют форму, относящуюся к системам, результатом функционирования которых является вещество (чаще всего в виде изделий). Мы не будем переформулировать эти законы, предоставив такую возможность любознательным читателям. Помимо приведенного ранее закона согласования ритмов в число их входят следующие.

Закон полноты частей системы: необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является наличие и минимальная работоспособность основных частей системы.

Каждая техническая система должна включат в себя четыре основные части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления. Смысл закона заключается в том, что для синтеза технической системы необходимы наличие этих четырех частей и их минимальная пригодность к выполнению функций системы, ибо сама по себе работоспособная часть системы может оказаться неработоспособной в составе гой или иной технической системы.

Закон энергетической проводимости', необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является сквозной проход энергии по всем ее частям.

Любая техническая система является преобразователем энергии. Отсюда очевидная необходимость передачи энергии от двигателя через трансмиссию к рабочему органу. Передача энергии от одной части системы к другой может осуществляться вещественным (например, с помощью вала, шестерни, рычагов и др.), полевым (например через магнитное поле) и вещественно-полевым (например, потоком заряженных частиц) способами.

Закон увеличения степени идеальности системы: развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.

Идеальная техническая система — это система, масса, объем и площадь которой стремятся к нулю, хотя ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Иначе говоря, идеальная система — это состояние, когда система отсутствует, а функция ее сохраняется и выполняется. Несмотря на очевидность понятия «идеальная техническая система», существует определенный парадокс: реальные системы становятся все более крупноразмерными и тяжелыми. Увеличиваются размеры и масса самолетов, танкеров, автомобилей и др. Парадокс этот объясняется тем, что высвобожденные при совершенствовании системы резервы направляются на увеличение ее рабочих параметров — производительности, качества продукции.

Закон неравномерности развития частей системы', развитие частей системы идет неравномерно, причем чем сложнее система, тем оно неравномернее.

Неравномерность развития частей системы является причиной возникновения технических и физических (а также, добавим, организационных и финансово-экономических) противоречий и, следовательно, условий внедрения инновационных технологий (по высказыванию Г.С. Альгшуллера «изобретательских задач»).

Закон перехода в надсистему: исчерпав возможности развития, система включается в надсистему в качестве одной из частей; при этом дальнейшее развитие идет на уровне надсистемы. Это одна из формулировок общей теории систем.

Закон перехода с макроуровня на макроуровень: развитие рабочих органов (исполнительных) системы идет сначала на макроуровне, а затем на микроуровне.

По поводу этого закона Г.С Альтшуллер пишет:

«В большинстве современных технических систем рабочими органами являются «железки», например, винты самолета, колеса автомобиля, резцы токарного станка, ковш экскаватора и т. д. Возможно развитие таких рабочих органов в пределах макроуровня: «железки» остаются «железками», но становятся более совершенными. Однако неизбежно наступает момент, когда дальнейшее развитие на макроуровне оказывается невозможным. Система, сохраняя свою функцию, принципиально перестраивается: ее рабочий орган начинает действовать на микроуровне. Вместо «железок» работа осуществляется молекулами, атомами, ионами, электронами и т.д.

Переход с макро- на микроуровень — одна из главных (если не самая главная) тенденций развития современных технических систем. Поэтому при обучении решению изобретательских задач особое внимание приходится обращать на рассмотрение перехода «макро/микро» и физических эффектов, реализующих этот переход».

Закон увеличения степени «вепольности»: развитие технических систем идет в направлении увеличения степени «вепольности». Смысл этого закона заключается в том, что невепольные системы стремятся стать вепольными, а в вепольных системах развитие идет в направлении перехода от механических полей к электромагнитным, а также в направлении увеличения степени дисперсности веществ, числа связей между элементами и отзывчивости системы.

Специфика подхода Г.С. Альтшуллера к формулировке законов развития ТС обусловлена поставленной целью — попыткой дать научно обоснованный инструмент решения изобретательских задач. Иными словами, основными объектами исследования являются, во-первых, долгоживущие системы (с достаточно длительным жизненным циклом, на протяжении которого возникают возможности совершенствования системы), т.е. ремонтопригодные, восстанавливаемые, во-вторых, ТС конструкторского типа — изделия заводского изготовления или агрегаты, собираемые на месте установки из деталей и узлов заводского производства. Подразумевается, что совершенствование их путем внедрения изобретений (а по терминологии нашего времени, мероприятий по повышению энергоэффективности, инновационных достижений должно происходить главным образом на месте эксплуатации.

Хотя, безусловно, многие приведенные выше законы можно применить и к развитию абстрактной ТС, не привязанной к конкретным объектам, все же приходится признать, что системы с кратковременным жизненным циклам в виде законченных изделий, невосстанавливаемые (неремонтопригодные), а также ТС типа объектов капитального строительства или большие и сверхбольшие (гипермасштабные) ТС (например, единая газотранспортная система России, ЕЭС России, системы железнодорожного транспорта, системы связи) подчиняются иным определяющим закономерностям.

Прежде всего следует разделять области создания (конструирования, проектирования, строительства, ввода в эксплуатацию) и эксплуатации ТС, а также учитывать политические, социальные и финансово-экономические факторы.

При создании ТС (проектировании, строительстве) необходимо прежде всего правильно сформулированное целенолагание*, от которого решающим образом зависит облик системы. В качестве технических целей создания

‘Среди целей создания ТС самой очевидной является получение прибыли от выработанной продукции и (или) оказанных услуг. В то же время ТС может служить социальным и (или) политическим целям, не принося прибыли её собственнику. В качестве примеров можно привести многие муниципальные системы теплоснабжения, которые финансируются из бюджетов различных уровней, но играют огромную социальную роль во всех климатических зонах России.

электростанций можно назвать: выработку электроэнергии или электроэнергии и теплоты, или холода (в данном случае абстрактной энергии, энергии «вообще»). При проектировании электросетевых объектов ставятся цели: оказание услуг по транспортировке электроэнергии, технологическому присоединению электроустановок потребителей и электростанций. Они в большинстве практических задач могут быть объединены в одну цель — оказание комплексных услуг по технологическому присоединению и транспортировке электроэнергии.

В связи с особенностями целеполагания отметим всеобщий фундаментальный закон, который назовем законом максимальной технической эффективности достижения единственной цели ТС: при создании и эксплуатации ТС с максимальной технической эффективностью может быть достигнута только одна цель; у многоцелевой системы каждая цель достигается с меньшей технической эффективностью, чем если бы это происходило в специально созданной моноцелевой системе. В качестве примера рассмотрим цель ТС — производство электроэнергии. Эта цель, как известно, реализуется на конденсационных электростанциях (КЭС) и теплоэлектроцентралях (ТЭЦ). Моноцелевая система — КЭС всегда имеет лучший показатель эффективности (КПД) по производству электроэнергии, чем двухцелевая — ТЭЦ (у которой одна цель — производство электроэнергии, другая — производство теплоты). В то же время, если ставить цель добиться максимальной эффективности производства абстрактной энергии (электроэнергии, теплоты и холода), то наилучший показатель использования теплоты сгорания топлива (КИТ) будет у ТЭЦ. При этом, однако, следует помнить, что экономический эффект не всегда совпадает с техническим эффектом, так как здесь уже играют роль стоимостные показатели основных фондов, система цен и тарифов на электроэнергию и теплоту, стоимость обслуживания заёмных средств, а также прочие факторы.

На стадии создания системы хотя бы теоретически имеется возможность заложить в нее самый передовой «технический генофонд» (технические решения), который позволит ей пройти запрограммированный жизненный цикл без усовершенствований, просто восстанавливаясь по определенному разработчиком плану во время ремонтов (текущих, капитальных, ремонтов «по состоянию»). При этом не требуется развивать, совершенствовать ТС, так как это должно быть экономически нецелесообразно. Отсюда можно сформулировать закон оптимальной степени совершенства системы: ТС должна конструироваться, проектироваться так, чтобы в течение всего запланированного на стадии её создания жизненного цикла реконструкция, техническое перевооружение или внедрение различных мероприятий, направленных на совершенствование технологии выпускаемой продукции или параметров продукции системы, были экономически нецелесообразными и (или) технически нереализуемыми. Здесь речь идет о законченной ТС, т.е. такой, какой она виделась её создателям. Разумеется, в открытой системе допускается её развитие в тех объемах, которые были заложены при конструировании (проектировании).

Также к фундаментальным законам следует отнести закон обратной пропорциональной зависимости удельных показателей стоимости жизненного цикла от удельных показателей объемов выпускаемой продукции (оказываемых услуг) при одинаковых характеристиках ТС. Его можно сформулировать следующим образом: при одних и тех же удельных характеристиках выпускаемой продукции (включающих в себя параметры качества, а также параметры воздействия на окружающую среду) удельные технические и финансово-экономические показатели жизненного цикла ТС (капитальные затраты, затраты на материалы, орудия груда, его предметы и трудоемкость в отношении применения по назначению, технического обслуживания, ремонта) с большим удельным количеством выпускаемой продукции (производственной мощностью) всегда выше, чем аналогичные показатели у ТС с меньшим удельным количеством выпускаемой продукции (производственной мощностью). Выразим этот закон в математическом виде.

Обозначим вектор удельных характеристик выпускаемой продукции через D, а его составляющие — вектор качества продукции и вектор воздействий на окружающую среду соответственно через Q и Е, так что D = {Q, Е}. Обозначим также вектор удельных технических параметров ЖЦ системы через Т, вектор удельных финансово-экономических показателей через F, а их объединение — вектор стоимости ЖЦ через С, тогда С = {Т, F}. Пусть в состав вектора удельного количества выпускаемой продукции Р входят производственные мощности п отдельных агрегатов, при этом Р = {/?,,

Р2> тогДа

где А — вектор коэффициентов, определяемых на основании статистических исследований фактических и расчетных параметров ЖЦ различных ТС, включая стадии строительства и эксплуатации.

Например, удельная стоимость строительства малого генерирующего источника и стоимость его эксплуатации всегда выше, чем у генерирующего источника большой мощности, если у этих источников качество вырабатываемой электроэнергии, управляемость по активной мощности и модулю напряжения на выводах генератора, а также все удельные выбросы и сбросы вредных веществ в окружающую среду одинаковы.

Важным для инжиниринга и имеющим многочисленные практические последствия является закон невозможности создания одинаковых ТС: как бы высоки ни были уровни типизации технических решений, применяемого оборудования, материалов и систем управления, нельзя создать две абсолютно одинаковые по конструкции и режимным параметрам ТС, и чем сложнее ТС, тем больше будет различие в их устройстве и функционировании. Поэтому далее будем называть системы, реализованные по типовым проектам, условно одинаковыми. На уровне изделий, например, данный закон проявляется в допусках и посадках, на уровне энергоагрегатов — в индивидуальных характеристиках оборудования заводского изготовления, более или менее существенных особенностях установки оборудования, применяемых строительных материалах, монтаже трубопроводов, отображении информации и алгоритмах Автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) и пр.

Рассмотренный выше закон основан, в свою очередь, на законе постоянного изменения вновь создаваемых элементов ТС одного функционального назначения: как бы ни был высок уровень стандартизации и типизации характеристик, все детали, изделия, узлы, агрегаты, ТС более низких уровней иерархии, являющиеся элементами любой ТС, с течением времени постоянно изменяются производителями в отношении конструкции и материалов. Это связано со следующими факторами:

  • • с возможностями изменения конструкции и характеристик в пределах, допускаемых стандартами и типовой конструкторской и проектной документацией;
  • • с применением новых конструкционных и расходных материалов;
  • • с изменениями технологических процессов создания элементов, вызванными экономическими соображениями или накладываемыми внешними ограничениями (пересмотром природоохранного законодательства или законодательства в отношении опасного производственного объекта (ОПО) и пр.).

На стадии эксплуатации ТС существуют свои законы. К ним можно отнести закон неизбежной деградации системы при эксплуатации, который не нуждается в пояснении. Имеет место и закон несоответствия замысла создателя и желания эксплуатанта, по форме аналогичный хорошо известным законам Мерфи: какие бы ограничения на параметры режима и какой бы срок жизни ни были заложены в системе и указаны в технической документации, она всегда будет эксплуатироваться с превышением допустимых параметров и сверх заданного срока эксплуатации. Данный закон, конечно, не относится к отдельным изделиям. Он представляет собой разновидность парадокса «состязание заяц — черепаха» и объясняется следующим обстоятельством. Если спроектировать ТС на срок эксплуатации в течение N лет, то к концу этого срока многие ее элементы будут находиться в работоспособном состоянии и при наличии необходимости в выпуске продукции эксплуатант всегда будет следовать соблазну осуществить мероприятия по её восстановлению (реновации) с продлением срока на Av лет вместо того,

чтобы заменить систему на новую. После того, как пройдет A'v лет, опять

может последовать продление на Ад, лет и т.д.

Будучи искусственными, ТС подчиняются очевидному закону причинности технологических аварий и нарушений: причиной любой аварии или любого нарушения в работе ТС является человеческий фактор. Это могут быть:

  • • сознательно заложенное ограничение на внешние факторы (форсмажорные обстоятельства) при проектировании (конструировании) системы;
  • • ошибки при проектировании (конструировании);
  • • ошибки, допущенные при строительстве (изготовлении элементов) системы;
  • • ошибки (осознанные или неосознанные), допущенные на стадии эксплуатации при применении ТС по назначению, при техническом обслуживании, ремонтах, транспортировке, консервации, утилизации.

Существует также закон увеличения степени различия условно одинаковых ТС в течение жизненного цикла (при их «старении»), который следует из рассмотренного выше закона невозможности создания одинаковых ТС: как бы ни были близки друг к другу по конструкции и режимным параметрам условно одинаковые ТС на момент ввода в постоянную эксплуатацию, с увеличением длительности эксплуатации расхождения в их конструкции (устройстве) и поведении в одни и те же относительные[1] моменты времени постоянно увеличиваются. Таким образом, чем «старее» системы, тем расхождение больше. Данный закон является также следствием закона неизбежной деградации системы при эксплуатации и закона постоянного изменения вновь создаваемых элементов ТС одного функционального назначения.

Для больших ТРТС (БТРТС) дополнительно имеется ряд закономерностей создания и развития, вытекающих из их масштабов и социально-экономического значения. Очевидно, что эти ТРТС подчиняются закону инерционности развития: БТРТС не создается в законченном виде, не вводится в эксплуатацию и не выводится из эксплуатации в один фиксированный момент времени. Иными словами, всегда имеет место постепенное создание ТРТС — от некоего минимального уровня объединения объектов, элементов («ядер системы») путем добавления новых объектов, элементов происходит переход к уровню «насыщения», определяемому потребностями в продукции (услугах) системы.

При этом ТРТС, БТРТС «живут» до тех пор, пока не произойдет изменение базовой технологии выпуска продукции, оказания услуг или отпадет необходимость в продукции, услугах. Например, в настоящее время мы наблюдаем постепенное «отмирание» проводной телефонной и телеграфной связи вследствие качественного развития беспроводной связи. Что касается современных ЭЭС, которые являются проводными, то их исчезновение не прогнозируется даже в очень отдаленном будущем, так как они служат атрибутами электромагнитной формы энергии, альтернативы которой пока не существует.

  • [1] По отношению к моменту времени ввода в постоянную эксплуатацию.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >