Методическое пособие 761

навливать с нами тесные «дружеские» отношения.

2. Развитость коммуникационных и транспортных средств, особенно авиации (протяжѐнность и скорость передачи информации, перемещение человека, доставка средств поражений, эпидемий).

Мировое сообщество ещѐ не имеет эффективных средств оказывать давления не только на неблагоприятные для своего развития природные и экологические бедствия, но и на новые технологические открытия, на страны, представляющие угрозу для существования государства. Технологические достижения далеко не всегда способствуют прогрессу, они часто бывают опасными, вредят здоровью и экологии, а ещѐ обладают непредсказуемыми бедствиями. Указанные проблемы накладываются на биопсихическую природу человека. Всеми средствами отдельные группы, а то и кланы, стремятся всѐ полнее удовлетворить спектр развлечений и удовольствий и, через путешествия, вкусовых питаний, наркотиков, эротических развлечений, пренебрегая и в ущерб безопасности. Этим самым человечество оказалось втянутым в стремительно раскручивающуюся спираль производства для удовлетворения не насущных потребностей.

В настоящее время разработаны теоретические основы целого ряда направлений безопасности и риска, конкретизирующих определенный класс опасностей, таких как оборонная, экологическая, экономическая, информационная, техническая, безопасность личности. Однако на Человека как объект защиты может воздействовать целый спектр опасностей: конфликты (военные, национальные и другие, рассматриваемые в рамках оборонной безопасности), плохая экология (экологическая опасность), и экономические опасности (экономическая опасность), и вредная информация (информационная опасность), опасности катастроф и аварий (техническая опасность), криминогенные угрозы.

Системное изучение целенаправленной деятельности при достижении осознанных (заданных) или неосознанных (стихийных) целей связано с количественным анализом процессов преобразования объекта деятельности в соответствующее состояние с учетом складывающихся при этом взаимоотношений между людьми и геоприродных условий, в которых протекают эти процессы. Только совместный анализ отмеченной исчерпывающей совокупности взаимозависимых компонентов, рассматриваемых в соответствующих аспектах, позволяет адекватно отобразить изучаемый процесс.

Практическая целенаправленная деятельность может быть связана как с позитивом, определяемым достижением эффекта от целей деятельности, так и с негативом, определяемым возможными опасностями от этой деятельности.

Современные условия осуществления целенаправленной деятельности характеризуются сложностью отношений, ростом дефицита ресурсов, значительной нагрузкой на природу и в связи с этим интенсивным развитием соответствующих опасных факторов, что обусловливает необходимость учета не только полезного эффекта от деятельности, но и парирования опасностей, сопровождающих эту деятельность.

Известно, что в науке, если получена количественная мера, тогда это становится ясной наукой для всех, кто ей занимается. В настоящее время все говорят о безопасности, но в каждой отрасли техники, технологии есть, и своя формулировка и есть свой язык, и в итоге научные сотрудники, инженеры, технологи своих отраслей производства разговаривают на своѐм языке.

Всеобщая озабоченность сокращения пространства безопасности заставляет разработать понятие опасности или безопасности, придав ей функциональную направленность. Именно поэтому в современную лексику вошло определение системной безопасности, куда входят понятия безопасности: государственной, военной, социальной, экономической, сельскохозяйственной, экологической, научно-учебной, медико-фармацевтической, правовой и личной. Каждый аспект общей безопасности, во-первых, имеет в основе собственную функциональную модель, отражающую данную сторону функционирования системы, и, во-

21

вторых, выстроен по иерархическому принципу от планетарного масштаба до личного. Можно дать некоторые оценки веса глобальных составляющих безопасности в современном мире. Однако, несмотря на различную содержательность отдельных аспектов безопасности, их отличающуюся масштабность и разновидность объектов-носителей, оказывается возможным подойти к описанию проблемы с единых методологических позиций, на формализованном языке, путѐм привлечения теории вероятностей, теории систем, теории надѐжности и эффективности, оптимизации и моделирования.

Всѐ это позволит при анализе проблемы безопасности установить общие закономерности возникновения опасностей независимо от их функциональной принадлежности! И наметить пути, если не ликвидации их, то ограничения разрушительных последствий. Термин «безопасность» в словаре В. Даля расшифровывается как «отсутствие опасности, сохранность, надѐжность». Его внимательное осмысление позволяет распознать смысловой дуализм, являющийся отражением диалектической противоречивости определения.

Так, с одной стороны, безопасным называют явление и /или состояние, процесс функционирования системы, процесс какого-либо носителя опасности, которое не содержит угрозы, возможного вреда для его окружения. С другой стороны, свойство безопасности приписывают объекту, надѐжно защищѐнному от опасных для него воздействий. Следовательно, понятие безопасности имеет две стороны: внешнюю, определяющую воздействие объекта на среду и среды на сам объект, и внутреннюю сторону, характеризующую свойства сопротивляемости объекта по отношению к действиям среды и его надѐжности работы.

Внашем понимании: внешняя опасность – это способность системы взаимодействовать со средой без нарушения гомеостаза системы. Иначе, воздействие системы на среду и среды на систему не приводит к необратимым изменениям или нарушениям важных параметров, характеризующих систему и состояние среды, принятое за допустимое.

Внутренняя безопасность – это характеристика целостности системы или показателя еѐ гомеостаза, безопасность, описывает процесс нормального функционирования в условиях внешних воздействий и внутренних изменений еѐ параметров за принятые недопустимые. В определение безопасности мы закладываем смысл сохранения гомеостаза системы. Это даѐт возможность при попытке описать весь диапазон возможных состояний системы для чего требуется зафиксировать его границы: от безопасного процесса функционирования работоспособной системы до неработоспособной.

Из приведѐнных формулировок следует, что безопасность есть характеристика, выстроенная на взаимоотношениях системы и среды.

Среду в общем случае следует интерпретировать как систему, если в еѐ действиях просматривается целенаправленность воздействия на систему. Природе, действующей на систему, не следует приписывать злонамеренность в действиях. Еѐ действие рассматривается как случайность. Следует в безопасности среду оценивать как противника целенаправленного действия, или среда выступает как природное явление.

Впервом случае мы имеем дело с взаимодействием систем, а во втором – с источником случайных возмущений, и то и другое следует включать в разрабатываемые модели. Рассмотрим два этих варианта с позиций безопасности. Причиной нарушения внутренней безопасности будут возмущения в системе и внешнее воздействие случайных факторов окружающей среды.

Во втором варианте, когда среда выступает в роли целенаправленного противника, это вариант конфликта. Вообще говоря, угрозы таятся в самом факте существования системы как носителя целостности и порядка, которая при распаде по разным причинам может создать непредсказуемые последствия. Тем более они могут усугубляться при появлении надсистемы в виде двух взаимодействующих систем как более сложной структуры, что увеличивает вероятность нарушений в ней.

Отсюда следует, что однозначно установить влияние на безопасность факта агрегиро-

22

вания систем нельзя без специального исследования. Этот вывод заставляет привлекать к анализу безопасности взаимодействующих систем строгие математические методы. Можно отметить отсутствие в настоящее время теории взаимодействия динамических систем, общей терминологии в аспектах безопасности, как канонизированного математического языка, нет понятия обобщѐнных взаимодействий, подобной, например, модели Лотка-Вольтера как эталона для изучения отношений «хищник-жертва» или модели борьбы Ланкастера, или моделей надѐжности и эффективности. Но так как актуальность проблемы обеспечения безопасности человека, общества, государства со временем только возрастает, исследователи стремятся получить решение на вербальном уровне. Для этого в компактном виде составляют описание задачи (частной) и рассматривают альтернативные пути еѐ решения (сценарии).

Визуализируется ход и результаты решения с помощью аппаратуры и вычислительной техники в ситуационных центрах для лиц, принимающих решения. Отсутствие общего и строго математического понимания безопасности или опасности системы на количественном уровне для всех исследователей затрудняет высказать точные представления и рекомендации относительно организации взаимодействия систем с соблюдением требований безопасности, а затруднительно в силу субъективизма при оценке состояния процесса, многофакторности задачи, еѐ большой размерности и трудности предсказать развитие опасностей, даже если объект гарантирован в надѐжности функционирования. Примеров здесь предостаточно. Дело усугубляется, когда речь заходит о перерастании противоречий в антагонистические.

Так как конфликт представляет самую затратную с точки зрения потребляемых ресурсов форму взаимодействия, то безопасность можно определить как вероятность такого перерождения противоречий. Конфликт, как правило, перегружен субъективизмом оценок состояния решений, на него откладывают отпечаток эмоциональные и психологические особенности. Каждый конфликт уникален, и предсказать его развитие затруднительно. Полезно

вбезопасности и учесть устойчивость систем.

Вобщем случае устойчивость систем зависит не только от структуры системы и еѐ параметров, но и от величины и вида внешних воздействий. Отличие составляют лишь линейные системы. Важно отметить, что устойчивая система может иметь в своѐм составе и неустойчивые элементы. Действенность обратных связей так высока, что охват ими такого рода элементов в итоге снимает дестабилизирующие тенденции в системе. Дело лишь в правильной организации и формализованном описании системы в безопасном процессе еѐ функционирования. Отсюда следует: создавая систему, можно допустить существование в ней дестабилизирующих элементов или даже подсистем. Однако при этом необходимо обеспечить еѐ устойчивость.

Наиболее простой способ состоит в охвате локальных неустойчивостей отрицательными обратными связями – требуется – вычислять (измерять) реакцию этих элементов и подавать на вход сигналы в виде функций этих реакций и обратные им по знаку. Возвращаясь к безопасности, можно констатировать необходимость формирования показателя безопасности.

Общая методика введения количественных показателей состоит в том, что первоначально следует фиксировать граничные значения, а уже от него следует отсчитывать величину критерия – показателя безопасности. В этом и есть смысл оценки безопасности, позволяющей в процессе работы системы измерить уровень еѐ безопасности для принятия мер, исключающих дезинтеграцию системы. Эта проблема является фундаментальной для обеспечения безопасности, а меры по улучшению отдельных составляющих качества работы системы принадлежат к числу традиционных, хорошо изученных в научной практике.

Федеральный исследовательский центр «Информатика и управление РАН», г. Москва

N.A. Severtsev

23

THE METHODOLOGY OF SYSTEM SAFETY: KEY ASPECTS

The report presents the main aspects of system safety in conjunction with the development of modern technological society Key words: technological society, system safety, risk, conflict, sustainable development

Federal Research Center «Informatics and Management of the Russian Academy of Sciences», Moscow

УДК 621.039 621.435

В.И. Ступин1, Ю.Н. Шалимов2, В.А. Шамаев3, В.И. Кудряш4, Е.П. Евсеев5, С.А. Толстов6, Д.Л. Шалимов7, А.В. Руссу5

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ – ГЛАВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

СЗАВЕРШЕННЫМ ЦИКЛОМ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА

Вработе рассмотрены процессы утилизации отходов сельхозпроизводства и лесоперерабатывающей промышленности. Показано, что используя простые методы переработки отходов можно получить высококалорийное топливо, используемое для процессов газификации в генераторах обращенного типа. В этом случае реализуется более безопасная переработка, исключающая выброс в атмосферу избытка углекислого газа, диоксинов, оксидов серы. При организации полной переработки отходов создается система с завершенным циклом переработки отходов производства, при которой исключаются процессы захоронения отходов карьерного типа. Предложена система утилизации, которая позволяет одновременно осуществлять производство органоминеральных удобрений, перспективы использования в сельском хозяйстве которых намного эффективнее, так как ресурс их работы превосходит минеральные удобрения практически на порядок и их применение позволяет восстановить гумусный слой почв

Ключевые слова: природные ресурсы, энергосберегающие технологии, газогенерация, технологии с завершенным циклом переработки отходов, гумусный слой, система обратной связи, электрохимический преобразователь, альтернативная энергетика

Трудно представить себе, даже человеку с ограниченным чувством фантазии, любое современное производство, работающее без отходов. Малоэффективные импортированные технологии сжигания твердых бытовых отходов на мусороперерабатывающих заводах решить кардинально эту проблему не могут, поскольку зольные остатки необходимо захоранивать, а их состав отнюдь небезопасен по экологическим показателям. В конечном счете, и выбросы в атмосферу с этих предприятий содержат компоненты, ухудшающие экологию атмосферы. Непродуманность действий и решений отдельных государств не дает нам морального права проводить подобную экологическую политику. Ведь сохранение природных ресурсов – это не только проявление заботы о будущих поколениях человечества, но и развитие новых научных направлений в возобновляемой энергетике, восстановление плодородия почвы, разработка эффективных безреагентных технологий очистки сточных вод и воздуха [1]. В основу рационального взаимодействия человека и природы должно быть положено условие соблюдения баланса. По сути своей любые воздействия на природные условия должны быть компенсированы. Однако опыт практической деятельности предприятий любого профиля в Черноземном регионе за редким исключением практически полностью отрицает принципы рационального природопользования. Любая отдельно взятая территория может обеспечить реальную, но ограниченную нагрузку на свои природные ресурсы (почва, вода, воздух). Типичным примером такого «свободомыслия» в отношении к природопользованию является проект создания свинокомплекса производительностью 1 000 000 голов/год на территории Верхне-Хавского района. Общая площадь района, включая часть зоны Воронежского заповедника, всех пахотных земель и населенных пунктов, а также поймы рек Усманка и Хава составляет 1230 кв. км.

Проанализируем реальные потребности свинокомплекса в природных ресурсах. По технологии ускоренного производства свинины (импортированной из Европы) используется

24

водный смыв отходов жизнедеятельности животных. Средняя норма расхода воды на 1 голову составляет ~ 100 л/сут. С учетом времени достижения товарного веса животного до убойного веса (ок. 6 мес.) – общее число животных составляет 500 000 голов. Таким образом, ежедневная потребность воды комплексом составляет V- 50 000 куб. м/сут. Для справки это потребность города с населением в 100 000 чел. А вот ресурс рек Усманка и Хава наверняка без ущерба для природы не сможет обеспечить необходимого объема водозабора. Не менее важный вопрос – организация сброса использованной воды. По той же импортированной технологии сбрасываемая вода должна накапливаться в лагунах, где естественным образом должно произойти образование высококачественного удобрения. Однако опыт переработки отходов свиноферм лагунным способом в условиях средней полосы России просто неоправдан в отсутствии предварительной обработки стоков. Нетрудно представить занимаемые лагунами площади на комплексах, испаряющих сероводород и аммиак. Весьма «находчивые» организаторы производств внесли предложение «шпринцевать» почву под урожай будущего года. Это предложение вообще не нуждается, ни в каких комментариях. К чести представителей научной школы г. Белгорода этот метод был категорически запрещен в Белгородской области. На очереди наша Воронежская область. В Калачеевском районе Воронежской области была предпринята попытка использования лагун в качестве удобрений. Результат оказался малоубедительным – в накопителях, где было внесено удобрение, активно росли сорняки. Вывод неутешителен – микробиология в лагунах не работает. Конечно, столь пагубное отношение к природопользованию не должно стать примером для подражания. А решение видится в реализации на первом этапе хотя бы пилотных проектов, на основе которых осуществить поэтапную реализацию реальных разработок, способных расшить самые узкие участки технологий. И все-таки главным направлением исследований должны стать технологии с завершенным циклом переработки отходов производства [2].

Рис. 1. Операционно-технологическая схема производства тепловой и электрической энергии из отходов

(оригинальный)

В качестве примера такой технологии рассмотрим процесс генерации тепловой и электрической энергии из отходов деревообработки и очистных сооружений пищевых производств. На рис. 1 представлена операционно-технологическая схема производства тепловой и электрической энергии из отходов лесопереработки и пищевой переработки в пищевой

25

промышленности.

Ограничимся описанием лишь основных энергопреобразующих узлов и элементов схемы. Шнековый пресс: основное назначение – формирование топливных брикетов на основе отходов лесопереработки (опилки, кора древесины, горбыль, сучья деревьев и кустарников) смешивают с отходами очистных сооружений мясокомбинатов (фузой), содержащие остатки жиров, белка, крови. Полученная масса формуется в топливные брикеты. Процесс производства топлива является одной из основных стадий технологии с завершенным циклом переработки отходов производства. Топливные брикеты, полученные по этой технологии, имеют следующие преимущества в сравнении с полученными брикетами из прессованных отходов:

─Имеют большую теплотворную способность;

─Не подвержены деструкции;

─Допускают хранение на открытом воздухе в интервале температур -50 +80 °С;

─Исключают возможность самовозгорания;

─Внешний вид образца (фото) приведен на рис. 2.

Рис. 2. Фото образца твердого топлива для газификации в генераторе обращенного типа (оригинальный)

Одним из основных элементов энергоустановки является генератор газа обращенного типа. Использование такого генератора позволяет не только повысить эффективность работы энергоустановки, но и значительно снизить выбросы в атмосферу углекислого газа за счет

его восстановления до CO в зоне фурменного пояса по схеме (топливо). Реализация этого процесса определяет достаточно высокий коэффициент полезного действия для тепловых машин (~40-45 % в зависимости от режима работы и вида топлива).

Газогенератор является одним из основных компонентов операционнотехнологической схемы процесса с завершенным циклом переработки отходов производства [3-5]. Поэтому основное внимание при разработке технологии было уделено именно этому компоненту технологической схемы. Согласно данным литературных источников [6] процессы газификации твердого топлива осуществляется по нижеприведенным схемам реакции:

На рис. 3. Представлена камера газификации генератора обращенного типа однокамерного, работающего в условиях малого превышения внешнего давления относительно ка-

26

меры газификации. Как следует на рис. 3. камера газификации представляет собой теплофикационную систему, в которой тепловые потоки распределяются при показанной на рис. 3 конструкции с относительно малым градиентом температуры.

Однако при включени в состав газогенераторный системы преобразователей энергии пришлось разработать систему управления режимами регулирования интенсивности тепловых потоков. Поскольку основной задачей нашей работы является создание системы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, то использование всех источников тепловой энергии энергетического комплекса позволит более радикально решить эту задачу.

Основным элементом преобразователя является теплогенератор, питание топливом которого осуществляется от газогенератора. Такая компоновка энергоблоков обеспечивает большую надежность и эффективность ее работы. На рис. 4 показано размещение отдельных агрегатов энергоустановки с целью обеспечения режима максимального сбережения.

Рис. 3. Камера газификации газогенератора обращенного типа (оригинальный)

Рис. 4. Общий вид газогенератора с пультом управления и автоматики. Состав основных элементов газогенераторного блока: 1– приемный бункер твердого топлива;

2 – питатель; 3 – газогенератор; 4 – распределительный щит питания и автоматики (оригинальный)

27

щего на аноде процесса окисления воды.

В отсутствие вышеприведенной реакции наличие химически активного атомарного кислорода необходимого для формирования окисной пленки на алюминии было бы невозможно. И в этом случае вероятность растворения алюминия по химическому механизму должна стать необратимым процессом.

Опыт работы по анодной обработке алюминиевой фольги в технологии производства электролитических конденсаторов позволяет нам с полным основанием утверждать, что на аноде (фольге) наблюдается бурное газовыделение. Так что же кроме кислорода может выделиться на аноде? Один из возможных вариантов механизма разрушения и образования оксидного слоя на алюминии представлен на рис. 6.

Рис. 6. К механизму растворения и образования оксида на алюминии, а также образование комплексного гидратированного иона алюминия

(оригинальный)

Электрохимический процесс разложения воды согласно термохимическим законам

29

должен сопровождаться выделением теплоты за счет гидратации катиона водорода H+ при

образовании гидроксония , а также реакция молизации 2-х атомов кислорода. Однако наличие эффектов тепловыделения и теплопоглощения, проявление которых осуществляется на различных стадиях процесса, а также специфическое проявление эффекта Сорэ, определяющего скорость частиц во взаимосвязи с их молекулярной массой, дают основание заключить, что миграционные процессы при анодной обработке алюминия носят более сложный характер.

С другой стороны, специфика образования пор и главное характер их морфологии в зависимости от плотности тока позволили нам разработать математическую модель процесса формообразования в структурах металлов, склонных к переходу в пассивное состояние [9]. Весьма высокая теплоемкость алюминия оказывает определенное влияние на термокинетику электрохимических систем, что определяет динамику диффузионных потоков при анодном растворении алюминия.

Литература

1.Иванов В.Ф. Очистка городских сточных вод: пособие для инженеров, студентов, техников и санитарных врачей. Изд. 2-е допол. / В.Ф. Иванов. – Одесса: Издание Одесского отделения научно-технического управления (ОНТУ) ВСНХ УССР, 1929. – 512 с.

2.Шпильрайн Э.Э. Введение в водородную энергетику / Э.Э. Шпильрайн, С.П. Малышенко, Г.Г. Кулешов // под ред. В.А. Легасова. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 264 с.

3.Шалимов Ю.Н. Водород в системах традиционной и альтернативной энергетики / Ю.Н. Шалимов, О.И. Койфман, Е.И. Теруков и др. //Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». – Саров: Изд-во «Научно-технический центр «ТАТА»», 2013. – № 5-1 (125). – С. 10-44.

4.Шалимов Ю.Н. Технологии получения биотоплива для установок газификации автономного типа с новым принципом обратной связи из отходов деревообработки, сельхозпроизводства и локальных очистных сооружений мясокомбинатов / Ю.Н. Шалимов, В.И. Кудряш, И.К. Шуклин и др. // Российский Инженер. – Воронеж: Изд-во «Захаров Петр Дмитриевич», 2017. – № 2 (7). – С. 13-19.

5.Руссу А.В. Использование метода функционального моделирования при исследовании работы газогенератора / А.В. Руссу // Современные методы прикладной математики, теории управления и компьютерных технологий: сб. тр. IX междунар. конф. «ПМТУКТ2016» /// под ред. И.Л. Батаронова, А.П. Жабко, В.В. Провоторова; Воронеж. гос. техн. ун-т., Моск. гос. ун-т., С.- Петербург. гос. ун-т., Воронеж. гос. ун-т., Пермск. гос. нац. исслед. ун-т, Пермск. нац. исслед. политех. ун-т. – Воронеж: Изд-во ООО «Научная книга», 2016. – 468 с.

–С. 289-293

6.Токарев Г.Г. Газогенераторные автомобили / Г.Г. Токарев. – М.: Изд-во «Машгиз», 1955. – 207 с.

7.Войткевич Г.В. Справочник по геохимии / Г.В. Войткевич, А.В. Кокин, А.Е. Мирошников, В.Г. Прохоров. – М.: Издание «Недра», 1990. – 480 с.

8.Справочник химика в 7 томах / под общей редакцией чл.-корр. АН СССР Б.П. Никольского. – 1962–1966 гг.

9.Шалимов Ю.Н. Влияние тепловых и электрических полей на электрохимические процессы при импульсном электролизе: дис.... д-ра техн. наук: 05.17.03. – Воронеж, 2006. – 354 с.

1Управление Федеральной службы по надзору в сфере природопользования (Росприроднадзора) по Воронежской области

2ООО «Георесурс», г. Воронеж

30