Имитационная модель процесса глубокой очистки жидких стоков животноводческих предприятий

Введение. Обеспечение функционирования животноводческой отрасли Российской Федерации является в реальных условиях настоящего времени первоочередной стратегической задачей [1, 2]. Одним из важных технологических циклов по приоритетности, связанной также с вопросами экологии, выступает процесс переработки и обеззараживания отходов животноводства. В процессе использования современных технологий содержания животных основным побочным продуктом, получаемым в процессе производства, выступают жидкие стоки [3–5]. Переработка такого продукта связана с механическим отделением осадка и последующим обеззараживанием полученных составляющих. Для дальней- шего использования жидкости после отделения осадка, в соответствии с требованиями, необходимо осветление и обеззараживание, что называется также глубокой очисткой. Для оптимизации процесса глубокой очистки наиболее целесообразным является применение имитационного моделирования.

Целью исследования является создание имитационной модели системы технологического цикла глубокой очистки жидких стоков животноводческих предприятий.

Материалы и методы исследования. Для исследования параметров процесса тонкой очистки жидкого навоза было применено имитационное моделирование технологического цикла.

Результаты исследования и их обсуждение. Система взаимодействия технологических операций, описывающая движение и изменение физикомеханических параметров жидких стоков от места их получения до места возможного применения или хранения конечного продукта, получаемого после глубокой очистки, представлена на рисунке 1.

корковая доза

возврат в технологический цикл

Рисунок 1 – Модель взаимодействия систем при глубокой очистке жидкого навоза Figure 1 – System interaction model for deep processing of liquid manure

В системе представлены все этапы технологического цикла очистки и максимально возможные варианты использования технологического оборудования определенных групп, разделенных по этапам технологического цикла [5, 6]. Эти этапы и группы оборудования описаны в системе соответствующими блоками с входящими и выходящими параметрами, обозначенными технологическими свя- зями. Этапы включаются в тело цикла в зависимости от назначения использования конечного продукта, получаемого в конце цикла. Точность моделирования зависит от точности описания элементов системы и степени их сегментирования. В реальных условиях могут быть использованы только определенные блоки и связи, заданные техническими условия- ми при проектировании системы глубокой очистки технологических стоков.

Рассмотрим один из вариантов технологического цикла. На этапе механического разделения твердого осадка от стоков используется дуговое сито, последующее дообезвоживание твердой фракции производится ленточным вакуум-фильтром [7]. Далее происходит отделение взвеси в тонкослойном отстойнике, и осветление полученной после разделения жидкой фракции осуществляется с помощью напорной флотационной установки.

Отличительной особенностью метода имитационного моделирования является возможность описания и воспроизведения взаимодействия между различными элементами системы. Таким образом, чтобы составить имитационную модель, надо: представить реальную систему как совокупность взаимодействующих элементов; алгоритмически описать функционирование отдельных элементов; описать процесс взаимодействия различных элементов между собой и с внешней средой.

Блок-схема описанного выше варианта представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Функциональная схема варианта технологического цикла линии тонкой очистки жидких стоков животноводческих предприятий

Figure 2 – Functional diagram of a technological cycle variant for a fine purification line of liquid effluents from livestock enterprises

Имитационное моделирование (ИМ) – это представление динамического поведения системы посредством продвижения ее от одного состояния к другому в соответствии с хорошо определенными операционными правилами.

Существует четыре основных подхода ИМ: динамическое моделирование, системная динамика (СД), дискретнособытийный (ДС) и агентное моделирование. Также используется метод стати- стических испытаний – метод Монте-Карло (МК).

В данном конкретном случае подход динамического моделирования не может быть применен, потому что в данной системе моделирования отсутствуют обратные связи между элементами системы [8, 9].

Метод Монте-Карло тоже не может быть применен, так как он основан на моделировании любого процесса, на протекание которого оказывают влияние случайные факторы, которые в данной системе тоже отсутствуют.

Для данной системы по большинству признаков подходит дискретнособытийный подход, разработанный в начале 60-х годов.

Основной объект в этой системе — пассивный транзакт (заявка на обслуживание), который может определенным образом представлять собой работников, детали, сырье, документы, сигналы и т. п. «Перемещаясь» по модели, транзакты становятся в очереди к одноканальным и многоканальным устройствам, захватывают и освобождают эти устройства, расщепляются, уничтожаются и т. д.

В отличие от СД модельное время продвигается либо от события к событию (событийно-ориентирован), либо через дискретные промежутки времени (процессно-ориентирован).

После выбора подхода ИМ производится разработка имитационной модели. Данный процесс включает следующие этапы:

• 1.    Точная формулировка цели исследования и сбор информации и данных.

• 2.    Разработка концептуальной модели и проверка ее на адекватность поставленной задаче и выполнение структурного критического анализа (концептуальная модель и способ формализации).

• 3.    Перевод концептуальной модели с помощью программных средств в машинное представление.

• 4.    Верификация запрограммированной модели. На этом этапе выполняются анализ чувствительности и валидация выходных данных имитационной модели .

• 5.    Разработка, выполнение и анализ экспериментов.

При разработке концептуальной модели осуществляется декомпозиция системы. Декомпозиция системы или выделение подсистем является одной из операций анализа.

Определяется, какие компоненты будут включены в модель, какие будут вынесены во внешнюю среду, и какие взаимосвязи будут установлены между ними.

Для представления ДС-моделей применяется методология событийного графа. Описываются дискретно-событийные модели в виде блоков, обеспечивающих определенные операции в соответствии с заданными параметрами, и соединений между ними, определяющих последовательность операций [10, 11, 14].

Фрагмент описания функциональной схемы взаимодействия систем методом графов представлен на рисунке 3.

Моделируемый процесс представляется как поток движения обрабатываемого продукта в системе глубокой очистки в виде пунктов, обозначающих технологические операции, через которые проходит продукт.

Движение продукта между технологическими операциями показано связями между пунктами, которые называются дугами графа.

Параллельно описывается технологическое оборудование, с помощью которого осуществляется технологический этап.

Таблица 1 – Перечень технологических операций и технических средств для глубокой переработки жидкого навоза

Дуги графа	Наименование операций	Возможные средства для реализации операций
0-1, 30-1	Накопление жидкого навоза	Приемный резервуар
1-2; 1-3	Перемешивание и транспортировка жидкого навоза	РТЕ-250, НЖН-200
2-4, 2-6, 2-8, 2-9, 2-10, 3-4, , 3-6, 3-8, 3-9, 3-10	Разделение на фракции	ГИЛ-32, СДФ-50, ОГШ-502, УОН-700, щеточный шнек ВНИПТИМЭСХ
4-5, 6-5, 8-5, 105, 4-7, 6-7, 8-7, 10-7, 4-13, 6-13, 8-13, 10-13, 14-5, 14-7, 14-13	Дообезвоживание осадка	ПЖН-68, ВПО-20А, ВПНД-5
5-11, 7-11, 9-11, 13-11, 14-11	Погрузка ТФ	ТС-40
5-12, 7-12, 13-12	Накопление ЖФ	Накопитель с насосной станции
12-14	Промежуточное осветление жидкости	Напорная флотационная установка конструкции ВНИПТИМЭСХ
9-15, 14-15	Транспортировка частично осветленной жидкости
15-16, 15-17, 15 18	Доосветление	ООС-25 конструкции КТИСМ, Вертикальные разделительные отстойники по ТП 802-9-30.83 диаметром 7 м из монолитного железобетона Ц-25 диаметром 15 м
16-19,17-19, 18 19	Транспортировка осветленной жидкости
19-20, 19-21, 19 22	Обеззараживание осветленной жидкости	Ультрафиолетовое обеззараживание, ультразвуковое обеззараживание, электрогидроударное обеззараживание
20-23, 21-23, 22 23	Слив воды в пруд-накопитель
23-0	Транспортировка воды для технологических нужд
23-24	Транспортировка воды для орошения
24-25, 24-26, 24 27, 24-28	Закачка воды в оросительные системы

Рисунок 3 – Граф модели взаимодействия систем при глубокой очистке жидкого навоза и фрагмент ее описания

Figure 3 – Graph of the system interaction model for deep processing of liquid manure and a fragment of its description

Следующим этапом по графовой модели разрабатывается блок-схема взаимодействия систем при глубокой очистке жидкого навоза, которая представлена на рисунке 4.

Данная блок-схема является алгоритмом для дальнейшего машинного моделирования с помощью компьютерных программных ресурсов.

Моделирование взаимодействия систем тонкой очистки стоков – процесс сложный, требующий временных затрат, поэтому, следуя методике от общего к частному, можно разбить модель взаимодействия систем на отдельные модели систем [12,13,15].

Рисунок 4 – Блок-схема взаимодействия систем при глубокой очистке жидкого навоза Figure 4 – Block diagram of system interaction for deep processing of liquid manure

Графовая модель варианта технологического цикла по одному из направлений взаимодействия систем при глубокой очистке стоков животноводческих предприятий представлена на рисунке 5.

По разработанной графовой модели варианта технологического цикла строится блок-схема для дальнейшего перевода в компьютерную модель, представленную на рисунке 6.

Рисунок 5 – Графовая модель варианта технологического цикла и ее описание Figure 5 – Graph model of a technological cycle variant and its description

Таблица 2 – Перечень технологических операций и технических средств для глубокой переработки жидкого навоза

Дуги графа	Наименование операций	Возможные средства для реализации операций
0-1	Накопление жидкого навоза	Приемный резервуар
1-2	Перемешивание и транспортировка жидкого навоза	РТЕ-250, НЖН-200
2-3	Разделение на фракции	СДФ-50
4-5	Дообезвоживание осадка	Ленточный вакуум-фильтр
3-12	Погрузка и транспортирование ТФ	ТС-40, трактор с тележкой
12-14	Промежуточное осветление жидкости	ООС-25 конструкции КТИСМ, Вертикальные разделительные отстойники по ТП 802-9-30.83 диаметром 7 м из монолитного железобетона Ц-25 диаметром 15 м
3-4, 5-6	Транспортировка частично осветленной жидкости
6-7	Доосветление	Напорная флотационная установка конструкции ВНИПТИМЭСХ
7-8	Транспортировка осветленной жидкости
8-9	Слив воды в пруд-накопитель, обеззараживание осветленной жидкости	Аэробное сбраживание
9-0	Транспортировка воды для технологических нужд
9-10	Транспортировка воды для орошения
10-11	Орошение полей
12-13	Компостирование	Термическое обеззараживание, гелеотермическое обеззараживание, ускоренное обеззараживание
13-14	Транспортировка ТОУ
14-15	Внесение ТОУ на поля

Рисунок 6 – Блок-схема варианта технологического цикла глубокой переработки жидкого навоза Figure 6 – Block diagram of a technological cycle variant for deep processing of liquid manure

Для точного отражения свойств каждого элемента системы уточняются входящие и исходящие параметры [8], для этого элемент описывается в виде модели блока системы, например блока «напорная флотационная установка», представленного на рисунке 7.

Q1 – объем рабочей жидкости, поступающей после механического разделения; ρ1 – плотность поступающей жидкости; Q2 – объем осветленной жидкости; ρ2 – плотность осветленной жидкости; Q3 – объем пены с осадком; Н – высота камеры флотационной установки; D – диаметр камеры флотационной установки; ε – степень осветления рабочей жидкости

Рисунок 7 – Функциональная модель блока «напорная флотационная установка»

Q1 – volume of working fluid entering after mechanical separation; ρ1 – density of incoming fluid;

Q2 – volume of clarified fluid; ρ2 – density of clarified fluid; Q3 – volume of foam with sediment;

H – height of the flotation unit chamber; D – diameter of the flotation unit chamber;

ε – degree of clarification of the working fluid

Figure 7 – Functional model of the «Pressurized flotation Unit» block

Функции входящих и исходящих параметров описываются в модели блока взаимосвязанными конструктивными параметрами – формулами для приближения свойств описываемого объекта к реальному прототипу.

Расчетные формулы для описания входных и выходных данных блока «напорная флотационная установка» [5]:

степень осветления рабочей жидкости

С р -С о

£ = —-- Ср , где Ср и Со – концентрация взвеси в рабочей и осветленной жидкости соответственно;

высота флотационной камеры

Нф = 0,06 • Косх • tK, м, где V – скорость восходящего движения воды в камере, мм/с;

t – продолжительность пребывания воды в камере, с;

диаметр флотатора

D = ^’ м, где W – объем рабочей камеры флота- тора, м3.

^ кф =

0 ч +0 р

60-Ъо ’

м³ ,

где Q – часовая производительность установки, м3/ч;

Q – расход рециркулирующей воды, м3/ч;

η – коэффициент объемного использования флотатора (η =0,4).

После описания всех блоков системы имитационная модель переносится на машинный язык в любом из подходящих программных продуктов. В нашем случае имитационная модель строится в среде AnyLogic Professional, специально разработанной для имитационного моделирования.

Рисунок 8 – Пример построения модели в среде AnyLogic Professional Figure 8 – Example of model development in the AnyLogic Professional environment

После введения всех имитационных параметров каждого блока и установления связей между ними задаются параметры моделирования. По любому из блоков на основе описанных математическими зависимостями параметров можно смоделировать любой интересующий режим работы и входные параметры. На примере блока «напорная флотационная установка» получены данные компьютерного моделирования зависимости диаметра камеры напорной флотационной установки от ее высоты при определенных значениях производительности (рисунок 9) и приведены также зависимости, построенные по экспериментальным данным (рисунок 10).

Полученная в результате имитационного моделирования зависимость была проанализирована с помощью программы Statistica 10 pro на сходимость данных с экспериментальной. Результаты анализа показали сходимость данных, допустимую для инженерных расчетов.

Рисунок 9 – Зависимость диаметра камеры напорной флотационной установки от ее высоты при определенных значениях производительности (экспериментальные данные) Figure 9 – Dependence of the diameter of the pressurized flotation unit chamber on its height at certain performance values (experimental data)

Н. м

Рисунок 10 – Зависимость диаметра камеры напорной флотационной установки от ее высоты при определенных значениях производительности

(данные имитационного моделирования)

Figure 10 – Dependence of the diameter of the pressurized flotation unit chamber on its height at certain performance values (simulation modeling data)

Выводы. Достоинством имитационного моделирования является возможность подбора конструктивных параметров каждого элемента технологической линии, в отличие от реальных условий, в зависимости от входных и выходных параметров предыдущего элемента технологической цепи, начальных и конечных параметров продукта. Сравнение экспериментальных данных и полученных в результате моделирования показывает хорошую сходимость и различие между ними не превышает 2,5–5%, что показывает эффективность имитационного моделирования технологического цикла и достоверность полученных моделированием результатов.