Глава 4. Разработка автоматизированной модели оптимизации химико-технологи-ческого производства на примере конкретного предприятия

 

4.1. Описание интегральной схемы оптимизации химического процесса

Необходимость использования стандартных подходов к подготовке и проведению технико-экономических исследований [4, 5], в соответствии с принципами описанными в предыдущих разделах, вызвала к жизни концепцию так называемой «интегрированной системы документации». Впервые этот термин использовал в конце 60-х годов американский экономист John P. Powelson [11] для обозначения набора универсальных табличных форм или схем для оценки инвестиций.

В соответствии с этой концепцией, интегрированная система документации должна отвечать следующим четырем требованиям:

1.      единый информационный стандарт;

2.       полнота (информативность);

3.      взаимосвязь;

4.      универсальность.

Единый стандарт представления информации не предполагает каких-либо жестких требований, предъявляемых к структуре табличных форм. Смысл данного принципа заключается в необходимости использования при подготовке исходных данных и оформлении результатов расчетов бюджетного подхода или метода потоков денежных средств, представленных в разделе 2.4. Все таблицы должны иметь единый временной масштаб, обеспечивающий возможность их сопоставления между собой.

Принцип полноты или информативности представляет собой требование того, чтобы любая информационная единица (число,   показатель)   была   представлена    по   возможности   в наиболее развернутом виде. Так, например, вся информация, содержащаяся как в базовых формах финансовой оценки, так и в модели функционального действия химического комплекса и таблицах движения денежных средств, расчета коэффициентов и индексов эффективности должны иметь комментарии, расшифровку либо ссылки на таблицы с исходными данными. Этот принцип является практическим приложением принципа информационной достаточности математического моделирования, представленного нами ранее.

Принцип взаимосвязи означает, что итоговая (результирующая) информация одних форм, как правило, является исходными данными для других. Сюда же должно быть отнесено и требование взаимного соответствия (непротиворечивости друг другу) всех данных финансовой оценки.

Последним из четырех перечисленных требований, предъявляемых к интегрированной системе документации, является требование универсальности форм, то есть их пригодности для выполнения оценки самых различных проектов, независимо от масштабов, продолжительности и сферы деятельности.

Каждая таблица составляется на основе вспомогательных форм, число которых может варьироваться в зависимости от сложности решаемой задачи оценки проекта.

Описанные подходы использованы нами при создании автоматизированной системы расчета критериев экономической эффективности и финансовой реализуемости инвестиционного проекта крупного химического производства [11]. В ходе математического моделирования мы провели также оптимизацию некоторых факторов этого процесса на основе интегрального критерия оптимальности. Использованные при этом подходы были основаны на теоретическом материале, представленном в предыдущих разделах.

 

4.2. Описание таблиц и расчетов расходных показателей математической модели химического производства

Таблицы и расчеты исходных показателей были выполнены как первоначальные формы функционально-стоимостного анализа типовой схемы химического процесса, складывающегося, как правило, из трех стадий:

1.      Стадия химического превращения исходного (поток А) и рециркулирующего (поток Б) сырья.

2.      Стадия выделения продуктов реакции (поток В), непрореагировавшего сырья (поток Н) и отвода его части (поток Г) для предотвращения накопления нереакционноспособных примесей, образующихся на первой стадии.

3.      Стадия выделения целевых (поток Ц) и побочных (поток П) продуктов с учетом потерь (поток Р).

Схематично граф стадий и потоков представлен на рис. 4.1 и 4.2.

Рис. 4.1. Блок-схема химического производства

 

где: А – расход свежего сырья, т/час; Б – расход циркулирующего сырья, т/час; А + Б – расход суммарного сырья (пропилена), т/час; В – количество (расход) превращенного сырья (пропилена) в продукты реакции, т/час;

В = (А + Б)*F/100

В = Ц+П+Р

где: F – степень превращения сырья, %; Г – количество сбрасываемого сырья + потери, т/час;

Г = Б*1/100

по балансу:                        А = В + Г

Б = (100 - F)*В/100

где: Ц₁ – выход целевых продуктов в реакторном блоке, т/час;

Ц₁ = В * К₂/100

        К₂   – показатель избирательности (селективности) процесса по целевым продуктам, %.

Избирательность химического процесса есть функция степени превращения F, поэтому:

К₂ = Д/100 - К₁ * F/100;

где: Д – постоянный коэффициент, %.

В процессе синтеза 4-метилпентена-1 выход целевых продуктов 4-метилпентена – 1 и гексена – 1 при степени превращения F близкой к нулю ровняется 96%, как показано в [1].

К₁  - коэффициент снижения избирательности химического процесса в зависимости от степени превращения F, беразмерный;

Отсюда:                       Ц₁ = (Д/100 – К₁ * F/100) * В;

где: Ц – выход готовых целевых продуктов, т/час;

Он может быть описан уравнением:

Ц = Ц₁ * К₃ = К₃ /100 * (Д/100 – К₁ * F/100) * В;

 Отсюда:            В = Ц/ (К₃ /100 * (Д/100 – К₁ * F/100))

К₃ – коэффициент сохранения целевых продуктов (с учетом

потерь), %; П – выход побочных продуктов, т/час;

Он может быть описан выражением:

П = К₄ * В = (1 – Д/100 + К₁ * F/100) * В;

где: К₄ – коэффициент сохранения побочных продуктов (с учетом потерь), %; Р – потери продуктов в блоке выделения, т/час;

Р = В * (1 - К₃/100);

Блок-схема на рисунке 4.1. может быть представлена также в виде графа (рис 4.2.) [1]:

Рис. 4.2. Граф типовой технологической блок-схемы химического производства.

На основе этого графа может быть составлена топологическая матрица:

1.      аппарат I          + А + Б - (А + Б)

2.      аппарат II        + Н – Б – Г

3.      аппарат III      + (А + Б) - (А + Б – В) + В

4.      аппарат IV      + (А + Б – В) + В – Н – В

5.      аппарат V       + В – Ц – Р – П

На основе этой топологической матрицы и закономерностей, связывающих потоки и описанных выше, может быть получена система уравнений:

F/100*а + F/100*б +   0*г=  Ц/(К₃ /100 * (Д/100 – К₁ * F/100))

        0*а + 1/100*б   - 1г  =  0

        0*а +   1*б        - 0*г=   (100 – F)/100* (Ц/(К₃ /100 * (Д/100 –

 –  К₁ * F/100)))

     + 1*а +0*б          – 1*г = + Ц/(К₃ /100 * (Д/100 – К₁ * F/100))

Исключаем третье уравнение, так оно является частным случаем второго и составляем матрицу:

 

 

 

     F*100     F*100      0      Ц/(К₃ /100 * (Д/100 – К₁ * F/100))

     0            1/100       -1       0

     1             0            -1       Ц/(К₃ /100 * (Д/100 – К₁ * F/100))

 

Для вычисления корней этой системы уравнений нами использован метод «обратной матрицы», реализованной в системе Microsoft Excel. В начале был определен детерминант (det А) и поскольку он не равен нулю (что свидетельствует о наличие действительных корней уравнения), вычислены эти корни, умножением обратной матрицы на дополнительную. Этот расчет для варианта при производительности производства 4-метилпентена-1 равном G=10000 т/год и степени превращения F=10%, представлен в таблицах 2, 3 приложения, где приведены алгоритм и результаты расчетов, соответствующие исходным данным, приведенным в таблице 1 приложения.

Таким образом, выполнено определение расходных показателей (таблица 4, 5) в соответствии с интегральной схемой расчета экономической эффективности инвестиционного проекта, приведенной на рисунке 1 приложения.

Табличная форма калькуляции себестоимости, реализованная нами в таблице 8 приложения 1, представляет собой автоматизированную таблицу расчета, данные для которого переносятся из таблицы 5 расходных показателей. Для расчета удельного расхода электроэнергии используется формула:

Э = К₅ / F

где К₅ – коэффициент удельного расхода электроэнергии на тонну производимой продукции, тыс.квт * % / т; Э – удельный расход электроэнергии на тонну производимой продукции, тыс.квт/т;

При выводе этой формулы принята линейная обратная пропорциональная зависимость удельного расхода электроэнергии Э от степени превращения F. Эта зависимость подтверждается ростом количества электроэнергии, затрачиваемой на перекачку рециркулирующего сырья [1]. Как показывают результаты расчетов, количество этого сырья возрастает на порядок с уменьшением степени превращения с 10% до 1%. Количество электроэнергии, затрачиваемое на выделение целевых продуктов из смеси продуктов реакции при этом меняется незначительно в большинстве химических процессов, поэтому этими изменениями расходного показателя можно пренебречь. Величина коэффициентов К₅ для электроэнергии, пара и оборотной воды приводятся в таблице 1 исходных данных и используются для таблицы калькуляции. Они вычислены в указанной таблице для процесса синтеза 4-метилпентена-1 из пропилена на трегерном щелочно-металлическом катализаторе (натрий на поташе) и могут видоизменяться для других процессов.

Величины удельных расходов электроэнергии, пара и оборотной воды приведены в той же таблице 1 и на них проводится ссылка в соответствующих ячейках таблицы калькуляции себестоимости. Данные о расходных показателях по природному газу, воздуху и другим вспомогательным материалам, как правило, не зависит от степени превращения сырья, и могут быть включены в таблицу калькуляции себестоимости в виде постоянных величин, полученным по данным технологических служб предприятия. При этом использован описанный нами ранее в разделе 3.5. принцип параметризации математической модели. Исходя из этого же принципа величины цен на соответствующее сырье, материалы и энергосредства включаются в виде постоянных величин по данным служб снабжения (внешние закупки) или производственных (внутренние закупки).

Данные о величине заработанной платы вводятся в столбец «сумма на весь выпуск» и переносятся из таблицы 7 исходных данных. Они заносятся в эту таблицу на основе расчетов, выполненных соответствующим отделом труда и заработной платы предприятия, получающего инвестиции.

Величины затрат, связанных с обязательными отчислениями, расходами на содержание оборудования, общепроизводственными и общехозяйственными расходами и другими подобными расходами, определяются по аналогии с показателями действующих предприятий данной отрасли и региона.

Величины удельных затрат на тонну произведенной продукции определяются как частное от деления годовых затрат по этой статье на годовую производительность установки.

Удельный выход побочной продукции определен ранее, исходя из данных расчета материального баланса, выполненных с помощью матрицы уравнений. Перенос этих данных из таблицы 5 в соответствующую ячейку таблицы калькуляции 9 себестоимости проводится автоматически. В приведенной форме расчета предусмотрен только один вид побочной продукции. В случае выпуска рассматриваемым производством нескольких видов побочной продукции число строк такой продукции соответствует их количеству. Цена единицы побочной продукции определяется при маркетинговом исследовании и заносится в соответствующую ячейку на основе данных этого исследования. Вычисление соответствующих сумм и количеств на весь выпуск проводится автоматически перемножением данных соответствующих ячеек.

Таблица 9 приложения предусматривает автоматическое суммирование издержек по отдельным статьям: а). сырье и материалы; б). топливо и энергия; в). заработная плата с начислениями; г). побочная и возвратная продукция.

Величины выручки от продажи побочной продукции не учитывается при подсчете себестоимости целевой продукции производства, а она используется при определении общей выручки от продажи произведенной продукции (целевой и побочной) в таблице движения денежных средств.

Величины затрат, связанных с внепроизводственными расходами определяются по аналоги с показателями действующих предприятий данной отрасли и региона. Для определения полной себестоимости продукции последняя величина суммируется с величиной производственной себестоимости.

Как следует из описания, таблицы 10 исходных данных для составления отчета о движении денежных средств инвестиционного проекта выполнены как первоначальные формы функционально-стоимостного анализа типовой схемы химического процесса на основе анализа общей экономической ситуации в течение жизненного цикла этого проекта.

Для приближения расчетов к реальным рыночным условием, характеризующимся неопределенностью, особенно в части эскалации цен на сырье, материалы, продукцию и услуги предприятия, а также величины налога, в составе этой таблицы предусмотрено задание показателей различных для трех периодов жизненного цикла инвестиционного проекта. Прогноз этих данных должен выполняться в ходе маркетингового исследования рынка сырья, материалов, продукции и услуг инвестируемого предприятия, а затем вводится в соответствующие ячейки таблицы.