17.2. Введение в подсистемы оптимизационного технологического проектирования сапр этс и их оборудования

Нужно вставить рис. 1

17.2.1. Жизненный цикл технических систем и их элементов

Главный путь повышения эффективности промышленных, энергетических и транспортных объектов, работа которых связана с преобразованием материалов и энергии – ресурсосбережение, т. е. экономия материалов, энергии, трудозатрат. Наибольшего эффекта при этом можно достичь при условии системного, комплексного рассмотрения объекта (всей совокупности возможных структур, топологий схем объекта, режимов его работы, многообразия аппаратурного и процессного оформления элементов, из которых состоит объект) на главных этапах его жизненного цикла (ЖЦ): при исследовании, разработке, изготовлении, эксплуатации (см. рис. 1). Для конкретизации далее рассмотрим основные этапы жизненного цикла энерготехнологических объектов на примере теплообменного оборудования (ТО) – наиболее распространённого оборудования энерготехнологических систем.

Этапы имеют прямые и обратные связи и по ним взаимно влияют друг на друга. Научные исследования и конструирование теплообменных аппаратов (ТА) являются методической и технической базой для прикладного проектирования и последующей проектной оптимизации оборудования. В свою очередь, проектирование ТО определяет комплекс требований и условий для конструирования новых ТА. Этапы конструирования и проектирования формируют техническую политику машиностроительных производств при изготовлении ТА. На этих этапах закладываются основы и особенности эксплуатации ТО в реальных условиях функционирования различных технических систем (ТС). Этап эксплуатации вносит свои коррективы в разрабатываемые конструкции, задает требования к проектированию на стадиях реконструкции и воспроизводства ТС, стимулирует повышение качества изготовления ТА. Поэтому при решении задач любого этапа должны учитываться все основные факторы и степень их воздействия на остальные этапы. Главная цель заключается в максимальной комплексной стандартизации и унификации ТО на всех этапах его «жизненного» цикла.

Рассмотрим характеристику этапов жизненного цикла, цели и задачи, проблемы проектирования и унификации ТО на каждом этапе, покажем современный уровень их решения.

Конструирование ТА. Включает следующие виды и этапы работ: разработку, исследование типовых конструкций ТА и методов их расчета; формирование параметрических (типоразмерных) рядов аппаратов; составление ГОСТов и нормалей ТА; создание ТА единичного исполнения. На каждом из указанных этапов закладываются предпосылки для проектирования и делаются определенные шаги по унификации ТА. При этом степень унификации зависит от уровня развития науки и техники, координации и специализации работ, технологических требований и возможностей производящей и эксплуатирующей отраслей, желания и квалификации разработчиков.

Первоначально, при становлении теплоэнергетического, химического, нефтяного, транспортного и др. видов аппаратостроения в стране, когда созданием ТА занимались многие организации, решались частные задачи. Для каждого, порой однотипного, процесса предлагались различные конструкции. При таком подходе конструирование и проектирование типовых аппаратов были проблематичны, а унификация невозможна. Изготовление ТА было индивидуальным и сопровождалось значительными трудностями.

Дальнейшее развитие отечественного аппаратостроения шло по пути централизации разработок ТА общего назначения и их стандартизации. Была поставлена цель — конструирование типовых аппаратов, обеспечивающих технологические процессы разнообразных производств со сходными параметрами, достижение единообразия деталей и узлов, их минимальное изменение в широком диапазоне поверхности теплообмена. В этот период были заложены основы нормализации узлов и деталей, унификации методов расчета и организации серийного изготовления аппаратов по единой технической документации.

В 1948 г. в СССР были предложены первые ведомственные нормали на кожухотрубные ТА. Для использования в проектной практике и изготовления предложены аппараты с кожухом 12 различных диапазонов (в настоящее время более 40), поверхностью теплообмена из труб 3 диаметров и 12 длин (в настоящее время более 10 и более 60 соответственно). Всё это позволило сократить объемы проектных работ и собирать ТА из нормализованных узлов. На основе нормалей заводам-изготовителям представлены единые чертежи на нормализованные кожухотрубные аппараты для организации их производства.

С развитием промышленности произошел своеобразный скачок в области конструирования ТО. Все основные виды работ достигли качественно нового уровня как по объемам, так и по исполнению. Создано много типовых конструкций ТА. Для каждой из них сформированы типоразмерные ряды, составлены единые ГОСТы и нормали, которые регулярно совершенствовались. В ГОСТах заложен определенный уровень унификации ТА, направленной на обеспечение взаимозаменяемости узлов и деталей. Наличие ГОСТов на стандартные аппараты значительно упрощает процесс проектирования и изготовление ТО.

Проектирование ТО для ТС. Проводится на стадиях создания новых, реконструкции действующих и воспроизводства ТС (замена ТО). На этом этапе определяются конструкция аппарата, его масса и габариты, что в свою очередь предопределяет стоимость, трудоемкость и условия эксплуатации аппарата, т. е. его технический уровень.

Как показывает опыт, в процессе проектирования решаются чаще всего четыре задачи:

– выбор теплообменных аппаратов из стандартных либо типовых по исходным данным заказчика;

– конструирование аппаратов из стандартизованных (унифицированных) узлов элементов по исходным данным заказчика;

– проверка работы серийных аппаратов в связи с изменением режимных параметров процесса, выполнение так называемых поверочных расчетов;

– создание нового ТО.

Существенный объем работ занимают поверочные расчеты теплообменников. Проектантами постоянно выдаются задания на проведение поверочных расчетов с целью определения набора типоразмеров из серийной поставки аппаратов, обеспечивающих экономичный режим работы в системе. Разработка алгоритмов расчета и оптимизации ТО должна осуществляться с учетом направленности и изменения самой технологии проектирования, а также возможности ЭВМ. Поясним сказанное на примере.

При создании опытного образца изделия ТО первоначально выполняется проектный расчет. Наиболее трудоемкой частью в составе эскизного, технического проектов являются тепловые и гидравлические расчеты, для которых привлекаются наиболее опытные проектировщики. По результатам расчета составляется техническая документация и изготавливается опытный образец.

Для обеспечения спецификационных характеристик изделия с некоторой гарантией расчетчики вынуждены сознательно завышать коэффициенты запаса по теплообменной поверхности и гидравлическим сопротивлениям, чтобы избежать ошибки в определении величины теплообменной поверхности при проектировании.

После изготовления опытного образца его проверяют на теплотехническом стенде на соответствие тепловым и гидравлическим параметрам технического задания. В случае несоответствия спроектированного образца заданным параметрам производится его доработка, затем – опять испытания и т. д. Одновременно с проверкой на стенде опытным путем определяются такие выходные теплотехнические и гидродинамические параметры образца по широкому спектру изменения входных параметров, которые могут появиться в процессе эксплуатации аппаратов.

Проверка работы ТО расчетным путем в условиях его эксплуатации без применения ЭВМ невозможна из-за отсутствия надежных методов расчета и большого объема вычислительных работ.

При разработке методов автоматизированного проектирования основным фактором, влияющим на качественное изменение существующей технологии проектирования, является введение имитационной модели. С ее помощью всесторонне анализируется проект и исследуется спроектированное изделие в динамике, что позволяет при необходимости скорректировать (доработать) изделие еще на стадии проектирования. Второй фактор – разработка методов оптимизирующих расчетов, влекущая за собой организацию сбора, обработки, анализа и хранения дополнительной информации о себестоимости ТО и соответствующих нагнетателей для прокачивания сред, стоимости электроэнергии и пр.

На любой стадии проектирования ТО следует решать задачу унификации ТА с целью формирования унифицированного парка теплообменных аппаратов (ПТА) и обеспечения их взаимозаменяемости. Это особенно важно потому, что уровень унификации ПТА оказывает определяющее влияние на организацию процессов изготовления и эксплуатации ТО. Снижение числа типоразмеров ПТА в процессе проектирования позволяет реализовать задачи унификации и обеспечить достижение поставленных целей на каждом из указанных этапов (табл. 1).

Таблица 1. Совокупность целей и задач унификации теплообменного

оборудования

Цель Задача