17.2.2. Системная оптимизация оборудования и установок

на основных этапах их "жизненного цикла"

Для получения более значительных результатов ресурсосбережения требуется комплексная оптимизация энерготехнологических систем (КОЭТС) на основных этапах их "жизненного цикла" (ЖЦ). На рис.1 этапы ЖЦ перечислены в левом столбце, основные решаемые на этих этапах задачи в правом. Все этапы ЖЦ представляют собой единое целое, они связаны прямыми и обратными связями. Задачи каждого этапа локальны, цель едина – максимальная эффективность для народного хозяйства в рамках всего ЖЦ.

Основными компонентами систем оптимизация оборудования и установок являются алгоритмы расчёта их критериев эффективности, а также алгоритмы поиска экстремума (минимума или максимума) критериев эффективности. Далее рассмотрим системные основы этих алгоритмов [5].

Комплексная оптимизация энерготехнологических систем (КОЭТС) – это совместное (но не обязательно одноуровневое) решение задач выбора оптимальной топологии схемы, оптимального режима и оптимального оборудования энерготехнологических систем (ЭТС), то есть синтеза оптимальных ЭТС в комплексе на всех уровнях иерархии объектов оптимизации. При этом учитываются особенности основных этапов их "жизненного цикла", в первую очередь этапа проектирования. Задачи КОЭТС методически и организационно тесно увязаны c остальными задачами отраслевых систем автоматизированного проектирования и оптимизации сложных энерготехнологических систем (ОСАПРО – ЭТС). Поэтому, прежде чем перейти к их подробному рассмотрению, целесообразно эти задачи "оконтурить", показать их место во всей совокупности работ по созданию ОСАПРО – ЭТС.

ОСАПРО – ЭТС является двухуровневой системой.

На верхнем уровне решаются следующие задачи:

1. Оптимальное размещение сложных производств.

2. Обоснование, выбор оптимальной топологии ЭТС.

3. Обоснование, выбор оптимального режима работы ЭТС.

4. Выбор оптимального оборудования.

На нижнем уровне решаются задачи автоматизации трудоемких расчетных и графических работ. Структура ОСАПРО – ЭТС и взаимодействие основных ее подсистем, т.е. схема предлагаемой общей стратегии решения задач проектирования ТC в ОСАПРО – ЭТС приведена на рис. 2. Как следует из этой схемы, основные научно-исследовательские проблемы возникают при разработке методического обеспечения КОЭТС. Методическое обеспечение КОЭТС невозможно создать без глубокой и всесторонней разработки методических основ расчета, математического моделирования и оптимизации процессов, происходящих в ЭТС, и соответствующего оборудования.

Для решения этих задач необходимы:

– экспериментальные исследования теплофизических свойств сред ЭТС, систематизация и обобщение методов их расчета;

– исследование специфических теплообменных, массообменных, гидравлических,

термодинамических и других процессов в оборудовании ЭТС;

– создание адекватных и простых в реализации моделей процессов в оборудовании ЭТС, а в итоге – моделей оптимального оборудования;

– создание системных методов расчета материальных и тепловых балансов в ЭТС;

– создание системных методов автоматизированного синтеза сложных схем и генерации режимов работы ЭТС;

– создание методов технико – экономического и термо(эксерго) – экономического анализа топологии сложных схем ЭТС, режимов и оборудования ЭТС;

– разработка либо адаптация методов оптимизации многофакторных задач и специальных методов оптимизации сложных систем;

– создание идеологии решения всего комплекса оптимизационных задач.

Таким образом, при создании методического и информационного обеспечения КОЭТС первоочередным является развитие и реализация системного подхода к рассмотрению объектов и задач расчета. Соответственно, в основу создания методического и информационного обеспечения типовой КОЭТС должны быть положены следующие системные принципы:

1. Разработанные на основании системного качественного анализа иерархия объектов ЭТС (на всех уровнях) и иерархия задач расчета этих объектов должны быть однозначно согласованы (введены в соответствие друг другу) как по вертикали (между иерархическими уровнями), так и по горизонтали (внутри каждого иерархического уровня).

2. Анализ и синтез ЭТС должны проводиться комплексно: с помощью адекватных описаний связей входных, воздействующих и выходных параметров в каждом структурном элементе ЭТС, с учетом взаимодействия (взаимного влияния) элементов ЭТС внутри иерархического уровня (по горизонтали) и между иерархическими уровнями (по вертикали).

3. Качественный анализ ЭТС на всех иерархически уровнях проводится сверху вниз, количественный – снизу вверх.

4. Должно быть обеспечено системное структурно – модульное построение методов и алгоритмов на всех уровнях иерархии объектов и задач.

Реализация этих принципов позволяет эффективно связать множество и многообразие задач расчета в КОЭТС.

Для формирования структуры методического, информационного и программного обеспечения КОЭТС необходимо реализовать следующие 30 этапов работ:

1. Создать системные классификации объектов расчета и оптимизации (схем ЭТС, режимных параметров, основных видов оборудования, объектов рутинного проектирования).

2. Создать системные классификации видов расчета объектов с установлением иерархии этих расчетов.

3. Создать идеологию КОЭТС.

4. Разработать обобщенную структуру (математическую модель) синтеза топологии сложных схем ЭТС.

5. Разработать обобщенные структуры формирования режимов ЭТС.

6. Разработать обобщенные структуры расчета материальных и тепловых балансов ЭТС при фиксированных топологии Т и режиме Р.

7. Разработать общие (унифицированные) и специфические модули термодинамических расчетов элементов ЭТС, как составляющих расчетов материальных и тепловых балансов. Сформировать базу данных о теплофизических свойствах веществ.

8. Разработать обобщенные структуры расчета основных видов оборудования ЭТС.

9. Разработать общие (унифицированные) и специфические модули расчета процессов массопереноса, теплопередачи, теплоотдачи, гидромеханики, конструкторских, экономических, сервисных расчетов, как элементы обобщенных структур расчета основных видов оборудования ЭТС.

10. Разработать обобщенные структуры эксергетического анализа ЭТС.

11. Разработать общие (унифицированные) и специфические модули эксергетических расчетов элементов ЭТС.

12. Установить иерархию всего комплекса обобщенных структур, расчетных модулей и алгоритмов.

13. Разработать алгоритмы синтеза топологии схем ЭТС , сформировать базу данных о топологии схем ЭТС .

14. Разработать алгоритмы генерации режимов ЭТС . Сформировать базу данных о режимах ЭТС .

15. Разработать алгоритмы расчета материального и теплового балансов ЭТС при фиксированных Т и Р.

16. Разработать алгоритмы расчета и технико-экономической оптимизации основных видов оборудования ЭТС . Сформировать базы данных об оборудовании и экономических показателях.

17. Разработать алгоритмы эксергетического анализа и предварительной оптимизации ЭТС .

18. Разработать методы и алгоритмы уточненной, технико-экономической оптимизации ЭТС на всех уровнях.

19-24. Провести программирование алгоритмов, перечисленных в пунктах 13-18.

25-28. Разработать комплексное обеспечение для эквивалентирования математических моделей и алгоритмов: обобщенные алгоритмы и программы эквивалентирования (25); эквивалентированные модели и расчетные модули (26); эквивалентированные алгоритмы КОЭТС (27); программы соответственно эквивалентированным алгоритмам (28).

29. Провести комплекс оптимизирующих расчетов на ЭВМ.

30. Провести расчетно-теоретический анализ результатов расчетов и разработать рекомендации по развитию методической основы КОЭС.

Таков наиболее полный объем технологии разработки методического обеспечения КОЭС.

Рассмотрим несколько подробнее функционирование и взаимодействие основных методических составляющих ОСАПРО – ЭТС (рис. 2), и, в первую очередь, ее верхнего уровня – подсистемы ПТАПРО– ЭТС, решающей задачи КОЭТС (рис. 3).

Управление решением задач осуществляется главной управляющей программой, обеспечивающей взаимодействие всех подсистем и программ ОСАПРО – ЭТС. Автоматизированное проектирование предлагается начинать с машинного синтеза топологии схем на основе гипотетической обобщенной технологической схемы и с помощью эвристического алгоритма синтеза топологии (ЭАСТ), соответствующего разработанному нами интегрально – эвристическому методу синтеза топологии ЭТС. Затем, в зависимости от топологии схемы, автоматически формируется режим. Отдельной задачей является машинный поиск последовательности расчета элементов схемы, организация итераций при расчете материальных и тепловых балансов для фиксированных Т и Р. В результате подготавливаются исходные данные для выбора оборудования ЭТС .

Наиболее трудоёмкой и определяющей частью ПТАПРО – ЭТС является подсистема выбора оптимального оборудования. Сложность этой подсистемы объясняется процессным и конструктивным разнообразием оборудования и комплексностью расчетов, необходимостью системной реализации различных моделей при решении задачи оптимизации оборудования.

Для решения комплекса этих задач необходимо:

– создать системные классификации основных видов оборудования, с помощью которого комплектуются ЭТС ;

– создать системные классификации видов расчета оборудования с установлением иерархии этих расчетов;

– разработать обобщенные структуры расчета основных видов оборудования ЭТС ;

– систематизировать и обобщить методы расчёта теплообменных, массообменных, гидравлических, термодинамических и других процессов в оборудовании ЭТС

– систематизировать и обобщить методы их расчета теплофизических свойств сред в ЭТС ;

– разработать общие (унифицированные) и специфические модули расчета процессов массопереноса, теплопередачи, теплоотдачи, гидромеханики, конструкторских, экономических, сервисных расчетов, как элементы обобщенных структур расчета основных видов оборудования;

– создать адекватные и простые в реализации модели процессов в оборудовании ЭТС, а в итоге – модели оптимального оборудования.

Эти задачи рассматриваются на примере создания системной методологии проектирования и оптимизации ЭТС и теплообменного оборудования – наиболее распространённого оборудования практически любых ЭТС.