основы проектирования хим произв дворецкий
.pdfРАБОЧАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ |
161 |
|
|
Для исключения влияния неуравновешенных масс движущихся частей дробилок, грохотов и других факторов их располагают на нулевой отметке и на автономных фундаментах. При необходимости такое оборудование как насосы и вентиляторы могут устанавливаться на железобетонных перекрытиях, но под таким оборудованием должны быть вибропоглощающие подкладки из толстой резины. Кроме того, патрубки вентиляторов и воздуховоды соединяются рукавами из мягкого материала, например, бельтинга.
Источниками температурных деформаций труб являются их температурные расширения или сжатия. Возникающие при этом напряжения могут превысить прочность труб и опор под них. При большой длине трубопровода, и когда разность между рабочей температурой трубы и температурой при монтаже ее превышает 30…40 °С, в конструкции трубопровода необходимо предусмотреть компенсаторы температурных удлинений.
Если давление в трубопроводе до 6 атм. и температурные удлинения его небольшие, то применяют линзовые и волнообразные компенсаторы. Следует отметить, что их применение ограничено существенными недостатками: невысокая прочность и большие осевые усилия, передаваемые на неподвижные опоры труб. Чаще всего для компенсации температурных удлинений используют включение
втрубопровод изогнутых участков П, Г и Z-образной формы. При температурных удлинениях конфигурация такого изогнутого участка изменяется. Этот процесс называется самокомпенсацией.
Источниками гидравлических ударов являются:
−гидравлические «мешки» без дренажных устройств;
−разрывы потока жидкости в трубопроводах с заниженным диаметром при неправильном расчете его;
−скопление инертных газов в тупиковых участках и вскипание жидкости
втрубопроводе;
−конденсация паров в трубопроводе;
−отсутствие влагоотделителей на всасывающих линиях компрессоров;
−неправильный выбор запорной арматуры для трубопровода (вместо вентиля – кран).
Для предотвращения гидравлических ударов рекомендуются следующие мероприятия. Поскольку длинные трубопроводы трудно проложить без гидравлических «мешков», то необходимо обеспечить непрерывный отвод жидкости из этих «мешков». На газопроводах предусматривают дренажные трубки диаметром 20...40 мм для отвода скопившегося конденсата.
Трубопроводы при необходимости теплоизолируются и снабжаются тепловыми спутниками для предотвращения изменения агрегатного состояния транспортируемого вещества, так как это изменение может привести к скоплению газа или образованию жидкостной пробки. Для обеспечения нормальной работы компрессора следует устанавливать эффективные сепараторы, а цилиндры компрессора должны располагаться выше обвязывающих его трубопроводов.
162 |
Глава 5. РАБОЧАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ |
|
|
Следует отметить, что гидравлический удар может быть вызван провисанием газового трубопровода. В таком трубопроводе скапливается жидкость, скорость газа растет и возможен выброс жидкостной пробки. Поэтому необходимо опоры трубопроводов располагать согласно расчету. Длина пролета между опорами определяется в зависимости от допустимого напряжения на изгиб:
l = |
12 σи W |
, |
100 q |
где σи – допустимое напряжение на изгиб; W – момент сопротивления; q – вес 1 м трубы с материалом и изоляцией.
Сами опоры для трубопроводов бывают подвижными и неподвижными. К подвижным относят скользящие и катковые, а к неподвижным – хомутовые и приварные. Подвижные опоры применяют для трубопроводов с большими температурными удлинениями.
Взаключение этого раздела следует отметить, что для исключения рутинной работы при подготовке этой документации, как и в течение всего процесса проектирования, следует использовать современные программные комплексы.
Одним из таких комплексов является Auto Plant, предназначенный для автоматизированного выполнения проектных работ. Он учитывает стиль проектирования традиционно принятый в России.
Следующим этапом подготовки рабочей документации является разработка монтажно-технологической схемы [21], основой для разработки которой служит принципиальная технологическая схема, документы монтажной проработки и чертежи технологического оборудования. Монтажно-технологическая схема показывает через трубопроводную обвязку особенности проектируемого процесса
идвухстороннюю связь всех технологических узлов со схемой контроля и автоматики. Кроме того, она указывает на возможности применения индивидуальных приемов монтажа оборудования и облегчает чтение монтажных чертежей.
При разработке монтажно-технологической схемы аппараты изображаются по высотным отметкам в масштабе и в строгом соответствии с их чертежами. На схеме показываются все штуцеры, люки и пунктиром внутренние устройства. Трубопроводы маркируют в соответствии с принятыми обозначениями и указывают их характеристики (диаметр, толщину стенки, материал).
Внижней части чертежа вычерчивают условно приборы контроля и автоматики, которые связывают тонкими линиями с аппаратами, отображая таким способом весь комплекс взаимосвязанных процессов проектируемого производства.
После разработки монтажно-технологической схемы приступают к выполнению монтажных чертежей. Они представляют собой изображения в ортогональных проекциях трубопроводов и химического оборудования проектируемого предприятия. Основой для подготовки монтажных чертежей являются: чертежи монтажной проработки и монтажно-технической схемы, строительные чертежи и
РАБОЧАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ |
163 |
|
|
чертежи отопительной и вентиляционной системы. На данном этапе проектирования делают чертежи разрезов и планов в масштабе 1:50. Количество разрезов должно быть таким, чтобы каждый аппарат хотя бы один раз попал в разрез. Необходимо помнить, что на монтажных чертежах в начале должны изображаться все строительные конструкции (колонны, ригели, балки, фундаменты, плиты) и все другие конструкции, которые будут определять места прокладки трубопроводов.
Вопросы для самоконтроля
1.Какой самый важный этап подготовки рабочей документации?
– разработка сметной документации;
– монтажная проработка;
– компоновка оборудования.
2.Что является конечным результатом монтажной проработки?
– сметная документация:
– чертежи трубопроводной обвязки технологического оборудования и
объекта в целом;
– ситуационный план.
3. Какое запорное устройство обеспечивает плавную регулировку расхода газа или жидкости в трубопроводе?
–кран;
–вентиль.
164
6
глава
ИНТЕГРИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, АППАРАТОВ И СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
6.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПРОЦЕССА ИНТЕГРИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ХТС
Проблема интегрированного (совместного) проектирования химико-техно- логических процессов (ХТП), аппаратов, систем (ХТС) и систем автоматического управления (САУ) режимами их функционирования ставилась и частично решалась на протяжении многих десятилетий в работах В. В. Кафарова, Б. Н. Девято-
ва, I. E. Grossmann, E. N. Pistikopoulos, M. Morari, Г. М. Островского, В. И. Бод-
рова, А. Ф. Егорова, Н. Н. Зиятдинова и др. [22 – 34].
Однако до настоящего времени нет законченной теории и сравнительно простых (инженерных) вычислительных алгоритмов для комплексного решения этой сложной многокритериальной проблемы.
Целью интегрированного проектирования ХТП, аппаратов, ХТС и САУ является обеспечение устойчивого и безопасного производства качественной конкурентоспособной химической продукции. Для этого необходимо обеспечить выполнение заданных регламентом производства технологических условий осуществления ХТП, норм технико-экономической эффективности функционирования технологического оборудования производства, норм экологической безопасности и безопасности жизнедеятельности обслуживающего персонала.
Достижение цели интегрированного проектирования возможно только при создании работоспособных (гибких) ХТП, аппаратов, ХТС и САУ. Под гибкостью ХТС здесь понимается ее способность к управлению и сохранению своего функционального назначения при случайном изменении внутренних и внешних неопределенных параметров. На стадии эксплуатации гибкого ХТП условия его осуществления, задаваемые технологическим регламентом производства, должны выполняться независимо от случайного изменения неопределенных парамет-
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПРОЦЕССА ИНТЕГРИРОВАННОГО… 165
ров в заданной области за счет соответствующего выбора управляющих воздействий (режимов функционирования ХТС), реализуемых в САУ[24].
Анализ традиционных подходов к проектированию ХТС показывает, что стремление добиться максимальной эффективности функционирования ХТС в статических режимах (в статике) с точки зрения энерго- и ресурсосбережения, как правило, приводит к выбору таких конструктивных параметров технологических аппаратов ХТС, при которых ухудшаются их динамические характеристики. В этом случае для обеспечения гибкости ХТС требуется использование сложных, а следовательно, дорогостоящих САУ. В то же время для улучшения динамических свойств ХТС и снижения общей стоимости проекта часто оказывается достаточно небольших изменений в конструкции технологического оборудования ХТП или конструктивных параметров его аппаратурно-технологи- ческого оформления [25].
Таким образом, при интегрированном проектировании гибких ХТП, аппаратов, ХТС и САУ оптимальные конструктивные параметры аппаратурного оформления ХТП, режимы функционирования ХТС и настроечные параметры САУ должны выбираться из условия разумного компромисса между эффективной работой ХТС с точки зрения энерго- и ресурсосбережения (в статике) и качеством управления режимами ее функционирования в динамике.
Особо следует выделить вопросы, касающиеся условий эксплуатации гибких ХТС и требований к технико-экономическим показателям производства, качеству выпускаемой продукции, интересующих потребителя. Наряду с качественными характеристиками (представленными в вербальной форме) можно выделить числовые показатели, для которых указаны области допустимых значений.
Требования к переменным состояния ХТС выражаются, как правило, в виде условий работоспособности:
yi R yiн ,
где yi – i-я переменная состояния ХТС; R – вид отношения (=, <, >, ≤, ≥); yiн –
норма i-й переменной состояния.
Фактически условия работоспособности ХТС представляют собой ограничения по спецификации качества производимой продукции, производительности, экологической безопасности производства и др. Проблема выполнения условий работоспособности ХТС сильно осложняется наличием неопределенности в физической, химической и экономической информации, используемой при ее проектировании.
В связи с этим принципиально важно рассматривать на стадии проектирования влияние неопределенных параметров на работоспособность и оптимальность функционирования ХТС.
Традиционно при проектировании ХТС решается задача оптимизации в статике: для заданных структуры производства и типов аппаратурно-технологи-
166 Глава6. ИНТЕГРИРОВАННОЕПРОЕКТИРОВАНИЕХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХПРОЦЕССОВ…
ческого оформления требуется определить конструктивные и режимные (управляющие) переменные, при которых достигается минимум целевой функции проектирования при связях в форме уравнений материального и теплового балансов и ограничениях, связанных с безопасностью ХТС и экологической безопасностью, обеспечением заданных значений производительности, качественных и техникоэкономических показателей выпускаемой продукции и ХТС, соответственно.
Учет неопределенности при традиционном проектировании ХТС осуществляется введением эмпирического коэффициента запаса γзап (обычно принимают γзап = 1,25) к размерам оборудования, полученным в результате решения сформулированной задачи нелинейного программирования. Понятно, что традиционная процедура не имеет рациональной основы для выбора коэффициента запаса γзап, что зачастую приводит к неработоспособности спроектированной ХТС, например, неустойчивости найденных оптимальных режимов функционирования ХТС в статике, и необходимости ее перепроектирования, а это сопряжено с дополнительными затратами.
Таким образом, задача интегрированного проектирования ХТП, аппаратов, ХТС и САУ режимами их функционирования должна ставиться с учетом наличия неопределенности в исходной информации, триаде «модель–алгоритм– программа» ХТС, устойчивости оптимальных статических режимов функционирования, оптимального уровня необходимой экспериментальной информации, гибкости и управляемости ХТС.
Химическое производство представляет последовательность трех основных переделов: подготовки сырья, собственно химического превращения и выделения целевых продуктов. Эта последовательность переделов воплощается в единую сложную ХТС. Под ХТС (объектом) далее в книге понимается либо химикотехнологический аппарат, либо отдельный агрегат или технологическая схема химического производства, а также физико-химические процессы, осуществляемые в конкретном объекте.
Современное химическое предприятие как ХТС большого масштаба состоит из большого числа взаимосвязанных подсистем (производств, цехов, отделений, отдельных агрегатов, реакторов, технологических машин и аппаратов, систем автоматического и автоматизированного управления технологическими процессами и производством), между которыми существуют отношения соподчиненности в виде иерархической структуры с тремя уровнями (рис. 6.1).
Отдельная подсистема химического предприятия представляет собой совокупность технологических процессов, аппаратов и систем автоматического управления, действующих как одно целое для достижения заданной цели.
Первую низшую ступень иерархической структуры химического предприятия как сложной ХТС образуют типовые процессы химической технологии, осуществляемые в определенном аппаратурном оформлении (механические, гидродинамические, тепловые, диффузионные и химические процессы), и локальные системы управления (стабилизации) ими.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПРОЦЕССА ИНТЕГРИРОВАННОГО… 167
Уровни
иерархии
|
Химическое |
|
предприятие (завод) |
III |
|
|
|
АСУП – автоматизированная |
|
|
система управления предприятием |
|
(система оперативного управления |
|
цехами, организации производства, |
|
планирования запасов сырья, |
|
реализации готовых продуктов и |
|
полупродуктов) |
|
|
II |
II – 1 |
|
II – 2 |
… |
II – N |
|
|
Химические |
|||
|
|
|
|
производства продуктов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
или полупродуктов (цехи) |
|
|
|
|
|
и САУ цехами |
|
I
I–1–1 |
… |
1 |
I–2–1 |
… |
2 |
… |
I–N–1 |
… |
N |
|
I–1–n |
|
I–1–n |
|
|
I–N–n |
Типовые химико-технологические процессы и локальные системы управления (стабилизации)
Рис. 6.1. Иерархическая структура химического производства
Каждый типовой ХТП, осуществляемый в том или ином аппаратурном оформлении, или определенную взаимосвязанную совокупность типовых ХТП рассматривают как ХТС или ее подсистему, имеющую некоторые определенные входы (количественные характеристики потоков сырья и полупродуктов, конструктивные и режимные параметры, возмущаюшие воздействия) и выходы (переменные состояния ХТС, количественные характеристики потока готовой продукции, технико-экономические показатели ХТС, показатели энерго- и ресурсосбережения, экологической безопасности ХТС и т.п.).
168 Глава6. ИНТЕГРИРОВАННОЕПРОЕКТИРОВАНИЕХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХПРОЦЕССОВ…
Введем обозначения: C(•) или I (•) – критерий эффективности проектируемой ХТС; ω Ω − ассортимент выпускаемой продукции; −структура ХТС (совокупность технологических стадий химического производства и связей между ними); a A − тип аппаратурного оформления технологических стадий производства; z Z − вектор режимных (управляющих) переменных функционирования технологи-ческих стадий производства; d D − вектор конструктивных параметров технологического оборудования производства; b B − класс системы автоматического управления (автоматические системы регулирования, системы статической оптимизации, системы динамической оптимизации и т.п.); h H − структура системы управления; s S − вектор настроечных параметров системы управления; ξ Ξ − вектор внешних и внутренних неопределенных па-
раметров ХТС.
Операторы математических моделей технологических процессов химического производства и системы управления имеют вид
|
: Ω× × A× D × Z ×U × X ×Ξ →Y |
или |
Y = (ω, a, d, z, u, x, ξ), |
|
ψ : B ×Y × X × Z × S ×Ξ →U |
или |
U = Ψ (b, y, x, z, s, ξ) . |
Структурная схема ХТС представлена на рис. 6.2.
При анализе функционирования ХТС входные переменные разделяют на возмущающие и режимные (управляющие) переменные (воздействия). Возмущающие переменные, являющиеся количественной характеристикой внешних и внутренних возмущений, которым всегда подвержена любая ХТС (изменение расхода и состава сырья, изменение температуры в аппаратах и т.д.), стремятся противодействовать целенаправленному осуществлению ХТП, отклоняя их от заданного направления. Для того чтобы при функционировании ХТС выходные переменные соответствовали заданным (целевым) значениям и не отклонялись от них под влиянием возмущающих переменных, на ХТС необходимо воздействовать управляющими переменными, являющимися количественной характеристикой управляющих воздействий ХТС (изменение расхода, состава или других характеристик исходного сырья).
Типовые ХТП, осуществляемые в определенном аппаратурном оформлении, чаще всего представляют собой детерминированные системы, для которых выходные и все входные переменные заранее известны и между ними существует однозначная функциональная зависимость.
На нижней ступени иерархии химического предприятия происходит структурное обогащение информации, характеризующей функционирование подсистем, а задачу управления подсистемами в основном сводят к локальной стабилизации технологических параметров типовых ХТП.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПРОЦЕССА ИНТЕГРИРОВАННОГО… 169
x1 |
|
x2 |
. |
|
|
|
. |
xm |
. |
|
|
d1 |
d2 |
de |
ξ1 |
ξ2 … ξα |
|
|
|
||
|
|
|
|
… |
… |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y1 |
|
|
|
|
ХТС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y2 |
|
|
|
|
y = (ω, , a, d, x, z, ξ); |
|
|
. |
|
|
|||
|
|
g(ω, , a, d, y, x, z, ξ) ≤ |
0 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
. |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
yn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u1 |
u2 |
… |
ur |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
САУ |
|
|
|
|
|
|
1 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
z2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
u = ψ( y, x, z, s) |
|
|
|
|
|
zk |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s1 |
|
s1 |
sp |
|
|
|
|
|
|
Рис. 6.2. Структурная схема автоматизированной ХТС:
ξ = (ξ1, ξ2, …, ξα) – вектор неопределенных параметров (возмущающих воздействий) объекта; z = (z1, z2, …, zk) – вектор режимных переменных состояния ХТС (оптимальных заданий регуляторам);
u = (u1, u2, …, uk) – вектор управляющих переменных (управлений) объекта;
s = (s1, s2, …, sp) – вектор настроечных параметров системы автоматического управления;(•) – оператор модели ХТС; Ψ(•) – оператор системы управления ХТС;
g(•) – оператор технологических ограничений функционирования объекта; x = (x1, x2, …, xm) – вектор входных переменных объекта;
y = (y1, y2, …, yn) – вектор выходных переменных объекта; d = (d1, d2, ..., dl) – вектор конструктивных параметров объекта
Основу второго уровня иерархии химического предприятия составляют производственные цеха и системы автоматического управления цехами. Цех – это взаимосвязанная совокупность отдельных типовых технологических процессов, систем, машин и аппаратов, при взаимодействии которых возникают статистические распределенные по времени возмущения, т.е. существуют стохастические взаимосвязи между входными и выходными переменными подсистем. Для анализа функционирования подсистем второго уровня иерархии необходимо использовать статистико-вероятностные математические методы. На этой ступени иерархии происходит статистическое обогащение информации, а при управлении подсистемами возникают задачи оптимизации и программирования для оптимальной координации работы аппаратов и оптимального распределения нагрузок между ними.
170 Глава6. ИНТЕГРИРОВАННОЕПРОЕКТИРОВАНИЕХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХПРОЦЕССОВ…
Третий, высший уровень иерархической структуры химического предприятия – это системы оперативного управления совокупностью цехов, системы организации производства, планирования запасов сырья и реализации готовых продуктов. На этой ступени иерархии происходит семантическое обогащение информации и возникают задачи ситуационного анализа и оптимального управления всем предприятием, для решения которых применяют математические модели системотехники – теории игр, исследования операций, теории массового обслуживания и др., требующие привлечения различных специалистов в области экономики, организации производства и управления.
Современные химические производства отличаются многостадийностью получения целевых продуктов, сложностью технологических решений, высокой энергонасыщенностью и материалоемкостью, большой протяженностью и сложностью трубопроводных и кабельных коммуникаций, глубокой функциональной взаимозависимостью по материальным, энергетическим и информационным потокам отдельных стадий. Для размещения таких сложных производств, коммуникаций и всех служб возникает необходимость в создании специализированных зданий, подземных сооружений и эстакад.
Строительство и пуск промышленных производств связаны со значительными затратами денежных средств, материальных и трудовых ресурсов и поэтому они должны вестись по проектам, обеспечивающим:
−реализацию последних достижений науки и техники, передового отечественного и зарубежного опыта;
−внедрение высокопроизводительного энергосберегающего оборудования, установок и агрегатов большой единичной мощности;
−рациональное использование природных ресурсов, комплексное использование сырья и материалов, организацию малоотходной энергосберегающей технологии производства;
−автоматизацию и механизацию ХТП, отдельных технологических машин
иаппаратов.
Развитие современных химических производств сопровождается значительным усложнением их структуры, созданием энерготехнологических циклов, машин и аппаратов сложных конструкций, работающих в условиях агрессивных сред, высоких температур и давлений. В связи с этим при интегрированном проектировании необходимо решать также и проблемы охраны окружающей среды, обоснованного применения конструкционных материалов, обеспечения надежности технологического оборудования, безопасности производства. Все это требует совершенствования процесса интегрированного проектирования, повышения качества рабочей документации, четкого определения совокупности нормативных документов по отдельным стадиям проекта.
Структурно-параметрическое описание химического производства изображено на рис. 6.3. В зависимости от производимого ассортимента ω оно включает в себя различные совокупности технологий (технологических стадий производства), может иметь альтернативные варианты аппаратурно-технологического