234

изменилась температура оборотной воды, идущая на охлаждение в каком-то процессе и т.д. Все это не выдумка, не запугивание бедного студента, а реалии бытия ХТС на химическом предприятии.

2.Отклонение размеров и габаритов реакторов при изготовлении от конструкторской документации. Опытный конструктор, хорошо знает об этих отклонениях, проводя авторский надзор на машиностроительных заводах. Особенно опасны для работоспособности ХТС и ее частей те отклонения, которые определяют гидродинамику потоков в реакторах и аппаратах. Например, даже микронные отклонения в каких-то размерах распыливающей форсунки кардинально меняют кривую распыла раствора или плава, плотность орошения по сечению струи, а от этого реактор становится не работоспособным.

В курсовом проекте отклонения размеров, участвующих в математической модели, будет указывать руководитель проекта.

3.Неточности научно - исследовательской информации. Суть дела в том, что для замыкания математической модели приходится пользоваться экспериментальными данными. В частности, такими как зависимостью констант равновесия и кинетики химических реакций от температуры, давления, вида катализатора; зависимостями интенсивностей переноса теплоты и массы от условий процессов переноса в виде критериальных уравнений. Естественно, экспериментальные данные имеют какую-то точность, разброс около истинных, неизвестных нам, значений рассчитываемых величин. Например, погрешность расчета коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении не меньше 30%, при кипении и конденсации не меньше 50 - 100%, коэффициенты трения и местных гидравлических сопротивлений рассчитываются не точнее 50 - 75%. Наверное, студент будет шокирован этими числами, на лекциях об этом стыдливо умалчивалось, но для работоспособности ХТС это нормальные внешние возмущения и их надо учитывать.

Пункт 6 блока - алгоритма работы над курсовым проектом необходимо завершить заполнением таблицы следующего вида.

Таблица внешних воздействий на ХТС.

В этой таблице предпоследний столбец заполняет студент, а последний - студент совместно с руководителем.

Обращаем внимание студента разработчика - технолога (даже на уровне курсового проекта), что внешние воздействия на ХТС никак не связаны между собой, что они взаимно - независимы. И действительно, какова связь точности дозатора сырья в ХТС с точностью определения коэффициента теплоотдачи в каком-то теплообменнике?

Заметим, что без математической модели указать заранее все внешние воздействия в принципе невозможно. А так как математическая модель полностью определяется набором

11

www.mitht.ru/e-library

заданных параметров, то не сложно понять, что, чем больше число заданных параметров, тем больше число внешних воздействий. Это еще одно проявление системности рассмотрения: все со всем взаимосвязано.

3.8. Разработка алгоритма расчета величины каждого заданного параметра при любом комплекте значений внешних воздействий.

Практический опыт разработки этого алгоритма показал, что по существу он уже определен последовательностью переделов (превращений сырья), указанной в технологической схеме ХТС. Именно в этом состоит успех разработки алгоритма

В этом пункте работы над курсовым проектом студенту предоставляется полная самостоятельность, он должен проявить и показать свое искусство алгоритмиста. Единственный совет - в алгоритме использовать готовые блоки программы из п. 5 и предусмотреть отдельный блок расчета теплофизических свойств сырья, полупродуктов и конечного вещества в зависимости от температуры, концентраций, давления и т.д. Создание этого блока позволит программно обращаться к нему каждый раз, как это необходимо. Реализация этого совета существенно упрощает программу расчета заданных параметров и уменьшает время счета.

3.9. Точность расчета.

Точность расчета заданных параметров будем определять абсолютной погрешностью, которая для каждого заданного параметра равна 10-1 амплитуды разрешенного диапазона отклонения этого параметра. Это и есть «ноль» для каждого заданного параметра. В противном случае трудно, если не невозможно, распознать машинно факт работоспособности или отказа ХТС.

Проблема точности встает еще с одной алгоритмической стороны. Дело в том, что технолог, как правило, создает обратные связи, обратные потоки масс в технологической схеме, стремясь увеличить экономическую эффективность и экологическую безопасность ХТС. Алгоритмически это означает, что, приступая к расчету реактора (i) (см. рис 1), одним из входов в который является поток массы с «хвоста» ХТС, параметры этого потока из аппарата (j) еще не известны. Что же делать?

Рис. 1. Иллюстрация обратной связи в ХТС.

Приходится задаваться параметрами неизвестного потока и продолжать расчет. Подойдя к расчету аппарата (j) в «хвосте» ХТС, определяем эти ранее неизвестные параметры и сравниваем их с теми, которыми задавались (см. рис. 1). Как правило, первое приближение не дает совпадения величин, которыми задавались, с величинами, получившимися при расчете аппарата (j). Приходится расчет схемы проводить снова, и задаться другими параметрами потока из аппарата (j). Какими?. Практический опыт показал, что итеративный процесс становится сходящимся, если новое значение делать полусуммой старого и получившегося значения параметра.

Что значит сходящийся итеративный процесс? Это значит, что при дальнейшем проведении итеративного процесса ВСЕ заданные параметры ХТС испытывают отклонения, т.е. имеют абсолютную погрешность, менее 10-1 их разрешенной амплитуды.

12

www.mitht.ru/e-library

В промышленности технологи организуют несколько таких обратных связей, да еще в разных местах технологической схемы. Следовательно, в алгоритме приходится реализовывать ровно столько же итераций, да еще технолог так намудрит, что получаются «итерации в итерациях», этакий «бутерброт» итераций. Конечно, алгоритм расчета заданных параметров резко усложняется, но студенту надо не сдаваться, а «расплачиваться» за свои технологические решения.

Все эти сложности с алгоритмом и программой расчета заданных параметров по известному комплекту внешних воздействий воочию показывают последствия решений технолога организовать хоть одну обратную связь, хоть один поток массы или энергии из «хвоста» ХТС в ее «голову». Действительно, все возмущения в «голове» проходят через ХТС, как-то трансформируются и, как правило, усиливаются и по обратной связи возвращаются в «голову» ХТС. Говорить об устойчивости работы ХТС, о ее высокой надежности уже не приходится. И это нормальное в практике противоречие: за высокую экономическую и экологическую эффективность надо расплачиваться снижением вероятности работоспособности. Очень эффективные (на бумаге, в расчетах, в проекте) ХТС просто не работают, даже запустить не удается. И примеров этому в химической промышленности несть числа.

3.10. Разработка алгоритма расчета комплекта случайных внешних воздействий.

Ранее в этом методическом пособии указывалось, что любая ХТС на всех своих жизненных стадиях (от пробирочных исследований до демонтажа установки) находится в море случайных внешних воздействий. В этом пункте работы над курсовым проектом студент должен научиться имитировать случайные внешние воздействия на ХТС.

Прежде всего, все внешние воздействия (см. таблицу внешних воздействий) объявляются взаимно независимыми (в вероятностном смысле) случайными, гауссовскими величинами. Их номинальное значение равно математическому ожиданию mi гауссовской случайной величины, а 1/3 амплитуды отклонения равна среднеквадратическому отклонению i . Здесь i = 1, 2, 3, .... номер по порядку внешнего воздействия в ХТС.

В любом современном ПК существует программа генерации случайных гауссовских величин с математическим ожиданием, равным 0, и среднеквадратическим отклонением, равным 1. При каждой программной команде обращения к этому генератору, получаем величину и трансформируем ее в i-е случайное гауссовское внешнее воздействие аi по правилу:

i = (ai - mi) / i .

Из этого соотношения получаем величину аi случайного гауссовского внешнего воздействия. Обращение к генератору случайных чисел делаем столько раз, сколько штук внешних воздействий испытывает ХТС. Таким образом, получаем комплект внешних воздействий, для которого ранее уже разработан алгоритм и программа расчета всех заданных параметров ХТС.

Замечание. Генераторы случайных чисел во всех ПК, любой марки и конструкции обладают тем свойством, что после какого-то числа обращений N, эти «случайные» числа начинают повторяться. Все генераторы случайных чисел, оказывается, периодичны. Следовательно, говорить о взаимной независимости испытаний ХТС при расчете вероятности работоспособности уже нельзя. Здесь студент должен проконсультироваться с руководителем курсового проекта.

3.11. Расчет вероятности работоспособности ХТС.

13

www.mitht.ru/e-library

Предыдущие блоки алгоритма работы над курсовым проектом по существу приготовили все для этого блока.

Алгоритм расчета вероятности работоспособности элементарно прост. Используем прием, который в теории вероятностей называют метод Монте Карло. Смысл его в следующем.

1.Генерируем полный комплект случайных внешних воздействий.

2.Рассчитываем весь набор значений (конечно, теперь тоже случайных) заданных параметров ХТС.

3.Проверяем, попал ли или не попал каждый заданный параметр в разрешенный диапазон отклонений около номинала (см. таблицу заданных параметров).

4.Если ВСЕ заданные параметры при этом комплекте случайных внешних воздействий попали в свои разрешенные диапазоны отклонений, то такое случайное событие (испытание) назовем благоприятным, и в сумматор (специально отведенную ячейку памяти ПК) заносим 1. Если хоть один заданный параметр вышел из разрешенного диапазона, то такое событие, по определению, назовем отказом ХТС, и в сумматор ничего не добавляется.

5.Такие испытания делают раз за разом с непрерывным счетом числа испытаний N в еще одном сумматоре.

6.Вероятность работоспособности, по определению, равна

P = lim n / N при N ,

где n - число благоприятных событий (ХТС работоспособна).

Практически, если использовать операционную систему Windows, то разумно организовать показ в динамике счета графика (см. рис. 2) на экране монитора ПК.

n

N

P

N

Рис 2. Иллюстрация способа определения числа испытаний N при расчете вероятности работоспособности.

Число Р (см. рис. 2) и объявляем вероятностью работоспособности ХТС. Эту последовательность процедур 1 - 6 несложно запрограммировать даже студенту, владеющему ПК в режиме пользователя.

4. Графический материал курсового проекта.

Объем графического материала – 2 листа. На первом листе показывается технологическая схема разработанной установки с указанием расположения запорной и регулирующей арматуры, с таблицей обозначений потоков и таблицей номинальных величин потоков и их параметров в технологии. Здесь студент-технолог должен продемонстрировать свое понимание, ЧТО и в зависимости от ЧЕГО по его мнению следует регулировать в его установке.

14

www.mitht.ru/e-library

На втором листе студент показывает таблицу заданных параметров ХТС, таблицу внешних воздействий, крупно - блочно алгоритм расчета вероятности работоспособности ХТС (детали уточнить с руководителем проекта) и график на рис. 2.

Графический материал исполняется на стандартном листе ватмана формата А.

5. Состав пояснительной записки курсового проекта.

Пояснительная записка курсового проекта должна содержать следующие разделы.

1.Введение, где приводятся термины и определения понятий, которыми оперирует студент.

2.Главы, названия которых повторяют наименование блоков в алгоритме работы над курсовым проектом. Все главы, если есть необходимость разбиваются на параграфы с соответствующим названием и нумерацией. В пояснительной записке широко

использовать графический разъяснительный материал, поясняющий ход мысли студента и облегчающий труд рецензента.

Любая информация, не являющаяся результатом работы студента, должна сопровождаться ссылкой на литературный источник в виде номера в квадратных скобках. Например: [21].

Заключение.

В заключение приведем содержательную часть тем дипломных магистрских работ для студентов, которые после защиты курсового проекта пожелают углублять свои знания в области надежности ХТС в качестве магистров или аспирантов кафедры «Процессы и аппараты химической технологии».

1.Определение множества наиболее влиятельных внешних воздействий, существенно влияющих на вероятность работоспособности ХТС. Разработка рекомендаций для проведения пуско - наладочных работ. Разработка технического задания для создания системы автоматического управления ХТС.

2.Разработка алгоритма поиска ВСЕХ обратных положительных связей в технологической схеме ХТС. Разработка рекомендаций по увеличению устойчивости ХТС в режиме эксплуатации и рекомендаций для разработки системы управления ею.

3.Разработка рекомендаций, увеличивающих вероятность работоспособности ХТС. Выдача технического задания для проектирования ХТС по разработанному ранее технологическому регламенту без учета надежности.

4.Расчет вероятности работоспособности всей ХТС и ее частей, видов оборудования, процессов переноса и химических превращений.

5.Расчет оценок математического ожидания и дисперсии годовой себестоимости целевого продукта ХТС с учетом всех затрат при случайных остановках и простоях ХТС (совместно с грамотным экономистом).

6.Разработка иерархической системы автоматического управления ХТС на основе математической модели и расчетов вероятности работоспособности ХТС (совместно со специалистом по автоматизации производств).

7.Разработка рекомендаций при модернизации действующих и реанимации остановленных ХТС (если есть заказчик).

Литература.

1. ГОСТ 27. 002 - 83. Надежность в технике. Термины и определения

15

www.mitht.ru/e-library