Материал: основы проектирования хим произв дворецкий
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