ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2014, том 48, № 5, с. 557-564
УДК 66.011,621.762
ИНТЕГРИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИБКИХ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, АППАРАТОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ © 2014 г. Д. С. Дворецкий, С. И. Дворецкий
Тамбовский государственный технический университет dvoretsky@tambov.ru Поступила в редакцию 01.04.2014 г.
Предложены методология проектирования гибких химико-технологических процессов, аппаратов и систем, формирующих предпосылки эффективного управления и автоматизации, и формализация многоэтапной итерационной процедуры решения задач интегрированного проектирования гибких автоматизированных химико-технологических систем. Разработана методика расчета конструктивных параметров и режимных переменных (оптимальных заданий регуляторам системы автоматической стабилизации) аппаратурно-технологического оформления химико-технологических систем, при которых обеспечивается оптимальное (в смысле энерго- и ресурсосбережения и качества выпускаемой продукции) и безопасное функционирование химико-технологических процессов, аппаратов и систем.
Ключевые слова: интегрированное проектирование, гибкие химико-технологические системы, системы управления, многоэтапная итерационная процедура, критерий оптимизации.
DOI: 10.7868/S0040357114050030
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время особо важное значение приобретают теоретические и прикладные научные исследования, связанные с интегрированным проектированием гибких химико-технологических систем (ХТС) с высоким уровнем автоматизации, экономичности, энерго- и ресурсосбережения, экологической чистоты [1—3].
Проблема интегрированного проектирования химико-технологических процессов, аппаратов, технологических схем и систем автоматического управления режимами их функционирования ставилась и частично решалась на протяжении многих десятилетий в работах Кафарова В.В., Девя-това Б.Н., Гроссманна И.Е., Пистикопулоса Е.Н., Морари М., Островского Г.М., Бодрова В.И., Дьяконова С.Г., Егорова А.Ф. и многих других отечественных и зарубежных авторов [1—13]. Однако до настоящего времени нет законченной теории и сравнительно простых (инженерных) вычислительных алгоритмов для комплексного решения этой сложной многокритериальной проблемы.
Качественное повышение эффективности функционирования ХТС требует коренного изменения методологии создания и функционирования этих систем — создания гибких автоматизированных ХТС нового поколения, отличающихся принципиально новой организацией химическо-
го производства, оптимально сочетающей непрерывные и периодические процессы химической технологии и позволяющей оперативно перенастраивать структуру ХТС в связи с требуемым изменением ассортимента выпускаемой продукции. Для этого необходимы: новые конструкции аппаратов с легко перестраиваемой структурой, обладающих заданными или оптимальными (в смысле заданного критерия) статическими и динамическими характеристиками для каждой альтернативной структуры аппарата; высоко эффективные алгоритмы статической и динамической оптимизации, реализуемые в системах автоматизированного проектирования и обеспечивающие выполнение проектных и регламентных ограничений с гарантированной вероятностью [3, 14—17]. Проектно-конструкторские решения при интегрированном проектировании принимаются в условиях неопределенности, связанных с неполнотой имеющейся информации на ранних этапах проектирования ХТС, а также с неточным математическим описанием отдельных технологических стадий проектируемой ХТС, использованием упрощенных методик оценки показателей эффективности функционирования ХТС и т.п. В связи с этим принципиально важно рассматривать на этапе проектирования влияние неопределенных параметров на работоспособность (гибкость) и оптимальность функционирования ХТС.
Анализ традиционных подходов к проектированию ХТС показывает, что стремление добиться максимальной эффективности функционирования ХТС в статических режимах 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 систем автоматического управления (САУ). В то же время для улучшения динамических свойств ХТС и снижения общей стоимости проекта автоматизированного комплекса "ХТС—САУ" часто оказывается достаточно небольших изменений в его аппаратурно-тех-нологическом оформлении, конструктивных или режимных переменных.
Таким образом, при интегрированном проектировании гибких химико-технологических аппаратов, ХТС и САУ оптимальные конструктивные параметры аппаратурного оформления химического производства, режимы функционирования ХТС, класс и структура САУ должны выбираться из условия эффективной работы ХТС с точки зрения энерго- и ресурсосбережения и качества выпускаемой продукции [3].
МЕТОДОЛОГИЯ ИНТЕГРИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Анализ процесса проектирования сложных ХТС, включая и многоассортиментные химические производства (МХП) малотоннажной химии, позволяет представить весь комплекс работ в виде последовательной схемы получения решений, включающей определение экономически целесообразных структур (технологий) ^ МХП, класса В и структур Н систем автоматического управления технологическим оборудованием МХП, оптимальных конструктивных Б, режимных Z переменных аппаратурно-технологическо-го оформления ХТС и настроечных параметров S САУ исходя из целей функционирования МХП [3, 18].
Решение задачи проектирования оптимального автоматизированного комплекса "ХТС—САУ" в составе МХП невозможно простым перебором альтернативных структур (технологий) г е Ш получения заданного ассортимента химических продуктов ией, типов а е А аппаратурно-техно -логического оформления стадий МХП, классов Ь е В и структур к е Н САУ, векторов конструктивных й е Б, режимных г е Z переменных ХТС и настроечных параметров 5 е Б САУ из-за высокой размерности задачи (рис. 1), нелинейности и нестационарности химико-технологических процессов, сложности алгоритмов вычисления компонент векторной целевой функции !(•) интегри-
рованного проектирования МХП. Структурно-параметрическое описание проектируемых ХТС, функционирующих в составе МХП, удобно интерпретировать И/ИЛИ графом, в котором множество вершин разбито на два класса (рис. 1): И-вершины (изображенные в виде квадратов) и ИЛИ-вершины (изображенные в виде кругов).
Первый ярус — И-вершины (ю, а(ю), Р(ю)) интерпретируются как исходные данные для проектирования; здесь задаются ассортимент ю, спецификация качества выпускаемой продукции а(ю) и требования р(ю) к проектируемому производству в соответствии с техническим заданием.
Второй ярус — ИЛИ-вершины содержательно интерпретируются как совокупность технологий (технологических стадий) А, Б, В, ... проектируемого химического производства и структур управления иА, иБ, иВ, ... производством.
Третий ярус — также ИЛИ-вершины соответствуют альтернативным вариантам аппаратурного оформления технологических стадий а е А и систем автоматизации (управления) Ь е В этими стадиями. Конкретный вариант структурно-параметрического описания дается деревом и получается отождествлением каждой И-вершины с одной из ее подвершин (фиксация параметрического описания), выделением из каждой группы ИЛИ-вершин, имеющих И-вершину (родителя), одной ИЛИ-вершины и отождествлением последней с одной из ее подвершин (фиксация структурного описания). Формализацию структурно-параметрического описания завершает его отождествление с вершинами конструктивных й е Б, режимных (управляющих) переменных г и настроечных параметров 5 е Б системы управления МХП.
С использованием графа, оценочных функций /(•) эффективности функционирования проектируемого МХП, эвристических и экспертных оценок выбирается наиболее перспективный вариант аппаратурного оформления и систем автоматического управления технологическими процессами МХП.
При проектировании сложных ХТС, функционирующих в составе МХП, требуется декомпозиция задачи, разработка стратегии применения методов автоматизированного проектирования, поскольку допустимая область проектных параметров Ох^х А х В х Н х Б х 2 х Б х Е строится в ходе самого процесса проектирования (рис. 2). Этого можно добиться только на основе интегрированного подхода к проектированию МХП, его аппаратурно-технологического оформления и САУ в рамках единой постановки задачи.
В МХП малотоннажной химии осуществляется совмещенное или последовательное функционирование ХТС в течение заданного календарного периода времени. Реализация планового задания по выпуску заданного ассортимента продукции в
Многоассортиментное
химическое производство (МХП)
различные периоды времени может быть обеспечена в классах непрерывных и периодических ХТС. Временные конфигурации ХТС комплектуются из множества технологических установок с помощью специальных коммутационных центров и функционируют в соответствии с расписанием в течение определенного периода времени, обеспечивая выполнение плановых заданий по заданному ассортименту иеА производимой продукции [18]. Затем ХТС останавливаются, осуществляется промывка технологического оборудования и производится комплектование временных конфигураций ХТС для производства другого ассортимента продукции и т.д.
Расписание определяет совокупность взаимосвязанных ХТС получения полупродуктов и продуктов, которые необходимо осуществить в определении последовательности (с учетом входимости других продуктов), чтобы обеспечить производство товарной продукции в заданном ассортименте и объеме за минимальное время. Заметим, что одни процессы нельзя начать прежде, чем будут завершены другие.
Результаты решения задачи определения оптимального расписания функционирования ХТС в составе МХП [18] используются в качестве исход-
ных данных для решения задачи аппаратурно-тех-нологического оформления МХП в условиях интервальной неопределенности исходных данных.
АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ХТС МХП
Эффективность функционирования ХТС в статических режимах оценивается заданной цел
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.