ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Холодильная техника находит широкое применение на предприятиях пищевой, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности, причем затраты на производство умеренного холода составляют значительную часть общей суммы затрат на все технологическое производство (до 25 %).

Высокий уровень технического прогресса привел к созданию высокоинтенсивных технологических процессов, агрегатов большой единичной мощности, что предопределило резкое увеличение холодопотребления предприятий.

Производство умеренного холода на целом ряде производств сочетается с процессами низкопотенциального теплоснабжения в соответствующем диапазоне температур, что приводит к дополнительному усложнению систем хладоснабжения. Сложность внутренних взаимосвязей параметров, процессов и характеристик отдельных элементов системы хладоснабжения предопределяет необходимость совершенствования научных, инженерно-технических и технико-экономических решений, обеспечивающих возможность значительного снижения капитальных и энергетических затрат на производство холода и сокращение сроков проектирования. Существенное повышение качества проектирования систем хладоснабжения возможно за счет интенсификации и координирования научно-исследовательских работ, направленных на создание перспективных и надежных систем хладоснабжения и рациональных способов их регулирования, ускорение разработки их математического описания с целью последующего использования в процессах проектирования. При этом возникает необходимость решения научно-технических проблем холодильной техники, связанных с разработкой современных методов автоматизированного проектирования с помощью ЭВМ, обеспечивающих возможность проведения оптимизационных проектных исследований систем хладоснабжения и координирование результатов этих исследований с результатами исследований других подсистем технологического производства с целью достижения оптимальности общего решения.

Сложные системы хладоснабжения крупных производств разрабатываются кооперацией отдельных проектных и проектно-конструкторских организаций, подразделений и отделов, методические положения по координации многоуровневых процессов автоматизированного проектирования отдельных подсистем или узлов в настоящее время практически отсутствуют. Используемый метод итерационного последовательного согласования технических решений не позволяет получать оптимальных решений без строгих координирующих воздействий, при разработке которых имеются значительные затруднения как научного, так и организационного характера.

Наибольшие трудности возникают при проектировании сложных систем большой мощности, когда предполагается создание специального компрессорного и теплообменного оборудования для работы в переменных условиях эксплуатации.

Развитие вычислительной техники создает условия для перехода к новому этапу автоматизации процесса проектирования, а именно к созданию систем автоматизированного проектирования холодильных установок путем сопряжения локальных вычислительных комплексов, обеспечивающих проектирование отдельных узлов и элементов. При этом необходима разработка таких методов структурно-параметрической оптимизации холодильной установки и отдельных ее подсистем, которые обеспечили бы возможность построения единого алгоритма всего процесса проектирования при реализации произвольной задачи (проектирование новых и реконструкция действующих систем, оценка эффективности применения новых схемных решений, конструкций, процессов и т. д.).

Фактически необходимо создание скоординированной системы, обеспечивающей возможность не только проектирования, но и оперативной оценки воздействия от реализации любой идеи на эффективность холодильной установки с помощью численного приближенного исследования. Очевидно, что создание такого механизма исследований возможно только при наличии методов структурной и параметрической оптимизации установок с произвольным схемным решением и учетом особенностей эксплуатации и надежности, методов математического моделирования отдельных элементов и элементарных процессов, методов описания свойств рабочих тел, методов автоматизации построения математических моделей сложных систем.

При соответствующем техническом и организационном обеспечении этой системы сроки внедрения разработок значительно сокращаются, резко повышается качество проектных работ. Причем разработанное методическое и программное обеспечение должно быть использовано не только для проведения проектных исследований, обработки экспериментальных данных, численных экспериментов, но и для создания подсистем для оценки технического состояния и автоматического управления холодильных установок.

В общем случае задача комплексной оптимизации предприятия в целом сводится к достижению максимального значения чистого дисконтированного дохода [1]:

где
   H - вектор структурных параметров;
   X - вектор внутренних оптимизационных параметров;
   U - вектор параметров управления.

Для систем хладоснабжения при условии неизменности результатов задача оптимизации сводится к достижению условия

,

где
   З_t - затраты, осуществляемые на реализацию проекта в году t;
   Т - горизонт расчета;
    - коэффициент дисконтирования.

Случайное воздействие предлагается оценивать с помощью его математического ожидания, что приводит к формальному отсутствию неопределенности и возможности использовать дискретно-непрерывные или детерминированные модели, при этом результаты интерпретируются с учетом вероятностной природы указанных параметров. При наличии информации о статистических законах распределения отказов [2, 3], стратегии ППР, интенсивности изменения эксплуатационных параметров отдельных элементов и схеме связей между ними появляется возможность определения эффективности работы системы с использованием основных способов повышения надежности (изменения числа температур кипения, резервирования, изменения конструкции элементов и т. п.) по условию

где

   

В зависимости от назначения, системы хладоснабжения могут рассматриваться как автономные энерготехнологические объекты, и как объекты, входящие в состав производственно-технологических предприятий различных отраслей промышленности.

Как показывает анализ функциональных особенностей холодильных установок в процессе проектных исследований, в большинстве случаев указанное выше выделение систем хладоснабжения в процессе декомпозиции предприятий в самостоятельные объекты исследования оказывается возможным и рациональным при корректных координирующих взаимодействиях отдельных подразделений и проектных организаций.

При системном подходе формализация систем хладоснабжения как объекта является базой для построения иерархии и создания методологий проектирования, эксплуатации исследования, она рассматривается как отдельная многоэлементная система с иерархической структурой и как квазистационарная физико-техническая система с большим числом внешних воздействий и внутренних взаимосвязей и ограничений.

Для реализации всестороннего исследования систем хладоснабжения предлагается:
   - введение универсальности иерархического принципа декомпозиции с использованием обобщенных функциональных особенностей выделенных подсистем;
   - осуществление декомпозиции системы на подсистемы, которые имеют максимальную автономность (минимальное количество связей) как с позиции проведения предварительных экспериментальных и теоретических исследований, так и проведения синтеза и оптимизации непосредственно в процессе проектирования.

Учитывая функциональные особенности холодильных установок различного схемного исполнения, указанная иерархическая структура компрессионных систем хладоснабжения может быть представлена согласно рис. 1.

Каждая часть каскада (или система хладоснабжения при бескаскадном исполнении) состоит из основного энергетического комплекса, вспомогательного охлаждающего комплекса и множества потребителей холода.

Задачей основного энергетического комплекса является сбор паровых потоков хладагента во всасывающих патрубках компрессоров, реализация основных процессов холодильного цикла до формирования жидкостного потока перед его транспортировкой к потребителям холода или приборам охлаждения (испарителям). В нем выделяются следующие подсистемы:
   - сжатия и промежуточного охлаждения паров хладагента;
   - охлаждения и конденсации хладагента;
   - подготовки хладагента к распределению по охлаждающим устройствам или потребителям холода различных температурных уровней;
   - сосредоточенная подсистема, к которой сводится вспомогательный охлаждающий комплекс.

Задачей вспомогательного охлаждающего комплекса является реализация способностей жидкого хладагента или хладоносителя того или иного потенциала (по давлению и температуре) по отводу теплоты на различных температурных уровнях от охлаждаемых объектов. Причем отвод теплоты может осуществляться на одном или нескольких уровнях, что предопределяет соответствующий состав вспомогательного охлаждающего комплекса:
   - множество циркуляционных контуров непосредственного охлаждения;
   - множество циркуляционных контуров с промежуточным хладоносителем.

Количество циркуляционных контуров соответствует количеству температур кипения хладагента в системе.

В системах непосредственного охлаждения в состав циркуляционных контуров входят:
   - множество разветвленных паровых всасывающих трубопроводов (включая отделители жидкости);
   - множество потребителей холода (совместно с элементами для организации вынужденной локальной циркуляции жидкости);
   - подсистема разветвленных жидкостных трубопроводов;
   - подсистема "жидкостный стояк - насосы" (только при отказе от стабилизации давления конденсации хладагента в процессе эксплуатации системы);
   - множество разветвленных парожидкостных обратных трубопроводов;
   - множество подсистем "циркуляционный ресивер - насосы ".

При использовании промежуточного хладоносителя в состав циркуляционных контуров входят:
   - множество разветвленных жидкостных трубопроводов;
   - множество потребителей холода (совместно с элементами для организации вынужденной локальной циркуляции жидкости);
   - множество подсистем "насосы - емкостное оборудование";
   - множество охлаждающих устройств (совместно с элементами для организации вынужденной локальной циркуляции жидкости).

На базе указанной формализации предлагается строить:
   - иерархию проектно-конструкторских и экспериментально-исследовательских работ;
   - методологию структурной и параметрической оптимизации систем хладоснабжения;
   - иерархическую структуру математической модели.

Таким образом, согласно предложенной формализации осуществляется практически весь объем работ, направленных на достижение конечной цели - максимальное повышение эффективности систем хладоснабжения.

Методологию структурно-параметрической оптимизации предлагается при этом базировать на совмещении принципов декомпозиции и композиции (см. рис. 2).

Именно сочетание указанных принципов декомпозиции и композиции позволяет решать задачи координирования этапов структурной и параметрической оптимизации основного оборудования, а значит, и предопределяет саму возможность деления процесса оптимизации на отдельные этапы и объединения их в единый алгоритм в режиме диалога. Использование имитационных моделей, описывающих фрагменты подсистем элементов и процессов, позволяет обеспечить соответствие критерия оптимальности на отдельном этапе общему условию оптимальности при структурной и параметрической оптимизации системы хладоснабжения.

При этом в основу имитационных моделей отдельных комплексов или блоков могут входить результаты оптимизационных исследований объектов в виде регрессивных (имитационных) соотношений между входными и выходными переменными или параметрами. Соотношений в общем случае может быть несколько, т. к. они могут отражать разнообразные взаимосвязи как физических параметров, так и технико-экономических. Получение указанных моделей возможно как на этапах предварительных общесистемных оптимизационных исследований, так и на выделенных этапах непосредственно в процессе автоматизированного проектирования.

Базируясь на указанных подходах, процесс создания методики структурной и параметрической оптимизации систем хладоснабжения можно представить в виде укрупненной структуры (см. рис. 3).

Структурно-параметрическая оптимизация систем хладоснабжения таким образом, сводится к последовательному синтезу структур и оптимизации параметров отдельных комплексов (подсистем) с привлечением методов сопряжения с другими комплексами (подсистемами) на базе имитационного (регрессионного) моделирования. Имитационные (регрессионные) модели подсистем и элементов представляет собой информационные отражения в детерминированном или индетерминированном виде связи между обобщенными входными параметрами и оптимальным откликом, которые характерны только для конкретной подсистемы с конкретными стоимостными характеристиками используемых материалов, оборудования и энергии.

Откликом в данном случае являются значения обобщенных физических характеристик (перепады температур, давлений и др.). Зависимости для расчета оптимальных технико-экономических показателей также включаются во множество имитационных соотношений, а результаты - во множество параметров отклика.

Сформулированная задача структурно-параметрической оптимизации является весьма сложной нелинейной задачей, а так как возникает необходимость оптимизировать состав оборудования, то указанная задача приобретает и комбинаторно-дискретный характер. Достаточно корректное решение может быть получено только при глубоком анализе специфики данной задачи и использовании методов многоуровневой оптимизации.

Обобщенный алгоритм структурно-параметрического синтеза холодильных установок предлагается формировать из нескольких скоординированных этапов:
   - выбор хладагентов и типа схемы;
   - направленный поиск приближенной структуры и оптимального распределения потребителей холода и тепла по температурным уровням (или диапазонам) при использовании имитационного (регрессионного) моделирования теплообменного и компрессорного оборудования;
   - эмпирико-эвристический последовательный синтез уточненных структур основного энергетического комплекса первой части каскада с вариантами фиксированных множеств температур кипения хладагента на базе соотношений о степени воздействия изменения структуры на общую эффективность системы;
   - структурно-параметрическая оптимизация контуров вспомогательного охлаждающего комплекса первой части каскада с формированием их математических моделей;
   - многоуровневая параметрическая оптимизация оборудования с совмещением принципов декомпозиции и композиции (при стягивании контуров вспомогательного комплекса в псевдовершины основного энергетического комплекса);
   - формирование имитационных (регрессионных) моделей для первой части каскада в виде зависимости критерия эффективности:

,

Выбор хладагента и типа схемы осуществляется предварительно с использованием эмпирико-эвристических методов на базе анализа всей информации об объекте и конструкции охлаждающих устройств (обычно в режиме диалога).

Распределение потребителей холода по изотермам осуществляется после достижения условия

В процессе синтеза каждая подсистема "вложенных" циркуляционных контуров (каждого температурного уровня) вспомогательного охлаждающего комплекса сводится к псевдовершине основного энергетического комплекса, имеющей математическое описание, сформулированное при проведении оптимизационного исследования соответствующей подсистемы. Указанный подход дает возможность провести декомпозицию графового описания всей системы и значительно упростить его.

При графовом представлении структура систем хладоснабжения описывается ориентированным связным графом G(N, M, Г), состоящим из множества взаимосвязанных подграфов G_ij(N_ij, М_ij, Г_ij), имеющих замкнутые "вложенные" контуры, причем

,   ,

Принцип генерирования структуры согласно графовому описанию можно представить в виде:

Последовательное формирование структуры основного энергетического комплекса реализуется с помощью специального информационного графа, на котором вершины отображают типовые процедуры синтеза отдельных подсистем.

Структура вспомогательных охлаждающих комплексов в установках различной мощности остается практически неизменной в практике проектирования, поэтому их можно считать типовыми (меняется только количество потребителей холода), проводится их систематизация и формирование архива типовых структур.

Структурно-параметрическая оптимизация трубопроводных подсистем [4, 5] сводится к достижению условия

Структурная оптимизация трубопроводов успешно решается путем приведения ее к модифицированной задаче Штейнера. Параметрическая оптимизация разветвленных трубопроводов решается с использованием методов динамического программирования.

Параметрическая оптимизация каскадной холодильной установки сводится к достижению условия

min З (Н, X, U) = min [З^I + З^II] = min [З^I_эк + З^II_{ок i} + З^II_эк + З^II_{ок i}] =
= min [З^I(T^I_к, t_к-и) + З^II_эк(X, U) + З^II_{ок i}(T_{0 i}, T_{нд i}, t_{min i})

Математические модели, полученные по результатам оптимизационных исследований первой части каскада при фиксированном множестве закрепленных параметров T^I_к и t_к-и и вспомогательных охлаждающих контуров второй части каскада, используются при оптимизации всей системы в целом (см. рис. 2). Основные параметры, определяющие эффективность как вспомогательных комплексов, так и всей системы представлены на рис. 5.

Система хладоснабжения последовательно формируется в виде ориентированного связного потокового графа, математическая модель системы генерируется с помощью метода модульного программирования из заранее составленных математических моделей отдельных типовых элементов; решение общей системы уравнений осуществляется методом разрыва замкнутых контуров графа после охлаждающих устройств всех температурных уровней, что сводит систему контуров к эквивалентной разомкнутой системе, представленной в виде формального дерева связного графа.

Расчет любого контура сводится к последовательному анализу выделенных подсистем (состоящих из определенных совокупностей элементов, которые рассчитываются и исследуются только совместно) с формированием имитационных (регрессионных) моделей, используемых при исследовании подсистем более высокого уровня (на базе принципов композиции).

Расчеты замкнутых контуров сводятся к последовательному модульному расчету отдельных подсистем условно разомкнутых контуров.

Организация последовательного расчета основного и вспомогательного контуров на принципах термоэкономики представлена на рис. 6.

Динамические процессы холодильной техники в большинстве случаев имеют достаточно большую постоянную времени, что дает возможность рассматривать их в виде последовательности стационарных процессов, т. е. использовать квазистационарные модели объектов.

Функция цели (ЧДД или З_t) выражается в этом случае системой нелинейных и трансцендентных уравнений с большим числом ограничений и логических связей, поэтому данная задача составляет предмет нелинейного программирования. При решении задач параметрической оптимизации неплохо зарекомендовал себя метод скользящего допуска [2]. Для решения общей многоуровневой задачи структурно-параметрической оптимизации использовались методы нелинейного, динамического и комбинированного программирования.

Структура подсистемы "Холод", предназначенная для реализации автоматизированного проектирования холодильных систем представлена на рис. 7 [6, 7, 8].

Опыт проведения проектных исследований турбокомпрессорных холодильных установок для предприятий по переработки нефти и газа подтверждают эффективность использования методов оптимального проектирования, возможность сравнительных оценок эффективности использования различного оборудования, хладагентов и т. д. (см. рис. 8).

Разработанное математическое и программное обеспечение предназначено для реализации предпроектных и проектных исследований целого ряда холодильных систем предприятий нефтехимической, нефтеперерабатывающей, пищевой и др. отраслей промышленности.

Литература

   1. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. Утверждено Госстроем России, № 7-12/47, 31 марта 1994 г., "Стройинформ-СПб", Спец. выпуск, 1995 г.
   2. Курылев Е. С., Петров Е. Т., Михновская Е. Л. Автоматизированное проектирование холодильных установок. Холодильная техника, № 5, 1981.
   3. Петров Е. Т., Лукьянова Т. А. Обработка статистической информации по надежности отдельных элементов компрессорных станций. Деп. сб. "Новые исследования холодильных машин и установок". ЦИНТИхимнефтемаш, № 1, 1985.
   4. Петров Е. Т., Калачева И. Г. Оптимизация разветвленных трубопроводов холодильных установок. Сборник научных трудов "Организационно-методические проблемы разработки и внедрения САПР в проектных организациях МНХП СССР". ЦНИИТЭнефтехим, М., 1989.
   5. Петров Е. Т., Круглов А. А. Особенности проектирования холодильных установок с промежуточным хладоносителем. Материалы международной научно-технической конференции "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке", Санкт-Петербург, 2001 г.
   6. Петров Е. Т., Михновская Е. Л. Оптимизация холодильных установок в процессе автоматизированного проектирования. Сборник научных трудов "Автоматизированное проектирование трубопроводных систем нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств". ЦНИИЭнефтехим, М., 1982.
   7. E. S. Kurylyov, E. T. Petrov and Goverdovsky. Computer optimization of a turbo-compression plant with air-cooled condensers. International Journal of Refrigeration. v. 4, N5, 1981.
   8. Петров Е. Т., Дьяченко Г. Н., Капралова А. А. Математическое моделирование теплообменной аппаратуры в задачах комплексной оптимизации холодильных станций. Межвузовский сборник научных трудов № 2, ЛТИ им. ЛенСовета., Л., 1977.

©2002-2004