Моделирование и оптимизация

Компьютерное моделирование является мощным средством исследования проектирования технологий и производственного оборудования, допускает выполнение на бумаге основных этапов проектированя, не тратя понапрасну сырьевые ресурсы и готовые изделия. Уровень приближенности модели к реальным условиям должен быть математически обоснован.

Моделирование используют по многим причинам:

1) чтобы понять поведение сложных технологических линий, состоящих из множества машин, аппаратов и агрегатов;

2) чтобы предсказать результаты работы того или иного оборудования;

3) чтобы оптимизировать работу уже имеющейся технологической линии;

4) чтобы выбрать систему управления технологическим процессом.

Компьютерное моделирование широко используется как в химической и нефтехимической, так и в пищевой промышленности – как в проектировании новых технологических процессов, так и в совершенствовании уже имеющихся.

Использование компьютерного моделирования ведется с конца 1950-х гг. и в настоящее время приобрело форму пакетов универсальных моделирующих программ, из которых можно выделить следующие пакеты программ, занимающие лидирующее положение в мире: ASPEN PLUS, HYSIS, CHEMCAD и PRO/II.

В пищевой промышленности наибольшее распространение получили пакеты ASPEN PLUS и SPEEDUP [11]. Эти пакеты состоят из блока математических моделей работы технологических установок, линий и систем с соответствующими уравнениями материальных и тепловых балансов, а также блока физико-химических свойств пищевых продуктов и сырья для их получения. Эти два блока взаимосвязаны и описывают изменения, происходящие в ходе технологического процесса.

Можно выделить два этапа в развитии компьютерного моделирования технологических линий пищевых и химических производств, и сейчас мы находимся в преддверии третьего. Этот последний этап отличается от первых двух, в первую очередь, тем, что при моделировании учитывается неполнота информации о технологической линии, которой располагаем, и в постановку задачи включается требование обеспечения работоспособности (гибкости) технологической линии.

Технологические линии, как правило, имеют рециклы, их структура является замкнутой. В связи с этим расчет материальных и тепловых балансов, без которого не может обойтись ни одно проектирование новой технологической линии, сводится к решению системы нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений и представляет из себя сложную итерационную процедуру, обычно весьма трудоемкую ввиду нелинейности математических моделей физико-химических и биологических процессов, осуществляемых на различных технологических стадиях производства.

Настоящий расцвет компьютерного моделирования начался с появления персональных компьютеров. На втором этапе совершенствования универсальных моделирующих программ было осознано, что наибольшие возможности компьютерного моделирования технологических линий связаны не с передачей компьютеру традиционных для проектировщиков функций по расчету материальных и тепловых балансов, а с реализацией с помощью компьютера других функций и решением новых задач. И, прежде всего, функции оптимизации управления действующими технологическими линиями и особенно проектирования новых. Некоторые универсальные моделирующие программы оснащены математическими оптимизационными модулями, но их использование носит редкий, в основном иллюстративный или исследовательский характер.

Начало второго этапа в развитии компьютерного моделирования можно условно отнести ко второй половине 1980-х гг., когда в вышеназванные универсальные моделирующие программы были введены оптимизационные процедуры. Их (моделирующие программы) стали применять не только для расчета отдельных технологических процессов, но и для оптимизации стационарных режимов технологических линий. Но все же, вплоть до настоящего времени, универсальные моделирующие программы гораздо чаще применяют для расчета технологических машин и аппаратов и банка физико-химических свойств, отвечающего последним достижениям науки. Причина здесь – в значительно математической трудности оптимизационного расчета по сравнению с балансовым и в непривычности функции оптимизации для исследователей и проектировщиков. Но главное и принципиальное затруднение, на наш взгляд, связано с частичной неопределенностью информации, которой мы располагаем, когда должны решать задачу оптимизации. Неопределенность практически всегда имеет место на этапе проектирования и часто – на этапе эксплуатации технологических линий пищевых производств. Учет неопределенности информации требует как разработки новых математических постановок задач, так и новых подходов и методов их решения.

Запишем систему уравнений материальных и тепловых балансов технологической линии некоторого производства в общем виде:

где функции f_i (d, z, y) получены из уравнений материальных и тепловых балансов для отдельных машин и аппаратов технологической линии и соотношений связи между ними; d – вектор конструктивных переменных технологического оборудования; z – вектор режимных переменных технологической линии (вектор переменных, которыми можно будет непосредственно управлять при работе технологической линии); y – вектор состояний (вектор концентраций, температур осуществления технологических стадий, расходов потоков и т.п.). Обычно из уравнения y определяется как однозначная функция f_i (d, z,).

Далее, при проектировании должен быть соблюден ряд требований-ограничений, как правило, в форме равенств и/или неравенств:

Ограничения могут быть технологическими, технико-экономическими, экологическими и регламентными. Ограничением в форме равенства является производительность по целевому продукту.

Наконец, для оптимизации должен быть задан критерий как функция переменных технологической линии: C (d, z), подлежащий минимизации или максимизации. Критерий может быть технологическим или чаще экономическим – приведенные затраты или прибыль.

Математически задачу оптимизации технологической линии (для случая минимизации критерия) можно записать в виде:

В научной и прикладной литературе такие задачи принято называть задачами нелинейного программирования (задача НЛП). Методам решения таких задач посвящена обширная литература[1].

Так, однако, обстоит дело в идеальном случае. В реальности на этапе проектирования в математическом описании технологической линии всегда присутствуют неопределенности. Последние могут быть двух родов. Одни из них, такие, как параметры сырья и температура окружающей среды, могут изменяться во время работы технологической линии, оставаясь в пределах некоторого диапазона (интервала) изменений. Для них принципиально невозможно указать единственное значение.

Другие могут быть в реальности постоянными для данной технологической линии, но их значения могут быть известны лишь с точностью до определенного интервала, например, некоторые коэффициенты в уравнениях химической кинетики или тепломассопереноса. Чтобы учесть те и другие в математическом описании технологической линии, достаточно ввести неопределенные параметры в зависимости для C и g_i.

В настоящее время, по-видимому, существует незаполненная ниша, связанная с потребностью в простых, гибких и недорогих универсальных моделирующих программах, с широким спектром возможностей для оптимизации технологических линий, которые давали бы возможность квалифицированному пользователю решать оптимизационные задачи, используя эффективные алгоритмы, учитывающие особенность конкретной технологической линии. Эти программы можно было бы сравнительно просто оснастить средствами для учета неопределенности и анализа гибкости. Подобные программы явились бы полезным дополнением к существующим «большим» программам типа ASPEN PLUS.

В этой связи следует отметить разработки, связанные с программой ROPUD. Программа предназначена для решения расчетных и оптимизационных задач, и ее можно отнести к классу универсальных программ. Программа составлена на языке С и ориентирована на работу в среде Visual C++.

ROPUD может функционировать в режиме самостоятельной работы (первый) и в режиме работы под управлением другой программы (второй). Программа рекурсивна, т.е. может вызывать сама себя. В связи с этим с помощью ROPUD можно реализовать различные декомпозиционные стратегии поиска, в том числе многоуровневые. От пользователя при этом требуется лишь составление на языке С функций-переходников достаточно простого вида. Возможность использования декомпозиционных стратегий поиска (в том числе многоуровневых) является важной характеристикой ROPUD, позволяющей учитывать особенности оптимизируемой технологической линии.

РАЗРАБОТКА СИТУАЦИОННОГО И ГЕНЕРАЛЬНОГО ПЛАНОВ

Ситуационным планом промышленного предприятия называют часть проекта, включающую в себя план определенного района населенного пункта или окружающей территории, на котором указывают расположение запроектированного предприятия и другие объекты, имеющие с ним непосредственные технологические, транспортные и инженерно-технические связи.

Разрабатывая ситуационный план, стремятся территориально объединить предприятия в один промышленный узел, при этом руководствуются принципами концентрации и кооперации.

Посредством концентрирования предприятий в одном месте может быть обеспечено совместное использование различных устройств и установок. Так, при кооперировании предприятий проблемы инженерного обеспечения и удаления отходов и стоков в промышленных районах решаются экономичнее, нежели для единичных предприятий, расположенных вне таких районов. Это относится к снабжению электроэнергией, газом, теплом, паром, горячей, питьевой и технической водой.

Переработка одного и того же исходного сырья, производство одного и того же конечного продукта, совместная поставка продукции потребителям и, тем самым, рациональное использование транспортных средств или же кооперирование административных зданий, могут стать основанием для расположения и взаимосвязи различных предприятий в одном месте. Кооперирование предприятий в форме промышленных комплексов позволяет уменьшить размеры занимаемой площади.

На рис. 4 показан ситуационный план промышленного района большого города. Можно отметить размещение предприятий с учетом производственных вредностей, удачное решение сети путей сообщения, использование теплоцентрали для всех предприятий, защитные полосы озеленения и «зеленый пояс».

Ситуационный план разрабатывается в масштабе 1: 5000, 1: 10 000, 1: 25 000. В ситуационный план включают общие водозаборные сооружения, санитарно-защитные зоны, отмечаются точки выбросов газов и т.д.

Для уменьшения загазованности жилого массива выбросами промышленных предприятий их располагают с учетом преобладающего направления ветров, которое определяют по средней розе ветров летнего периода на основе многолетних наблюдений (50…100 лет) метеорологических станций.

Розу ветров располагают на ситуационных и генеральных планах в верхнем левом углу чертежа и строят в соответствующем масштабе следующим образом (рис. 5):

окружность делят на восемь или 16 равных частей и в результате получают восемь или 16 румбов: С, СВ, В, ЮВ, Ю, ЮЗ, З, СЗ. От центра окружности (начало координат) откладывают в выбранном масштабе процентную повторяемость ветров в течение года (результат многолетних наблюдений) по соответствующим румбам. Полученные точки соединяют. Наиболее вытянутая сторона полученной фигуры показывает направление господствующих ветров. Для построения розы ветров по скорости откладывают силу ветра (в м/с) в выбранном масштабе по направлению соответствующих румбов и полученные точки соединяют между собой (на рис. 5 пунктир).

Промышленные здания рекомендуется располагать продольной осью по направлению господствующего ветра или под углом 45° к нему.

С использованием ситуационного плана разрабатывают генеральный план проектируемого предприятия в масштабе 1: 500, 1: 1000, 1: 200 или 1: 5000 (рис. 6), руководствуясь разделом СНиП «Генеральные планы промышленных предприятий».

На генеральном плане промышленного предприятия изображают: размещение всех зданий и сооружений; расположение цехов по группам; ширину противопожарных и санитарных разрывов между зданиями; проезды и въезды в цехи, автодороги и железнодорожные пути; инженерные сети; ограждение территории с указанием въезда и проходных на территорию завода; размещение пожарных гидрантов, зоны озеленения, розу ветров.

Основными критериями разработки генеральных планов являются: зонирование территории; разделение и изоляция грузовых и людских потоков; обеспечение компактности застройки; унификация и модульная координация элементов планировки (панелей, кварталов, проездов, проходов, коридоров, инженерных коммуникаций) и застройки территории; обеспечение возможности развития и расширения предприятия.

При проектировании генерального плана предприятия следует находить наиболее экономичные и удобные производственные связи между отдельными цехами, сооружениями и устройствами, обеспечивающими основной производственный процесс, начиная от ввоза сырья до вывоза готовой продукции, включая утилизацию промышленных отходов.

Зонирование начинают с объединения отдельных цехов, сооружений и устройств в группы в соответствии с определенными признаками с последующим распределением территории между этими группами. Зонирование осуществляют по производственному признаку, по степени грузоемкости цехов, по степени вредности производств, по пожаро- и взрывоопасности цехов.

Например, территорию проектируемого предприятия делят на четыре зоны (рис. 6):

I – предзаводская, где располагаются вспомогательные здания (административные корпуса, стоянки пассажирского транспорта);

II – производственная, где находятся основные и вспомогательные цеха;

III – подсобная, предназначенная для энергетических объектов и для прокладки инженерных коммуникаций;

IV – складская с пунктами приема сырья и отпуска готовой продукции.

В соответствии с рекомендациями СНиП предзаводскую зону предприятия следует размещать со стороны основных подъездов и подходов работающих, а ее размеры принимать из расчета: 0,5…0,8 га на 1000 работающих.

Расстояние от проходных пунктов до входов в санитарно-бытовые помещения основных цехов, как правило, не должно превышать 800 м.

Предприятия с площадками размером более 5 га должны иметь не менее двух въездов.

Промышленную зону с производствами повышенной пожаро- и взрывоопасности необходимо располагать с подветренной стороны по отношению к другим зданиям и сооружениям.

Энергетические объекты размещают ближе к основным потребителям. Они должны иметь по возможности наименьшую протяженность тепло-, газо-, паропроводов и линий электропередач.

Склады располагают около внешних границ территории предприятия с целью эффективного использования подъездных путей и железнодорожного транспорта. Расстояние от путей до зданий определяют по нормативным документам.

Разделение и изоляция грузовых и людских потоков. Применяют для обеспечения безопасности персонала и одновременно наиболее активного функционирования транспортных коммуникаций. Для этого предусматривают устройство раздельных проходных для рабочих и грузов, а также устройство переходных мостиков, транспортных эстакад и переходных галерей.

Обеспечение компактности застройки. Реализуется путем блокирования зданий и сооружений и увеличения этажности зданий. Как правило, группы помещений размещают в одном здании (по производственному признаку), стремясь использовать двух- и многоэтажные здания. Это приводит к сокращению площади застройки, уменьшению протяженности коммуникаций, снижению тепловых потерь, уменьшению пути перемещения людей и грузов.

Унификация и модульная координация элементов планировки и застройки территории. Является одним из средств структурного построения генерального плана, упорядочения застройки, облегчающей дальнейшее развитие производства.

Это создает предпосылки для широкого внедрения типовых решений зданий, сооружений, инженерных устройств и технологических линий.

Исходным модулем, которому должны быть кратны планировочные параметры, является модуль, равный 6 м.

Обеспечение возможности развития и расширения предприятия. При компоновке генерального плана могут быть предусмотрены резервы территории с определением порядка их будущей застройки. Расширение предприятия следует предусматривать без сноса возведенных ранее зданий и сооружений. Расширение предприятий в сторону основных магистралей и площадей исключается. Резервная площадь для перспективного расширения предприятия предусматривается только при наличии этого условия в задании на проектирование при соответствующем обосновании.

При постепенном вводе в действие отдельных производств предприятия необходимо соблюдать принцип обеспечения очередности строительства и определенной архитектурной законченности на каждом его этапе.

При разработке плана производственной зоны предварительно намечают расположение отдельных цехов, соблюдая при этом непрерывность и последовательность размещения в направлении общего технологического потока проектируемого производства. Наиболее рациональное решение плана получают при прямоугольных очертаниях зданий и застройки.

Застройка может быть блокированная, когда отдельные цехи размещаются в одном здании.

При рассредоточенной системе застройки отведенной территории между зданиями и сооружениями необходимо оставлять минимальные противопожарные и санитарные разрывы.

На генеральном плане показывают размещение подземных, надземных и наземных коммуникаций (водопровод, канализация, линии энергоснабжения и связи, газопровод, теплопровод и т.д.). Коммуникационные сети проектируют в виде прямолинейных участков вдоль магистральных проездов параллельно линиям застройки. Пересечение проездов сетями трубопроводов следует устраивать под прямым углом к оси проезда.

Подземные сети нельзя прокладывать вдоль проезжей части автомобильных дорог. Надземные инженерные сети следует располагать на опорах, эстакадах, в галереях или стенах зданий и сооружений. При наземном размещении сетей необходимо предусмотреть защиту их от механических повреждений и неблагоприятного атмосферного воздействия. Для этого их следует размещать на шпалах, уложенных в открытых лотках, на отметках ниже планировочных отметок территории. Нельзя прокладывать газопроводы и трубопроводы легковоспламеняющихся и горючих веществ под зданиями, автомобильными и железными дорогами.

Вдоль магистральных и производственных дорог следует предусматривать тротуары, ширина которых не менее 1,5 м.

Тротуары должны быть отделены от автомобильной дороги разделительной полосой шириной не менее 0,8 м. Расположение тротуаров вплотную к проезжей части автомобильной дороги допускается только в условиях реконструкции предприятия.

Между местами вредных газовых выбросов в атмосферу и жилыми или общественными зданиями необходимо предусматривать санитарно-защитную зону. Ширина зоны принимается по нормативным документам в зависимости от класса вредности газовых выбросов. Санитарно-защитную зону благоустраивают и озеленяют.

На генплане (рис. 6) указываются высотные отметки местности (340, 343, 341), оси строительной геодезической сетки (17А, 18А; 6Б, 7Б). Все сооружения завода «привязывают» к координатной сетке с указанием расстояний от условной нулевой параллели и условного меридиана. По этой привязке можно определить расстояние между цехами.

В качестве примера показана привязка цеха 3 и склада 4 к координатным осям. Число с буквой А в числителе показывает расстояние в км от условной нулевой параллели, а со знаком + дополнительные метры. В знаменателе число с буквой Б показывает расстояние от нулевого меридиана. Таким образом, расстояние между точками по широте (снизу вверх) равно 17 км 40 м – 17 км 20 м = 20 м, а по долготе (слева направо) 6 км 80 м – 6 км 10 м = 70 м.

На этом же рисунке показано зонирование строительной площадки. В производственной и складской зонах предусмотрены участки под расширение предприятия. На рисунке условно не показаны тротуары, транспортные коммуникации, инженерно-технические сети и ограждение объекта.

При разработке генерального плана рассчитывают основные технико-экономические показатели по генеральному плану:

- – площадь территории, занимаемой проектируемым предприятием (в га);

- протяженность внутризаводских железных дорог (в км);

- протяженность ограждений по внешней границе площадки;

- коэффициенты застройки, использования территории и озеленения.

Коэффициент застройки определяют как отношение площади, занимаемой всеми зданиями и открытыми складами, к общей площади территории промышленного предприятия в ограждении. Величина этого коэффициента от 0,22 до 0,5. Коэффициент использования территории определяют как отношение площади всех зданий и сооружений, в том числе железнодорожных путей, автодорог, инженерных коммуникаций, к общей территории в ограждении, и он колеблется от 0,5 до 0,75.

Аналогично определяется коэффициент озеленения.

Данные показатели дают возможность сделать качественную оценку разработанному проекту, выявить его достоинства и целесообразность принятых решений. Оптимальное решение генерального плана и основных его элементов достигается путем сопоставления технико-экономических показателей проекта с показателями аналогичных по мощности действующих предприятий.