Методические вопросы анализа и синтеза энерготехнологических комплексов

Поиск эффективных решений по организации энерготехнологических комплексов – чрезвычайно сложная задача, требующая проведения всестороннего анализа исходной и синтезируемой системы. Максимальная объективность и качество принимаемых решений могут быть достигнуты только при реализации математических моделей, формируемых в зависимости от класса поставленной задачи. К числу таких задач, в частности, относятся:

· поиск наилучших режимов работы технологических объектов во взаимосвязи с системами энергоснабжения;

· организация эффективного управления нефтехимическим производством с учетом его внутренней структуры при наложении возмущений, связанных с материальными и энергетическими дисбалансами;

· минимизация удельных материальных и энергетических затрат на выпуск продукции;

· анализ эффективности синтезируемого объекта по выбранному критерию в динамике его развития и т.д.

Сложность поставленной задачи определяется иерархическим рядом объектов исследования: элемент конструкции ® аппарат ® установка ® технологическая линия ® производство ® предприятие и т.д. Данные объекты различны не только по масштабу, но и показателям работы – технологическим, энергетическим, термодинамическим, экономическим, экологическим. При решении задач определенного класса эти показатели могут доминировать, в других играть второстепенную роль или вводить условия ограничений.

Характерные особенности современной нефтехимической промышленности – непрерывность производственных процессов, многостадийность и возможность использования различного сырья для производства одного и того же продукта. Основные объекты исследования ХТС с точки зрения иерархической структуры промышленного предприятия делятся на три группы:

1) Отдельные аппараты, предназначенные для проведения заданного технологическим регламентом процесса – теплообмена, химического превращения, массопередачи и пр. Результаты, полученные при реализации математических моделей с целью энергоэкономической оптимизации элементов оборудования, с точки зрения эффективности всего производства не дают однозначного результата. При этом может быть определен локальный оптимум технологических решений, который зачастую не совпадает с глобальным оптимумом всего нефтехимического производства.

2) Блок–узлы или сочетание отдельных аппаратов или процессов, объединенных единой технологической цепочкой. Объекты этой группы характеризуются тем, что в них происходит изменение фазового состояния, состава и концентрации исходного сырья. В ходе химической реакции образуются как целевые, так и побочные продукты. На ведение процессов требуется значительное количество энергоресурсов. Математические модели громоздки и труднорешаемы. Здесь можно определить локальные оптимумы, относящиеся к некоторой совокупности элементов оборудования.

3) Нефтехимическое производство. Проблема его энергоэкономической оптимизации может быть реализована только путем оптимального проектирования и управления энерготехнологическим комплексом. С этой точки зрения объекты исследования на данном уровне можно охарактеризовать как химико-технологическую систему, обеспечивающую заданные показатели энергоемкости конечной продукции.

Теплоэнергетические системы промышленных предприятий также обладают собственной структурной иерархией (см. рис. 4.3). Поэтому при анализе и синтезе энерготехнологических комплексов необходимо тесно увязывать химико-технологические и теплоэнергетические системы на каждом из рассматриваемых уровней.

Инструментом поиска и выбора перспективных решений является сложившаяся к настоящему времени единая методология анализа и синтеза сложных промышленных систем в рамках действующих и вновь проектируемых технологических комплексов. Основные этапы исследований представлены на рис. 8.1.

На основе первичной информации об объекте последовательно проводятся:

1) структурный анализ – для выявления закономерностей внутренней организации объекта и поиска слабых связей, декомпозиция которых приведет к существенному упрощению поставленной задачи;

2) анализ эффективности деятельности объекта по выбранному критерию (экономическому, энергетическому, материальному и т.д.).

Рис. 8.1. Основные этапы системного анализа и синтеза энерготехнологического комплекса

Полученные данные используются для синтеза объекта с изменением исходных параметров, структуры и показателя эффективности. Процесс поиска комплекса мероприятий продолжается до тех пор, пока не будет найдено оптимальное решение.

I этап. Сбор первичной информации. При постановке задачи организации энерготехнологического комплекса на действующем промышленном объекте исходная информация для проведения дальнейших расчетов и исследований должна содержать следующие данные:

1) Общую производственную характеристику предприятия с выделением ее энергетической составляющей, объем и номенклатуру выпускаемой продукции, перечень установленного оборудования, себестоимость продукции, структуру энергозатрат и прочие показатели для проведения технико-экономических расчетов.

2) Схемы материальных и энергетических потоков с описанием технологических процессов и установок, видов и параметров используемых энергоносителей, характеристики энергоресурсов (теплофизические и термодинамические параметры, тепловая мощность и др.) с указанием узлов – источников ВЭР. При этом выделяются затраты энергии на собственные нужды заводских источников энергоносителей.

3) Расходы энергоносителей, включая информацию о распределении всех видов энергоресурсов между структурными подразделениями промышленного комплекса, графики выработки и потребления энергоносителей, а также данные об эксплуатационных характеристиках используемого оборудования.

Наиболее удобной формой представления данных на этапе сбора информации и анализа синтезируемых энерготехнологических комплексов с целью повышения их тепловой или термодинамической эффективности являются балансовые теплотехнологические схемы (БТТС). Составными частями БТТС являются: информационная блок-схема (ИБС) в форме ориентированного графа и таблица, содержащая данные, необходимые для проведения дальнейших расчетов (тепловых, гидравлических, эксергетических и т.д.). На ИБС наносятся все элементы и потоки, посредством которых происходит изменение исследуемых параметров. Ее вид несколько отличается от исходной технологической схемы: один элемент может объединять несколько аппаратов, выполняющих одну и ту же функцию. Часть оборудования, не оказывающая существенного влияния на рассматриваемые процессы, может быть опущена (емкости, запорная арматура и т.п.). Естественно, все вносимые изменения требуют специального обоснования.

II этап. Анализ структуры внутренних и внешних связей объекта. ХТС нефтехимических производств характеризуется сложной структурной организацией, объединяющей сотни разнородных элементов посредством прямых и обратных потоков энергии и вещества. Наличие в системе обратных потоков энергии и вещества означает, что в схеме имеются и замкнутые последовательности элементов (контуры). Любой контур можно рассчитать только в том случае, если предварительно условно разорвать один из его потоков, а затем провести итерационное согласование условно-входных и условно-выходных переменных, определяющих значения параметров потока.

В качестве допущения при структурном моделировании таких систем обычно принимается условие, что уравнения, описывающие процессы, происходящие в каждом элементе схемы, известны и заданы системой балансовых уравнений, т.е. параметры выходных потоков любого элемента схемы можно рассчитать, если известны параметры входных потоков.

Размерность и, следовательно, сложность решаемой задачи непосредственно зависит от количества и ранга контуров, образуемых в моделируемой системе. Количество уравнений системы, образующей математическую модель исследуемого объекта, представляющего собой многоконтурную систему, возрастает в десятки раз, что вызывает значительные трудности при ее реализации. Преобразование технологической схемы промышленного объекта в объединенный энерготехнологический комплекс неизбежно ведет к ее усложнению, поэтому особую важность приобретает проблема идентификации контуров и определения минимально необходимого количества условно разрываемых потоков. Кроме того, информация об имеющихся в технологической схеме контурах в случае проведения модернизации какого-либо ее элемента, узла или подразделения позволяет исключить из области анализа те элементы оборудования, которые от них не зависят.

ИБС графически отображает топологию структурной организации исследуемой системы. В общем виде она представляет собой ориентированный граф, в котором вершинами являются вычислительные блоки, а дугами – потоки информации. Построение ИБС осуществляется в следующем порядке:

1) каждый вычислительный блок обозначается определенным символом;

2) информационные потоки изображаются направленными линиями между символами со стрелками, указывающими на направление потока информации;

3) потоки и символы отдельно нумеруются.

Линии связи между вычислительными блоками отображают перемещение потоков информации. Стрелки на линиях связи показывают направление потока информации. Элементы оборудования производят физические или химические изменения в потоках вещества или энергии и, следовательно, являются преобразователями входной информации в выходную. Значения параметров входных и выходных потоков любого элемента оборудования связаны между собой системой балансовых уравнений. Если параметры входных потоков элемента оборудования заданы, то, выполнив расчет системы балансовых уравнений, можно найти значения параметров выходных потоков. Таким образом, любой элемент оборудования является вычислительным блоком в форме некоторой группы математических операций для определения неизвестной выходной информации на основе заданной входной. Элементы оборудования, в которых не преобразуется информация, в моделируемом процессе не учитываются.

Параметры, определяющие состояние потока, называются переменными потока. Типичное множество переменных теплового потока должно включать как минимум один расходный и два термодинамических параметра. Кроме того, часто накладываются дополнительные условия, ограничивающие область допустимых решений.

Механические и электрические связи являются однопараметрическими и характеризуются значением мощности.

Если материальный поток состоит из нескольких компонентов, то соответствующие параметры задаются для каждого компонента в отдельности.

Поток считается известным в том случае, если все его переменные вычислены как выходные параметры соответствующих информационных блоков или если они приняты заранее.

В зависимости от формулировки задачи исследования ИБС могут быть представлены в виде:

· материальных потоковых графов (МПГ), где МПГ – взвешенный по дугам орграф, который отображает преобразование технологическими операторами общих массовых расходов физических потоков системы. Вершины МПГ соответствуют технологическим операторам системы, узлам смешения материальных потоков в трубопроводах, источникам и стокам вещества физических потоков. Дуги МПГ соответствуют физическим потокам БТТС;

· теплового потокового графа (ТПГ), где ТПГ – взвешенный по дугам орграф, отображающий преобразование технологическими операторами системы тепловых расходов физических и фиктивных потоков теплоты БТТС. Вершины ТПГ отображают технологические операторы, которые изменяют тепловые расходы физических потоков, узлы смешения, внешние и внутренние (фиктивные) источники и стоки теплоты. Дуги ТПГ соответствуют физическим и фиктивным потокам теплоты;

· эксергетического потокового графа (ЭСПГ) – взвешенных по дугам орграфов, отображающих преобразование элементами БТТС расходов эксергии физических и фиктивных потоков вещества и энергии, а также потери эксергии в элементах моделируемой системы. Вершины ЭСПГ соответствуют технологическим операторам, осуществляющим преобразование расходов эксергии, а также соответствуют внутренним и внешним расходам эксергии. Дуги ЭСПГ соответствуют потокам эксергии физических и фиктивных потоков вещества и энергии, а также потерям эксергии в элементах системы. Для представления топологии информационной блок-схемы в цифровой форме используются матрицы инцинденции, смежности и др. Наиболее удобным способом представления ИБС для идентификации имеющихся в блок-схеме контуров является матрица смежности или список смежности.

Пусть G (V, E) – ориентированный граф без параллельных дуг, в котором V ={ v_i,v_j,...,v_n } – множество вершин графа; Е — множество ребер графа. Матрицей смежности А =[ a_ij ] графа G называется матрица размерностью п ´ n, элементы которой a _ij определяются следующим образом:

(8.1)

Таким образом, матрица смежности представляет собой квадратную матрицу, показывающую наличие или отсутствие связей между блоками ИБС. Цифра 1 в матрице смежности указывает на связь, идущую из блока, заданного номером строки, в блок, заданный номером столбца. Цифра 0 означает, что связи в этом направлении нет. Если ни один элемент не связан сам с собой, диагональ матрицы содержит только нули.

Матрица смежности позволяет проанализировать ИБС на предмет выявления разомкнутых последовательностей информационных блоков. Для этого в матрице смежности осуществляется поиск столбцов и строк, содержащих только нули. Если в матрице обнаружен столбец или строка, содержащая только нулевые элементы, это означает, что ни один блок ИБС не связан с блоком, соответствующим этому столбцу или строке. Сам блок имеет только внешние входящие потоки, а потому может быть отнесен к разомкнутой последовательности и удален из матрицы смежности путем вычеркивания соответствующих ему столбца и строки. Полученная матрица вновь анализируется на наличие столбцов и строк, имеющих только нули, пока в матрице не останется «нулевых» столбцов. Итоговая матрица смежности, образованная путем удаления «нулевых» строк и столбцов является сокращенной матрицей смежности.

Любая сложная технологическая схема,как правило, является замкнутой циклической, и, чтобы произвести ее расчет, необходимо идентифицировать содержащийся в ней контур и разорвать обратные связи. Разрываемым может быть любой поток, входящий в контур, но в случае многоконтурной системы целесообразнее разрывать дугу, общую для нескольких контуров. Тем самым сокращается объем вычислений. Наиболее удобным с этой точки зрения представляется метод, основанный на анализе матриц смежности и циклов.

Для определения оптимальных мест разрыва контуров наиболее эффективен метод, основанный на использовании матрицы циклов, поскольку он более формализован и лучше приспособлен для реализации на ЭВМ.

Основными показателями матрицы циклов являются ранг контура и частота потока. Ранг контура указывает количество потоков, посредством которых он образуется, а частота потока представляет собой сумму контуров, в которых появляется данный поток.

Минимальное число потоков, которые нужно разорвать, для того чтобы исключить неизвестные во всем контуре, определяется следующим образом. При проведении анализа принимается, что поток i включен в поток j, если каждый контур, в котором находится поток i, содержит и поток j. Потоки, которые могут быть включены в другие потоки этих же контуров, можно исключить. В результате образуется сокращенная матрица циклов. Минимальное число разрываемых потоков определяется при разрыве потоков, входящих в контуры минимального ранга и имеющих максимальную частоту.

Идентификация образуемых в системе контуров, построение сокращенной матрицы циклов осуществляется ЭВМ в соответствии с блок – схемой алгоритма структурного анализа сложных систем.

III Этап. Анализ эффективности теплопотребления на промышленных предприятиях. В зависимости от поставленной задачи выбирается критерий оценки эффективности деятельности промышленных предприятий и их подразделений на определенных уровнях иерархической структуры. Очевидно, что в ходе разработки безотходных технологий, чему в последнее время уделяется особое внимание, критерий оценки строится на основе расходных характеристик материального баланса сырьевых и топливно-энергетических ресурсов производственной цепочки.

Выбор и расчет критериев оценки при построении эффективного энерготехнологического комплекса требует создания мощной информационной базы, в которую включаются расходные, тепловые, термодинамические показатели технологических и энергетических процессов, характеристики используемого и вновь устанавливаемого оборудования, совместимости их режимных характеристик, в том числе с учетом их изменения в определенные отрезки времени и т.д.

Исходными данными для проведения аналитических исследований действующего нефтехимического предприятия являются материальные, энергетические и термодинамические балансы, а также все необходимые данные для их построения на заданном уровне иерархии: теплофизические свойства, зависимость выхода продукта от изменения параметров технологического процесса и т.п. С этой точки зрения задачи построения балансов также распределяются по уровням иерархии в зависимости от их сложности.

Дата добавления: 2014-11-29