Software & Systems

Одним из путей совершенствования энергетической базы химических и нефтехимических производств является утилизация вторичных ресурсов – рекуперация тепловой энергии отходящих технологических потоков. Так, обследование большого числа установок ЭЛОУ – АВТ нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) показывает, что уровень рекуперации тепла колеблется в пределах 25¸55%.

Этим обстоятельством объясняется интерес к разработке алгоритмов синтеза оптимальных теплообменных систем (ТС), как основного звена большинства энергоемких производств [1,2,4]. Одним из математических подходов, используемых при решении задачи синтеза, является двухуровневая процедура, на втором этапе которой решается задача нелинейного программирования при фиксированной структуре схемы, то есть `a=const.

В данной статье рассматривается программный комплекс, реализующий на алгоритмическом языке Borland Pascal с объектно-ориентированной библиотекой TurboVision 2.0 второй уровень задачи синтеза ТС, включающий следующие компоненты: информационное обеспечение системы, описывающие структуры ТС и отдельные ее элементы; библиотеку расчетных модулей элементов схемы и физико-химические свойства технологических потоков; управляющую программу (диспетчер системы), организующую процесс вычислений; оптимизацию параметров схемы и анализ ее работоспособности.

Информационное обеспечение системы

Традиционно информационная база подобных систем организована в форме совокупности файлов, включающих следующие информационные массивы.

Вектор РС – расчетная последовательность, включает номера (индексы) аппаратов схемы, упорядоченных в соответствии с порядком их расчета, который задается вручную или формируется автоматически с использованием программ структурного анализа [4].

MSN – матрица процесса, определяет структуру связей аппаратов. Каждая i-тая строка матрицы имеет следующий вид:

jтр,½Fтр,½Kмт,½ Fмт ,

где jтр Kмт – номера (индексы) элементов схемы, являющиеся смежными по входу для i-го элемента соответственно по трубному (тр) и межтрубному (мт) пространствам; Fтр, Fмт – признаки, определяющие тип входного потока (из трубного, межтрубного пространства) или внешний поток.

MPN – матрица потоков, которая определяет основные характеристики входных потоков в аппарат (расходы, температуры, теплоемкости по трубному и межтрубному пространствам) и конструктивные параметры теплообменника (данные для расчета площади, коэффициента теплопередачи, способ обвязки группы аппаратов). Отдельные поля этой матрицы заполняются в процессе расчета схемы.

Сложность задачи синтеза требует при ее решении максимального учета специфики решаемой задачи. В практике широко используются технологические схемы, которые можно рассматривать как совокупность однотипных аппаратов (гомогенные схемы). Это обстоятельство в значительной мере упрощает разработку моделирующей системы, уменьшая количество необходимых расчетных модулей и упрощая выбор единой структуры информационных потоков.

Библиотеки расчетных модулей

Основным элементом библиотеки расчетных модулей является программа, реализующая расчет многоходового кожухотрубчатого теплообменника. При ее разработке уделялось внимание вопросу повышения устойчивости вычислительной схемы для широкого диапазона изменения параметров, адекватности модели, минимизации количества входных параметров, ситуационной информативности, позволяющей достаточно просто выводить и корректировать информацию в процессе счета.

В общем случае, при параллельно-смешанном токе теплоносителей должно быть найдено решение нелинейного уравнения (1) относительно DTmax (рис. 1):

min(Cpi*Wi)*DTmax=kFY*(DTmax )*Qcp*(DTmax), (1)

где DTmax=max(DTг,DTх); k,F – коэффициент теплопередачи и площадь теплообменника. Из уравнения теплового баланса имеем:

DTmin=,                    (2)

где Cpi (DTmax) – теплоемкость i-го потока (i=г,х ); Qср(DTmax) – средняя логарифмическая температура для теплообменника с противотоком, полученная на основе решения краевой задачи [5].

Рис. 1

Коэффициент перекрестности потоков Y(DTmax) может быть определен с помощью номограмм [3] либо получен аналитическим путем. Для теплообменников с произвольным числом ходов (n) по трубному пространству имеем:

(3)

при R=1 в условиях неопределенности

,                  (4)

где параметры P и R определяются:

.                   (5)

В качестве начального приближения для DTmax при итерационном методе решения (1) используется DT0max=Qmax. Последующие приближения определяются:

DT j max = DT j-1max - b ( d ) ,                         (6)

где b(d) – корень линейной аппроксимации функции невязки d на интервале DT j-1max, DTjmax.

Полученное на каждом итерационном шаге приближение DTjmax проверяется для исключения физически недопустимых условий:

- охлаждение горячего потока до температуры ниже температуры холодного потока (TГ2

- нагрев горячего потока на выходе (TГ2 >TГ1).

Управляющая программа и подсистема анализа ТС

Управляющая программа осуществляет циклический расчет элементов схемы, индекс которых выбирается из очереди, реализованной в форме вектора РС.

По данному индексу из MSN находятся индексы смежных по входу элементов. Эти индексы, в свою очередь, используются для выбора из MPN численной информации, на основе которой формируется буфер входных данных, используемых при расчете текущего элемента.

Полученные в результате расчета данные, находящиеся в выходном буфере, распределяются по соответствующим полям строки MPN, номер которой определяется индексом рассчитываемого элемента.

Для оценки влияния отдельных конструктивных и технологических параметров в системе реализован квазиньютоновский метод определения оптимального решения с последующим сканированием интересующих пользователя характеристик схемы в заданном интервале изменения выбранного параметра.

Организация пользовательского интерфейса

Наиболее трудоемким этапом расчета ТС является организация ввода, контроля и коррекции исходной информации. Поэтому при разработке программного комплекса большое внимание уделялось реализации гибкого и удобного для пользователя интерфейса, отвечающего стандартам CUA.

Интерфейс реализован на совокупности подчиненных меню. Главное меню включает строку функций (верхняя строка экрана), использующих всплывающее подменю и строку описания “горячих” клавиш (нижняя строка).

Кратко рассмотрим используемые в системе функции.

1.<Информация> – “горячая” клавиша [Ctrl-F1]. Выдаются информация по описанию системы и инструкции по подготовке исходных данных.

2.<Файл> позволяет осуществлять следующие операции, определяемые всплывающим меню.

2.1. Создание нового файла данных. Это основной режим подготовки расчета ТС. Программа, находящаяся в этом режиме, последовательно вызывает отдельные редакторы (см. ниже) системы в порядке ввода исходных данных.

2.2. Сохранить – “горячая” клавиша [F2]. Осуществляется запись редактируемых данных в файл.

2.3. Сохранить как – cохраняемому файлу присваивается имя, определяемое пользователем.

2.4. Дублирование результатов расчета – организуется запись результатов расчета в файл (по умолчанию имя файла TOO.LRD).

Рис. 2

3. <Редактор> – позволяет осуществить вызов одного из трех форматных редакторов, с помощью которых описываются отдельные компоненты ТС.

3.1. Описание схемы - [F5]. Осуществляется ввод информации по описанию структуты ТС. С этой целью пользователем заносится символьная информация в поля строки описания аппарата в следующем виде: {Имя текущего аппарата \ Имена смежных по входам аппаратов}.

 На основании этой информации формируется матрица MSN.

3.2. Редактор цифровых данных - [F6]. Используется для заполнения числовой информацией поля конструктивных и технологических параметров для аппаратов схемы в порядке их следования в MSN, то есть формируется матрица MPN.

3.3. Редактор порядка расчета – [F7]. Позволяет вручную сформировать или откорректировать вектор РС.

4. <Расчет>. В этом режиме по умолчанию осуществляется полная проверка всех информационных массивов ТС и выполняется ее расчет. Отключить анализ ошибок возможно путем установки переключателя “[х]” в пункте Настройка системы режима <Файл>.

5.  используется для вывода структуры ТС в графическом виде. ТС представляется в виде нескольких экранов, на каждом из которых может быть представлено до десяти аппаратов. Связи между аппаратами формируются на основе алгоритма трассировки Ли.

Пример использования системы

На рисунке 2 представлена упрощенная ТС Уфимского НПЗ, анализ которой выполнен с помощью данного программного комплекса. На первом этапе проводилась оптимизация схемы по общей величине поверхности теплообмена для получения максимальной температуры выходного потока нефти в соответствии со следующим критерием:

 ,                  (7)

где DTi2=(Tj--Ti)2, то есть определяется поверхность всех теплообменников {Fj; j... N}, позволяющая получить максимальную температуру потока нефти на выходе из ТС при выполнении следующих ограничений. Температура потока нефти, поступающей на ЭЛОУ, должна находиться в диапазоне температур 90°-120° С. Это ограничение согласно рисунку 2 накладывается на температуру потоков, выходящих из трубного пространства теплообменников Т-5 и Т-6. Необходимо свести к минимуму температурный перекос потоков нефти на выходе из ТС, то есть в соответствии с рисунком 2 температура выходного потока из межтрубного пространства Т-7 должна быть близка к температуре потока на выходе трубного пространства Т-10.

После десяти шагов метода квазиньютоновской оптимизации была получена поверхность теплообмена, позволяющая повысить температуру выходного потока нефти на 11° С (243.6° С), что в основном достигается за счет увеличения поверхности теплообмена Т-10 в 2.3 раза.

Этот результат практически может быть получен за счет последовательного включения по трубному пространству двух стандартных теплообменников, каждый из которых имеет поверхность теплообмена, равную Т-10, и разделения межтрубного потока в соотношении 1/5 : 3/5 от первоначального.

Список литературы

1. Кафаров В.В., Перов В.Л., Мешалкин В.П. Принципы математического моделирования химико-технологических систем. - М.: Химия. - 1974. - 344 с.

2. Кроу К. и др. Моделирование химических производств - М.: Мир. - 1973. - 391 с.

3. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. - М.: Энергатом. - 1994 - 367 с.

4. Островский Г.М., Волин Ю.М. Моделирование сложных химико-технологических систем. - М.: Химия. - 1976. - 328 с.

5. Полыновский Я.Л. Об определении среднего температурного напора при перекрестном токе с односторонним перемешиванием . - Изв. ВТИ. - 1951. - № 3 - 25 с.

6. Якоб М. Вопросы теплопередачи. - М.: Изд. ИЛ. - 1960. - 384 с.