Software & Systems

Одной из важнейших операций конструкционного проектирования объектов химической промышленности (ОХП) является монтажная проработка, в результате которой решаются задачи размещения оборудования и трассировки внутрицеховых трубопроводов (ТП), создаются чертежи всех технологических ТП и обвязки технологического оборудования проектируемого производства [1, 2]. Эта задача относится к наиболее трудоемким задачам проектирования ОХП. Ее автоматизация позволит сократить сроки разработки аппаратурного оформления технологической схемы, а также добиться снижения затрат на практическую реализацию за счет оптимизации структуры связывающей сети энерго- и массо­потоков.

В данной статье представлен комплекс программ проектирования оптимальных компоновок объектов химических производств «ChemPlant», реализующий разработанные авторами алгоритмы оптимального размещения единиц оборудования (ЕО) и трассировки ТП [2–4] и позволяющий получать оптимальное технически корректное компоновочное решение как при проектировании новых химических производств, так и при пере­проектировании уже существующих. Разработанный комплекс программ реализован на языке С++ с использованием среды визуального программирования Visual Studio 2005. «ChemPlant» представляет собой законченное программное решение для инженеров-проектировщиков ОХП (А.А. Образцов, С.В. Панченко. Программа проектирования компоновок химико-технологических систем: Свид. о гос. регистр. прогр. для ЭВМ № 2 008615746 от 28.11.2008 г.). Архитектура комплекса программ приведена на рисунке 1.

Комплекс программ «ChemPlant» позволяет выполнять следующие функции:

1) добавление ЕО в БД технологического оборудования, представленную в виде отдельных файлов (библиотек) пользователем, каждый из которых содержит описание одной или нескольких ЕО; представление БД оборудования в виде отдельных библиотек позволяет легко переносить БД с одной ЭВМ на другую, а также группировать данные по оборудованию в отдельных файлах по различным признакам: тип, производитель оборудования и пр.;

2) выбор оборудования из БД (библиотеки) и задание связей оборудования посредством ввода технологической схемы (аппараты, соединяемые трассами; характеристики трубопроводных линий);

3) задание эвристических правил размещения аппаратов на высотных отметках, правил взаимного расположения аппаратов, а также объединение ЕО в укрупненные аппаратные блоки;

4) автоматизированное размещение оборудования и трассировка трубопроводов с учетом монтажно-технологических и физико-химических ограничений, определенных ЛПР;

5) создание пространственной модели размещенного оборудования и трубопроводов;

6) сохранение проекта в рабочую БД и возможность его последующего редактирования.

Библиотеки оборудования представляют собой файлы плоских и объемных чертежей, описания оборудования, таблиц типоразмеров и монтажно-технических правил размещения. Структура библиотек определяется информационной моделью, представленной на рисунке 2, и реализована с использованием языка разметки XML.

Работа с библиотечными файлами осуществляется в модуле ввода параметров технологического оборудования, который позволяет выполнять следующие операции:

1) ввод и редактирование графики условного графического обозначения аппаратов на технологической схеме;

2) задание геометрической модели аппаратов: вводятся данные по габаритам ЕО, ширина технических зон, зон ремонта, монтажа и обслуживания, задается трехмерный эскиз аппарата;

3) задание координат штуцеров подключения технологических трубопроводов, причем координаты штуцера могут находиться как на поверхности аппарата, так и в пределах его геометрической модели с учетом трубопроводной обвязки ЕО;

4) определение правил размещения аппарата на высотной отметке: выбирается тип оборудования из базы знаний о высотном расположении ЕО, задаются частота обслуживания, условия монтажа и демонтажа, необходимость обеспечения само- тека;

5) ввод и редактирование текстовых атрибутов компонентов: позиционное обозначение, описание и пр.;

6) сохранение компонентов в БД (библиотеки);

7) копирование компонентов из одной библиотеки в другую.

Используя данные библиотек с помощью редактора технологических схем, пользователь вводит технологические схемы проектируемого объекта. На данном этапе вводятся список ЕО и данные о технологических связях: из подготовленной на предыдущем этапе библиотеки технологического оборудования выбираются аппараты, задаются соединяющие ЕО трассы; характеристики трубопроводных линий (диаметр, ограничения по длине, удельная стоимость связи, ограничения на размещение относительно других ТП). В редакторе технологических схем реализован стандартизированный интерфейс расширений, который позволяет дополнить функциональные возможности программы за счет использования вспомогательных модулей. Посредством данного интерфейса модуль расширения получает доступ к объектной модели приложения редактора технологических схем.

По завершении этапа ввода технологической схемы редактор технологических схем подготавливает и передает данные программе компоновки в виде файла списка соединений, содержащего все необходимые сведения для построения оптимальной компоновки технологической схемы.

Программа компоновки оборудования состоит из трех функциональных блоков.

1. Блок расчета технико-экономического критерия оптимальности компоновки. Для отбора наилучшего варианта компоновки в качестве технико-экономического показателя в программе используется критерий приведенных затрат [1]:

где ,  – величина капитальных и эксплуатационных затрат;  – нормативный коэффициент окупаемости капитальных вложений;  – стоимость i-го аппарата;  – стоимость монтажа i-го аппарата;  – стоимость строительных конструкций под аппарат;  – затраты на j-ю трубу;  – стоимость строительных конструкций под j-ю трубу;  – стоимость монтажа j-го трубопровода;  – затраты на теплоизоляцию k-го объекта;  – стоимость перекачки потока l-м насосом;  – амортизационные отчисления для i-го аппарата;  – амортизационные отчисления для j-го трубопровода;  – стоимость ремонта j-го ТП; Nа – общее число аппаратов; Nт – число технологических ТП; Nти – число ТП с изоляцией; Nн – число насосов.

2. Блок оптимального размещения оборудования реализует разработанный декомпозиционно-эвристи­чес­кий алгоритм размещения объектов, отличающийся использованием набора эвристических правил монтажно-технологи­ческих и геометрических ограничений на компоновку оборудования ОХП в трехмерном пространстве и использующий адаптированную схему генетических алгоритмов для поиска оптимальной последовательности размещения объектов.

3. Блок оптимальной трассировки ТП определяет последовательность трассировки и осуществляет поиск оптимальной конфигурации связывающих сетей технологических ТП.

Для работы с объемными чертежами разработанный пакет программ использует стандарт VRML, что позволяет решить проблему совместимости с такими распространенными САПР, как Solidworks, Autodesk Inventor и др. Трехмерные модели оборудования могут быть выполнены в перечисленных САПР и использоваться в составе разработанного комплекса программ. Кроме того, результаты компоновки также можно преобразовать в формат VRML для последующей обработки в сторонних САПР.

С использованием разработанного комплекса программ был решен ряд практических задач компоновки оборудования ОХП, а также объектов теплоэнергетического комплекса. Так, на рисунке 3 представлен фрагмент оптимального компоновочного решения установки получения синтез-газа крупнотоннажного производства аммиака. Оборудование размещается на открытой промышленной площадке, при компоновке учитываются особенности технологического процесса, условий обслуживания оборудования, техника безопасности. Большинство используемых в производстве синтез-газа аппаратов работает с использованием катализаторов, поэтому необходимо обеспечить свободный доступ к химическим реакторам для подъезда транспорта с катализатором. Следует предусмотреть дополнительную площадь для де-

монтажа оборудования и проезды для самоходных монтажных кранов. Крупногабаритное оборудование размещается на уровне нулевой отметки.

Представленная компоновка схемы получения синтез-газа удовлетворяет основным требованиям, предъявляемым к практическим схемам производств, и в целом соответствует реальным компоновкам технологических схем производства аммиака. Наличие проходов и проездов позволяет обеспечить доступ персонала и проезд транспорта к аппаратам для ремонта, монтажа и демонтажа оборудования, обслуживания, загрузки катализаторов и пр. Колонное оборудование в полученной компоновке сгруппировано в одном месте, что соответствует требованиям промышленной эстетики и удобно для обслуживания.

Использование разработанных алгоритмов размещения оборудования и трассировки технологических ТП позволило снизить материало- и энергозатраты за счет оптимизации конфигурации сети ТП, а также сократить площадь, отведенную под размещение оборудования, и в результате – капитальные вложения на перепроектирование производства.

Литература

1. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Современные методы автоматизированного конструкционного проектирования промышленных объектов с большим количеством трубопроводов: В кн. Леймит Л. Макетное проектирование; пер. с англ. М.: Мир, 1984. С. 313–331.

2. Мешалкин В.П. Экспертные системы в химической технологии. М.: Химия, 1995.

3. Панченко С.В., Образцов А.А. Разработка алгоритмов автоматизированной компоновки оборудования // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2008. № 4. C. 41–50.

4. Образцов А.А., Панченко С.В. Оптимальная трассировка трубопроводов химико-технологических производств // Автоматизация и современные технологии. 2008. № 10. C. 33–39.