Software & Systems

Экономия топливно-энергетических ресурсов, как известно, является главным направлением научно-технического прогресса в химической технологии, так как зачастую в химических производствах расход энергии составляет основную часть затрат в себестоимости готовой продукции. Последнее проявляется наиболее актуально при увеличении объемов производства химической продукции, при создании сложных химико-технологических систем (ХТС) с агрегатами большой единичной мощности и т.п. Одним из основных методов снижения энергозатрат производства в рамках термодинамического анализа является наиболее современный и прогрессивный вариант – эксергетический метод, который позволяет выразить в одинаковых единицах (через эксергию) энергетическую ценность потоков вещества и энергии, учитывая тем самым их количество и качество.

К сожалению, на практике широкое внедрение эксергетического метода анализа ХТС сдерживается отсутствием инструментальных средств и специализированного программного обеспечения, поскольку эксергетический анализ любой ХТС, минимизация ее энергозатрат, а тем более автоматизация такого процесса невозможны без использования средств вычислительной техники. Поэтому необходимость разработки автоматизированной системы расчета и оптимизации эксергетического баланса ХТС произвольной структуры и ее основной части (программно-алгоритмического обеспечения), ориентированной на широкий круг пользователей, является актуальной задачей.

Проведенный литературный обзор, отражающий развитие современных методов и программных средств эксергетического анализа, выявил такие инструментальные системы с возможностью эксергетического расчета ХТС, как Aspen Plus (фирма “AspenTech”), Exercom (компания “Stork Engineers & Contractors”), Hysim и Hysys (фирма “Hyprotech”), PRO/II (фирма “Simulation Sciences Inc.”), Gate/cycle (компания “Stork Engineers & Contractors”). Однако вследствие их недоступности для конечного пользователя (прежде всего из-за их высокой стоимости, доходящей до десятков тысяч долларов США) возникла обоснованная необходимость реализации именно автоматизированной системы эксергетического расчета.

В настоящей статье рассматриваются принципы создания и функционирования программно-алгоритмического комплекса, на ос­нове которого была создана такая система, предназначенная для эксергетического анализа и оптимизации ХТС произвольной структуры. Оптимизация проводится путем определения максимального эксергетического КПД исследуемого процесса, что позволяет минимизировать энергозатраты производства.

При разработке автоматизированной системы предусматривалось решение следующих задач:

· определение логико-функциональной структуры автоматизированной системы;

· проведение анализа основных программных модулей, входящих в систему эксергетического расчета и оптимизации, разработка структуры и интерфейса их взаимодействия;

· разработка алгоритмов структурного анализа, расчета эксергетического баланса и эксергетического КПД ХТС;

· реализация автоматизированной системы эксергетического расчета и оптимизации ХТС в виде единого прикладного программного комплекса, определение необходимых аппаратных требований и условий функционирования программного комплекса;

· проведение практического применения программного комплекса с целью проверки его работоспособности.

Опишем вкратце каждый этап реализации автоматизированной системы.

Прежде всего была определена схема моделирования общего процесса эксергетического анализа ХТС (рис. 1). Как видно из рисунка, логико-функциональная структура автоматизированной системы состоит из четырех модулей, объединенных связями в рамках единого интерфейса взаимодействия моделей.

В качестве подсистемы расчета материаль­но-теплового баланса ХТС (модули 1 и 2) была взята разработанная на кафедре кибернетики химико-технологических процессов РХТУ система «CTS_Windows_Manager» [1]. Эта система была выбрана не случайно, к основным ее достоинствам можно отнести · наличие встроенного собственного структу­рированного языка программирования для описания математических моделей аппаратов · библиотеку с математическими моделями основных химических аппаратов · мощный блок оптимизации исследуемой ХТС (для этой цели предусмотрено представление опти­мизационных потоков в виде потоков с ограничениями, задающихся как числа из определенного интервала либо как набор дискретных констант) · удобный графический интерфейс системы, широкие возможности которого, в частности, позволяют получить наглядное представление о схеме потоков ХТС. Таким образом, систему «CTS_Windows_Mana­ger» предполагается применять для ввода исходных данных о структуре исследуемой ХТС, составления математических моделей аппаратов, для задания необходимых оптими­зационных потоков и накладываемых на них ограничений и для расчета материального и теплового баланса ХТС.

Рис. 1. Схема моделирования процесса эксергетического анализа ХТС

Методику расчета эксергии можно разделить на две группы: 1) расчет изменения эксергии при физических и химических процессах; 2) определение уровней отсчета эксергии, или (что то же самое) параметров окружающей среды при расчете эксергии. Нами использовалась методика расчета эксергии, опирающаяся на основополагающие работы по этой теме польского ученого Я. Шаргута [2]. До последнего времени эта методика является наиболее подробно разработанной и применяется значительно чаще других.

Основные расчетные зависимости различ­ных составляющих эксергии (термической, физической и химической), получаемые путем дифференцирования прираще­ния эксергии de 1 моля вещества при изменении температуры, давления и состава, которые используются в модуле эксерге­тического анализа «CTS_Exer­gy_Efficiency_Calculation», приве­дены в работе [3].

Другой важной особенностью эксергетического анализа является необходимость группировки входных и выходных потоков каждой стадии при расчете изменения эксергии соответствующих потоков. Для решения этой задачи был разработан алгоритм постадийного эксергетического анализа и выделения групп потоков, сущность которого заключается в определении из всего множества попадающих на данную стадию и покидающую ее потоков таких групп, которые можно классифицировать как однородные потоки, между которыми установлено однозначное соответствие «вход» –«выход» с целью дальнейшего расчета изменения эксергии сначала группы в целом, а затем и каждого потока в частности. Классификация выполняется на основе анализа матрицы, в которой описаны имена каждого потока. Всего выделяются три группы потоков: во-первых, любой поток, проходящий через стадию, тип «один вошел»–«тот же вышел», во-вторых, комбинация потоков, в которой не происходит физико-химических эффектов за счет смешения, тип «один вошел»–«несколько вышло»,  «вошло несколько»–«вышел один» или «вошло несколько»–«несколько вышло», наконец, в-третьих, это такая комбинация потоков, которая претерпевает на стадии химическое превращение. В этом случае анализируется матрица, в которой хранятся порядковый номер, коэффициенты правой и левой частей для каждой химической реакции в системе, а по совпадению определяется однозначное условие протекания на стадии данной химической реакции.

Далее анализируется изменение физико-химических параметров каждой выбранной группы потоков, определяется соответствую­щее изменение эксергии группы потоков, а в соответствии с массовой долей каждого потока в группе рассчитывается и изменение эксергии для каждого потока и суммируется с его ранее рассчитанной эксергией на предыдущих стадиях. ЭРис. 1. Схема моделирования процесса эксергетического анализа ХТСтот алгоритм является логико-переборным: в процессе анализа перебираются все комбинации потоков, и, если определена одна из соответствующих групп, то устанавливается активным флаг выбора данной группы, чтобы в дальнейшем сразу перейти к поиску группы с другими признаками – так продолжается до тех пор, пока не проанализирован последний поток стадии, алгоритм работает постадийно.

Еще один основной алгоритм системы эксергетического анализа – алгоритм расчета эксергетического КПД. Этот КПД представляет отношение суммарной эксергии потоков, подведенных к системе, к суммарной эксергии потоков, отведенных от нее: , таким образом, он может служить мерой термодинамического совершенства процесса. Отличительной особенностью алгоритма является универсальность, то есть фактически он может использоваться для анализа любых изменений потоков, которые они претерпевают от входа анализируемой схемы до выхода из нее. По сути дела алгоритм заключается в циклическом переборе всех возможных последовательностей движения потоков с запоминанием маршрута поиска и возвратом при достижении конца какой-либо ветви к преды­дущим стадиям с параллельными потоками до тех пор, пока не проанализированы все параллельные потоки на каждой стадии. Более детально с этими алгоритмами можно ознакомиться в работе [4].

Интерфейс взаимодействия разработанных подсистем был реализован на основе представления входных и выходных данных каждого модуля в единой форме, также была определена структурная последовательность взаимодействий подсистем (рис. 2)


Рис. 2. Структура и интерфейс взаимодействия программ в системе автоматизированного эксергетического анализа и оптимизации ХТС

В системе предусмотрены два режима работы – ручной, когда происходит расчет материального, теплового, эксергетического баланса и эксергетического КПД исследуемой ХТС, и автоматический режим, где дополнительно производится оптимизация и определяется максимальный эксергетический КПД системы.

Разработанная автоматизированная система эксергетического анализа создана на языке программирования TurboPascal 7.0 для операционной системы MS DOS, функционирует на IBM PC-совместимых компьютерах с процессором не ниже 486, требует не менее 4 Мб памяти на жестком диске, графический адаптер и указательное устройство типа мышь.

Для проверки работоспособности разработанной системы с ее помощью была решена задача анализа и оптимизации работы установки серогазоочистки Оренбургского ГПЗ, на основе чего выданы конкретные рекомендации об изменении технологических параметров производства (кратности орошения абсорбционной колонны и соотношения аминов в абсорбенте), что позволило получить определенный экономический эффект [4]. С помощью программно-алгоритмического комплекса так­же были рассчитаны характеристики веществ, применяемых в технологии цемента для института АО “НИИЦемент” [5].

Список литературы

1. Кисленко Н.А. Разработка интеллектуальной объектно-ориентированной системы анализа сложных схем. Дисс. ... канд. техн.  наук. – М., 1994.

2. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия / Пер. с польск. - М.: Энергия, 1968.

3. Шевинский Я.С., Бобров Д.А. Разработка автомати­зированной системы эксергетического расчета и оптимизации ХТС. // Программные продукты и системы - 1997. - №1.- c. 11 – 15.

4. Шевинский Я.С. Разработка автоматизированной системы расчета и оптимизации эксергетического баланса химико-технологических систем. Дисс. ... канд. техн.  наук. – М., 1998.

5. Бобров Д.А., Шевинский Я.С., Вердиян А. М. Методика расчета эксергетических характеристик карбонатных материалов. // Тез. докл. I Международ. совещ. по химии и технологии цемента. - М., 1996. - С. 75 – 76.

ции ХТС. // Программные продукты и системы - 1997. - №1.- c. 11 – 15.

4. Шевинский Я.С. Разработка автоматизированной системы расчета и оптимизации эксергетического баланса химико-технологических систем. Дисс. ... канд. техн.  наук. – М., 1998.

5. Бобров Д.А., Шевинский Я.С., Вердиян А.М. Методика расчета эксергетических характеристик карбонатных материалов. // Тез. докл. I Международ. совещ. по химии и технологии цемента. - М., 1996. - С. 75 – 76.