Система поддержки принятия решений при выборе типа кожухотрубчатого теплообменника

Полный текст

Введение

Химическое производство представляет собой набор соединённых в определённой последовательности технологических аппаратов (далее аппаратов), в которых выполняются технологические операции или стадии (химические превращения, нагрев, сушка и др.), необходимые для производства определённого продукта. Этот набор аппаратов называется химико-технологической системой (ХТС). Процесс проектирования химических производств включает ряд этапов, среди которых [1]:

• аппаратурное оформление ХТС;
• размещение аппаратов и трассировка трубопроводов в производственном помещении;
• расписание работы ХТС и графики ремонтов аппаратов;
• технико-экономические расчёты.

Аппаратурное оформление ХТС заключается в выборе или проектировании таких аппаратов, которые позволяют получить заданное количество продукта за заданное время с минимальными затратами. При этом необходимо определить тип аппарата, который позволит выполнить технологические операции или стадии, и его основные размеры.

Вопросы разработки систем поддержки принятия решений (СППР) при проектировании химических производств рассматриваются в различных публикациях (см., например, [1-4]), но задачам определения типа аппаратов на этапе аппаратурного оформления ХТС уделяется недостаточное внимание. Связано это, прежде всего:

• с большим количеством разнообразных процессов (химические, механические, тепловые, гидродинамические), присутствующих в ХТС, и типов аппаратов, в которых эти процессы реализуются [5];
• с отсутствием формального описания процесса выбора типа аппарата, хотя нормативные документы (стандарты, технические условия и др.) содержат рекомендации по применению аппаратов, и есть условия для создания «умных стандартов», которые можно использовать в СППР.

Созданию «умных стандартов» (SMART-стандартов) посвящен ряд публикаций: предпосылки появления понятия «SMART-стандарт» [6], особенности и перспективы развития национальной системы SMART-стандартизации [7], архитектура и форматы данных в SMART-стандартах [8], мировые тенденции развития SMART-стандартизации [9]. В России создан проектный технический комитет 711 (ПТК711) «Умные (SMART) стандарты» [10] и разрабатываются национальные стандарты, один из которых опубликован [11], другие находятся в доработке после публичного обсуждения [7].

Основой для создания SMART-стандартов может стать онтология предметной области (ПрО), т.к. в стандартах описываются объекты, процессы и другие сущности ПрО (наименования понятий ПрО согласно [12]), свойства сущностей и связи между сущностями и их свойствами (отношения между наименованиями понятий [12]). По сути стандарты являются неформализованной онтологией. В [13] рассматривается подход к разработке онтологии на основе стандартов; модель представления онтологии ПрО на основе графовых баз данных описана в [14]; модель комплексной поддержки разработки СППР представлена в [15]; создание онтологий в области машиностроения описано в работах [16, 17]; обзор существующих способов формирования онтологии ПрО при моделировании представлен в [18]; обзор подходов к автоматизации работ с онтологическими ресурсами описан в статье [19].

Целью настоящей статьи является описание создания СППР для определения типа кожухотрубчатого теплообменника (КТ) на этапе проектирования ХТС. В основе СППР лежит онтология ПрО, которая составлена на основе технических условий [20].

СППР при проектировании ХТС создаётся на основе функциональной модели (ФМ), в которой определяются решаемые задачи, информационные потоки и информационные модели (ИМ), преобразующие входные информационные потоки в выходные.

1 ФМ аппаратурного оформления ХТС

Аппаратурное оформление ХТС заключается в:

• определении типов аппаратов на каждой стадии технологического процесса;
• расчёте определяющих размеров и числа аппаратов на каждой стадии (например, для ёмкостного аппарата определяющим размером является объём, для теплообменника поверхность теплообмена);
• конструировании аппаратов на определённых стадиях и разработке технологии изготовления аппаратов.

Функциональная диаграмма верхнего уровня задачи разработки аппаратурного оформления ХТС представлена на рисунке 1. В техническом задании (tz) представлены исходные данные на разработку аппаратурного оформления ХТС:

• перечень стадий технологического процесса;
• свойства веществ на каждой стадии;
• параметры процессов каждой стадии (температура, время, расходные нормы используемых веществ и др.).

 

Рисунок 1 – Диаграмма верхнего уровня проектирования химико-технологической системы

 

Техническая документация аппаратурного оформления ХТС (pr) включает:

• спецификацию аппаратов;
• конструкторскую документацию на аппараты;
• технологическую документацию на изготовление сконструированных аппаратов.

Управляющими воздействиями (С) являются нормативные документы, регламентирующие условия применения аппаратов, методы технологического расчёта, нормативные документы на конструирование и разработку технологии изготовления аппаратов.

Диаграмма А0 процесса проектирования ХТС представлена на рисунке 2. Основными функциональными блоками диаграммы являются:

• выбор типов аппаратов для каждой стадии;
• расчёт определяющих размеров аппаратов;
• разработка конструкторской и технологической документации отдельных аппаратов.

 

Рисунок 2– Диаграмма А0 процесса проектирования химико-технологической системы

 

Информационные потоки диаграммы А0:

I1 – типы аппаратов на каждой стадии ХТС;

I2 – определяющие размеры и число аппаратов на каждой стадии;

I3 – конструкторско-технологическая документация изготовления аппаратов;

С1 – нормативные документы, регламентирующие условия применения аппаратов;

С2 – нормативные документы технологического расчёта аппаратов;

С3 – конструкторские и технологические нормативные документы;

$I{2}^0,\text{\hspace{0.17em}}I{3}^0$ – обратные связи; $C=С1\cup С2\cup С3$; $pr=I1\cup I2\cup I3$.

В блоке А1 на основании характеристик обрабатываемых веществ и параметров технологического процесса осуществляется выбор типов аппаратов для каждой стадии.

Например, для стадии выпарки, если выпариваемый раствор сильно агрессивный и высококипящий, то выбирается барботажный выпарной аппарат, а для сильнопенящегося термочувствительного раствора наиболее подходящим является пленочный выпарной аппарат. При выборе КТ, если разность температур теплоносителей не превышает 30⁰С̊, выбирается КТ с неподвижными трубными решётками.

В блоке А2 для выбранных в блоке А1 типов аппаратов на основании производительности ХТС, времени выполнения операций стадии и нормативных расходов веществ определяется основной размер аппарата и число аппаратов на каждой стадии.

В блоке А3 на основании определяющего размера аппарата разрабатывается конструкторская и технологическая документация аппарата, включающая:

• технологический расчёт аппарата;
• прочностной расчёт элементов аппарата;
• разработку чертежей общего вида, сборочных единиц и деталей;
• разработку спецификации аппарата;
• маршрутные и операционные карты изготовления отдельных деталей;
• нормы расходов материалов;
• карты сборок и др.

ФМ (FM), описывающую преобразование входного информационного потока tz в выходной pr с использованием ИМ (IM) можно записать в виде $FM:tz\cup C\stackrel{IM}{\to }pr$. Под IM здесь понимается «формальная модель ограниченного набора фактов, понятий или инструкций, предназначенная для удовлетворения конкретному требованию» [21]. В данном случае:

• «конкретное требование» – получение проектной документации;
• понятия – аппарат, температура, давление;
• факты – температура равна 100⁰С, давление равно 0,3 МПа;
• инструкция – если разность температур теплоносителей в КТ больше 40⁰С, то необходимо использовать температурный компенсатор.

FM и IM представляют собой следующие кортежи:

FM=<FM1, FM2, FM3>, IM=<IM1, IM2, IM3>,

где FM1 – ФМ выбора типов аппаратов для каждой стадии;

FM2 – ФМ расчёта определяющих размеров аппаратов;

FM3 – ФМ разработки конструкции и технологии изготовления отдельных аппаратов;

IM1 – ИМ выбора типов аппаратов для каждой стадии;

IM2 – ИМ расчёта определяющих размеров аппаратов;

IM3 – ИМ разработки конструкции и технологии изготовления отдельных аппаратов;

$FM1:tz\cup C1\cup I{2}^0\stackrel{IM1}{\to }I1$; $FM2:tz\cup I1\cup C2\cup I{3}^0\stackrel{IM2}{\to }I2$; $FM3:tz\cup I2\cup C3\stackrel{IM3}{\to }I3$.

2 Формальное описание ИМ выбора типа аппаратов

ИМ, предназначенная для определения типа аппарата химических производств в зависимости от свойств обрабатываемых веществ, определяется как кортеж ОP=<P,Т,G>, где Р – таксономия типов аппаратов (КТ, труба в трубе); Т – таксономия свойств обрабатываемых веществ (температура, давление, обрабатываемые вещества); G – правила, связывающие вершины дерева аппаратов с вершинами дерева свойств обрабатываемых веществ.

Таксономия аппаратов $P=(PV,PR)$, $PV=\{p{v}_i,i=\mathrm{0..}I\}$ – множество типов и подтипов аппаратов; $PR=\{p{r}_{km},k\in \mathrm{1..}I,m\in \mathrm{1..}I,k\ne m)$ – связи типа класс–подкласс (например, «КТ – теплообменник с неподвижными трубными решётками»).

Пример таксономии аппаратов в виде графа (дерева) представлен на рисунке 3.

 

Рисунок 3 – Пример таксономии аппаратов

 

Таксономия свойств обрабатываемых веществ $T=(TV,TR)$, $TV=\{t{v}_j,j=\mathrm{0..}J\}$ – множество свойств обрабатываемых веществ; $TR=\{t{r}_{km},k\in \mathrm{1..}J,m\in \mathrm{1..}J,k\ne m)$ – связи типа класс–подкласс (например, «Температура – Температура максимальная»). Пример таксономии свойств обрабатываемых веществ в виде графа представлен на рисунке 4.

 

Рисунок 4 – Пример таксономии свойств обрабатываемых веществ

 

Ультраграф G=(GPT,GR) связей вершин $PV=\{p{v}_i,i=\mathrm{0..}I\}$ дерева аппаратов (стоки) с вершинами TV = {tv_j, j=0..J} дерева свойств обрабатываемых веществ (истоки), $GPT\subset PV\cup TV$ – множество вершин ультраграфа, GR = {gr_k, k=1..K}– множество рёбер ультраграфа, $g{r}_k\left(Y_k\right)$ – k-ое ребро ультраграфа, $Y_k$ – множество вершин, инцидентных k-му ребру ультраграфа, Y_k Ì GRT, Y_k = {pv_l, TV1}, pv_l,ÎPV – вершина дерева аппаратов (сток), $TV1\subset TV$ – множество вершин из дерева свойств обрабатываемых веществ (истоки), $ТV1=\{t{v}_c,c\subset J\}$.

Ребро ультраграфа представляет собой правило (продукцию) вида «Если …, то …», которая формально запишется как $\exists \underset{c\in J1\subset J}{\cap }t{v}_c\Rightarrow p{v}_l$. Графическая интерпретация правила (ребра ультраграфа) «Если температура от - 40⁰ до 350⁰, то тип теплообменника ТН или ТК» представлена на рисунке 5. При этом вершины «Температура максимальная» и «Температура минимальная» являются истоком, а вершины «ТН» и «ТК» - стоком, что показано стрелками на ребре gr₁.

 

Рисунок 5 – Графическая интерпретация правила вида «Если … то …»

 

3 ИМ выбора типа КТ (IM1)

ИМ IM1 составлена на основе данных [20], где:

$Sr=\left\{s{r}_{isr}\right\},isr=\mathrm{1..}Isr$ – множество возможных теплоносителей, Sr = {Аммиак, Спирт метиловый, Толуол, Уксусная кислота, Ацетон, ….};

$Tp=\left\{t{p}_{itp}\right\},itp=\mathrm{1..}Itp$ – множество возможных типов теплообменников, Tp = {ТН, ТК, ТП, ТУ, ХН, ХК, ХП, ХУ}, ТН – теплообменник с неподвижно закреплёнными трубными решётками, ТК – теплообменник с температурными компенсаторами на кожухе, ТП – теплообменник с «плавающей» головкой, ТУ – теплообменник с U-образными трубами, ХН – холодильник с неподвижно закреплёнными трубными решётками, ХК - холодильник с температурными компенсаторами на кожухе, ХП – холодильник с «плавающей» головкой, ХУ – холодильник с U-образными трубами;

$Mt=\left\{m{t}_{imt}\right\},imt=\mathrm{1...}Imt$ - множество возможных материалов элементов теплообменника, Mt ={Ст3, 9Г2С, Сталь 20, 12Х18Н10Т, Х17Н13М2Т, Х18Н10Т, Х18Н12М2Т, Х18Н12М3Т, …};

$E=\left\{e_{ie}\right\},ie=\mathrm{1..}Ie$ – множество элементов теплообменника, Е= {кожух, крышки, трубы, трубные решётки, перегородки, … };

$М=\left\{m_{im}\right\},im=\mathrm{1..}Im$ – множество возможных исполнений по материалу, М={М1, М3, М8, М9, …. ,М24}, например,

М1: кожух – Ст3сп; крышки – Ст3сп, 16ГС; трубы – сталь 10, сталь 20; трубная решётка – 16ГС; перегородки – Ст3сп; …

М10: кожух – 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М; крышки – 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М; трубы – 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М; трубная решётка – 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М; перегородки – 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М;

$Pt=\left\{p{t}_{ipt}\right\},ipt=\mathrm{1...}Ipt$ – давление в трубах, Pt= {0.6, 1.0, 1.6, 2.5, 4.0};

$Pk=\left\{p{t}_{ipk}\right\},ipk=\mathrm{1..}Ipk$ – давление в кожухе, Pk= {0.6, 1.0, 1.6, 2.5, 4.0};

Dt – допускаемая разность температур кожуха и труб;

Tt – температура трубы;

Tk – температура кожуха;

$Dv=\left\{d{v}_{idv}\right\},idv=\mathrm{1..}Idv$ – диаметр кожуха внутренний, Dv ={400, 600, 800, 1000, 1200, 1400}.;

$Dn=\left\{d{n}_{idn}\right\},idn=\mathrm{1..}Idn$ – диаметр кожуха наружный (задаётся при малых диаметрах), Dn = {159, 273, 325, 426, 630}.;

Tmax – максимальная температура теплоносителя;

Tmin – минимальная температура теплоносителя;

Me = {Mk, Mkr, Mt, Mtr, Mp} – материалы элементов теплообменника, соответственно: Mk – кожуха, Mkr – камеры распределительной, Mt – труб, Mtr – трубной решётки, Mp – перегородки.

С учётом введённых обозначений ИМ определения типа теплообменника описывается выражениями:

$Me=Fm\left(sr\right)$ (1)

$m=Fmt\left(Ме\right)$ (2)

$tp=FTp(m,Tt,Tk,Dv,Dn,P,Dt)$ (3)

где Fm – оператор определения материала элементов теплообменника в зависимости от теплоносителя, Fmt – оператор определения исполнения по материалу, Ftp – оператор определения типа теплообменника.

Операторы Fm, Fmt, Ftp представлены в виде правил (продукций). Например:

Fm: ЕСЛИ sr = Спирт метиловый, ТО Mk=09Г2С И Mkr=09Г2С И Mt=09Г2С И Mt=09Г2С И Mp=09Г2С;

Fmt: ЕСЛИ Mk =Ст3сп И (Mkr=Ст3сп ИЛИ Mkr=16ГС) И (Mt=сталь 10 ИЛИ Mt=сталь 20) И Mtr=16ГС И Mp=Ст3сп, TO mt = M1;

Ftp: ЕСЛИ Тt<250 И (Dn =159 ИЛИ Dn =273 ИЛИ Dn =325) И (P=1,6 ИЛИ Р=2,5 ИЛИ Р=4,0) И (m =М8 ИЛИ m =М10) И Dt<=20, ТО tp = ТН.

4 Реализация ИМ выбора типа КТ

Прототип ИМ выбора типа КТ разработан в редакторе онтологий Protege, рисунки 6-11.

Основными классами сущностей (Classes) являются: Среда, Материал, Исполнение по материалу, Типы теплообменников (рисунок 6). Свойства объектов (Objekt property): Имеет исполнение по материалу, Материал камеры распределительной, Материал кожуха, Материал перегородок, Материал решётки трубной, Материал труб (рисунок 7). Данные (Data properties): Внутренний диаметр кожуха, Давление, Наружный диаметр кожуха, Разность температуры кожуха и труб, Температура кожуха, Температура труб (рисунок 8).

 

Рисунок 6 – Классы сущностей

 

Рисунок 7 – Свойства объектов

 

Рисунок 8 – Данные

 

Пример определения материала элементов теплообменника в зависимости от теплоносителя, оператор Fm, выражение (1) (см. рисунок 9).

 

Рисунок 9 – Пример определения материала элементов теплообменника в зависимости от теплоносителя, оператор Fm, выражение (1)

 

Пример правила определения исполнения теплообменника по материалу в зависимости от материала элементов, оператор Fmt, выражение (2) (см. рисунок 10).

 

Рисунок 10 – Пример определения исполнения теплообменника по материалу в зависимости от материала элементов, оператор Fmt, выражение (2)

 

Пример правила определения типа теплообменника в зависимости от исполнения по материалу и условий эксплуатации, оператор Ft, выражение (3) (см. рисунок 11).

 

Рисунок 11 – Пример правила определения типа теплообменника в зависимости от исполнения по материалу и условий эксплуатации, оператор Ft, выражение (3)

 

Пример запроса на определение типа теплообменника приведён на рисунке 12.

 

Рисунок 12 – Пример запроса на определение типа теплообменника

 

Заключение

СППР при проектировании ХТС включает разработку:

• функциональной диаграммы проектирования ХТС;
• ФМ процесса проектирования ХТС (теоретико-множественное описание функциональной диаграммы) и определение ИМ, реализующих процессы проектирования ХТС;
• ИМ процессов проектирования ХТС;
• компьютерной реализации ИМ.

Представленная онтология выбора типа КТ создана по техническим условиям [20]. Описанный подход может быть использован не только при разработке СППР при проектировании технических объектов, но и при создании SMART-стандартов, SMART-технических условий и других нормативных документов.

Об авторах

Владимир Григорьевич Мокрозуб

Тамбовский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: mokrozubv@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6483-8732
Scopus Author ID: 56976333700
ResearcherId: GRX-9215-2022

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Компьютерно-интегрированные системы в машиностроении», член-корреспондент Российской академии естественных наук

Россия, Тамбов

Аббас Атван Мохавс Альсаиди

Тамбовский государственный технический университет

Email: abbas.atwan@gmail.com
ORCID iD: 0009-0001-4084-2152
Scopus Author ID: 57463110000

магистр, аспирант кафедры «Компьютерно-интегрированные системы в машиностроении»

Россия, Тамбов

Список литературы

Дополнительные файлы