Decision support system for selecting the type of shell-and-tube heat exchanger

Texto integral

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.

Sobre autores

Vladimir Mokrozub

Tambov State Technical University

Autor responsável pela correspondência
Email: mokrozubv@yandex.ru
ORCID ID: 0000-0001-6483-8732
Scopus Author ID: 56976333700
Researcher ID: GRX-9215-2022

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Computer Integrated Systems in Mechanical Engineering, Corresponding member of the Russian Academy of Natural Sciences

Rússia, Tambov

Abbas Atwan Alsaidi

Tambov State Technical University

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

Master's degree, Postgraduate student at the Department of Computer-Integrated Systems in Mechanical Engineering

Rússia, Tambov

Bibliografia

Arquivos suplementares