Основы проектирования химических производств

Основные пакеты прикладных программ (ППП) технологической подсистемы САПР-ЦЕМЕНТ

ППП СЫРЬЕ включает комплекс программных блоков, автомати­зирующих обработку результатов исследовательских работ, выполняе­мых при оценке качества цементного сырья по геологоразведочным данным. В качестве исходной информации используются результаты предварительной, детальной или эксплуатационной разведки место­рождений. Для разработки рациональной технологической схемы важ­но знать не только средние значения химико-физических характерис­тик, но также амплитуду вариаций и скорость изменения этих свойств, т. е. их динамику.

Обработка геологической информации с использованием ППП СЫРЬЕ производится в несколько этапов.

Этап 1. Ввод геологической информации и занесение ее в БД ОБКТ. ГЕО.

Заносятся координаты разведочных скважин, а также высотные привязки и полный химический состав выделенных интервальных проб (кернов). На основании поинтервальных данных формируется так называемое геополе карьера, т. е. такой информационный массив, в котором для каждого участка карьера определены достоверные химиче­ские характеристики.

Этап 2. Определение усредненных показателей, характеризующих качество сырья в залежи.

Расчеты следует производить для различных участков карьера. По­лучить наиболее рациональное решение можно путем сравнения раз­личных вариантов. При этом варьируются:

• границы исследуемой области (контур карьера); высотные отмет­ки отрабатываемой толши;

• условия исключения из переработки некондиционного сырья.

Результатом работы на этом этапе является следующая инфор­мация:

• средние значения исследуемых химических характеристик;

• их среднеквадратичные отклонения;

• объемы добычи полезной и некондиционной породы;

• объемы породы с заданными качественными характеристиками.

Этап 3. Определение динамических характеристик изменчивости

Свойств сырьевых материалов.

На этом этапе вначале определяются корреляционные функции изменчивости сырья в пространстве карьера. Знание характеристик изменчивости сырья на карьере позволяет разрабатывать рациональ­ные мероприятия по компенсации этих изменений. Эти мероприятия могут затрагивать как технологическую схему переработки сырья, так и стратегию добычи сырья на карьере.

Этап 4. Формирование плана горных работ с учетом стабилизации качества добываемого сырья.

Этот этап производится в диалоговом режиме. Проектировщику предоставлена возможность на дисплее отобразить любой участок карьера.

Моделирование процесса планирования добычи сырья заключает­ся в том, что проектировщик выбирает количество экскаваторов, их максимальную производительность, расставляет их на участки и зада­ет направление передвижения с учетом ограничений, накладываемых на проведение горных работ.

Меняя стратегию разработки карьера, можно добиться максималь­ного снижения исходной неоднородности.

Этап 5. Расчет параметров сырьевой смеси.

Исходными данными для работы программы являются шифры сырьевых компонентов, из которых составляется сырьевая смесь, а так­же задания на модульные характеристики смеси — коэффициент насы­щения, силикатный и глиноземный модули. Необходимая для расчетов информация о химических характеристиках смешиваемых материалов поступает в программу БД ОБКТ. ГЕО. В результате расчетов определя­ется рецепт сырьевой смеси, т. е. массовые доли всех смешиваемых материалов, а также соответствующие рецепту концентрации в смеси основных оксидов.

ППП БАЛАНС. После того, как определены технологические свойства исходных сырьевых материалов и подобран рецепт сырьевой смеси, производится формирование укрупненной технологической схемы. Как правило, анализировать нужно несколько вариантов с це­лью выбора из них наиболее рационального. Анализ каждого варианта технологической схемы начинается с расчета материального баланса завода. Материальный баланс — это список потоков основных техно­логических материалов с указанием их годовых расходов.

На основании данных материального баланса решаются задачи, необходимые для предварительной оценки технико-экономических показателей завода и дальнейшей проектной проработки.

Работа с ППП БАЛАНС производится поэтапно.

Этап 1. Определение ассортимента выпускаемой продукции.

При решении этой задачи следует учитывать как технологические, так и экономические факторы. К экономическим относятся: потреб­ность региона в различных марках цемента, уровень оптовых цен, а также наличие необходимых ресурсов и их стоимость.

Технологические факторы — это закономерности изменения свойств цемента в зависимости от состава цементной шихты и техно­логических режимов его производства.

Задача сводится к поиску такого ассортимента производимого цемента, который обеспечивает максимальную прибыль с учетом

Ограничений на выпуск отдельных марок цемента и на возможность использования различных ресурсов.

Этап 2. Ввод информации о технологических потоках (материалах).

Здесь вводятся цифры и наименование потока, а также параметры, характеризующие технологические свойства, удельные расходы раз­личных ресурсов для производства данного материала, планируемые технологические операции (шифр операции, режим работы, нормы потерь).

В САПР-ЦЕМЕНТ с целью автоматизации процесса формирова­ния технологической схемы предусмотрен режим генерации инфор­мации о потоках с использованием библиотеки фрагментов типовых проектных решений.

В том случае, если фактические проектные решения отличаются от типовых, заложенных во фрагментах, проектировщик должен откор­ректировать задание, сгенерированное системой.

Этап 3. Расчет материального баланса.

Здесь окончательно формируется проектируемая технологическая схема, которая фиксируется в виде описаний технологических потоков з БД ОБКТ. ПОТОК; в виде таблицы материального баланса и, нако­нец, в виде чертежа технологической схемы.

Этап 4. Оценка экономических показателей проектируемого объекта.

В САПР-ЦЕМЕНТ для экономической оценки проектных реше­ний на ранних стадиях проектирования принят метод экспрессной экономической оценки на основании использования технико-эконо­мических нормативов.

База данных экспрессной системы экономических оценок содер­жит нормы расхода натуральных показателей на выполнение различ­ных технологических операций. Таким образом, имея информацию о зыполняемых на проектируемом объекте технологических операциях, нормы расхода натуральных показателей, а также их цены для района строительства, программа рассчитывает следующие технико-эконо­мические показатели проекта:

• полную потребность в ресурсах;

• стоимость основных фондов;

• себестоимость реализуемой продукции;

• годовую прибыль;

• предполагаемый срок окупаемости затрат на строительство завода.

Этап 5. Выпуск сопутствующих документов.

ПИП ВЫБОР. Основной процедурой выбора оборудования, наи­лучшим образом соответствующего выполнению заданной технологи - леской операции, является расчет производительности этого обору­дования и потребляемых им ресурсов. Эту задачу можно решить двумя путями. Первый путь методически связан с моделированием процессов

Тепло - и массообмена, а также кинетики химических и физических превращений, происходящих в аппарате.

Это сложный путь, он связан с созданием серьезных программ для каждого типа агрегатов. Расчет по таким программам требует ввода большого количества данных, характеризующих конструкцию агрега­та. Создание и использование таких программ целесообразнее в случа­ях, когда требуется конструктивная проработка агрегата (проектирова­ние новых, реконструкция действующих).

В том случае, когда требуется прогнозировать производительность серийного аппарата, возможно использование упрошенной методики. Для серийных агрегатов установлена паспортная производительность, соответствующая производительности в определенных условиях (фи - зико-химическис свойства исходного и выходного продукта, условия окружающей среды и т. д.). Для корректирования значения производи­тельности используются эмпирические зависимости, учитывающие влияние факторов, отличных от тех, которые зафиксированы при определении паспортной производительности.

В САПР-ЦЕМЕНТ реализованы оба подхода к определению про­изводительности и потребляемых ресурсов. В качестве примера прог­раммы, использующей первый подход, можно назвать, прежде всего, программу расчета печных агрегатов. Работа этой программы основа­на на решении системы нелинейных уравнений, описывающих проти - воточное движение обжигаемого материала и пылегазовой среды с уче­том протекания процессов теплообмена, сушки, декарбонизации, образования жидкой фазы, минералообразования и др.

На описании функционирования процедуры выбора оборудова­ния, основанной на второй из перечисленных выше методик, остано­вимся подробнее. Работа этой системы основана на взаимодействии следующих четырех компонентов САПР:

1. В БД ОБ КТ. ПОТОК содержится информация о свойствах пере­рабатываемых материалов (влажность, крупность, прочность, остаток на сите выходного продукта и т. д.).

2. В БД О С Р. О БО РУД указываются паспортные данные, характе­ризующие часовую производительность и условия применимости (максимальную влажность, размер куска и т. д.). Кроме того, в этом разделе БД указывается в случае необходимости номер фрагмента, к которому следует обратиться при выборе агрегата.

3. В библиотеке фрагментов хранятся фрагменты, реализующие арифметические и логические операции, необходимые для вычисления требуемых параметров (часовая производительность, потребность в энергоресурсах и т. д.).

4. Технолог, эксплуатирующий систему, при выборе оборудования должен указать следующую информацию: группу локальных кодов обо­рудования, которая должна анализироваться с точки зрения выполнения данной технологической операции; шифры потоков, обрабатываемых данным видом оборудования. Кроме того, в задании могут указывать­ся данные, характеризующие режим работы оборудования (норматив­ный коэффициент использования, годовой фонд времени). Указыва­ется также критерий выбора оборудования. Здесь следует сказать, что использование в качестве критерия непосредственно себестоимости данной технологической операции не всегда является обоснованным. Действительно, поскольку данный агрегат работает в системе агрега­тов, составляющих технологическую схему, существует ряд показателей | кроме себестоимости данной операции), влияющих на технико-эко­номические показатели работы всего объекта.

Таким образом, процесс выбора оборудования состоит из следую­щих операций.

Операция выбора оборудования. Перебираются все типы оборудова­ния, указанные технологом в группе локальных кодов. Для каждого типа определяется значение критерия, оценивающего степень его при­годности.

По окончании перебора определяется оборудование с экстремаль­ным значением критерия. Выбранное оборудование заносится в БД ОБКТ. ОБОРУД.

Операция вычисления критерия. Перебираются все технологические потоки, которые предполагается перерабатывать данным видом обору­дования. Для каждого материала определяется возможность его пере­работки и часовая производительность, далее из БД ОБКТ. ПОТОК выбирается годовая потребность в данном материале и рассчитывается годовой фонд времени для переработки необходимого объема. Если хоть один материал по какой-либо причине не может быть перера­ботан, то данное оборудование исключается из дальнейшего анализа, в противном случае определяется общий годовой фонд времени, необ­ходимый для обработки всех материалов, необходимое количество агрегатов и значение критерия.

Операция определения возможности переработки материала и часовой производительности. Из БД ОБКТ. ОБОРУД выбираются параметры, характеризующие технологическую применимость проверяемого обо­рудования. По шифру каждого их этих параметров в БД О Б КТ. ПОТОК ищется фактическое значение аналогичного параметра перерабатывае­мого материала, и если фактическое значение лежит вне области раз­решенных значений, делается пометка о невозможности применения этого вида оборудования. В том случае, если имеется параметр, указы­вающий на необходимость обращения к фрагменту, система вызывает заданный фрагмент, где производятся вычисления часовой производи­тельности и потребных ресурсов. Если вызов фрагмента не предусмот­рен, то в качестве расчетных значений параметров выбираются пас­портные данные.

ППП АНАЛИЗ. Выбор оптимального варианта технологической схемы должен основываться на сравнении прогнозируемых значений показателей, характеризующих качество функционирования проекти­руемого объекта. К таким показателям следует отнести: себестоимость выпускаемой продукции, возможность гарантированного выполнения производственных заданий по выпуску готовой продукции и, наконец, возможность гарантированного выпуска продукции заданного качест­ва. Определение себестоимости выпускаемой продукции производится подсистемой расчета технико-экономических показателей. Получение же достоверных прогнозных оценок, характеризующих функциональ­ные возможности проектируемого предприятия, основывается на его системотехническом анализе.

При системотехническом анализе используют два принципа моде­лирования процессов. Первый принцип основан на математической имитации процессов, происходящих в реальных объектах. Такой метод моделирования называется имитационным моделированием. В САПР - ЦЕМЕНТ на основе имитационного моделирования прогнозируется производительность технологической линии.

При моделировании завод рассматривается как сложная система агрегатов, каждый из которых подвержен воздействию большого числа факторов.

Эти факторы могут быть предсказуемыми (технологический ре­жим, плановые ремонты), а также случайными (выход из строя обору­дования, переполнение емкости и т. д.). Каждое из этих событий изме­няет состояние как отдельного агрегата, так и системы в целом.

Описание технологической схемы для имитационного процесса сводится к перечислению стандартных блоков: технологические аг­регаты (ТА); буферная емкость (РФ); блок управления группой тех­нологических агрегатов (БУ); блок управления элементарной техно­логической цепочкой и др., каждый из которых воспроизводит функционирование отдельного элемента схемы.

В результате имитационного моделирования работы схемы за дос­таточно большой срок (например, 20 ООО часов) определяются такие показатели проектируемого завода, как производительность и возмож­ные отклонения ее от среднего значения, коэффициент использования оборудования, вероятность нахождения системы в различных техноло­гических режимах, графики нагрузок на источники энергии.

Второй принцип анализа технологических схем основан на исполь­зовании передаточных функций отдельных объектов. Если при имита­ционном моделировании исследуется протекание процессов во време­ни, то в методе передаточных функций на основе теории динамических систем рассчитываются непосредственно изменения интегральных характеристик технологических потоков при прохождении их через агрегаты. Передаточная функция агрегата позволяет на основании

Характеристики потока на входе в агрегат и динамической модели аг­регата определить соответствующие характеристики потока на выходе.

ППГ1 ТРАНСПОРТ. После компоновки основного технологиче­ского оборудования и определения трасс коммуникаций проектируют­ся средства внутрицехового транспорта и вспомогательное оборудова­ние. В первой очереди САПР-ЦЕМЕНТ задействованы программы, автоматизирующие проектирование следующего вида оборудования; ленточных конвейеров, пластинчатых конвейеров, ленточных питате­лей, пластинчатых питателей, винтовых конвейеров, ковшевых элева­торов, грейферных кранов, пневмотранспорта, гидротранспорта, аспи­рации участков перегрузки, дробилок, элеваторов, силосов и бункеров.

ППП ЗАДАНИЕ. По окончании работы предыдущих стадий авто­матизированного проектирования в БД ОБКТ. ОБОРУД накоплена информация, характеризующая примененное оборудование.

Здесь собраны данные, необходимые для выпуска заказных специ­фикаций и заданий на разработку смежных частей проекта. Для выпус­ка этих документов необходимо дополнить соответствующий раздел БД информацией о том оборудовании, которое по каким-либо причинам было выбрано проектировщиком без использования САПР-ЦЕМЕНТ и отсутствует в БД ОБКТ. ОБОРУД.

В первой очереди САПР-ЦЕМЕНТ предусмотрена выдача следую­щих заданий:

• задание на проектирование электроснабжения, в котором указы­ваются все электроприемники, установленные в данном обору­довании, их мощности и скорости вращения;

• задание на техническое водоснабжение;

• задание на составление смет на монтаж и приобретение оборудо­вания;

• список тепловыделений для проектирования системы венти - ляции.