Моделирование технологических установок ресурсосберегающих химико-технологических процессов на основе объектно-ориентированного подхода

Создание новых энергоресурсосберегающих химических производств, разработка их принципиальных технологических схем является сложной задачей, требующей решения целого комплекса проблем: исследования химических процессов, определения их характеристик; разработки технологии; определения числа и типов реакторных систем, входящих в состав проектируемой установки [1, с. 7-19].

Энергоресурсосбережение – это совокупность разнообразной научно-исследовательской, образовательной, проектно-конструкторской, производственно-хозяйственной, организационно-экономической, управленческой и любой предпринимательской деятельности, выполняемой на основе наиболее полного использования интеллектуальных и информационных ресурсов общества, по обеспечению оптимальных удельных расходов всех видов природных и материальных ресурсов (минеральное и углеводородное сырье, ТЭР, вода, воздух), а также трудовых ресурсов, которые необходимы для выпуска в требуемом месте в требуемое время требуемого вида требуемого качества и требуемого количества продукции с соблюдением условий национального и международного законодательства, а также требований по охране окружающей среды от химических загрязнений, включая выбросы парниковых газов.

Инжиниринг как современное понятие в широком смысле – это комплексная техническая, расчетно-графическая, организационно-техническая, технико-экономическая и консультативно-техническая деятельность, которая реализует выполнение разнообразной научно-исследовательской, проектно-конструкторской, расчетно-аналитической, организационно-управленческой и технико-экономической работы на всех этапах жизненного цикла (предпроектные исследования, технико-экономическое обоснование; бизнес-планирование; управление проектированием; разработка технических и рабочих проектов; строительство и пуск в эксплуатацию; управление эксплуатацией и техническим обслуживанием) любых производственных систем, в том числе ХТС, технических и социально-экономических систем [2, с. 953; 3, с. 474; 4, с. 12-16].

Успешное решение важнейших задач инжиниринга энергоресурсосберегающих экологически безопасных высоконадежных ХТС (Chemical Process Systems), стало возможным в результате широкого применения ЭВМ, методов кибернетики, методов информатики и математического моделирования техногенно-природных систем.

Автоматизированная разработка принципиальных технологических схем новых энергоресурсосберегающих химических производств может быть реализована с применением современных компьютерных систем математического моделирования, оптимизации и проектирования, которые дают возможность всесторонне анализировать сложные процессы, ситуации и проекты, перебирать множество вариантов и в результате синтезировать рациональные решения. При этом ускоряется процесс исследований и разработок, сокращаются затраты на реализацию проектов, необходимый результат достигается неразрушающими и природосберегающими методами.

Выделяют следующие основные виды функционально-производственного инжиниринга по отраслям и сферам деятельности экономики, а также по отраслям техники [4, с. 12-16]: систематика (System Engineering); химический инжиниринг (Chemical Engineering); инжиниринг ХТС (Process System Engineering); энергетика или энергетический инжиниринг (Power Engineering); теплотехника (Heat Engineering); логистический инжиниринг (Logistics Engineering); инжиниринг знаний (Knowledge Engineering).

Для разработки подобных компьютерных систем существует два основных подхода, принципиальное различие между которыми обусловлено разными способами декомпозиции систем: структурный подход (structured approach) и объектно-ориентированный подход (objectoriented approach).

Опыт разработки программ, которые подлежат модификации в условиях изменяющихся требований (именно к такому типу программ относятся программные комплексы моделирования ХТП) выявил приоритетность объектно-ориентированных технологий для данного класса систем.

Для успешного решения задач оптимального управления эксплуатацией энергоресурсоэффективных промышленных производств и ЦП промышленных предприятий осуществляется инжиниринг следующих видов автоматизированных систем: системы планирования ресурсов предприятия (Enterprise Resource Planning Systems – ERP-Systems), системы управления ЦП (Supply Chain Management Systems – SCM-Systems)), системы управления отношениями с покупателем (Customer Relation Management Systems – CRM-Systems)), а также системы управления ЖЦ продукта (Product Life-cycle Management Systems – PLM-System).

Следует подчеркнуть, что вероятность получения устойчивой модульной структуры возрастает при переносе основного акцента в разработке программного комплекса с программирования на проектирование.

Подход, принятый в объектно-ориентированном анализе и проектировании, ведет к объединению системного анализа с процессом логического проектирования и, благодаря их применению в течение всего жизненного цикла разработки, позволяет преодолеть проблемы трассировки между моделями системы.

Для получения научно-обоснованных результатов цифровизированного инжиниринга оптимальных энергоресурсосберегающих высоконадежных ХТС и ЦП необходимо широко использовать методы и алгоритмы теории анализа, оптимизации и синтеза ХТС; методы логистики ресурсоэнергосбережения и организационно-функционального проектирования оптимальных энергоресурсоэффективных ЦП.

Рис.

Эволюционный принцип состоит из следующих итерационно повторяемых этапов:

1. Анализ некоторого исходного варианта технологической структуры ХТС.
2. Определение наименее эффективного элемента в исходном варианте системы. Исключение этого элемента из системы.
3. Модификация выделенного элемента ХТС.
4. Ввод модифицированного элемента в исходный вариант системы и коррекция структуры технологических связей ХТС. Практическая реализация 2–4 этапов связана с необходимостью использования различных эвристик, а также многоуровневых методов оптимизации и методов теории чувствительности.
5. Анализ и оптимизация полученного, варианта технологической схемы ХТС.

Важным этапом в оценке энергоэффективности ХТС и времени задач синтеза оптимальных энергоресурсоэффных рекуперативных теплообменных систем (ТС) и систем ректификации многокомпонентных смесей с тепловой интеграцией внутренних технологических потоков является первоначальный этап сбора и обработки исходных данных о технологических потоках ХТС. Разработано специальное программное обеспечение Anselm DR, автоматизирующее процедуры сбора и обработки большого массива исходных данных при использовании анализа.

Заключение

Методика проектирования химико-технических систем с применением прогрессивных объектно-ориентированных технологий позволяет значительно повысить эффективность программной разработки и использовать полученную систему для решения задач моделирования, оптимизации и проектирования различных установок и процессов.