CC BY
10
УДК 66.045.1.011.012-52 Р.С. Быков*, Д.Д. Галиева
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9 * e-mail: rbykov04@gmail.com
ЭВРИСТИЧЕСКО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ АЛГОРИТМ ПОСТРОЕНИЯ РЕШЕТЧАТОЙ ДИАГРАММЫ ПРИ СИНТЕЗЕ ЭНЕРГОРЕСУРСОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ
Разработан алгоритм автоматизированного построения сложной решетчатой диаграммы, отображающей структуру синтезируемой теплообменной системы. Изложены основные этапы и шаги алгоритма на основе использования моделей представления знаний в виде фреймов и продукционных правил.
Ключевые слова: синтез, теплообменные системы, экспертные системы, энергоресурсоэффективность, пинч-анализ.
Одним из этапов решения сложной неформализованной задачи синтеза оптимальных энергоресурсоэффективных теплообменных систем является построение решетчатой диаграммы -графической модели синтезируемой теплообменной системы. На решетчатой диаграмме (РД) отображается структура аппаратов и технологических потоков теплообменной системы
(ТС).
На решетчатой диаграмме отображается вариант решения задачи синтеза теплообменных систем. Для одной и той же исходной диаграммы составных тепловых кривых (СТК) синтезируемой ТС можно построить несколько РД.
Отображение ТС в виде решетчатой диаграммы в отличие от традиционной технологической схемы ТС позволяет оперативно изменять расположение теплообменных аппаратов (ТА) в структуре ТС, что дает возможность творческого решения задачи синтеза[1].
Алгоритм построения решетчатой диаграммы ТС состоит из следующих этапов.
Э.1. Построение исходной РД:
Шаг 1-1. изобразить горячие потоки на РД;
Шаг 1-2. изобразить холодные потоки на РД;
Шаг 1.3. изобразить «точку пинча» на РД.
Э. 2. Размещение теплообменных аппаратов в подсистеме выше точки пинча:
Шаг 2-1) Выбрать на РД один горячий и один холодный поток;
Шаг 2-2) Определить тип, температуры на входах и выходах и количество рекуперируемой теплоты ТА.
Шаг 2-3) Проверить физическую реализуемость размещения ТА, не нарушает ли размещение ТА правила пинч-анализа не передавать тепло через пинч. Для достижения значения минимального температурного сближения может понадобиться разделить поток;
Шаг 2-4) Если размещение допустимо, то положение ТА зафиксировать на диаграмме;
Шаг 2-5) Определить остаточную задачу, т.е. выяснить какие потоки осталось рекуперировать;
Шаг 2-6) Если тепло потоков рекуперировать более нельзя, то оставшиеся тепло обменять с внешними тепло-хладагентами, иначе перейти к шагу 1.
Э. 3. Размещение теплообменных аппаратов в подсистеме ниже пинча.
Шаги этапа Э.3 аналогичны шагам этапа Э.2.
Рассмотрим сущность этапа Э.1 на РД нужно нанести известные из постановки задачи технологические потоки. Поэтому первым шагом построения РД является изображение горячих потоков в виде горизонтальных линий слева направо в порядке увеличения значения водяного эквивалента (СР), указываются начальные и конечные температуры потоков на концах отрезка, а также водяные эквиваленты потоков. (см. рис.1).
На шаге 1.2 аналогично горячим потокам на исходную диаграмму наносятся холодные потоки, которые изображаются горизонтальными линиями справа налево (см рис.1.). Взаимное расположение горячих и холодных потоков, кроме расстояния между потоками (оно практически всегда одинаково) выбирается из условий задачи. Например, можно жестко зафиксировать потоки в температурной сетке так, чтобы длина и положение потоков относительно друг друга было строго фиксированным, это будет удобно для детального изучения структуры ТС. Участок решетчатой диаграммы можно расширить, если на этом участке диаграммы располагается значительное количество ТА, что мешает восприятию диаграммы или сузить для экономии места. Если на определенном участке диаграммы располагается значительное количество ТА, то для удобства этот участок РД можно расширить или в противном случае сузить.
На шаге 1.3 изображается «точка пинча» в виде вертикальной пунктирной линии. Сначала «точка пинча» определяется на диаграмме СТК. Определив температуру «точки пинча» и потоки, относящиеся к подсистеме выше «точки пинча» и к подсистеме ниже пинча, отображаем эту информацию на РД. Для этого чертится вертикальная пунктирная линия, разбивающая диаграмму на две части (См. рис1).
Изменяя взаимное расположение исходных тепловых кривых на диаграмме СТК, можно изменять положение линии пинча на решетчатой диаграмме.
РД с нанесенными на ней потоками и линией пинча называют исходной решетчатой диаграммой. Каждому положению СТК соответствует только одна исходная решетчатая диаграмма.
На исходной РД размещаются ТА сначала в подсистеме выше пинча, затем в подсистеме ниже пинча. Задача оптимального размещения ТА - это сложная неформализованная задача, для решения которой на практике применяются различные группы эвристических правил.
1) Группа эвристических правил размещения ТА на РД: ЭП1-1) ЕСЛИ (необходимо синтезировать оптимальную ТС), ТО (в первую очередь для рекуперации выбирают самые горячие и самые холодные потоки); ЭП1-2) ЕСЛИ (необходимо синтезировать оптимальную ТС), ТО (при рекуперативном теплообмене необходимо обменивать максимально возможное количество тепла) и прочие.
2) Группа эвристических правил пинч-анализа: ЭП2-1) ЕСЛИ (необходимо синтезировать оптимальную ТС), ТО (нельзя передавать тепло через «точку пинча»). ЭП2-2) ЕСЛИ (необходимо синтезировать оптимальную ТС), ТО (начинать размещение ТА от точки пинча) [1]. Также добавляются специфические и технологические эвристические правила предметной области.
Рис. 1. Решетчатая диаграмма с размещенными ТА
Для отображения размещения ТА на РД используется два связанных чертою круга, указывающих какие именно потоки вступают в рекуперативный теплообмен.
Если возникает необходимость рекуперировать тепло одного потока одновременно несколькими потоками, то этот поток разделяют на несколько подпотоков с различной величиной теплоты (см.рис.2).
Предпосылками для разделения потока на несколько подпотоков выступают одни из основных правил пинч-анализа: не использовать теплоагенты ниже «точки пинча», и не использовать хладагенты выше «точки пинча». На практике это означает, что число потоков, входящих в «точку пинча» не должно превышать число потоков, исходящих из «точки пинча» [1].
Разделение потоков не позволяет оптимизировать размещения ТА по одному из критериев эффективности [2] и делает возможным творческое решение задачи.
Эвристические правила размещения ТА, основные правила пинч-анализа, правила предметной области отображаются в виде моделей представления знаний: продукционных правил и фреймов, которые практически реализованы в виде баз знаний и экспертных систем, важнейшим компонентом которого является лингвистический процессор [3,4].
СР Т
0.94 180°
1.5 300"
2.0 350"
СР т
2.06 354°
1.5 300"
1.0 200"
300 СЕ
300
Рис. 2. Решетчатая диаграмма с потоком разделенным на подподпотоки
Авторы считают приятным долгом выразить благодарность заведующему кафедрой ЛогЭкИ, директору МИ-ЛРТИ, член-корреспонденту РАН, д.т.н., профессору, Мешалкину Валерию Павловичу, который полностью заставил все переделать.
Быков Руслан Сергеевич — аспирант кафедры Логистики и экономической информатики РХТУ имени Д. И Менделеева, Россия, Москва
Галиева Динара Дарвиновна — аспирантка кафедры Логистики и экономической информатики РХТУ имени Д. И Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Мешалкин В.П., Товажнянский Л.Л., Капустенко П.А. Основы энергоресурсоэффективных экологически безопасных технологий нефтепереработки: учеб.пособие - Харьков: НТУ «ХПИ», 2011. - 801 c
2. Мешалкин В.П. Экспертные системы в химической технологии М.:Химия, 1995 г.
3. Мешалкин В.П., Панина Е.А., Быков Р.С. Принципы разработки интерактивной системы смысловой обработки научно-технических текстов по химической технологии реактивов и особо чистых веществ // Теорет. основы хим. технологии. 2015. Т. 49, № 4. С 442
4. Мешалкин В.П., Мельниковская Л.А., Ходченко С.М. Товажнянский Л.Л.,Ульев Л.М., Энергоресурсоэффективная реконструкция установки нефтепереработки на основе пинч-анализа с учетом внешних тепловых потерь: Теоретические основы химической технологии, 2012: т. 46,.-№5.- С. 491-500.
Bykov Ruslan Sergeevich *, Galieva Dinara Darvinovna
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
* e-mail: rbykov04@gmail.com
HEURISTICALLY COMPUTING ALGORITHM FOR CONSTRUCTING A TRELLIS DIAGRAM IN THE SYNTHESIS OF ENERGY AND RESOURCE EFFICIENCY HEAT EXCHANGE SYSTEM
Abstract
An algorithm for the automated construction of a complex diagram system heatexchangers showing the structure of the synthesized the heat transfer system. The Article has described the basic stages and steps of algorithm which based on the knowledge representation models in the form of frames and production rules. Key words: synthesis, heat transfer systems, expert systems, energy resource saving, pinch analysis
