Содержание к диссертации
Введение
1. Методы и модели проектирования компоновок промышленных объектов 13
1.1. Роль и место этапа компоновки оборудования в общей схеме проектирования производств 13
1.2. Основные этапы развития задач компоновки 18
1.3. Анализ математических формулировок задач компоновки 26
1.4. Анализ методов и алгоритмов решения задач размещения 30
1.5. Анализ методов и алгоритмов решения задач трассировки 33
1.6. Автоматизированные информационные системы компоновки оборудования промышленных производств 39
1.7. Постановка задачи поиска оптимального проектного решения компоновки в цехах ангарного типа 41
2. Разработка автоматизированной информационной системы компоновок и исследование факторов, влияющих на компоновку оборудования 48
2.1. Разработка автоматизированной информационной системы компоновки в цехах ангарного типа 48
2.1.1. Общая структура информационной системы 48
2.1.2. Описание информационных потоков 59
2.2. Основные правила и требования, предъявляемые к компоновке оборудования 63
2.2.1. Требования, предъявляемые к строительным конструкциям 63
2.2.2. Требования к размещению оборудования 64
2.2.3. Требования к прокладке трубопроводов 66
2.2.4. Требования обеспечения безопасности производства, обслуживания и ремонта оборудования при компоновке 68
2.3. Выбор типа конструкции цеха и влияние его на компоновку оборудования 70
2.4. Способы транспортировки веществ и их влияние на компоновку оборудования 74
2.4.1. Влияние условий транспортировки жидких веществ на компоновку оборудования 77
2.4.2. Влияние условий транспортировки сыпучих материалов на компоновку оборудования 87
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2 95
3. Аналитические модели размещения технологического оборудования и трассировки трубопроводов в цехах ангарного типа 96
3.1. Критерий выбора оптимального варианта размещения технологического оборудования с определением размеров ангарного цеха и конфигурации внутренних строительных конструкций 100
3.2. Критерий выбора оптимального варианта трассировки трубопроводов и размещения трубопроводной арматуры 103
3.3. Описание объектов компоновки 106
3.4. Аналитическая модель размещения оборудования в цехах ангарного типа 118
3.5. Аналитическая модель трассировки трубопроводов в цехах ангарного типа 130
3.6. Условия проектируемости размещения оборудования в цехах ангарного типа 139
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3 146
4. Методика решения задачи компоновки в цехах ангарного типа 147
4.1. Методика решения задачи компоновки в цехах ангарного типа 147
4.2. Примеры решения отдельных задач проектирования компоновок промышленных объектов с использованием
автоматизированной информационной системы компоновки... 168
Выводы к главе 4 177
Основные выводы 178
Список использованных источников
- Анализ методов и алгоритмов решения задач размещения
- Основные правила и требования, предъявляемые к компоновке оборудования
- Выбор типа конструкции цеха и влияние его на компоновку оборудования
- Критерий выбора оптимального варианта трассировки трубопроводов и размещения трубопроводной арматуры
Введение к работе
Определяющими факторами успеха в промышленном производстве являются уменьшение времени выхода продукции на рынок, снижение себестоимости и повышение качества. Значительное сокращение цикла проектирования и подготовки производства, подразумевающее внедрение систем автоматизации проектирования и применение информационных технологий может способствовать созданию конкурентоспособной продукции и своевременному выходу ее на рынок. На этапе проектирования производств возникает ряд задач, от эффективности решения которых зависит качество и себестоимость конечной продукции.
Этап проектирования производства включает в себя такие задачи как проектирование технологической схемы, выбор аппаратурного оформления схемы, компоновку оборудования, проектирование производственных зданий и сооружений и т.д. При решении каждой из этих задач необходимо нахождение оптимальных вариантов, а следовательно необходимо сравнить множество возможных решений и выбрать лучшее. Все эти задачи тесно связаны друг с другом и для нахождения оптимального решения комплекса задач проектирования необходимо создание систем, обеспечивающих обмен данными, что невозможно без применения современных подходов в области автоматизации проектирования и информационных технологий.
Этап компоновки оборудования в общей задаче проектирования технологических процессов является одним из наиболее трудоемких и многовариантных. Он включает в себя решение таких задач как определение размеров цеха, размещение технологического оборудования в объеме цеха, определение конфигурации площадок обслуживания, трассировка трубопроводов и размещение трубопроводной арматуры. Принятый проектировщиком вариант компоновочных решений существенно влияет на эксплуатацию оборудования, а так же определяет капитальные затраты при строительстве производств и эксплуатационные затраты в процессе функционирования оборудования. При проектировании технологической части проекта производств необходимо учитывать комплекс факторов, которые в итоге формируют окончательный вариант компоновки оборудования и объемно-планировочных решений.
К таким факторам в первую очередь относятся условия
функционирования схемы. Например, требования перепада высот между отдельными единицами оборудования, особенности транспортировки материальных потоков, необходимые уклоны трубопроводов и самотеков для транспортировки сыпучих материалов. Условия функционирования технологической схемы формируются, прежде всего, на основе технологического регламента и норм технологического проектирования для данного производства, а так же на основе экспертных данных институтов и предприятий занимающихся разработкой технологии данных производств.
Следующая группа факторов влияющих на компоновочные решения -это комплекс нормативной документации, которая разрабатывается головными институтами данной отрасли промышленности и надзорными органами и служит для обеспечения безопасной и удобной работы людей на производстве, обслуживания, ремонта и монтажа оборудования и трубопроводных систем.
Большое значение для нахождения оптимального варианта компоновки оборудования и трассировки технологических трубопроводов имеют гидравлические, тепловые и прочностные расчеты. Проведение этих расчетов при комплексной оптимизации компоновки оборудования позволит подобрать оптимальные гидродинамические режимы транспортировки веществ, устройства для транспортировки, тепловую изоляцию и конструкции для установки оборудования, крепежа трубопроводов и вспомогательного оборудования.
Одной из важных подзадач является нахождение оптимального варианта объемно-планировочных решений при реконструкции и модернизации действующих производств, так как в условиях жесткой рыночной конкуренции для большинства предприятий наиболее болезненным является вопрос длительности простоя. Реконструкцию производств, если не учитывать замену полностью морально или физически устаревшего оборудования, можно вести по двум основным направлениям. Во-первых, это увеличение мощности производства с помощью введения в производство дополнительной цепочки аппаратов, либо замены аппаратов всех или нескольких стадий более производительными. Во-вторых, повышение качества выпускаемой продукции за счет введения в технологический процесс дополнительных стадий или
7 увеличения количества аппаратов существующих стадий влияющих,
например, на степень очистки конечного продукта от примесей.
При проектировании производств существенную роль играет выбор типа конструкции производственных помещений, который определяется спецификой размещаемых производств, их производительностью и экономической целесообразностью. Компоновка оборудования может осуществляться в цехах, которые можно разделить на три основные типа: многоэтажные цеха, ангарные (павильонные) цеха, и размещение оборудования на открытых площадках. Проблема нахождения оптимального варианта компоновки в многоэтажных цехах освещена в работах отечественных [23, 30-32, 39,40, 42, 48] и зарубежных [88, 92, 93, 102, 107, 108, ПО] авторов. Однако нераскрытой остается проблема нахождения оптимальных компоновочных решений в цехах ангарного типа. Проектирование производств в цехах ангарного типа получило широкое распространение в ряде отраслей промышленности. Это связано со следующими факторами: небольшие сроки строительства сооружений ангарного типа; возможность расположения технологического оборудования на высотных отметках, не привязанных к строительной сетке; возможность использования сборных металлических конструкций при строительстве; упрощение реконструкции производств. Данная работа посвящена проблеме автоматизации проектирования проектных решений компоновки в цехах ангарного типа.
Множество факторов влияющих на конечный результат решения задачи компоновки, необходимость проведения ряда расчетов и учета всех особенностей функционирования проектируемого производства делают задачу компоновки крайне сложной. В связи с этим нахождение оптимального решения задачи компоновки ручными методами не представляется возможным.
Одним из наиболее перспективных направлений повышения производительности и качества проектных работ является математическое моделирование и использование ЭВМ для оптимизации проектных решений.
Существует множество разнообразных математических моделей и методов проектирования, что обусловлено многообразием объектов проектирования, целей и критериев оценки решений. Однако, до сих пор, не
8 имеющие практической реализации, остаются вопросы автоматизации
компоновок и принятия объемно-планировочных решений при проектировании
производств химической и пищевой промышленности в цехах ангарного типа.
Трудности моделирования и оптимизации процесса размещения
технологического оборудования и трассировки технологических
трубопроводов обусловлены тем, что часть факторов, существенно влияющих
на решение данной задачи, не поддаются формализации.
Очевидно, что для решения задачи компоновки оборудования, трассировки трубопроводов и размещения трубопроводной арматуры с определением габаритов производственных помещений и внутренних строительных конструкций необходимо разработка и применение современных информационных систем, математических методов решения оптимизационных задач и моделей описания объектов, а также применение мощной вычислительной техники.
Объектом исследования является компоновка оборудования промышленных производств в цехах ангарного типа.
Предметом исследования является автоматизированная информационная система, основывающаяся на аналитических и процедурных моделях размещения технологического оборудования и трассировки трубопроводов промышленных производств в цехах ангарного типа.
Целью данной работы является разработка автоматизированной информационной системы на основе аналитических и процедурных моделей размещения технологического оборудования и трассировки трубопроводов промышленных производств в цехах ангарного типа.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Провести анализ существующих автоматизированных информационных систем компоновки объектов в пространстве, моделей и методов поиска проектных решений по компоновке.
Разработать структуру автоматизированной информационной системы компоновки оборудования, учитывающую специфику задачи компоновки в цехах ангарного типа.
- Разработать структуру базы данных для хранения текстовой и
графической информации об объектах компоновки, ограничений на проектные решения, а также для хранения информации по проектным решениям.
Провести анализ условий, влияющих на принятие проектных решений по компоновке оборудования и осуществить их формализацию.
Разработать способ описания объектов компоновки, позволяющий учитывать особенности размещения в пространстве различных типов объектов, таких как разногабаритное технологическое оборудование, система технологических трубопроводов, строительные конструкции ангарного цеха, металлоконструкции.
Сформулировать математические постановки задач, возникающих при компоновке оборудования в цехах ангарного типа.
Разработать аналитические и процедурные модели размещения технологического оборудования и трассировки технологических трубопроводов в цехах ангарного типа.
Разработать методику решения задачи компоновки в цехах ангарного типа, включающей размещение технологического оборудования, нахождение оптимальных объемно-планировочных решений цеха, трассировку технологических трубопроводов и размещение трубопроводной арматуры.
Работа состоит из введения, четырех глав и выводов.
Первая глава посвящена анализу существующих моделей и методов решения задач размещения и трассировки в различных отраслях промышленности. Осуществлен обзор существующих автоматизированных информационных систем для решения задач размещения и трассировки. На основании проведенного анализа сформулированы выводы и основные задачи исследования.
Во второй главе разработана структура автоматизированной информационной системы компоновок в цехах ангарного типа, включающей в себя ряд блоков, между которыми в процессе получения проектного решения осуществляется обмен информацией. Часть данных в процессе проектирования вносит в систему эксперт в виде исходных данных, промежуточных корректировок и ограничений.
10 Также исследованы факторы, влияющие на принятие проектных
решений по компоновке оборудования. Рассмотрены такие факторы как
способы транспортировки жидких и твердых (сыпучих) веществ, выбор типа
конструкции цеха, обеспечение безопасности производства. На основе
проведенных исследований разработана классификация факторов, влияющие
на принятие проектных решений по компоновке оборудования.
В третьей главе осуществлена разработка способа многоуровневого описания объектов компоновки с помощью комплексов простейших геометрических фигур, а также информационное описание системы технологических трубопроводов с помощью матриц связей, узлов и участков. Матрица связей хранит идентификацию аппаратов источников и приемников, принадлежность к связи узлов технологических трубопроводов. Матрицы узлов и участков вводятся для описания разветвленных трубопроводов и определяют общие точки для различных связей.
На основе проведенного во второй главе анализа разработаны аналитические модели размещения технологического оборудования и трассировки трубопроводов в цехах ангарного типа.
В четвертой главе предложена методика решения задачи компоновки, основывающаяся на последовательном решении задач размещения и трассировки с различной степенью детализации описания геометрии объектов.
Разработаны процедурные модели размещения оборудования и трассировки трубопроводов в цехах ангарного типа.
Представлен пример практического применения системы автоматизированного проектирования компоновок в цехах ангарного типа и разработанной методики решения задачи компоновки.
Научная новизна. 1) На основе проведенного анализа процесса компоновки оборудования промышленных производств в цехах ангарного типа впервые поставлена задача совместного оптимального автоматизированного проектирования: размещения технологического оборудования, трассировки трубопроводов, определения конфигурации строительных конструкций и размещения трубопроводной арматуры.
Разработан способ многоуровневого описания объектов компоновки, заключающийся в представлении объектов компоновки в виде комплекса простейших геометрических фигур, выделении подобъектов, собственные ограничения и условия размещения в пространстве которых заданы различными видами представления информации.
Разработана аналитическая модель размещения технологического оборудования в цехах ангарного типа, учитывающая влияние таких факторов, как условия транспортировки веществ между аппаратами, условия обслуживания и ремонта оборудования согласно требованиям нормативно-технической документации.
Разработана аналитическая модель трассировки технологических трубопроводов в цехах ангарного типа, учитывающая влияние таких факторов, как условия транспортировки веществ между аппаратами при различных режимах совместной работы аппаратов, условия прокладки трубопроводов и размещения трубопроводной арматуры.
Разработана процедурная модель трассировки разветвленной системы технологических трубопроводов, основанная на выделении подмножества технологических связей аппаратов, в состав которых входят общие узлы, и последовательной трассировке всех связей от аппаратов до размещенных узлов на проведенных в пространстве трассах.
Основные положения, которые выносятся на защиту:
Постановка задачи совместного оптимального проектирования: размещения технологического оборудования, трассировки трубопроводов, определения конфигурации строительных конструкций и размещения трубопроводной арматуры.
Способ многоуровневого описания объектов компоновки.
Аналитическая модель размещения технологического оборудования в цехах ангарного типа.
Аналитическая модель трассировки технологических трубопроводов в цехах ангарного типа.
5) Процедурная модель трассировки разветвленных трубопроводов.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- Предложенная методика позволяет решить общую задачу компоновки, в виде последовательности решений подзадач компоновки с изменением
12 детализации описания геометрии объектов и учетом ограничений,
разбитых на классы в зависимости от степени их влияния и необходимости
соблюдения на различных этапах решения.
Предложены критерии оптимальности размещения оборудования и трассировки трубопроводов в цехах ангарного типа, позволяющие оценить капитальные затраты на строительные конструкции цеха, трубопроводы, средства транспортировки веществ, металлоконструкции для этажерок и площадок обслуживания, а также эксплуатационные затраты на транспортировку веществ между аппаратами.
Созданная автоматизированная информационная система компоновки оборудования промышленных производств в цехах ангарного типа учитывает способ многоуровневого информационного описания объектов компоновки и разработанные аналитические и процедурные модели размещения оборудования и трассировки трубопроводов.
С помощью разработанной системы были решены задачи размещения оборудования и трассировки трубопроводов ряда промышленных объектов: реконструкция производства емкостного оборудования и производства насосных агрегатов ОАО «Первомайскхиммаш»; проектирование отделений механико-ферментативной обработки крахмалистого сырья спиртовых заводов мощностью 500 дал/сут и 1500 дал/сут проектным отделом ОАО "Тамбовский завод "Комсомолец" имени Н.С. Артемова".
Апробация работы. Результаты исследований и отдельные материалы работы докладывались и обсуждались на: IV Тамбовской межвузовской научной конференции «Актуальные проблемы информатики и информационных технологий» (Тамбов, ТГУ, 2000 г.); V Тамбовской межвузовской научной конференции «Актуальные проблемы информатики и информационных технологий» (Тамбов, ТГУ, 2001 г.); научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». ММТТ-14 (Смоленск, 2001 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 10 печатных работах, в том числе в научно-технических журналах РФ - 3 публикации.
Анализ методов и алгоритмов решения задач размещения
Всю совокупность алгоритмов, используемых для решения практических задач размещения промышленных объектов, можно раз делить на следующие основные группы [67, 78, 80, 86, 90, 110]: 1. Алгоритмы, основанные на использовании точных методов. 2. Конструктивные алгоритмы начального размещения. 3. Итерационные алгоритмы улучшения начального варианта размещения. 4. Алгоритмы, основанные на использовании методов случайного поиска. 5. Непрерывно-дискретные методы. 6. Алгоритмы нерегулярного размещения геометрических объектов. 7. Эволюционные методы
К первой группе относится метод ветвей и границ для задачи квадратичного назначения. К настоящему времени предложено несколько общих схем изложения точных методов дискретного программирования. Большинство этих описаний касается схемы ветвей и границ. Помимо методов ветвей и границ среди точных методов решения выделяется метод последовательного анализа вариантов. Общая схема метода была разработана B.C. Михалевичем [51, 52]. Широко известный метод динамического программирования Беллмана является частным случаем схемы Михалевича. Другим универсальным методом решения дискретных задач является метод построения последовательности планов, разработанный В.А. Емеличевым и его учениками [28, 29]. Этот метод, начиная с 60-х годов, успешно применялся для решения разнообразных задач отраслевого перспективного планирования, а также задач оптимального планирования работ промышленных предприятия.
Вторая и третья группы включают приближенные алгоритмы, в основном предназначенные для оптимизации размещения элементов в
фиксированном наборе позиций. Характерной особенностью конструктивных алгоритмов [45] является то, что они создают размещение. Тогда как итерационные алгоритмы предполагают задание начального варианта размещения. Конструктивные алгоритмы используют последовательный или параллельно - последовательный процесс установки элементов в позиции при локальной оптимизации критерия качества размещения. В итерационных алгоритмах производится переразмещение элементов или их групп с целью минимизации выбранного критерия.
Алгоритмы четвертой группы основаны на генерации вариантов размещения случайным образом. Принимая во внимание большое число ограничений в задаче размещения, трудно рассчитывать на создание на основе методов случайного поиска эффективный алгоритм решения задачи, т.к. только для получения варианта размещения, удовлетворяющего системе ограничений задачи, может потребоваться генерация очень большого числа вариантов.
Основной областью применения непрерывно-дискретных методов размещения являются конструкции, в которых позиции для установки заранее не фиксированы. Алгоритмы данной группы базируются на представлении размещаемых объектов в виде материальных точек, движущихся под действием сил.
Методы нерегулярного размещения разработаны для случая размещения плоских геометрических объектов, когда множество позиций, пригодных для установки объектов, бесконечно. Сюда относится, в первую очередь, метод последовательно-одиночного размещения [70], а также метод, известный под названием метода адаптивного перебора или, в более поздней версии, метода сужающихся окрестностей [69]. Методы этой группы не могут непосредственно быть использованы для решения задачи размещения оборудования, однако отметим, что некоторые результаты, полученные по размещению плоских геометрических объектов и обобщенные в литературе [68, 70], несомненно, могут быть полезны и при разработке алгоритмов для решения задач регулярного размещения.
Методы эволюционного моделирования были разработаны в начале 70-х, но только сейчас приобрели распространение. Генетические алгоритмы (ГА) [46, 88, 90, 92, 93, 94, 102, ПО] - поисковые алгоритмы, основанные на механизмах натуральной селекции и генетики, работающие с популяциями решений методом эволюционного поиска. Основная цель ГА - абстрактно и формально объяснить адаптацию процессов в естественных системах и спроектировать искусственные программные системы, которые содержат основные механизмы естественных систем. Основное направление поиска ГА -поиск баланса между эффективностью и качеством для "выживания" в различных условиях.
В большинстве современных методов размещения используется эвристический подход. Для данного класса методов нет четкого математического обоснования, отсутствуют оценки точности решений и условия, гарантирующие получение корректных результатов. В их основе лежат логические соображения. Данные методы не гарантируют нахождение оптимального решения и сильно зависят от класса и описания решаемой задачи. Эвристические методы на практике позволяют получать неплохие результаты, однако предсказать их поведение невозможно. Эвристические методы могут использоваться как самостоятельно, так и в соединении с другими методами, используя найденное с помощью эвристики решение в качестве исходного и дальнейшего улучшения его каким-либо другим, например, комбинаторным методом. Это позволяет значительно сократить время решения задачи.
Некоторые из эвристических методов используют эффективную эвристическую базу, что исключает непосредственную зависимость от значения целевой функции в процессе решения, следовательно и попадание в локальный оптимум, что в задачах такого класса при стандартном подходе случается довольно часто из-за дискретности целевой функции и переменных. Сравнительная оценка нескольких из вышеприведенных алгоритмов показывает, что алгоритмы, использующие высокоэффективную эвристику, дают приблизительно тот же результат, затрачивая при этом на каждую генерацию значительно меньше (до 10 раз) времени. Это связано с тем, что многие эвристические алгоритмы используют для решения не полный перебор, а направленный на улучшение целевой функции, отбрасывая при этом множество "ненужных" решений. В целом это сказывается на качестве получаемого решения.
Основные правила и требования, предъявляемые к компоновке оборудования
Требования к строительным конструкциям производственных зданий и сооружений сформулированы в нормативной документации [21, 71, 72, 73 и ДР-] При проектировании производств в многоэтажных зданиях строительная конструкция монтируется из типовых элементов, имеет в плане форму прямоугольника с шагом сетки колонн 6x6 или 9x9 метров.
Высота этажей кратна 0,6 м, но не менее 3 метров. Наиболее часто высота этажа составляет 6 м. Количество этажей в цехе зависит от конкретных особенностей проектируемого производства и меняется в пределах от 1 до 5. Число пролетов по ширине цеха также зависит от конкретных условий проектируемого производства, но, как правило, меньше 6. Для транспортировки аппаратуры в цех, а также для ее демонтажа и ремонта должны быть предусмотрены постоянные или временные монтажные проемы.
При проектировании производств в ангарных зданиях строительная конструкция монтируется как из типовых элементов, так и из произвольных сварных или сборных элементов, имеет в плане форму прямоугольника. Высота здания не менее 3 метров. Размер таких помещений зависит от типа его конструкции и может иметь несущие колонны внутри цеха, например, в одноэтажных каркасных зданиях или без колонн внутри цеха при проектировании производств в цехах ангарного (павильонного) типа.
При компоновке оборудования в многоэтажных цехах учитывается этажность здания и выбранный шаг строительной сетки. Аппараты устанавливаются на этажах или с провисанием между этажами. В связи с этим процесс размещения приобретает дискретный характер. Трассировка трубопроводов в многоэтажных цехах также имеет свои особенности. Трубы ведутся в каналах или под перекрытиями.
При компоновке оборудования в ангарных цехах оборудование размещается на этажерках или фундаментах, отсутствует дискретность при размещении оборудования. Трубопроводы проводятся вдоль стен цеха, под площадками обслуживания и в ряде других мест, прокладка трубопроводов в которых не запрещается нормативно-технической документацией.
Однотипные аппараты одинакового производственного назначения (например, нитраторы, сулъфураторы, выпарные и другие аппараты), выполняющие сходные технологические функции, целесообразно объединить в специализированные агрегаты. Это обеспечивает взаимозаменяемость аппаратов и удобство их обслуживания (загрузка из одних мерников, однотипность контроля и обслуживания аппаратов работниками одинаковой квалификации). Размещение аппарата в цехе зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются: сведения о габаритах аппаратов, характере транспортных связей, обслуживания аппаратов.
На нижней отметке производственного здания обычно устанавливают сырьевые емкости, аппараты для растворения и подготовки сырья, здесь же располагается отделение упаковки готовых продуктов. Сырьевые емкости, как правило, аппараты с большим весом, устанавливают на фундаментах. Размещение таких аппаратов на верхних этажах или на металлоконструкциях (для ангарных цехов) требует увеличения прочности строительной конструкции и, следовательно, ведет к ее удорожанию.
На верхних высотных отметках устанавливают реакционную аппаратуру, размещая ее на верхних этажах или с "провисанием" через перекрытие для многоэтажных цехов или на этажерках и специальных металлоконструкциях для ангарных цехов.
Аппараты, в которых осуществляется визуальный контроль качества продукции, предпочтительно устанавливать в зонах с естественной освещенностью достаточной для проведения такого контроля.
Часть аппаратов размещается непосредственно друг под другом, что вызвано характером транспортировки веществ между этими аппаратами (транспортировка твердых и пастообразных веществ).
Каждый аппарат должен быть установлен таким образом, чтобы его легко было обслуживать, проводить ремонт и осмотр.
Размещаемые аппараты должны образовывать горизонтальные ряды с одним или несколькими проходами в цехе.
При установлении ширины проходов необходимо, с учетом действующих норм, создать возможность свободного маневрирования напольного и подвесного транспорта в цехе.
Выбор типа конструкции цеха и влияние его на компоновку оборудования
При проектировании производств одной из важнейших задач является обеспечение транспорта веществ между отдельными аппаратами технологической системы. Выбор способа транспорта веществ и типа устройств зависят от физико-химических свойств и агрегатного состояния транспортируемой среды, от времени, за которое необходимо произвести транспортировку, от режима работы аппаратов (периодический, непрерывный), а также от экономической целесообразности. Большую роль при выборе способа транспортировки веществ играет обеспечение безопасности производства. Так, например, во взрывопожароопасных производственных помещениях, всегда, когда возможно, транспорт обеспечивают самотеком. Насосное оборудование в таких производствах должно иметь электродвигатели с соответствующим исполнением, что значительно увеличивает его стоимость, в то время как самотечный способ транспорта не требует энергозатрат и является наиболее безопасным.
Газообразные вещества, такие как водяной пар, воздух и т.д., подаются из компрессорных установок, теплопунктов, котельных. Транспортировка осуществляется под действием избыточного давления, создаваемого компрессором или в коллекторах и котельных. Транспорт газообразных веществ может также осуществляться без искусственно создаваемого избыточного давления в результате разности плотностей транспортируемых веществ и окружающего воздуха (например вытяжка СОг при брожении). Особенности осуществления транспортировки газообразных и парообразных веществ заключаются в необходимости съема конденсата из трубопроводов, также в осуществлении мер безопасности для трубопроводов, работающих под высоким давлением и при транспортировке веществ с высокой температурой.
Жидкие вещества транспортируют самотеком, при помощи насосов или избыточного давления создаваемого в аппарате нагревом, вводом инертного газа или пара (передавливание). Выбор способа транспорта жидких веществ производится по нескольким параметрам, таким как свойства жидкости (вязкость, плотность, наличие твердых частиц, токсичность и т.д.); допустимость растворения в жидкости газов или паров использующихся при передавливании; необходимое время транспорта и допустимая скорость жидкости в трубопроводе; экономическая целесообразность применения того или иного способа транспорта.
Часто приходится осуществлять транспортировку веществ находящихся в измельченном состоянии (сыпучие материалы). Сырье, некоторые компоненты и конечный продукт часто представляет собой сыпучие материалы, гранулы, порошки и т.д. Транспортировку сыпучих материалов осуществляют гравитационным, пневматическим и гидравлическим способами. Выбор способа транспорта сыпучих материалов осуществляется исходя из его физико-химических свойств, допустимости контакта с жидкостями и газами, применяемыми для гидравлического и пневматического транспорта, допустимости ударов при гравитационном спуске материалов, а также исходя из экономической целесообразности.
Для большинства производств химической промышленности является распространенным способ загрузки сырья и вспомогательных материалов в твердом, сыпучем виде. При этом одним из наиболее распространенных способов транспортировки является гравитационный транспорт благодаря отсутствию сложных механизмов, вспомогательных газов и жидкостей как, например, при гидротранспорте и пневмотранспорте. При этом задача расположения бункеров и аппаратов, участвующих в процессе транспорта сыпучих материалов, а также задача проектирования систем самотечных трубопроводов и желобов являются наиболее сложными, так как допустимые углы наклонов таких трубопроводов ограничены и зависят от свойств транспортируемого материала и материала, из которого изготовлены сами трубопроводы. Далее будем рассматривать только гравитационный способ транспортировки сыпучих материалов, так как гидравлический и пневматический способы в гораздо меньшей степени влияют на компоновку оборудования.
Рассмотрим подробнее способы транспорта веществ различными способами и дадим математические формулировки зависимостям взаимного расположения технологического оборудования и способа транспорта веществ между ними.
Критерий выбора оптимального варианта трассировки трубопроводов и размещения трубопроводной арматуры
Затраты на средства для транспорта веществ между аппаратами: При решении задачи трассировки уточняются затраты на транспортные средства с учетом того, что конфигурация трубопроводов становится известной и можно точно определить гидравлические сопротивления. СТ{ - стоимость транспортного устройства, необходимого для транспортировки материальных потоков через /-й участок трубопровода.
При решении задачи трассировки к эксплуатационным затратам относятся затраты на электроэнергию Эт, потери тепловой энергии с поверхности трубопроводов цет} амортизационные отчисления А1Т, и затраты на ремонт трубопроводов Р/. Затраты на электроэнергию для транспортировки потока через т-ю трубопроводную сеть: 3m=Nm.C3.t.T, (3.15) где Nm - мощность устройства; СЭ - стоимость 1 квтч электроэнергии; / -количество часов работы системы в сутки; Т- количество рабочих дней в год. Потери тепла в окружающую среду от стенок трубопроводов: Пт = а, {Тщ - Тер) - S, СТЭ, (3.16) где Sj - площадь поверхности контакта 7-го трубопровода с окружающей средой [м2]; at - общий коэффициент лучисто-конвективного теплообмена на нагретой поверхности [— ]; СТЭ - стоимость 1-го Вт тепловой энергии. м -К [руб/Вт]; ТП[ - температура поверхности 7-го трубопровода; Тер- температура окружающей среды. Затраты на амортизацию 7-го трубопровода: AlT=Sla-Ll -dl (3.17) где і! - длина 7-го трубопровода; dl- диаметр 7-го трубопровода; Sla -стоимость амортизации труб в год на 1м длины и 1м диаметра трубопровода. Pj = Slp Ll dl - затраты на ремонт 7-го трубопровода, где S1 - стоимость ремонта труб в год на 1м длины и 1м диаметра трубопровода.
При автоматизированном решении задач размещения оборудования, проектирование строительных конструкций (этажерок, площадок обслуживания, лестниц и т.д.), трассировки технологических трубопроводов, размещения трубопроводной арматуры необходимо математическое описание всех объектов учитываемых в этих задачах. Так для решения задачи размещения оборудования необходимо описать геометрию каждого аппарата для учета различных требований и проверки геометрического непересечения объектов. Для проектирования трассировки технологических трубопроводов необходимо математическое описание сложных, разветвленных коммуникаций для применения оптимизационных методов и алгоритмов, а также описание геометрии всех элементов трубопроводов для проверки ряда требований к прокладке труб в производственных помещениях и проверки геометрического непересечения объектов. При решении каждой из задач, решаемой в процессе компоновки, необходим свой, оптимальный подход к математическому описанию объектов для того, чтобы с одной стороны избежать излишней сложности полученной модели, а с другой учесть все особенности решаемой задачи.
Поверхности трехмерных объектов, встречающихся в задачах размещения, часто слишком сложны для того, чтобы их можно было описать единственным уравнением или однозначно задать какими-то геометрическими параметрами. Следовательно, возникает потребность в аппроксимации этих объектов. Аппроксимация дает математическое представление сложных геометрических объектов и позволяет задать их способом, удобным для восприятия ЭВМ. Эти способы представления исходных данных о геометрических объектах неразрывно связаны со способами реализации условий взаимного непересечения объектов.
Описание трехмерных объектов различными способами широко занимаются специалисты в области трехмерного раскроя материалов, например при раскрое ценных камней и металлов, а также в машиностроении. Здесь, в отличии от задачи компоновки, необходим наиболее точных способ математического описания сложных трехмерных объектов. Методы аппроксимации также достаточно сложны. Применяются такие способы описания и проверки непересечения трехмерных объектов как метод аппроксимирующих сфер, разделяющих плоскостей, метод функций ПЛОТНОГО размещения, дискретно-логические методы и т.д.
