Материалы вебинара 26.04.2024
Прежде чем приступить к изучению текущей темы, рекомендую ознакомиться с материалами предыдущих статей.
Методы анализа операционной эффективности ХТС. Часть 1.
Методы анализа операционной эффективности ХТС. Часть 2.
Интерфейсы ХТС
На следующем шаге, после того как мы оптимизировали процесс по материальному потоку, то есть составили последовательность преобразований и определили оптимальные параметры и работаем с «правильными» потоками - нам необходимо связать наши устройства между собой. Поэтому нам следует позаботиться об интерфейсе, т. е. наборе устройств, связывающих между собой преобразующие узлы А, В и С в данном случае (см. рисунок ниже).
Интерфейсные устройства должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить максимальную устойчивость системы. Это означает, что архитектура интерфейсов должна соответствовать поставленным задачам, учитывая важность возможных отклонений и достижение необходимого качества продукции.
При разработке технологического процесса или апробации его опытной установки мы работаем только с малой частью будущей химико-технологической системы. Все сырьевые потоки, как правило, используются однократно, то есть не подвергаются дополнительной переработке или регенерации. При создании технологической схемы будущего производства система значительно усложняется из-за вторичных вспомогательных узлов, где происходит регенерация, очистка или переработка компонентов. При этом возникают различные обратные связи, которые не всегда положительно влияют на процесс, зачастую делая его неустойчивым.
Поэтому при разработке технологической системы важно задаться вопросом: какая архитектура обеспечит устойчивость системы и достижение наилучших результатов?
Это включает:
- Технологическую надёжность или устойчивость системы, то есть производительность и качество, измеряемые тем, какая доля продукции соответствует установленным требованиям.
- Механическую надёжность системы, которую можно оценить традиционными методами, уделяя особое внимание производительности (времени, доступному для производства), безопасности и потерям сырья из-за незапланированных отклонений от нормального процесса.
- Энергоэффективность. При этом энергоэффективность должна быть второстепенной целью, поскольку основная задача системы — производство продукта оптимальными методами.
У нас есть четкая позиция по этому вопросу.
Мы считаем, что многие проектные организации уделяют чрезмерное внимание рекуперации тепла и энергии, рассматривая их как главную цель проектирования. Такой подход привлекателен, поскольку экономический эффект от таких изменений легко подсчитать. Кажется, что рекуперация тепла напрямую улучшает энергоёмкость и энергоэффективность. Однако это создаёт риски потери стабильности и, следовательно, снижения качества продукции, что отрицательно сказывается на производительности.
Это поднимает важный вопрос: насколько значительны такие потери? Можно ли оценить их, чтобы принимать обоснованные архитектурные решения и достигать бизнес-целей?
Для этого важно проводить расчёты надёжности системы. Они помогут определить, как долго система будет работать без сбоев и насколько вероятны простои с учётом незапланированных ремонтов. Мы стремимся к общей эффективности, а не только к энергоэффективности. Сосредоточенность исключительно на последней часто приводит к негативным последствиям. На данный момент мы не проводим анализ структурной устойчивости, механической целостности и надёжности системы в классическом понимании.
Несмотря на множество вопросов, касающихся технологической устойчивости систем, оценка механической целостности представляется выполнимой задачей. Это нормальный расчётный процесс, для которого можно использовать различные справочники, например, OREDA в контексте нефтепереработки и нефтехимии, или данные таких компаний, как «Лукойл», «Сибур», «Газпром-нефть». Эти компании активно собирают и анализируют данные о надёжности своих аппаратов, которые можно использовать для сравнения решений и подходов в химико-технологических системах, оценивая их эффективность в комплексе, а не только с точки зрения энергоэффективности.
Функциональная составляющая химико-технологической системы (ХТС) имеет ключевое значение, однако характер её поведения, технологическая устойчивость и, в конечном счёте, эффективность зависят от структуры. Даже при функциональной идентичности различия в структуре могут существенно влиять на поведение ХТС. Без анализа влияния структуры на производительность и эффективность инвестиционные проекты подвергаются чрезмерным рискам.
|
|
|
А - линейная схема Изменчивость (дисперсия) характеристик в разы ниже, чем в рекуперативной системе – т. е. доля несоответствующей продукции в разы ниже, чем в Б |
Б – рекуперативная схема Энергоэффективность в рекуперативной системе заметно выше, чем в линейной версии (вариант А) |
Сырьевой поток проходит через теплообменник ТО-1, где он нагревается перед подачей в реактор Р1. После этого горячий продуктовый поток в результате экзотермической реакции в реакторе поступает в теплообменник ТО-2 для охлаждения и, попадая в сепаратор Е1, разделяется на два продуктовых потока. Справа представлена другая система: здесь сырьевой поток предварительно нагревается горячим продуктовым потоком из реактора Р1 в теплообменнике ТО-1, после чего также попадает в реактор Р1. Затем горячий продуктовый поток охлаждается сырьевым потоком в ТО-1 и разделяется в сепараторе Е1 на два потока. С функциональной точки зрения это одна и та же схема, но они различаются по структуре.
Во втором, рекуперативном варианте схемы количество оборудования сокращается, что снижает затраты на создание системы и повышает энергоэффективность. Но как это сказывается на надёжности и технологической устойчивости? Какая из систем сможет производить больше качественного продукта в условиях внешних возмущений?
Важно помнить, что ни одна система не работает строго в рамках заданных параметров; всегда существуют отклонения. Компоненты системы могут усиливать или ослаблять эти возмущения, создавать новые и распространять их по всей системе. Поэтому возникает вопрос: какая схема окажется надёжнее — линейная или рекуперативная? В конечном счёте, какую из них выгоднее использовать для бизнеса?
Мы проанализировали две схемы, применив численное моделирование методом Монте-Карло. В результате выяснилось, что рекуперативная система вызывает почти в два раза больше отклонений по сравнению с линейной схемой, что приводит к значительному увеличению доли несоответствующей продукции. Пока неизвестно, насколько это повлияет на финансовые потери бизнеса. Таким образом, можно предположить, что системы с обратной связью могут быть менее устойчивыми. Однако это не является аксиомой и сильно зависит от характеристик используемых элементов и длины связанных цепей в системе. Необходимо определить, какая из систем будет более эффективной в целом. Для этого важно чётко понимать, какая система обладает большей устойчивостью, и уверенно оценивать их надёжность.
Особенности любой химико-технологической промышленной системы заключаются в обеспечении высокой связности благодаря вспомогательным блокам для очистки и регенерации компонентов. Это означает, что влияние одного аппарата распространяется не только на его непосредственных соседей, но и на более удалённые элементы системы.
Изменения в аппарате А могут вызвать реакцию не только в аппарате Б, но и в аппаратах В, Г, Д и других. Говоря о сложных химико-технологических системах, в первую очередь следует учитывать структурную сложность, которая может коренным образом изменить их поведение. Функциональный резонанс, возникающий из-за этой сложности и высокой связности, представляет собой комбинацию небольших, но частых отклонений, перерастающих в значительные и критические отклонения. Такие отклонения, находящиеся в пределах допустимых значений, остаются незамеченными системами управления и операторами, поскольку не воспринимаются как угроза. Однако они могут накапливаться и объединяться с другими, создавая значительные отклонения.
Эти процессы могут происходить без внешнего вмешательства, поскольку структурная сложность системы способствует их развитию и слиянию, образуя сильное отклонение, способное существенно повлиять на технологический процесс. Это ситуация, когда система «ломается сама по себе», не из-за конкретного отказа оборудования или человеческой ошибки, а из-за внутренней организации системы, которая предопределяет возникновение таких состояний. Нарушения технологического режима происходят без участия отказов оборудования или человеческого фактора. Тем не менее, классические подходы к анализу подобных ситуаций зачастую приводят к поиску «виновного» — будь то оператор, предположительно допустивший ошибку, или оборудование, которое сработало не так, как предполагалось.
В заключительной части проведём анализ проблем работоспособности, операционной эффективности и технической устойчивости.
Методы анализа операционной эффективности ХТС. Часть 4.