РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ASPEN PLUS

Лебедик Е.А.¹, Шариков Ю.В.²

¹Аспирант 4 – го года обучения, Горный университет, ²Профессор, доктор технических наук, Горный университет

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ASPEN PLUS

Аннотация

В этой статье, рассмотрены значимость оборотной воды на промышленных металлургических предприятиях и основные возникающие  проблемы – накипь, биообрастания и коррозия. Обсуждена важность моделирования процессов и предложена модель  коррекционной обработки воды системы оборотного водоснабжения. Разработана модель технологической схемы системы оборотного водоснабжения и проведен анализ ее работы. Для моделирования использованы данные промышленной эксплуатации системы оборотного водоснабжения и результаты материального и теплового баланса для определения уноса воды в градирне за счет испарения при охлаждении.

Ключевые слова: моделирование, оборотное водоснабжение, реагенты, коррекционная обработка, качество воды.

Lebedik  E.A.¹, Sharikov Y.V.²

¹Postgraduate student, Mining University, ²Professor, Doctor of Technical Science, Mining University

DEVELOPMENT OF A MODEL OF THE TECHNOLOGICAL SCHEME OF CIRCULATING WATER OF METALLURGICAL ENTERPRISES WITH THE USE OF THE SOFTWARE ASPEN PLUS

Abstract

In this paper, we have considered   the importance of recycled water in industrial steel mills and the main problems that arise are scale, biofouling and corrosion. The importance of process modeling has been discussed and the model of water correction treatment of circulating water supply has been propose. The model of a technological scheme of recycling water supply system has been developed and the analysis of its work has been carried out. For the simulation the data from commercial operation of a water circulation system and the results of material and heat balance to determine the entrainment of water in the cooling tower due to evaporation during cooling have been used.

Keywords: modeling, recycling water system, reagents, correcting treatment, water quality.

Промышленные предприятия расходуют на технические нужды огромное количество охлаждающей воды (около 65-80% расхода воды). В связи с этим огромную роль в водоснабжении предприятий играют системы оборотного водоснабжения (СОВ) [5].

Рассматриваемые СОВ имеют как преимущества, так и недостатки. Основными достоинствами данных систем является сокращение потребления чистой воды, уменьшение затрат на строительство дополнительных водных сооружений, небольшой объем сбрасываемых сточных вод в окружающую среду.

Оценка эффективности использования воды оценивается коэффициентом использования оборотной воды k_об:

  (1)

где Q_об - объёмное количество воды, используемой в обороте, Q_св - количество чистой воды [7]. Численное значение коэффициента доходит до 0,85-0,9.

Оборотная вода в большей степени используется в качестве хладагента для охлаждения технологического оборудования. При охлаждении оборотной воды за счет испарения и брызгоуноса повышается концентрация солей. Помимо солей жесткости существуют и другие проблемы качества воды. В теплообменных аппаратах остаются продукты кислородной коррозии, взвеси и биологические организмы, что приводит к неизбежным осложнениям в технологическом процессе, увеличению затрат, повышенному потреблению водных ресурсов, снижению качества товарной продукции [2, С.40]. Возникающие проблемы - многофакторные, требующие комплексного решения. Один из вариантов – это использование реагентов для поддержания ее теплообменных свойств на заданном уровне.

Для определения оптимального состава стабилизационных реагентов потребуется моделирование СОВ. Моделирование позволяет понять устройство и структуру объекта, оценить его свойства и дальнейшее поведение. И сделать все эти действия не на реальном объекте, а имитировав его на ЭВМ [1]. Еще одна цель является частью стратегической цели – управлять объектом, определяя по модели оптимальные управляющие воздействия при заданных целях и критериях. Также модель используют для прогнозирования последствий разного рода возмущений на объект [4, С.9].

В общем случае процесс создания математической модели включает в себя этапы: постановка задачи, синтез структуры модели, определение параметров модели, анализ модели (рис.1) [6, С.14].

Рис. 1 - Общая схема получения математической модели

Для моделирования был выбран продукт Aspen Plus 10.2, выпущенный американской фирмой Aspen Tech Inc., используемый для моделирования статических и динамических режимов химико-технологических процессов и систем [3, С.18].

Aspen Plus является ведущим программным обеспечением на рынке оптимизации физико-химических процессов, который используется в различных отраслях промышленности для проектирования, эксплуатации и улучшения работы промышленных предприятий. Продукт имеет возможность решать проблемы и задачи разной степени сложности непосредственно во время технологического процесса.

Aspen Plus предоставляет широкий спектр инструментов для разработки и оптимизации моделей процессов, включая лучший в своем классе набор физико-химических свойств, способность обрабатывать твердые, жидкие и газовые процессы, процессы с участием электролитов.

Aspen Plus постоянно обновляется, чтобы улучшить производительность и добавить новые функции моделирования. Например, данное программное обеспечение имеет возможность сравнения данных, полученных в результате работы программы  и производственных в режиме реального времени. Это позволяет уменьшить ресурсы предприятия и улучшить качество производимого продукта. Персонал имеет возможность использовать продукт в супервизорном режиме.

В программе имеется большой объем данных по физико-химическим свойствам веществ, моделям оборудования. Удобна функция создания отчетов, позволяющая получать информацию в текстовом редакторе с возможностью последующего использования.

В Aspen Plus, при помощи функции активный анализ, пользователи производят анализ, экономическую оценку и проектирование оборудования. Пользователи могут оптимизировать сложные физико-химические процессы с помощью встроенных инструментов, не будучи специалистами в данной области.

С Aspen Plus, при помощи встроенной функции Modeler, пользователи имеют возможность написать дополнительные модели операционного блока и использовать их для моделирования процесса в Aspen Plus. Пользователи могут эксплуатировать Aspen Plus Dynamics для оценки безопасности физико-химического процесса, оценки стратегии управления или совершенствования процесса.

Основные удобства применения: понятный интерфейс, создание подсхем и образцов, моделирование, ориентированное на уравнениях, открытая архитектура, большая библиотека, расчет термодинамических свойств, анализ сходимости, калькулятор, расчетный анализ, спецификации единиц оборудования, детальный проектный и поверочный расчет теплообменников [3, С.19].

В среде Aspen Plus возможно построение динамических моделей. Это позволяет проследить за поведением систем в динамике, решить вопрос об управляемости сложных технологических систем, разработать оптимальную схему регулирования, а также настроить параметры регуляторов.

Учитывая все преимущества применяемого программного продукта, он был выбран для моделирования системы оборотного водоснабжения (рис.2).

Рис. 2 - Модель процесса в Aspen Plus

При работе системы часть воды теряется с уносом – Qун, испарением – Qисп, утечкой – Qут, продувкой – Qпр и при выводе некоторой больше не используемой доли воды – Qсбр. Чтобы соблюдался баланс в систему вводится необходимое количество чистой воды– Qист. Оно оценивается с помощью материального баланса системы: Qист = Qун + Qисп + Qут + Qпр + Qсбр . При сходимости баланса системы можно говорить об адекватности модели и моделирования. Количество свежей воды обычно составляет примерно 5-10% от общего количества потребляемой воды на производстве [7].

На рисунке 2 нагретая вода с оборудования (В18) поступает в емкость нагретой воды (В11), проходя через конверсионный реактор, в котором происходят реакции с образованием новых веществ (В2). Из емкости нагретой воды (В11) вода насосом (В10) поступает на градирню (В1) для охлаждения. Часть воды с емкости нагретой воды (В11) и охлажденной (В3) выводится из системы с большим содержанием солей (общий поток 26). С градирни (В1) охлажденная воды поступает в емкость охлажденной воды (В3). Часть воды при этом испаряется (поток 29) и смешиваясь с влажным воздухом из градирни (поток 17) выводится (общий поток 30). В поток охлажденной воды из емкости (В3) дозируются реагенты (баки В7 и В8), необходимые для поддержания качества воды, далее насосом (В9) подается на технологическое оборудование (В18).

СОВ позволяет существенно экономить водные ресурсы предприятия, за счет эффективного использования и уменьшения количества свежей воды и воды, сбрасываемой в водоемы. В работе рассмотрено моделирование процесса коррекционной обработки воды в стационарном режиме. Показана важность процесса моделирования в программе, ведь при исследовании на реальном технологическом объекте возможна остановка оборудования, нарушение технологического процесса и другие внештатные ситуации. При компьютерном моделировании можно изучить различные варианты дозирования реагентов используя разные объемы и проверить различные варианты организации технологического процесса. Рациональность использования программного пакета для моделирования оправдана и целесообразна.

Список литературы / References

1. Ашихмин В. Н. Введение в математическое моделирование: учеб- ное пособие / В. Н. Ашихмин и др.; под ред. П. В. Трусова. Москва: ЛО- ГОС, 2005. - 440 с.
2. Шариков Ю.В., Лебедик Е.А., Железнов В.В. Управление качеством оборотной воды теплообменного оборудования. Химическая технология, №1. - М., 2016.- С. 38-44.
3. Обзор систем моделирования и инженерных расчетов, применяемых в нефтегазовой отрасли. Сызранский филиал Самарского гос. тех. университета. Кафедра "Электромеханика и промышленная автоматика" [Электронный ресурс] – С. 18-26. -.URL: http://sstu.syzran.ru/epa/docs/ITiOvNGO/4.2.pdf (дата обращения: 23.11.2016).
4. Штерензон В.А. Моделирование технологических процессов: конспект лекций / Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2010. 66 с.
5. Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: издание 2-е, перераб. и доп. Учебное пособие. – М.: Издательство АСВ, 2003. – 288 с.
6. Бобков С.П. Моделироване систем: учеб. пособие / С.П. Бобков, Д.О. Бытиев; Иван. гос. хим.-технолог. ун-т. - Иваново, 2008. - 156 с.
7. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. Учебник для вузов. Изд. 2 – е, перераб. и доп. М., Стройиздат, 1974. – 480 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Ashihmin V. N. Vvedenie v matematicheskoe modelirovanie: uchebnoe posobie [Introduction to mathematical modeling: a tutorial]/ V. N. Ashihmin and others; edited by P. V. Trusova. Moskva: LO- GOS, 2005. - 440 р. [in Russian]
2. Sharikov Ju.V., Lebedik E.A., Zheleznov V.V. Upravlenie kachestvom oborotnoj vody teploobmennogo oborudovanija [Quality control of circulating water of waterheat exchange equipment]. Himicheskaja tehnologija [Chemical engineering], №1. - M., 2016. – Р. 38-44. [in Russian]
3. Obzor sistem modelirovanija i inzhenernyh raschetov, primenjaemyh v neftegazovoj otrasli [An overview of the systems modeling and engineering calculations used in the oil and gas industry.]. Syzranskij filial Samarskogo gos. teh. universiteta [Syzran branch of Samara state technical University]. Kafedra "Jelektromehanika i promyshlennaja avtomatika" [The Department "Electromechanics and industrial automation"] [Electronic resource] – Р. 18-26. -URL: http://sstu.syzran.ru/epa/docs/ITiOvNGO/4.2.pdf (accessed: 23.11.2016). [in Russian]
4. Shterenzon V.A. Modelirovanie tehnologicheskih processov: konspekt lekcij [Modeling of technological processes: lecture notes] / Ekaterinburg: Izd-vo Ros. gos. prof.-ped. un-ta, 2010. 66 р. [in Russian]
5. Zhurba M.G., Sokolov L.I., Govorova Zh.M. Vodosnabzhenie [Water supply]. Proektirovanie sistem i sooruzhenij [Design of systems and constructions]:2nd edition, pererab. i dop. A tutorial. – M.: publishing house АSV, 2003. –288 p. [in Russian]
6. Bobkov S.P. Modelirovane sistem: ucheb. posobie [Modelirovanie systems: a tutorial]/ S.P. Bobkov, D.O. Bytiev; Ivan. gos. him.-tehnolog. un-t. - Ivanovo, 2008. - 156 р. [in Russian]
7. Аbramov N.N. Vodosnabzhenie [Water supply]. Uchebnik dlya vuzov [Textbook for high schools].2nd edition, pererab. i dop. M., Strojizdat, 1974. – 480 p. [in Russian]