Для проблемы проектирования блоков нефтяных и химических аппаратов нас интересует раздел СПДС правил оформления технологической документации.
__
В рамках раздела технологических решений разрабатываются:
– технологическая схема процесса, выполняемого в блоке,
– схемы автоматизации, подключений, электрическая др.,
– монтажная компоновка оборудования в пределах габарита перевозки ж/д транспортом
– по результатам монтажной компоновки проектируется трехмерная рама блока – стержневая металлоконструкция.
Логистика блоков
Габариты блоков в большинстве случаев могут быть ограничены по условиям перевозки железнодорожным транспортом.
Для расчета стоимости перевозки существуют специальные программы, в которые вводится подвижной состав и станции отправления и назначения. Наиболее экономичная перевозка на обычной железнодорожной платформе основным габаритом. В случае выхода за основной габарит в зону негабаритности, перевозка на платформе окажется экономичнее заказа специального подвижного состава с пониженной платформой (транспортер). Транспортеры выбираются по каталогу транспортеров. Схемы негабаритности (верхней, боковой и нижней) приведены в инструкциях, касающихся негабаритных перевозок.
Однако, применение транспортера достаточно неэкономично по цене, поэтому лучше выполнить негабаритную перевозку на обычной железнодорожной платформе.
Определяют выписывание в габарит пропуском маневрового локомотива с платформой через габаритную раму.
Для отгрузки железнодорожным транспортом блоки отгружаются по инструкции без чертежа или с разработкой схемы размещения и крепления. Для негабаритного блока указывают точки негабаритности. В целом порядок отгрузки такой же как и для нефтяных и химических аппаратов в не блочном исполнении.
Блоки аппаратов могут отгружаться автомобильным транспортом. В этом случае габариты блоков устанавливаются по габаритам погрузочной площадки автомобилей, таких как КАМАЗ, УРАЗ, КрАЗ и др.
__
В отдельных случаях блоки монтируются стационарно на платформе грузового автомобиля повышенной проходимости, например, УРАЛ, КрАЗ «лапотник» или на полуприцепе. Такое техническое решение повышает мобильность перемещений блока между объектами месторождений.
В этом случае рама блока крепится к раме грузового автомобиля с аналогичными подходами, которые используются для крепления емкости к грузовой раме топливовозов.
Для разгрузки колес от нагрузки в рабочих условиях во время эксплуатации блока могут использоваться гидравлические опорные устройства, применяемые на автокранах.
Технологическое проектирование
По Кафарову [11] результатами технологического проектирования являются: оптимальная технологическая схема, рассчитанные материальные и тепловые балансы, выбор оборудования, разработанные системы управления.
Технологическую схему разрабатывают на основе данных по технологическим решениям, которые должны быть современными.
Разработка и проектирование технологической схемы процессов подготовки и переработки нефти и газа в настоящее время выполняются в программе AspenHYSYS (AspenOne), являющейся стандартом по умолчанию для моделирования технологических схем.
В программе имеются модули, позволяющие выполнять технологических расчет оборудования с получением геометрических размеров.
Подробное описание программы приведено в работах [14], [15].
Кузнецов О.А. в работе [12] приводит схему для процессов нефти. Для процессов газа Кузнецов приводит аналогичную схему в работе [13]. Аналогичные схемы строятся для процессов, осуществляемых в блочном аппарате.
Как правило, на схеме можно выделить блоки с завершенной технологической операцией. Аппарат в блочном исполнении компонуется в соответствии с блоком на технологической схеме. Аппарат является главной частью блока, в который добавляется вспомогательные аппараты и оборудование, технологические трубопроводы, запорно-регулирующая и др. арматура.
Модульный принцип схем позволяет разрабатывать гибкие схемы. В решении проблемы разработки схемы определяется последовательность элементов на схеме (то есть преобразователей входной информации), применяются к каждому элементу математическая модель для решения преобразования информации в элементе, и последовательность соединения всех элементов. Для схем с системами разделения многокомпонентных смесей, теплообменных систем, элементы схемы могут быть соединены разными путями. Проблема состоит в нахождении оптимального пути соединения.
Выбор оборудования на схеме выполняется в начале её разработки. Определение на схеме типа аппарата определяет линейку оборудования, отличающихся размерами и технологической эффективностью. Кафаров указывает [11], что выбор оборудования является итерационной задачей.
По схеме, состоящей из нескольких технологических блоков, технолог выполняет расчеты баланса для каждого блока, а затем выполняет технологические расчеты оборудования. Завершающим этапом расчета аппаратуры является перенесение на схему материальных и тепловых потоков. Расположение аппаратов на схеме может не совпадать с фактическим расположением на установке вследствие того, что на схеме максимально детализировано показывается последовательность технологических операций для оценки взрыво- и пожароопасности объекта.
__
По результатам моделирования разрабатывается схема PI&D процесса (монтажно-соединительная схема по терминологии российских стандартов СПДС и ЕСКД).
Технологическая схема может являться строительной документацией с шифром ТХ. Схемы с машиностроительным шифром по ЕСКД как правило не выпускают, так как со схемами работают специалисты в области строительного профиля.
На основании технологической схемы в последующем будет разрабатываться монтажная компоновка, то есть пространственная компоновка блока с оборудованием. Схема используется для облегчения чтения монтажных чертежей.
Аппаратам и трубопроводам на схеме присваивают нумерацию, принятую на проекте. Штуцера на чертежах аппаратов должны иметь номера, совпадающие с технологической документацией.
__
Инженер-технолог после разработки технологической схемы разрабатывает задания на дальнейшее проектирование блока (последовательность работ для общего случая):
а) задание на разработку систем автоматизации процесса.
Здесь технологом выбирается схема регулирования параметров процесса (температуры, давления и др.), интервал регулирования, определяются блокировки, сигнализации и др. На схеме указываются координаты точек для контроля / регулирования параметров технологических процессов.
б) задание на монтажную компоновку
технолог передает монтажнику перечень оборудования с указанием высотных отметок расположения штуцеров на аппарате, высотные отметки размещения оборудования, размеры оборудования и трубопроводов, перечень арматуры и приборов. Технолог указывает категорию объекта по взрыво- и пожароопасности.
в) задание на электроснабжение
технолог передает электрикам сведения:
– характеристики среды,
– характеристики помещений/мест установки,
– надежность электрооборудования и др. сведения;
перечень электротехнического оборудования, например, электродвигателей приводов насосов или мешалок, маркировку взрывозащиты.
Электрик на основании перечисленных данных подбирает электрооборудование, разрабатывает электрические схемы.
г) задание на теплоснабжение
указывается оборудование, потребляющее тепло, расход и параметры теплоносителей, оборотные теплоносители, загрязнения в теплоносителях и др. сведения.
д) задание на отопление и вентиляцию ( только для помещений)
– необходимость отопления,
– вредные выбросы из оборудования
е) задание на водоснабжение канализацию
для проектирования водоснабжения и канализации:
– приводится расход потребляемой горячей и холодной воды,
– расход стоков,
– оборотные системы водоснабжения.
ж) задание на молниезащиту
з) задание на расчет энергопотенциалов
энергопотенциалы рассчитываются для определения последствий разрушения объекта, например, при взрыве.
и) задание на нестандартное оборудование
технолог указывает высотное расположение штуцеров аппарата, монтажник указывает уголовое расположение штуцеров на виде сверху
к) задание на теплоизоляцию
л) задание на санитарные мероприятия
м) задание на разработку металлоконструкции рамы блока
раму блока и металлоконструкции площадок обслуживания, лестниц, ограждений может разрабатывать как строительный отдел так и отдел нестандартного оборудования.
__
После выполнения всех заданий производится запрос технико-коммерческих предложений на изготовление комплектующих блока.
После получения стоимости комплектующих оценивается стоимость работ по изготовлению блока.
Окончательным результатом является себестоимость блока аппарата, на основании которой возможно участие в тендере на поставку.
Проектирование нестандартного оборудования
Технологический расчет
По результатам расчета параметров аппаратов на технологической схеме выполняется технологический расчет аппарата, целью которого является определение геометрических размеров и конфигурации аппарата и уточнение технологических характеристик.
В программах расчета технологических схем существуют отдельные модули для технологического расчета некоторых видов оборудования, например, кожехотрубных теплообменников. В этих модулях вводится геометрия аппарата и выполняется технологический расчет. Результатом технологического расчета является эскиз или 3D-модель для дальнейшего проектирования.
Лучшим способом является по результатам расчета технологической схемы построение 3D-модели аппарата и выполнение междисциплинарного технологического расчета аппарата, например, сепаратора, численным методом (метод конечных объемов и др.).
То есть наилучший результат даст использование результатов расчета по критериальной методике и последующем расчетом численным методом в компьютерной программе.
Расчет методом конечных объемов можно отнести к имитационному моделированию.
Кроме того, при помощи численных методов можно сделать цифровой двойник проектируемого аппарата.
Сравнивая критериальные методики [33], [39], [40] и численное решение методами вычислительной гидродинамики, приведем цитату из работы академика, нобелевского лауреата Ландау [20,с.12]: «… замечания о характере изложения гидродинамики … гидродинамику как часть теоретической физики… чтобы создать по возможности более ясную картину явлений и их взаимоотношений. … мы не излагаем в ней как приближенных методов гидродинамических расчетов, так и тех из эмпирических теорий, которые не имеют более глубокого физического обоснования».
Расчет можно разделить на три этапа:
1) расчет аппарата на технологической схеме
2) технологический расчет аппарата в специальном модуле или в отдельной специальной программе по критериальным методикам с учетом опытных коэффициентов и других данных,
3) расчет методом вычислительной гидродинамики аппарата по данным, полученным из расчета по критериальной методике.
4) построение 3D-модели, внесение корректировок, уточнение расчетом и «заморозка» конструкции для выполнения чертежных и других работ.
Качество обеспечится тем, что каждый этап является исходными данными для последующего этапа. При этом каждый этап должен считаться логически законченной частью общей последовательности и результаты перед передачей на следующий этап должны быть тщательно проверены и «заморожены».