Аналитический контроль производства

Наименование стадии процесса, контролируемый поток	Что контролируется	Частота и способ контроля	Нормы и технологические показатели	Методы испыта-ний

Пуск и эксплуатация производства. В подразделе «Пуск и эксплуатация производства» необходимо осветить следующие вопросы:

1. Подготовка к пуску и пуск проектируемого блока (узла) установки.

2. Нормальная эксплуатация проектируемого блока (узла) установки.

3. Остановка блока (узла) установки в нормальном режиме. Подготовка аппаратов к проведению ремонтных работ.

4. Особенности пуска и эксплуатации производства в зимнее время.

5. Аварийная остановка производства.

Материальный баланс производства. Это наиболее ответственный раздел ВКР. Данные материального баланса служат основой для дальнейшего технологического и механического расчетов оборудования, составления калькуляции себестоимости получаемого продукта, оценки технологической и экономической эффективности данного способа и метода производства.

Цель расчета материального баланса – установление расхода сырья и вспомогательных материалов с целью обеспечения заданной производительности по целевому (товарному) продукту или определение выхода целевого и побочного продуктов по заданному расходу сырья. Перед расчетом материального баланса необходимо составить схему материальных потоков производства.

Материальный баланс производства включает в себя материальные балансы по отдельным стадиям, рассчитываемые для аппаратов последовательно по всей технологической линии (расчет может вестись как от начала, так и с конца технологической линии). Если производительность задана по готовому продукту, то материальный баланс составляется на 1 т исходного сырья и пересчитывается на заданную производительность. Для периодических процессов материальный баланс рассчитывается на производительность цикла, а далее ‒ на суточную производительность. Результаты приводят в сводную таблицу материального баланса.

Рекомендуемый порядок расчета материального баланса процесса:

‒ исходные данные;

‒ определение часовой производительности;

‒ схема материальных потоков;

‒ расчет материального баланса;

‒ таблица сводного материального баланса;

‒ определение основных расходных коэффициентов.

Расчеты материальных потоков технологической схемы необходимо осуществлять с использованием программного пакета Aspen HYSYS.

Технико-технологические расчеты. Включают: технологические, тепловые и механические расчеты, которые должны быть выражены в Международной системе единиц СИ. Допускается использование других единиц: массы (т), времени (мин, ч), объема (л). К дополнительным единицам СИ относятся плоский угол (рад) и телесный угол (ср ‒ стерадиан).

В зависимости от назначения и конструкции основного аппарата выполняют различные расчеты: определяют площадь поверхности теплообмена (для изотермических реакторов), длину реакционного змеевика трубчатого реактора, перемешивающие устройства в емкостных аппаратах. Кроме того, расчет химического реактора может заключаться в выборе по экономическим критериям оптимальных условий проведения процесса в реакторном узле и расчете в этих условиях основных геометрических размеров реактора для заданной производительности по целевому продукту с использованием математических моделей химических реакторов.

Расчет теплового баланса. Процессы органического синтеза протекают с выделением или поглощением тепла. Для осуществления этих процессов в большинстве случаев необходим подвод или отвод тепла.

Цель теплового расчета: определение теплового потока и расходов теплоносителя и хладогента, расхода одного из потоков (сырья, циркулирующей смеси); уточнение температурного режима аппарата при проверке адиабатичности; установление соотношения между параметрами глубины протекания реакции и текущей температурой. Все тепловые потоки непрерывных процессов выражают в ваттах (кило-, мегаваттах), при расчете периодических процессов потоки в джоулях (килоджоулях) на цикл. Расходы потоков определяют на основании данных расчета материального баланса, а значения теплоемкостей ‒ по справочнику или рассчитывают по эмпирическим формулам. Теплоту химической реакции находят по энтальпиям образования или сгорания. Если отсутствуют справочные данные, энтальпия сгорания органических веществ может быть определена по методу Хендрика или с помощью эмпирических зависимостей. Теплопотери аппарата принимают до 5 % от прихода тепла.

При разработке проекта, связанного с ректификацией органических смесей, сначала составляют материальный баланс по всем колоннам, а затем по всей установке в целом, а далее переходят к расчету процесса ректификации по технологическим узлам. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна. Кроме того, установка включает конденсатор, холодильник дистиллята и кипятильник, который может быть выполнен в виде встроенного теплообменника, установленного в кубе колонны. Расчет узла ректификационной колонны проводится в следующей последовательности:

‒ составление материального баланса;

‒ определение параметров режима работы колонны (температура верха, температура низа, давление в колонне);

‒ расчет минимального и действительного флегмового числа;

‒ составление теплового баланса колонны и определение расхода пара в кипятильнике;

‒ определение тепловой нагрузки на конденсатор и расхода хладагента;

‒ расчет высоты насадки или числа тарелок;

‒ определение гидравлического сопротивления тарелок или слоя насадки;

‒ расчет колонны на действие ветровых и сейсмических сил (при высоте аппарата более 10 м);

‒ механический расчет;

‒ расчет кипятильника;

‒ расчет холодильника дистиллята.

Расчет аппаратов должен заканчиваться подбором стандартного оборудования. Технические характеристики аппаратов в соответствии с действующими стандартами приведены в литературе. Для проверки в процессе расчета теплообменной аппаратуры важно знать порядок величин коэффициентов теплопередачи для разных видов теплообмена.

В этом разделе необходимо широко использовать программный пакет HYSYS, который объединяет в себе удобный интерфейс и мощные средства для инженерных расчетов, что позволяет инженерам использовать программный пакет с максимальной эффективностью и с помощью него получать дополнительные знания о технологических процессах. В состав AspenHYSYSвходят, в частности:

‒ база данных по физико-химическим свойствам более 4 тыс. индивидуальных компонентов, а также их различных бинарных композиций;

‒ более 30 альтернативных термодинамических пакетов ‒ методик и программ расчета параметров многокомпонентных многофазных систем;

‒ инструментарий для описания нефтяных фракций и расчета их свойств;

‒ компьютерные модели типовых технологических операций и средства разработки собственных моделей аппаратов химической технологии;

‒ математические модули для итерационных расчетов и параметрической оптимизации многоаппаратурных химико-технологических процессов.

Этот программный пакет позволяет осуществлять:·

‒ расчет ректификационных колонн любой конструкции;

‒ расчет теплообменников различных конфигураций: нагревателей, холодильников, конденсаторов, ребойлеров с паровым пространством, воздушных холодильников;

‒ расчет трубопроводов разных типов (горизонтальных, вертикальных) с применением алгоритма расчета гидравлических сопротивлений многофазных потоков;

‒ расчет реакторов идеального вытеснения и идеального смешения, равновесных, стехиометрических, причем реакции могут протекать в трубе, в произвольной емкости, на тарелке ректификационной колонны.

Поверочный механический расчет. Этому расчету подлежат наиболее ответственные узлы и детали, работающие в самых тяжелых условиях под максимальными нагрузками. Механические расчеты проводят для основного аппарата схемы. Рассчитывается прочность обечаек, днищ, крышек аппаратов, валов, лопастей мешалок. Расчет и выбор тепловой изоляции приводится в литературе.

Выбор и расчет вспомогательного оборудования. К вспомогательному оборудованию относят емкости, насосы, вентиляторы, компрессоры, фильтры, центрифуги, циклоны. Цель расчета емкостей, сборников сводится в основном к определению объема аппаратов или их числа.

3. Автоматизация и автоматические системы управления технологическим процессом. В данном разделе описываются принципы автоматизации, контроля и управления производством, схема автоматизации. Этот раздел выполняется в соответствии со специальными методическими указаниями кафедры автоматизации и комплексной механизации производственных процессов.

4. Строительно-монтажная часть. Строительная часть ВКР проекта должна соответствовать требованиям технологического процесса, обеспечивать безопасные условия труда, отвечать принципу экономии капитальных затрат. Для уменьшения стоимости строительства оборудование располагается на открытых площадках и этажерках.

Одним из главных вопросов является вопрос размещения оборудования. Необходимо учесть удобство монтажа, ремонта и обслуживания аппаратов, минимальную длину трубопроводов, достаточную освещенность. Конструкция здания должна отвечать требованиям технологии, пожаро- и взрывоопасности производства, климатическим условиям. Под компоновкой производства понимают проектное размещение технологического оборудования и сооружений, обеспечивающее нормальное течение технологического процесса, безопасность эксплуатации оборудования, нормальные условия для монтажа и ремонта аппаратуры при оптимальном объеме строительства. Различают три варианта компоновки химических производств: закрытый (в промышленных зданиях), открытый (на открытых площадках) и смешанный.

Основными исходными данными для проектного размещения оборудования являются:

‒ принципиальная технологическая схема;

‒ чертежи общих видов машин и аппаратов;

‒ схемы складских и транспортных операций.

При компоновке следует уделять внимание вопросам монтажа оборудования. Например, иногда конструкция емкостного реактора предусматривает монтаж и демонтаж мешалки вместе с приводом и крышкой аппарата. Поэтому при извлечении такого комплекса из корпуса требуется большая высота над реактором. Для этого следует предусматривать свободные монтажные проемы над аппаратом. Также следует предусматривать дополнительную площадь для демонтажа оборудования, например, при извлечении трубного пучка из кожуха громоздкого теплообменника. При отсутствии в проектируемом цехе мостового крана необходимо предусматривать в цехе ворота и проезды для самоходных монтажных кранов.

Особое внимание следует уделить созданию условий для монтажа аппаратов колонного типа. Они, как правило, располагаются на открытых площадках рядом с производственными зданиями, вдоль их длинных сторон. Перед колоннами нужно предусматривать свободную площадку, на которой колонны подготавливают к подъему и устанавливаются монтажные средства.

Большое влияние на компоновку оказывают следующие виды ремонта:

‒ чистка реакторов, колонн, сборников от шлама и смол, а также теплопередающих поверхностей от накипи, а это связано со снятием крышек, открытием люков, что требует дополнительной рабочей площади вокруг этих аппаратов и установки кран-балок, монорельсов с талями;

‒ устранение неплотностей фланцевых соединений, подтяжка сальников и замена их набивки и тому подобных требует соответствующие площадки для выполнения данных работ;

‒ замена изношенных деталей компрессоров, дробилок, мельниц, транспортеров требует также дополнительной площади и установки упомянутых выше подъемно-транспортных механизмов;

‒ восстановление футеровки, изоляции, покраски связано с устройством приспособлений для подъема изоляции, футеровочной плитки, со строительством лесов, что требует дополнительных производственных объемов.

Размещая технологическое оборудование, стремятся снизить первоначальные капитальные вложения за счет уменьшения объема строительных сооружений, сокращения трубопроводных коммуникаций. Этого можно достичь, располагая оборудование на минимальном расстоянии друг от друга. Обычно этот минимальный проход между аппаратами, а также между аппаратом и строительным элементом равен 0,8 м. При этом основные проходы по фронту обслуживания и между рядами машин (компрессоры, насосы и аппараты с местными контрольно-измерительными приборами) должны быть шириной 2 м.

Однако минимизация трубопроводных коммуникаций вступает в противоречие с другими требованиями компоновки оборудования. Например, наряду со стремлением сгруппировать аппараты по определенным признакам, допустимы выполняющие сходные операции (выпарные установки, сульфураторы и т. п.), могут реализоваться и другие принципы группировки: оборудование с большим выделением пыли, вибрирующие агрегаты. Объединение подобных аппаратов в отдельном помещении дает определенные выгоды.

Большое внимание уделяется вибрирующему оборудованию: компрессоры, дробилки, вентиляторы, насосы и другие машины. Это оборудование размещают на массивных фундаментах, изолированных от строительных конструкций.

Прицеховые емкости сырья ‒ тяжелое и крупногабаритное оборудование ‒ размещают на первом этаже, поскольку расположение его на верхних этажах вызовет усложнение и удорожание строительных конструкций. Необходимо помнить, что тяжелое оборудование, обслуживаемое подъемными кранами, необходимо размещать в зоне приближения крюка крана.

Таким образом, при разработке компоновки оборудования необходимо учесть следующие факторы:

‒ исходной базой для компоновки служат общие виды оборудования, принципиальная технологическая схема, которая указывает на размещение оборудования по различным высотным отметкам;

‒ компоновка оборудования проводится по одному из вариантов: закрытому, открытому или смешанному;

‒ определяя при компоновке производственную площадь, следует учитывать специфику монтажа и ремонта конкретного оборудования;

‒ с целью минимизации объема строительных сооружений и трубопроводных коммуникаций принимают расстояние между аппаратами  не менее 0,8 м,  а ширину прохода между рядами оборудования ‒ 2 м;

‒ учитывая ограниченные нагрузки на строительные элементы, тяжелое оборудование располагают на первом этаже, а вибрирующее ‒ на изолированных фундаментах;

‒ при компоновке следует группировать в отдельных помещениях оборудование по сходным признакам (пылящее, перерабатывающее взрывоопасные вещества и т. д.).

Выбрав вариант компоновки (открытый, закрытый или смешанный) и, учитывая изложенные рекомендации, приступают непосредственно к проектному размещению основного и вспомогательного оборудования. Вначале определяют с учетом технологии производства и условий застройки этажность здания или железобетонного постамента. После этого группируют аппараты по сходным признакам. Затем на чертежах в масштабе 1:100 изображают планы этажа с нанесением сетки колонн и наружных контуров аппаратов.

На строительных планах колонны обозначают пересечением двух взаимно перпендикулярных продольных и поперечных разбивочных осевых линий. Систему продольных и поперечных осей по рядам колонн называют сеткой колонн.

Расстояние между опорами (по продольным осям), перекрываемое балками или фермами, называется пролетом.

Расстояние между поперечными разбивочными осями называют шагом колонн (обычно это ‒ 6 или 12 м) и обозначают слева направо арабскими цифрами.

Аппараты ориентируют и привязывают по двум направлениям к осям колонн и к уже нанесенным на план аппаратам.

Кроме изображения оборудования в плане по этажам делают поперечные и продольные разрезы, на которых стараются показать все аппараты. Как и на планах, в разрезах оборудование изображается контурно и дается способ его установки: на фундаменте, на консолях и т. д. При определении общей производственной площади следует учитывать, что 40‒50 % всей площади занимает трубопроводная обвязка.

5. Обеспечение производственной и экологической безопасности. Данный подраздел ПЗ оформляется в соответствии с требованиями и методическими указаниями соответствующих кафедр.  

6. Оценка эффективности проекта. Проекты, выполняемые в соответствии с требованиями ВКР, оцениваются с точки зрения их технико-экономической эффективности.

Основными нормативными документами в РФ, определяющими методику расчетов эффективности проектов, являются «Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов» (вторая редакция, исправленная и дополненная, утвержденная Мин-экономики  РФ,  Минфином РФ и  Госстроем РФ от  21 июня 1999 г. № ВК 477) и «Инструкция по планированию, учету и калькулированию себестоимости продукции на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях» (утверждена приказом Минтопэнерго РФ от 17 ноября 1998 г. № 371) (с изменениями от 12 октября 1999 г.).

Для оценки эффективности проекта необходимо провести расчеты:

1) капитальных затрат;

2) требуемой численности и оплаты труда персонала; 

3) производственных затрат и себестоимости продукта;

4) технических и экономических показателей эффективности проекта.

Пункты 1‒3 позволяют определить суммарные необходимые инвестиции в проект, которые состоят из капитальных затрат и затрат на оборотные средства (оборотный капитал).

В п. 1 при проектировании новой установки рассчитываются капитальные вложения, необходимые для строительства зданий, сооружений, для приобретения нового оборудования на основе описания технологической схемы производства. Если размещение новой установки планируется на площадке действующего предприятия, то потребность в строительстве нового здания и сооружений вспомогательного хозяйства завода возможно будет отсутствовать, тогда капитальные затраты должны рассчитываться только для целей приобретения нового оборудования.

В п. 2 приводится расчет численности производственных рабочих и управленческого персонала цеха (установки), исходя из норм труда на аналогичных производствах и требований по уровню квалификации персонала. В проектах данного типа расходы на оплату труда определяются на основе средней заработной платы по отрасли, данные о которой представлены в материалах Федеральной службы государственной статистики (http://www.gks.ru/).

В п. 3 расчет текущих производственных затрат при данном типе проектов осуществляется по типовой номенклатуре статей калькуляции, которая представлена в вышеуказанной Инструкции № 371, и включает в себя затраты на покупку сырья, различных вспомогательных материалов, энергоресурсов, расходы на оплату труда, прочие косвенные затраты, например, связанные с эксплуатацией оборудования, сооружений и зданий (основных средств), содержанием вспомогательного (обслуживающего) хозяйства. Затраты на покупку сырья, различных вспомогательных материалов, определяются на основе данных прихода материального баланса, затраты на энергоресурсы ‒ либо на основе расчетных данных, либо на основе типовых норм расхода различных видов этих ресурсов в соответствии с технологией процесса. В конце п. 3 обязательно определяется себестоимость 1 т продукта.

В п. 4 на основе полученных предыдущих данных рассчитываются технико-экономические показатели (ТЭП) проекта, которые должны быть представлены в виде таблицы и включают в себя различные показатели, в том числе: мощность установки по объему перерабатываемого сырья, выпуск целевого продукта (на основе расхода материального баланса), инвестиции, численность персонала, средняя заработная плата, себестоимость 1 т выпускаемого продукта, чистая прибыль, рентабельность продаж и продукции, чистая приведенная стоимость – NPV (другие наименования показателя: чистый дисконтированный доход – ЧДД, чистая текущая стоимость – ЧТС), срок окупаемости инвестиций, рентабельность инвестиций (PI), внутренняя норма доходности – IRR (или внутренняя норма рентабельности), объем безубыточности. Одним из главных показателей является срок окупаемости суммарных инвестиций в проект. В зависимости от сущности проекта дисконтированный срок окупаемости в данном случае может быть от 3-х до 6‒7 лет, который должен быть больше простого срока окупаемости.

В проектах по совершенствованию технологии на действующем производстве, реконструкции действующей установки в п. 1 рассчитываются дополнительные капитальные затраты, необходимые для приобретения нового дополнительного оборудования или для замены некоторых видов старого действующего оборудования. В пунктах 2‒3 также рассчитываются численность и оплата труда персонала, себестоимость продукта. При выполнении данного вида проектов необходимо использовать информацию, полученную на заводе: номенклатура статей производственных затрат должна соответствовать заводской, при этом  она может отличаться от рекомендованных  в Инструкции № 371. В п. 3 приводится смета производственных затрат по данным завода и расчетная по проекту, что позволяет сравнить себестоимость 1 т продукта.

В п. 4 таблица ТЭП включает вышеописанные показатели по аналогу и по проекту. Показатели чистой прибыли, рентабельности продаж и продукции рассчитываются только в том случае, если выпускается конечный, т. е. товарный продукт, цены для их расчета должны применяться без НДС и акцизов (если продукт облагается акцизом). Данные проекта при определении экономической эффективности проектируемого производства сравниваются с базовыми заводскими данными, принятыми в качестве аналога.

Таблица ТЭП в обязательном порядке включается в презентацию и является доказательством эффективности проекта (таблица 4).

 

 

Таблица 4