Методика автоматизированного выбора арматуры при проектировании трубопроводных сетей

УДК 673.6

МЕТОДИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВЫБОРА АРМАТУРЫ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТРУБОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ

В.А. Немтинов, С.Я. Егоров, Ю.В. Макаров, Д.В. Квардаков

Кафедра «Гибкие автоматизированные производственные системы», ТГТУ Представлена членом редколлегии профессором В. И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: автоматизированный выбор; трубопроводная арматура; экспертные системы.

Аннотация: Рассмотрены вопросы автоматизированного выбора арматуры при проектировании трубопроводных сетей. Приведены постановка задачи, алгоритм решения и программная среда для ее реализации.

В данной работе рассматривается подход, позволяющий в интерактивном режиме выбрать оптимальный вариант промышленной трубопроводной арматуры с использованием интегрального критерия. Под термином «трубопроводная арматура» следует понимать устройство, устанавливаемое на трубопроводах, агрегатах, сосудах и предназначенное для управления (отключения, распределения, регулирования, сброса, смешивания, фазоразделения) потоками рабочих сред (жидкой, газообразной, газожидкостной, порошкообразной, суспензии и т.п.) путем изменения площади проходного сечения. Основными параметрами арматуры являются: условный проход Бу (согласно ГОСТ 28338-89) и условное давление Ру (согласно ГОСТ 26349-84).

По функциональному назначению арматуру разделяют на запорную, регулирующую, распределительно-смесительную, предохранительную, защитную и фазоразделительную; а по конструктивным типам различают: задвижки, клапаны, краны, затворы [1].

В связи с большим разнообразием выпускаемых промышленностью типов промышленной трубопроводной арматуры, характеризующихся одинаковыми основными параметрами, возникает необходимость выбора такой арматуры, которая бы отвечала множеству требований Я . В табл. 1 приведены элементы этого множества для запорной и регулирующей трубопроводной арматуры.

Авторами предлагается методика автоматизированного выбора арматуры, характеризующейся одинаковыми основными потребительскими параметрами Бу и Ру, включающая два основных этапа.

На первом этапе выбора для заданных Бгуа(1 и Руа формируется подмножество типов арматуры, выпускаемых промышленностью Тга(1 с Т , где Т - множество всех типов промышленной трубопроводной арматуры. Формирование

Тш(1 осуществляется с использованием базы данных типов арматуры, ее фрагмент приведен в табл. 2.

Потребительско-эксплуатационные показатели промышленной трубопроводной арматуры

№ Запорная арматура № Регулирующая арматура

1 Герметичность затвора

2 Гидравлическое сопротивление

3 Масса

4 Строительная длина

5 Герметичность к внешней среде

6 Частое срабатывание

7 Двухпозиционное регулирование 7 Двухпозиционное регулирование

8 Дросселирование 8 Аналоговое регулирование

9 Регулирование 9 Суженный проход

10 Суженный проход 10 Равнопроходность арматуры и трубопровода

11 Равнопроходность арматуры и трубопровода 11 Быстродействие

12 Быстродействие (небольшое число оборотов) - пневматическое

13 Высокое давление - электрическое

14 Вакуум - гидравлическое

15 Перекрытие потока при высоком перепаде давления 12 Высокое давление

16 Перекрытие потока при низком перепаде давления 13 Перекрытие потока при высоком перепаде давления

17 Малошумность - пневматическое с мембранноисполнительными механизмами

18 Кавитация и мгновенное парообразование - пневматическое поршневое

19 Пульпа - электрическое

20 Абразивные шламы - гидравлическое

21 Коррозионные среды 14 Малошумность

22 Высокие температуры 15 Кавитация и мгновенное парообразование

23 Низкие температуры 16 Пульпа

24 Приводное усилие (небольшое) 17 Абразивные шламы

25 Ремонтопригодность 18 Коррозионные среды

26 Стоимость установки (низкая) 19 Высокие температуры

27 Стоимость обслуживания

Фрагмент базы данных типов арматуры, выпускаемой промышленностью

Условный проход, Dy Условное давление, ру Типы арматуры

15 10 краны клапаны предохранительные клапаны регулирующие клапаны задвижки

15 16 краны клапаны обратные клапаны предохранительные клапаны регулирующие клапаны конденсатоотводчики

200 64 краны клапаны обратные клапаны регулирующие клапаны задвижки

200 80 краны

1000 25 обратные затворы регулирующие клапаны задвижки затворы

1000 64 задвижки

2400 2.5 затворы

На втором этапе выбора арматуры среди подмножества типов Тга(1 нужно выбрать такой тип, который бы удовлетворял некоторому подмножеству потребительских требований (показателей) Яга(1 с Я .

Вследствие большого количества критериев оценки, используемых при выборе арматуры, решение рассматриваемой задачи на основании математических критериев оптимальности до настоящего момента практически не проводилось.

Математически задачу выбора арматуры можно сформулировать следующим образом:

для заданного функционального назначения, основных потребительских па-

7~ч zad т'tzad ~ г> zad г>

раметров Бу , Ру и эксплуатационных показателей Я с Я наити такой

тип арматуры, для которого справедливо

V = а^шт ^

1еТа

при условии, что с позиций используемых эксплуатационных показателей (см. табл. 1) применение /-го типа арматуры возможно

ог

где ог (/) - количественная оценка г-го показателя для /-го типа арматуры.

Наиболее прогрессивным методом решения этой задачи, по нашему мнению, является применение экспертных систем.

В связи с тем, что рассматриваемая задача относится к классу многокритериальных задач, необходимо решить вопрос о выборе методов нормализации множества критериев и их ранжирования, а также метода многокритериального выбора [2 - 4]. В данной работе критерий оптимальности Е (/) представляет собой сумму взвешенных относительных потерь критериев: стоимости арматуры с учетом привода и некоторого подмножества потребительских требований Я2а с Я , задаваемого лицом, принимающим решение (ЛПР). В этом случае критерий Е можно записать как

яа +1

Е

г=1

где Р1 , Р2 ,...р* ,...,Р+1 - весовые коэффициенты,

Г яа +1 Г

Р = {Р } = 1Р/ : Р >0 г = 1,...,Я2^ +1, Ер* =4;

і=1

Рі

(/) — взвешенные потери по г-му критерию; юг- (/) = юг- (Е (/)),

г = 1,...,Яа +1, / £ ТШ(1 - монотонные функции, преобразующие каждую функцию цели Е (), * = 1,к,Яа , / £ Т2^ к безразмерному виду; Е (/) - экономический критерий, включающий в себя стоимость арматуры с учетом привода;

Е (/), г = 2, Яа +1 - оценка потребительско-эксплуатационных показателей. Причем для функции цели Е (/) находится минимум, а для остальных - максимум.

“1

Ешах Е10

Е 0 - Ег (/) ,£гтzad

рі 0 - Рі тіп

где Етах - наибольшее значение минимизируемой функции Е (і), і є Тга на

_ гт1 %а^ і—’ • ^ г*іа<і л

множестве допустимых альтернатив Т ; р тіп , 1 = 2, Я +1 - наименьшее значение максимизируемых функций р (і), і є Тга(1 на множестве допустимых

Г^аЗ уаН

; ро, і = 1,Я +1 - оптимальные значения функций цели.

Значения юг- (і), і = 1, Яга(1 +1, і є Та лежат в пределах от 0 до 1.

Как и при решении других многокритериальных задач, в данном случае необходимо найти такую компромиссную альтернативу t е Tzad , которая может не являться оптимальной ни для одной функции цели Fi (t), но оказываться приемлемой для интегрального критерия F (t). Компромиссное решение в классическом варианте предполагает равенство минимально возможных взвешенных потерь рг- -юг- (t) = &Qmin , i = 1, Rzad +1. Так как в данной работе при поиске оптимального решения используется метод полного перебора, то достижение равенства взвешенных потерь рг- • юг- (t) является необязательным.

Для выбора единственного решения в задаче принятия сложного решения

требуется задать весовые коэффициенты рг-, i = 1, Rzad +1, удовлетворяющие соотношению (3) и отражающие относительную важность всех функций цели. Наиболее эффективными подходами к определению этого предпочтения являются методы ранжирования и приписывания баллов [5] (последний применен в данной работе).

Для определения количественных оценок потребительско-эксплуатационных показателей арматуры предложено оценивать каждый показатель по пятибалльной системе в соответствии с его значимостью для конкретного типа арматуры. Эти оценки приведены в табл. 3.

В соответствии с принятой шкалой оценок показателей различных типов на основе данных о сравнительной их применяемости [1] все типы арматуры, выпускаемые промышленностью, были оценены по каждому показателю (см. табл. 1). В табл. 4 приведен фрагмент базы данных оценок потребительско-

эксплуатационных показателей для отдельных типов арматуры.

Алгоритм решения задачи (1) - (6) сводится к формированию множества типов арматуры заданного функционального назначения, отвечающих основным

потребительским параметрам Dzyad, Pyad и эксплуатационным показателям

Rzad с R , для которых выполняется условие

имеет минимальное значение.

Данная методика выбора трубопроводной арматуры реализована в виде комплекса программ, написанных в среде системы программирования Visual Basic с использованием СУБД MS Access.

Таблица 3

Оценки потребительско-эксплуатационных показателей типов арматуры

№ п/п Оценка показателя Значение показателя по пятибалльной системе

1 Применение предпочтительно 5

2 Применение рекомендуется 4

3 Применение допустимо 3

4 Применение не рекомендуется 2

5 Требуется применение специальных конструктивных исполнений 1

6 Применение не допускается 0

Фрагмент базы данных оценок потребительско-эксплуатационных показателей типов арматуры

Наименование показателя Назначение арматуры Тип арматуры Оценка показателя, ог

Герметич- Запорная Задвижки с выдвижным шпинде- 4

ность затвора лем шиберные

(высокая) Задвижки с не выдвижным шпин- 5

делем шланговые

Клапаны запорные сальниковые с 5

наружной резьбой проходные

Клапаны обратные поверхностные 2

Регулирую- Клапаны отсечные проходные 4

щая Задвижки шланговые 5

Клапаны регулирующие сальни- 2

ковые поворотные

Масса (не- Запорная Задвижки с выдвижным шпинде- 0

большая) лем клиновые двухдисковые

Задвижки с выдвижным шпинде- 3

лем шиберные

Клапаны запорные бессальнико- 4

вые диафрагмовые

Клапаны обратные безударные 5

Регулирую- Клапаны регулирующие сальни- 5

щая ковые поворотные

Клапаны регулирующие бессаль- 2

никовые сильфонные трехходовые

Высокое Запорная Клапаны запорные сальниковые с 5

давление внутренней резьбой угловые

Клапаны запорные сальниковые с 2

внутренней резьбой прямоточные

Краны пробковые конические 0

сальниковые с подъемом пробки

Краны шаровые проходные 4

Клапаны обратные подъемные 4

Регулирую- Клапаны отсечные сальниковые 4

щая угловые

Клапаны отсечные сальниковые 2

прямоточные

Задвижки шланговые 0

Клапаны регулирующие бессаль- 0

никовые сильфонные трехходовые

ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2003. Том 9. № 2. Transactions TSTU.

1 № Система автоматического выбора арматуры - [Поиск регулирующей арматуры]

Й"» Файл Поиск Помощь г  . й> X

В ыбор диаметра [200

Выбор давления

ZJ

Выбор среды

| жидкая и газообразная среда, природный газ

Укажите учитываемые параметры

Герметичность затвора Гидравлическое сопротивление Масса

Строительная длина

Герметичность к внешней среде

Частое срабатывание

Двухпозиционное регулирование

Дросселирование

Регулирование

Суженный проход

Равнопроходность арматуры

Быстродействие

Высокое давление

Вакуум

Перекрытие потока при высоком перепаде давления Перекрытие потока при низком перепаде давления Малошумно сть

Кавитация и мгновенное парообразование Пульпа

Абразивные шламы Коррозионные среды Высокие температуры Низкие температуры Приводное усилие

Цена

Ремонтопригодность Стоимость установки

Стоимость обслуживания

Шшршттж (обозначение) изделия Dy Среда £х. кг/см2 т, С° Присоединение к трубопроводу Привод Габаритные размеры Масса тель

Задвижка клиновая шиберная фланцевая из стали 12Х18Н12МЗТЛ с ручным приводом (маховик) и пневмощ-ивойом 31нж80бк, 31нж680бк 200 пульпа 6,3 +80 фланцевое Ручной, пневмо,. привод Ь=70 30/55 80

Рис. Пример выбора промышленной трубопроводной арматуры

Проиллюстрируем методику автоматизированного выбора трубопроводной арматуры на следующем примере. При транспортировке продуктов из одного аппарата в другой необходимо установить запорную арматуру на трубопровод

следующих параметров Огуа(1 = 200 мм и = 6 кгс/см2 . При выборе следует

учитывать следующие потребительские показатели: высокую герметичность затвора, низкое гидравлическое сопротивление, небольшое приводное усилие.

На первом этапе выбора определяем множество типов арматуры, выпускаемых промышленностью с параметрами Бгуа(1 = 200 мм и Ру,а(1 = 6 кгс/см2 . Это

краны, клапаны, предохранительные клапаны и задвижки.

Для каждого из используемых критериев (высокая герметичность затвора, низкое гидравлическое сопротивление, небольшое приводное усилие) зададим

равные веса р, = 0,33, , = 1,3. Далее формируем множество типов арматуры, которые могут быть использованы в данном трубопроводе. В конечном итоге оптимальным с позиций принятых критериев оказалась задвижка клиновая шиберная фланцевая из стали 12Х18Н12М3ТЛ (см. рис.).

Предложенная авторами методика автоматизированного выбора трубопроводной арматуры успешно апробирована при проектировании трубопроводных сетей ряда промышленных объектов.

Список литературы

1. Арматура-2000. Номенклатурный каталог-справочник по трубопроводной арматуре, выпускаемой в СНГ. - М.: ОАО «МосЦКБА», 2000. - 658 с.

2. Айзерман М.А., Алескеров Ф.Т. Выбор вариантов. Основы теории. - М.: Наука, 1990. - 227 с.

3. Ефименко С.П., Шахпазов Е.Х., Рожков И.М., Каширин Б.Л. Интегральные показатели качества металлургических технологий // Известия вузов. Черная металлургия. - 1993. - № 7. - С. 68 - 72.

4. Многовариантный типологический подход в задачах обучения и обработки данных / Фетинина Е.П., Кораблина Т.В., Криволапова Л.И. и др. // Известия вузов. Черная металлургия. - 2000. - № 4. - С. 57. - 60.

5. Михалевич В.С., Волкович В.Л. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем. - М.: Наука, 1982. - 286 с.

Methodology of Automated Selection of Fixtures when Designing Pipe-Line Networks

V.A. Nemtinov, S.Ya. Egorov, Yu.V. Makarov, D.V. Kvardakov

Department “Flexible Automated Production Systems ", TSTU

Key words and phrases: automated selection; expertise systems; pipe-line fixtures.

Abstract: Questions of automated selection of fixtures when designing pipe-line networks are considered. Task setting, solving algorithm and program medium for its implementation are given.

Methodik der automatisierten Auswahl der Armatur bei der Projektierung der Rohrleitungsnetze

Zusammenfassung: Es sind die Fragen der automatisierten Auswahl der Armatur bei der Projektierung der Rohrleitungsnetze untersucht. Es sind die Aufgabestellung, der Algorithmus des Beschlusses und die Programmumgebung fur ihre Realisierung angefuhrt.

Methode du choix automatise de l’armature au cours de la conception des reseaux de la tuyauterie

Resume: Sont examines les problemes du choix automatise de l’armature au cours de la conception des reseaux de la tuyauterie. Sont cites le probleme, l’algorithme de la solution et le programme pour sa realisation.