vguitВестник Воронежского государственного университета инженерных технологийProceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies2226-910X2310-1202VSUET10.20914/2310-1202-2020-1-34-46vguit-2446Research ArticleПроцессы и аппараты пищевых производствProcesses and equipment for food industryОптимизация параметров технологического трубопровода по технико-экономическим показателямOptimization of process pipeline parameters by techno-economic parametershttps://orcid.org/0000-0002-3836-9404ХвостовА. А.KhvostovA. A.

д.т.н., профессор, кафедра 206 математики, ул Старых Большевиков, 54 А, г. Воронеж, 394064, Россия

Dr. Sci. (Engin.), professor, 206 department of mathematics, Staryh Bolshevikov street, 54 A Voronezh, 394064, Russia

khvtol1974@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2494-4973МагомедовМ. Г.MagomedovM. G.

д.т.н., доцент, кафедра технологии хлебопекарного, кондитерского, макаронного и зерноперера-батывающего производств, пр-т Революции, д. 19, г. Воронеж, 394036, Россия)

Dr. Sci. (Engin.), associate professor, bakery technology, confectionery, pasta and grain processing industries department, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia

mmg@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2194-767XЖуравлевА. А.ZhuravlevA. A.

к.т.н., доцент, кафедра 206 математики, ул Старых Большевиков, 54 А, г. Воронеж, 394064, Россия

Cand. Sci. (Engin.), associate professor, 206 department of mathematics, Staryh Bolshevikov street, 54 A Voronezh, 394064, Russia

zhuraa1@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1050-036XШипиловаЕ. А.ShipilovaE. A.

к.т.н., доцент, кафедра 206 математики, ул Старых Большевиков, 54 А, г. Воронеж, 394064, Россия

Cand. Sci. (Engin.), associate professor, 206 department of mathematics, Staryh Bolshevikov street, 54 A Voronezh, 394064, Russia

elen_ship@list.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2611-0297СеменихинО. А.SemenikhinO. A.

к.т.н., доцент, кафедра прикладной математики и механики, Московский пр-т, 14, г. Воронеж, 394026, Россия

Cand. Sci. (Engin.), associate professor, department of applied mathematics and mechanics, , Moscow Av., 14 Voronezh, 394026, Russia

semenihin72@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0039-1449НикитченкоА. А.NikitchenkoA. A.

к.т.н., доцент, кафедра изыскания и проектирования аэродромов, ул Старых Большевиков, 54 А, г. Воронеж, 394064, Россия

Cand. Sci. (Engin.), associate professor, department of pioneering and design of airfields, Staryh Bolshevikov street, 54 A Voronezh, 394064, Russia

nik.to77@mail.ruВоенный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»РоссияMilitary Educational and Scientific Center of the Air Force «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)Russian FederationВоронежский государственный университет инженерных технологийRussian FederationVoronezh State University of Engineering TechnologieRussian FederationВоенный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»Russian FederationMilitary Educational and Scientific Center of the Air Force «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)Russian FederationВоенный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»Russian FederationMilitary Educational and Scientific Center of the Air Force «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)Russian FederationВоронежский государственный технический университетRussian FederationVoronezh State Technical UniversityRussian FederationВоенный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»Russian FederationMilitary Educational and Scientific Center of the Air Force «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)Russian Federation2020050320208213446Copyright © Хвостов А.А., Магомедов М.Г., Журавлев А.А., Шипилова Е.А., Семенихин О.А., Никитченко А.А., 20202020Хвостов А.А., Магомедов М.Г., Журавлев А.А., Шипилова Е.А., Семенихин О.А., Никитченко А.А.Khvostov A.A., Magomedov M.G., Zhuravlev A.A., Shipilova E.A., Semenikhin O.A., Nikitchenko A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnik-vsuet.ru/vguit/article/view/2446

В пищевой и химической промышленности проектирование новых технологических трубопроводов и модернизация действующих трубопроводных систем транспортирования сырья, полуфабрикатов и готовой продукции представляет собой комплексную организационно-техническую задачу, одним из этапов которой является проведение необходимых гидравлических расчетов. Общепринятым в отечественной и зарубежной практиках является гидравлический расчет трубопроводных линий на основании уравнения неразрывности потока и уравнения Бернулли для реальной вязкой жидкости, которое учитывает потери давления на трение и на преодоление местных сопротивлений трубопровода. При таком подходе гидравлический расчет является многовариантной задачей, т.к. существует бесконечное множество сочетаний параметров диаметр трубопровода - перепад давления, неравноценных как с экономической, так и технической позиций. На основании анализа литературных источников в работе показана целесообразность проведения гидравлического расчета трубопроводных линий по технико-экономическим показателям. В качестве критерия технико-экономической оптимизации технологических трубопроводов предложены суммарные годовые затраты на создание и эксплуатацию технологического трубопровода, являющиеся линейной суперпозицией капитальных и эксплуатационных затрат. В работе предложены расчетные соотношения для определения оптимального диаметра технологического трубопровода из условия минимизации суммарных годовых затрат на его создание и эксплуатацию с учетом текущих цен и тарифов на трубопровод и электроэнергию, трассировки трубопровода, условий его работы, а также свойств транспортируемой среды. На примере гидравлической установки для перекачивания патоки проведены вычислительные эксперименты по оценке влияния диаметра трубопровода и массового расхода транспортируемой среды на технико-экономические показатели технологического трубопровода и определены его оптимальные параметры. Для приближенной оценки эффективности оптимизационных мероприятий предложен критерий, позволяющий сопоставить суммарные годовые затраты на создание и эксплуатацию технологических трубопроводов с оптимальными и отличными от них параметрами.

In the food and chemical industry, the design of new process pipelines and modernization of existing pipeline systems for transportation of raw materials, semi-finished products and finished products is a complex organizational and technical task, one of the stages of which is to carry out the necessary hydraulic calculations. It is common practice in domestic and foreign practices to hydraulically calculate pipeline lines based on the flow intricacy equation and the Bernoulli equation for a real viscous liquid, which takes into account pressure losses on friction and on overcoming local pipeline resistances. With this approach, hydraulic calculation is a multivariate task, as there are infinite combinations of pipeline diameter - differential pressure parameters, unequal from both economic and technical positions. Based on the analysis of literary sources, the work shows the expediency of carrying out hydraulic calculation of pipeline lines according to techno-economic indicators. Total annual costs for creation and operation of the process pipeline, which are a linear superposition of capital and operating costs, are proposed as a criterion for technical and economic optimization of process pipelines. The work proposes design ratios for determining the optimum diameter of the process pipeline based on the condition of minimization of the total annual costs for its creation and operation taking into account the current prices and tariffs for the pipeline and electric power, routing of the pipeline, conditions of its operation, as well as properties of the transported medium. On the example of hydraulic plant for pumping of molasses, computational experiments were carried out to assess the influence of pipeline diameter and mass flow rate of transported medium on technical and economic indices of process pipeline and its optimal parameters were determined. In order to estimate the efficiency of optimization measures, the criterion is proposed, which allows to compare the total annual costs for creation and operation of process pipelines with optimal and different parameters.

технологический трубопроводтехнико-экономическая оптимизацияпотери давлениякритерий оптимизациигидравлический расчетprocess pipelinetechno-economic optimizationpressure lossoptimization criterionhydraulic calculationReferencesКафаров В.В., Мешалкин В.П. Проектирование и расчет оптимальных систем технологических трубопроводов. М.: Химия. 1991. 368 с.Kafarov V.V., Meshalkin V.P. Design and calculation of optimal systems of technological pipelines. Moscow, Khimiya. 1991. 368 p. (in Russian).Остриков А.Н. Процессы и аппараты пищевых производств. СПб.: Гиорд, 2012. 616 с.Ostrikov A.N. Processes and apparatus of food production. St. Petersburg, Giord, 2012. 616 p. (in Russian).Mikhalev M.A. Hydraulic calculation of pressure pipes // Magazine of Civil Engineering. 2012. V. 32. № 6. P. 20–28. doi: 10.5862/MCE.32.3Mikhalev M.A. Hydraulic calculation of pressure pipes. Magazine of Civil Engineering. 2012. vol. 32. no. 6. pp. 20–28. doi: 10.5862/MCE.32.3Арет В.А., Николаев Б.Л., Николаев Л.К. Физико-механические свойства сырья и готовой продукции. СПб.: Гиорд, 2009. 448 с.Aret V., Nikolaev B.L., Nikolaev L.K. The Physical and mechanical properties of raw materials and finished products. St. Petersburg, Giord, 2009. 448 p. (in Russian).Косой В.Д., Виноградов Я.И., Малышев А.Д. Инженерная реология биотехнологических сред. СПб.: ГИОРД, 2005. 648 с.Kosoy V.D., Vinogradov Ya.I., Malyshev A.D. Biotechnological environment engineering rheology. St. Petersburg, Giord, 2005. 648 p. (in Russian).Кутепов А.М., Мешалкин В.П., Панов М.Я., Квасов И.С. Математическое моделирование потокораспределения в транспортных гидравлических системах с переменной структурой // Доклады РАН. 1996. Т. 350. № 5. С. 653–654.Kutepov A.M., Meshalkin V.P., Panov M.Ya., Kvasov I.S. Mathematical modeling of flow distribution in transport hydraulic systems with variable structure. Reports Russian Academy of Sciences. 1996. vol. 350. no. 5. pp. 653–654. (in Russian).Новицкий Н.Н., Михайловский Е.А. Объектно-ориентирвоанное моделирование гидравлических цепей // Вестник ИРГТУ. 2012. № 7. С. 170–176.Novitsky N.N., Mikhailovsky E.A. Object-oriented modeling of hydraulic circuits. Bulletin OF IRGTU. 2012. no. 7. pp. 170–176. (in Russian).Новицкий Н.Н., Сеннова Е.В., Сухарев М.Г. и др. Гидравлические цепи. Развитие теории и приложения. Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма РАН, 2000. 273 с.Novitsky N.N., Sennova E.V., Sukharev M.G. et al. Hydraulic chains. Development of theory and application. Novosibirsk, Nauka, Siberian Publishing Company RAS, 2000. 273 p. (in Russian).Новицкий Н.Н., Сухарев М.Г., Тевяшев А.Д. и др. Трубопроводные системы энергетики: методические и прикладные проблемы математического моделирования. Новосибирск: Наука, 2015. 475 с.Novitsky N.N., Sukharev M.G., Tevyashev A.D. et al. Pipe-wiring power systems: Methodical and applied problems of mathematical modeling. Novosibirsk, Nauka, 2015. 475 p. (in Russian).Селезнев В.Е., Алешин В.В., Прялов С.Н. Математическое моделирование трубопроводных сетей и систем каналов: методы, модели и алгоритмы. Москва, Берлин: Директ-Медиа, 2014. 694 с.Seleznev V.E., Aleshin V.V., Dazyag S.N. Mathematical modeling of pipeline networks and channel systems: Methods, models and algorithms. Moscow, Berlin, Direkt-Media, 2014. 694 p. (in Russian).Мошев Е.Р., Белов В.Д. Системный анализ жизненного цикла трубопроводов нефтехимических предприятий как объекта компьютерного моделирования // Вестник ПНИПУ Химическая технология и биотехнология 2017. № 4. С. 152–168.Moshev E.R., Belov V.D. System analysis of the life cycle of pipelines of petrochemical enterprises as a object of computer modeling. Bulletin of the PNIPU Chemical Technology and Biotechnology. 2017. no. 4. pp. 152–168. (in Russian).Колесников С.В., Кудинов И.В., Еремин А.В., Бранфилева А.Н. Использование компьютерных моделей для проектирования сложных трубопроводных систем // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2014. № 5. С. 72–83.Kolesnikov S.V., Kudinov I.V., Eremin A.V., Branfileva A.N. Use of computer models for designing complex pipeline systems. Energy. News of higher educational institutions and energy associations of the CIS. 2014. no. 5. pp. 72–83. (in Russian).Василенко А.И., Федосенко А.А. Технико-экономическая оптимизация воздуховодов // Инженерный вестник Дона. 2018. № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/nly2018/4674Vasilenko A.I., Fedosenko A.A. Technical and economic optimization of air ducts. The Don Engineering Herald. 2018. no. 1. Available at: ivdon.ru/ru/magazine/archive/nly2018/4674 (in Russian).Hlebnikov A., Siirde A., Paist A. Basics of optimal design of district heating pipelines diameters and design examples of Estonian old non-optimised district heating networks // Doctoral school of energy-and geotechnology. 2007. P. 15–20.Hlebnikov A., Siirde A., Paist A. Basics of optimal design of district heating pipelines diameters and design examples of Estonian old non-optimised district heating networks. Doctoral school of energy-and geotechnology. 2007. pp. 15–20.Гусев Ю.М., Гафаров Р.Р., Данилин О.Е. Оптимизация работы участка магистрального нефтепровода на основе генетического алгоритма // Вестник УГАТУ. Управление, ВТиИ. 2008. Т. 11 № 1 (28). С. 43–52.Gusev Y.M., Gafarov R.R., Danilin O.E. Optimization of the main oil pipeline site on the basis of genetic algorithm. Bulletin of the UGATU. Management, VTI. 2008. vol. 11. no. 1(28). pp. 43–52. (in Russian).Самарин О.Д. Технико-экономическая оптимизация диаметров теплопроводов систем водяного отопления // Новости теплоснабжения. 2011. № 5. С. 42–44.Samarin O.D. Technical and economic optimization of diameters of heat conductors of water heating systems. News of heat supply. 2011. no. 5. pp. 42–44. (in Russian).Гагарин В.Г. Методы экономического анализа повышения уровня теплозащиты ограждающих конструкций зданий. Часть 1 // АВОК. 2009. № 1. С. 10–16.Gagarin V.G. Methods of economic analysis of the increase in the level of heat protection of building enclosures. Part 1. AVOK. 2009. no. 1. pp. 10–16. (in Russian).Савастиенок А.Я. Оптимизация трубопроводных инженерных сетей гидравлического расчета // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2006. № 4. С. 67–72.Savastienok A.Ya. Optimization of pipeline engineering networks of hydraulic calculation. Energy. News of higher educational institutions and energy associations of the CIS. 2006. no. 4. pp. 67–72. (in Russian).Шабанов В.А., Бондаренко О.В. Целевые функции и критерии оптимизации перекачки нефти по нефтепроводам при частнотно-регулируемом электроприводе магистальных насосов // Нефтегазовое дело. 2012. № 4 С. 10–17.Shabanov V.A., Bondarenko O.V. Target functions and criteria for optimization of oil transfer through oil pipelines with the private-regulated electric drive of the MMA pumps. Oil and Gas business. 2012. no. 4. pp. 10–17. (in Russian).Евлахов С.К. Методические предпосылки исследования задач оптимального управления потоками в сети магистральных нефтепроводов // Нефть, газ и бизнес. 2007. № 1–2. С. 28–30.Yevlakhov S.K. Methodological prerequisites for the study of the tasks of optimal flow management in the network of main oil pipelines. Oil, gas and business. 2007. no. 1–2. pp. 28–30. (in Russian).Гольянов А.И., Михайлов А.В., Нечваль А.М., Гольянов А.А. Выбор рационального режима работы магистрального трубопровода // Транспорт и хренение нефтепродуктов. 1998. № 10. С. 16–18.Golyanov A.I., Mikhailov A.V., Necchval A.M., Golyanov A.A. Selection of rational mode of operation of main pipeline. Transportation and renovation of oil products. 1998. no. 10. pp. 16–18. (in Russian).Зайцев А.В., Логвиненко А.В. Оптимизация Криогенного трубопровода // Омский научный вестник. Серия «Приборы, машины и технологии». 2014. № 3 (133) С. 164–168.Zaitsev A.V., Logvinenko A.V. Optimization Of Cryogenic pipeline. Omsk scientific bulletin. Instrumentation, machine and technology series. 2014. no. 3 (133). pp. 164–168. (in Russian).Зайцев А.В., Логвиненко Е.В. Решение задачи оптимизации криогенного трубопровода с помощью метода поиска Парето-оптимального решения // Вестник МАХ. 2015. № 2. С. 55–60.Zaitsev A.V., Logvinenko E.V. Solution of the problem of optimization of the cryogenic pipeline using the search method of the Pareto-optimal solution. MAX Vestnik. 2015. no. 2. pp. 55–60. (in Russian).Шаганов А.Ю. Оптимизация материалозатрат на воздуховоды вентиляционных систем методом динамического программирования в системе электронных таблиц // Вестник Приазовского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2013. № 26. С. 128–136.Shaganov A.Yu Optimization of material costs for ventilation ducts by dynamic programming in the spreadsheet system. Bulletin of the State Technical University of the Azov. Series: Technical sciences. 2013. no. 26. pp. 128–136. (in Russian).Селезнев В.Е., Алешин В.В., Клишин Г.С. Методы и технологии численного моделирования газопроводных систем. М: КомКнига, 2005. 327 с.Seleznev V.E., Aleshin V.V., Klishin G.S. Methods and technologies for numerical simulation of gas pipeline systems. Moscow, KomKniga, 2005. 327 p. (in Russian).Chen H.J., Shiu H.R., Chen S.L. Process exhaust duct system design using dynamic programming methods // Journal of the Chinese Institute of Engineers. 2003. V. 26. № 2. P. 155–164.Chen H.J., Shiu H.R., Chen S.L. Process exhaust duct system design using dynamic programming methods. Journal of the Chinese Institute of Engineers. 2003. vol. 26. no. 2. pp. 155–164.Murat J., Smyk A., Laskowski R.M. Selecting optimal pipeline diameters for a district heating network comprising branches and rings, using graph theory and cost minimization // Journal of Power Technologies. 2018. V. 98. № 1. P. 30–44.Murat J., Smyk A., Laskowski R.M. Selecting optimal pipeline diameters for a district heating network comprising branches and rings, using graph theory and cost minimization. Journal of Power Technologies. 2018. vol. 98. no. 1. pp. 30–44.Иванов А.В., Синюков В.В., Ряжских В.И., Хвостов А.А. и др. Постановка задачи оптимизации трубопроводных сетей средств наземного обслуживания общего применения // Современные методы прикладной математики, теории управления и компьютерных технологий: сб. тр. X междунар. конф. «ПМТУКТ2017». Воронеж: Научная книга, 2017. С. 180–183.Ivanov A.V., Sinyukov V.V., Ryazhskikh V.I., Khvostov A.A. et al. Statement of the problem of optimization of pipeline networks of ground-based facilities for general use. Modern methods of applied mathematics, control theory and computer technology: collection of articles. tr X int. conf. “PMTUKT 2017”. Voronezh, Nauchnaya kniga, 2017. pp. 180–183. (in Russian).Муратова Е.И., Смолихина П.М. Реология кондитерских масс: монография. Тамбов: ТГТУ, 2013. 187 с.Muratova E.I., Suchitollihina P.M. Rheology of confectionery masses: monograph. Tambov, TGTU, 2013. 187 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.