В русле общемировой тенденции оптимизации работы тепломеханического оборудования и снижения эксплуатационных затрат приобрела актуальность проблема повышения эффективности его работы. В настоящее время для оценки эффективности тепломеханического оборудования используют такие показатели, как удельные затраты энергии, коэффициент полезного действия, мощность. Однако для расчета этих параметров используются инженерные методики, погрешность которых достигает 20 % при требуемой максимальной погрешности 5 % для решения задач оптимизации и прогнозирования режимов эксплуатации. В связи с этим необходима разработка методики повышения точности определения показателей эффективности тепломеханического оборудования. Предлагается использовать аппарат нейронных сетей, обученных на данных из архивов штатных контрольно-измерительных приборов. Выбор нейронных сетей обусловлен тем, что они, по сравнению с другими статистическими методами, не требуют знания характера зависимостей показателей эффективности от входных параметров. Для демонстрации возможностей данного метода использованы эксплуатационные данные, снятые в процессе работы газовой утилизационной бескомпрессорной турбины и турбопитательного насоса. Построены нейросетевые модели для определения показателей эффективности, анализ которых показал, что для газовой утилизационной бескомпрессорной турбины наибольшее влияние на мощность, удельный расход энергии и КПД брутто доменной печи оказывает расход доменного газа, например при изменении расхода от 678000 до 988000 м/ч прирост электрической мощности составит от 0,02 до 0,75 МВт, а для турбопитательного насоса наибольшее влияние на развиваемую мощность оказывает давление и расход пара на работу приводной турбины, изменение которых в исследуемом диапазоне может привести к увеличению мощности на 2,02 МВт. Достоверность полученных результатов подтверждается верификацией нейронных сетей по данным, не участвовавшим в процессе обучения. Погрешность определения показателей эффективности не превышает 3 %. Полученные результаты используются в процессе эксплуатации для анализа эффективности установок, составления режимных карт работы, получения технически обоснованных норм расхода энергии, повышения точности расчета параметров эффективности турбоустановок.
Вестник Ивановского государственного энергетического университета
2017. — Выпуск 4
Содержание:
В настоящее время оценка эффективности эксплуатации систем централизованного теплоснабжения вызывает определенные трудности. Предпосылками для создания данной методики являются отсутствие в нашей стране единой общепризнанной и нормативно закрепленной методики оценки эффективности эксплуатации систем централизованного теплоснабжения и необходимость введения параметра, точно характеризующего эффективность рассматриваемой системы. Использованы практические результаты, полученные при разработке и актуализации Схем теплоснабжения некоторых муниципальных образований Владимирской области. Для создания математической модели системы теплоснабжения и нахождения правильных функциональных зависимостей между параметрами, описывающими систему теплоснабжения, использован метод нечетких множеств. Численное моделирование процесса эксплуатации системы теплоснабжения реализовано в программном комплексе Matlab. Техническая и научная новизна предлагаемой методики заключается во введении таких параметров, как уровень автоматизации и диспетчеризации и коэффициент эффективности эксплуатации системы теплоснабжения. Предложена методика оценки эффективности эксплуатации систем централизованного теплоснабжения малых населенных пунктов, суть которой заключается в определении основных практически важных параметров систем централизованного теплоснабжения и последующем расчете коэффициента эффективности на основе полученных значений. На основании результатов оценки, проведенной с помощью предлагаемой методики, могут быть определены основные проблемные места системы централизованного теплоснабжения, а также сформулированы мероприятия, направленные на повышение эффективности ее эксплуатации. В настоящее время данная методика проходит апробацию на существующих системах теплоснабжения и может быть актуальна как для теплоснабжающих и эксплуатирующих организаций, так и для органов местного самоуправления, администраций муниципальных образований и населенных пунктов, на территории которых находятся системы централизованного теплоснабжения.
Ключевые слова
Высокие температуры существенно затрудняют экспериментальное исследование тепломассопереноса в печах для производства карбида кремния. В связи с этим актуальным является расчетное исследование процессов образования карбида кремния. Анализ существующих подходов показал, что отсутствуют модели, включающие в себя процессы, сопровождающие процесс плавки SiC, в совокупности: тепломассопереноса в пористой среде с химическими реакциями при нагреве, сушки влажного материала и фильтрации. Создание модели с учетом всех перечисленных процессов и разработка программы численного расчета температурного поля в печи необходимы в качестве дополнения к дорогостоящим опытным плавкам. При этом целью численного анализа является повышение энергетической эффективности производства и увеличение выхода конечного продукта за счет реализации оптимального режима плавки для заданного состава шихты. При создании математической модели процессов тепломассопереноса в печи сопротивления использован феноменологический подход, опирающийся на основные постулаты термодинамики и тепломассообмена. Продемонстрировано математическое описание процесса, представляющее собой систему из дифференциальных уравнений переноса субстанции, включая уравнение теплопроводности для пористого тела с внутренними источниками тепла и химически реагирующими компонентами и уравнения переноса тепла в процессе фильтрации газа через взаимосвязанные поры. Модель апробирована путем сравнения результатов расчетного анализа изменения температуры в объеме реакционной шихты с данными промышленных экспериментов. На основе полученной математической модели построен алгоритм численного расчета, позволяющий определять температурные поля в процессе образования карбида кремния в печи сопротивления. Соответствие экспериментальных и расчетных значений рабочих параметров печи показывает, что модель может использоваться для подбора вариантов загрузок печи и режимов плавки в целях увеличения выхода конечного продукта и экономии энергоресурсов.
Известным мероприятием по повышению пропускной способности линий электропередачи сверхвысокого напряжения является применение управляемых устройств продольной компенсации. Кроме того, такие управляемые устройства положительно влияют на запас по апериодической статической устойчивости системы, что является особенно актуальным в связи с ростом нагрузки и последними аварийными ситуациями в энергосистеме России. Таким образом, актуальной является задача разработки математической модели электроэнергетической системы в целях повышения ее устойчивости на основе выбора места установки и параметров закона регулирования двух устройств продольной компенсации с тиристорным управлением с учетом автоматических регуляторов возбуждения на синхронных генераторах электростанции. Для решения поставленных задач использованы методы математического моделирования электроэнергетической системы, теория дальних линий электропередачи и электромеханических переходных процессов, методы анализа устойчивости электроэнергетических систем. В качестве инструмента моделирования применяется программное обеспечение Matlab. Разработана математическая модель электроэнергетической системы с учетом электромагнитных переходных процессов в ее элементах с двумя управляемыми устройствами продольной емкостной компенсации, которая позволяет рассчитывать как установившиеся, так и переходные режимы. Определены оптимальные расстояния между устройствами продольной компенсации и параметры закона регулирования продольной компенсации как с точки зрения наибольшей пропускной способности линии, так и с точки зрения допустимости напряжений на выводах конденсаторных батарей. Анализ статических характеристик электроэнергетической системы при использовании регулируемых устройств продольной компенсации показал их высокую эффективность в повышении пределов передаваемой мощности и улучшении апериодической статической устойчивости электроэнергетической системы. Разработанная модель может применяться при решении задач проектирования дальних линий электропередачи с управляемыми элементами, с ее помощью производится оценка статической устойчивости электроэнергетической системы и определяются параметры закона регулирования управляемых устройств продольной компенсации. При установке на линии двух управляемых устройств продольной компенсации, установленных на расстоянии 300 км друг от друга (оптимальное расстояние между устройствами продольной компенсации с точки зрения наибольшей пропускной способности линии и напряжений на выводах конденсаторных батарей), удалось добиться увеличения предела передаваемой мощности по устойчивости до предела передаваемой мощности по нагреву.
Ключевые слова
Частотно-регулируемые асинхронные двигатели с питанием от преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения являются источниками высокочастотных внешних электромагнитных полей и помех, которые оказывают влияние на оборудование и обслуживающий персонал, вызывают проблемы электромагнитной совместимости. Уровень магнитных полей и помех при заданной частоте не должен превышать допустимых значений. Существующие расчетные методики не позволяют определять внешние электромагнитные поля и энергию помех асинхронных двигателей при несинусоидальном питающем напряжении. Необходима оценка энергии внешних электромагнитных помех частотно-регулируемых асинхронных двигателей при разных несущих частотах преобразователей частоты. Разложение формы кривой напряжения на временные гармоники выполнено с использованием рядов Фурье. Расчет гармоник тока выполнен на основании схем замещения асинхронного двигателя с учетом изменения сопротивлений в зависимости от частоты гармоник. Моделирование электромагнитных полей при действии спектра токовых гармоник выполнено методом конечных элементов. Расчеты энергии внешних электромагнитных помех частотно-регулируемых асинхронных двигателей выполнены с использованием результатов расчета электромагнитных полей. Разработана методика оценки влияния несинусоидальности питающего напряжения на энергию внешних электромагнитных помех частотно-регулируемых асинхронных двигателей, учитывающая широтно-импульсную модуляцию напряжения при разных несущих частотах преобразователя и спектр временных гармоник электромагнитных полей. Определены величины энергии электромагнитных помех и индукции внешних электромагнитных полей частотно-регулируемых асинхронных двигателей разной мощности при питании от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения с разной несущей частотой преобразователя. Установлено, что высокочастотные составляющие внешних электромагнитных полей частотно-регулируемых АД при использовании преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения расширяют частотный диапазон воздействия, повышают индукцию внешних электромагнитных полей до 13,5 % и энергию электромагнитных помех до 10 %, по сравнению с синусоидальным питающим напряжением, что отрицательно сказывается на электромагнитной совместимости работы магниточувствительных устройств и на обслуживающем персонале. С увеличением несущей частоты инвертора ШИМ результирующая индукция внешних электромагнитных полей и энергия электромагнитных помех частотно-регулируемых АД снижается и приближается к случаю питания синусоидальным напряжением. Разработанная методика позволяет оценить внешние электромагнитные поля частотно-регулируемых асинхронных двигателей и определить их влияние на электромагнитную совместимость работы магниточувствительных устройств и на обслуживающий персонал.
Ключевые слова
Электрические приводы переменного тока с использованием асинхронных двигателей повсеместно используются при решении технологических задач в различных областях экономики и являются основными потребителями электрической энергии, в том числе и в автономных электротехнических комплексах. Организация эффективной работы электроприводов является важным вопросом для любого электротехнического комплекса, но особенно для морского судна при параллельной работе генераторов и соизмеримости мощностей источников и потребителей. Подруливающее устройство с винтом регулируемого шага, которое устанавливается на борту судов различного назначения, является одним из наиболее мощных электроприводов переменного тока с асинхронным двигателем. Характерной особенностью подруливающего устройства с винтом регулируемого шага является то, что для вращения винта можно использовать нерегулируемый по скорости электропривод, а регулировать подачу за счет поворота лопастей винта. В связи с повышающимися требованиями к энергоэффективности и безопасности необходимо проведение исследований всех режимов работы мощных электроприводов в автономных электротехнических комплексах в реальных условиях при выполнении ими конкретных производственных задач. Использованы результаты экспериментальных исследований, проведенных во всех основных режимах работы подруливающего устройства с винтом регулируемого шага с асинхронным двигателем мощностью 135 кВт. Для исследования применялся цифровой контрольно-измерительный комплекс, основой которого является цифровой запоминающий двухканальный осциллограф Owon и соединенный с ним персональный компьютер. Использовано только сертифицированное оборудование, прошедшее поверку, и лицензионное программное обеспечение. Получены осциллограммы токов и напряжений параллельно работающих генераторов в основных режимах работы подруливающего устройства с винтом регулируемого шага. Результаты экспериментальных исследований подтверждают существование обменных колебаний мощности при параллельной работе синхронных генераторов электротехнического комплекса. Полученные осциллограммы дают полную информацию о временных и амплитудных характеристиках электромеханических процессов, протекающих при работе мощного потребителя переменного тока в автономном электротехническом комплексе морского судна. Наличие обменных колебаний мощности во всех режимах работы говорит о необходимости внедрения методов и средств их устранения. Необходимо проведение экспериментальных исследований для определения временных и амплитудных значений токов в переходных и квазиустановившихся режимах работы мощных электроприводов в автономных электротехнических комплексах. Полученные результаты должны быть доведены до сведения обслуживающего персонала и использоваться в процессе эксплуатации таких комплексов.
Ключевые слова
Метод молекулярной динамики активно используется при исследовании процессов в сплошных средах. Его применяют при проектировании ядерных реакторов для изучения процессов воздействия излучения на вещество, в расчетах гидравлического, фильтрационного и температурного режимов для обоснования надежности и безопасности гидротехнических сооружений и при решении ряда других задач энергетики, решаемых с помощью механики сплошных сред. Важным вопросом в методе молекулярной динамики остается выбор способа оценки близости частиц, составляющих моделируемую систему. Критерии выбора такого способа зависят от опыта исследователя, в то время как оценка близости является вычислительно сложной процедурой и значительно сдерживает возможности по изучению больших объектов. Целью исследования является ускорение вычислений в методе молекулярной динамики путем разработки быстрого метода оценки близости частиц. Применяются методы молекулярной динамики, способы оценки близости частиц по Эйлеру, Лагранжу. Используются такие методы прикладной математики, как численное интегрирование дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта, оценка погрешности результатов и компьютерное моделирование физических процессов. Предложен комбинированный способ оценки близости частиц, основанный на сортировке частиц по одной из пространственных координат и последовательном отсечении удаленных частиц в соответствии с функцией-метрикой. Выполнено исследование предложенного способа оценки близости частиц на примере физической задачи о динамике газопылевого облака. Численные эксперименты с последовательными и параллельными программными моделями показали увеличение скорости вычислений предложенного подхода по сравнению с традиционными схемами близости по Эйлеру и Лагранжу от 2,2 раз в системе из 10 частиц и до 200 раз в системе из 10 частиц. Предложенный подход при оценке близости частиц в молекулярной динамике позволяет уменьшить временные затраты при моделировании молекулярных процессов и ускорить исследование больших систем, состоящих из более 10 частиц. Способ является альтернативой известным методам Эйлера и Лагранжа, совместим со всеми видами потенциальных взаимодействий и может быть использован при математическом моделировании на основе метода молекулярной динамики. Достоверность результатов подтверждается подобием тестовых и изучаемых в энергетике моделей.
Ключевые слова
В энергетике все большую нишу занимают твердотопливные мини-ТЭС. Это расширение поддерживается необходимостью развития независимых и надежных источников энергообеспечения, а также успехами в термохимической переработке твердых видов топлива. В то же время нельзя не отметить наличие лимитирующих процесс факторов. Комплексная энерготехнологическая переработка сопряжена с трудностями, возникающими при очистке генераторных газов. Сорбенты на кальциевой основе широко используются для удаления из газа диоксида серы, серного ангидрида и других соединений. Доломит представляется наиболее подходящим выбором такого сорбента. По этой причине развитие простой, но информативной модели описания технологического процесса термического разложения доломитосодержащих материалов в настоящее время требует специального внимания. Теория цепей Маркова используется для моделирования комплексного технологического процесса, включающего термическое разложение частиц доломита во взвешенном состоянии. Предложенная модель дополнена следующими полуэмпирическими субмоделями: ожижения твердой фазы в потоке воздуха, межфазного теплообмена, термического разложения твердой фазы. Преобразование доломита до оксидов рассматривается как специфический одностадийный процесс. На основе теории цепей Маркова предложена ячеечная модель комплексного технологического процесса, включающего термическое разложение частиц доломита во взвешенном состоянии. Переходные матрицы поставлены в соответствие с физическими параметрами протекания процессов, что делает предлагаемую модель нелинейной. Заимствованные из литературы экспериментальные данные и полученные расчетные результаты находятся в хорошем соответствии для изотемпературного процесса. Расчетным путем показано влияние термического эффекта реакции на термодинамическое состояние слоя. Модель, основанная на теории цепей Маркова и дополненная независимыми полуэмпирическими субмоделями процессов в кипящем слое, успешно использована для описания термической диссоциации доломита. Расчеты показывают необходимость учета термического эффекта реакции разложения доломита для надлежащего описания технологического процесса. Предложенная математическая модель может быть рассмотрена как достоверная научная основа для операционного контроля и проектирования установок кипящего слоя.
Ключевые слова
В процессе эволюционного развития населенных территорий происходит развитие сетей теплоснабжения. Затраты на эксплуатацию этих сетей являются одной из составляющих регионального тарифа на покупку тепловой энергии, который ежегодно рассчитывается региональными органами власти на основании анализа всех текущих затрат на генерацию и транспортировку энергии. В связи с активным внедрением ГИС-технологий в сферы муниципального управления формируются условия для создания автоматизированных методов и средств оценки влияния мероприятий по изменению структуры сети на будущий тариф на основе градостроительной информации и упрощенных методов анализа затрат, рекомендуемых нормативными документами по расчету тарифов. При этом, чтобы оценить влияние комплекса планируемых мероприятий по развитию сети на будущий тариф, в настоящее время необходимо привлекать специалистов по проектированию сетей и использовать сложные методы анализа режимов работы сети. Использованы методы расчета регулируемых тарифов и цен на электрическую и тепловую энергию на розничном рынке, методы сетевого анализа и анализа наложений в ГИС, данные из публичных информационных ресурсов по городу Иваново. Предложен и реализован в виде программного модуля метод оценки влияния мероприятий, изменяющих пространственную структуру тепловой сети города, на величину тарифа на покупку тепловой энергии. Метод базируется на анализе распределения затрат между потребителями с учетом маршрута транспортировки теплоносителя по сети. Приведены результаты апробации метода на примере построения карты распределения «выгодных» и «невыгодных» с точки зрения формирования тарифа потребителей в городе Иваново. Полученные результаты подтверждают возможность создания в среде муниципальных ГИС средств автоматической оценки влияния расположения потребителей на величину тарифа на покупку тепловой энергии. Разработанный метод и его реализация могут использоваться разработчиками программного обеспечения при создании информационных систем поддержки принятия решений в органах территориального управления.