Вестник Ивановского государственного энергетического университета

Известны ячеечные модели тепломассообмена в системе «вода - водяной пар» и десорбции растворенного кислорода в деаэрационных элементах различных конструкций: струйных отсеках, непровальных барботажных листах, затопленных барботажных устройствах. Для практического применения этих моделей необходимо разработать эмпирическое обеспечение, включающее методы расчета площади поверхности контакта фаз, коэффициентов тепло- и массопередачи. Площадь поверхности контакта фаз в деаэрационных элементах рассчитывается известными методами. Разработка эмпирического обеспечения моделей в части коэффициентов тепло- и массопередачи выполнена на основе результатов проведенных экспериментальных исследований методами теории подобия процессов тепломассообмена и математической статистики. С использованием данных, полученных в ходе экспериментальных исследований на деаэраторах различных конструкций, разработано эмпирическое обеспечение ячеечных моделей процессов тепломассообмена при деаэрации воды раздельно для струйных отсеков, непровальных барботажных листов и затопленных барботажных устройств деаэраторных баков, включающее методы расчета площади поверхности контакта фаз и критериальные уравнения для определения коэффициентов тепло- и массопередачи. Разработанное эмпирическое обеспечение ячеечных моделей характеризуется приемлемой для решения практических задач точностью и обеспечивает возможность проведения расчетных исследований при режимной наладке и проектировании деаэрационных установок.

Одним из основных направлений энергетической политики России является использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии. К таким источникам относят и твердые органические отходы, в том числе бытовые. В настоящее время существует возможность экономически выгодно, экологически безопасно и технически доступно перерабатывать твердые бытовые отходы без предварительной сортировки, используя термические методы, в том числе пиролиз. Изучению процесса пиролиза посвящены работы П. Басу, Л.Я. Шубова, Г.В. Кузнецова, А.Г. Копачева и др. Между тем окислительный пиролиз, являющийся наиболее универсальным и не зависящим от фракционного состава и фазового состояния отходов, их влажности и зольности, изучен недостаточно. В связи с этим актуальной задачей является экспериментальное исследование окислительного пиролиза смеси твердых бытовых отходов и отдельных ее компонентов. В качестве методов термического анализа для исследования процесса окислительного пиролиза твердых бытовых отходов использованы: термогравиметрический анализ (ТГ-анализ), в ходе которого непрерывно регистрировалось изменение массы исследуемого образца при изменении его температуры; дифференциально-сканирующая калориметрия, в ходе которой непрерывно регистрировались термические эффекты, которыми сопровождались фазовые и химические превращения образца при его нагреве; масс-спектрометрия газовых смесей (МС-анализ). Проведен термический анализ смеси твердых бытовых отходов среднего морфологического состава и отдельных ее компонентов в процессе окислительного пиролиза с содержанием кислорода в атмосфере 1 % и 10 %. По результатам экспериментов определены температурные диапазоны процесса пиролиза и скорость убыли массы образца твердых бытовых отходов при протекании процессов сушки и окислительного пиролиза, тепловые эффекты, сопровождающие данные процессы, а также состав и объемы газов, получаемых при окислительном пиролизе смеси твердых бытовых отходов и ее компонентов в среде с содержанием кислорода 1 % и10 %. Установлено, что окислительный пиролиз при наличии кислорода в атмосфере 1% сопровождается меньшим тепловым эффектом, чем пиролиз с содержанием кислорода 10 %, но при этом образуется более калорийный пиролизный газ. Результаты экспериментальных исследований окислительного пиролиза могут быть использованы для расчета конструктивных и режимных параметров термических реакторов для переработки твердых бытовых отходов .

Российские системы теплоснабжения имеют высокий износ, и необходимость их реконструкции является объективной неизбежностью. Одной из проблем, препятствующих реализации программ реконструкции, является низкий уровень предпроектной проработки, связанный с недостатком финансирования и времени на стадии подготовки соответствующих программ. Существующие методики являются трудоемкими, требуют привлечения специализированных организаций, большого объема инженерных расчетов и, как следствие, связаны с достаточно существенными затратами. В связи с этим представляется актуальной задача создания простых и доступных методик, позволяющих оптимизировать технико-экономические показатели системы теплоснабжения в процессе реконструкции. Использованы методы статистической обработки данных о капитальных и эксплуатационных затратах для определения корреляционных зависимостей технико-экономических показателей системы теплоснабжения от мощности теплоисточников. Построение зависимости осуществлено путем экстраполяции показателей существующей системы теплоснабжения на проектные варианты. Разработана технико-экономическая модель, позволяющая выполнять экспресс-оценки оптимальной мощности и количества теплоисточников в системе теплоснабжения. Разработанная модель апробирована на объектах системы теплоснабжения г. Волгограда. Определена оптимальная мощность теплоисточников и выполнен анализ чувствительности целевых показателей модели к различным внешним факторам. Разработанная методика является эффективным инструментом, позволяющим оптимизировать технологический облик системы теплоснабжения на стадии предпроектных проработок при минимальных временных и финансовых затратах. Полученные корреляционные зависимости технико-экономических показателей системы централизованного теплоснабжения от мощности теплоисточников позволяют прогнозировать капитальные затраты на их реконструкцию и эксплуатационные показатели при их дальнейшей эксплуатации.

Параметры высоковольтных воздушных линий электропередачи - комплексные сопротивления и проводимости - определяются множеством факторов, таких как геометрические характеристики и физические свойства системы проводников (включая контур возврата тока через землю). При этом степень влияния отдельных факторов на конкретные численные значения параметров воздушных линий электропередачи не всегда очевидна. Это определяет необходимость детального анализа взаимосвязи между характеристиками проводников линии электропередачи и параметрами прямой и нулевой последовательностей. Актуальность задачи обусловлена, прежде всего, нарастающим интересом инженеров-исследователей во всем мире к идентификации фактических параметров схем замещения линий и трансформаторов с использованием технологии синхронизированных векторных измерений. Алгоритмы определения фактических параметров линий электропередачи, предлагаемые в большинстве публикаций по данной проблеме (прежде всего, зарубежных), сопряжены с решением оптимизационной задачи относительно искомых сопротивлений и проводимостей линии. При этом размерность вектора неизвестных оказывается значительной даже в случае одноцепной трехфазной линии. Более того, оптимизационный алгоритм воспринимает все эти неизвестные как совершенно не зависимые друг от друга величины, что ухудшает математическую обусловленность задачи и снижает ее вычислительную эффективность. В связи с этим представляется целесообразным выявить совокупность факторов, обусловливающих изменения сопротивлений и проводимостей линии, и переформулировать оптимизационную задачу. Для решения поставленной задачи на основе модели реальной двухцепной линии напряжением 500 кВ осуществлено множество вычислительных экспериментов с использованием MATLAB в качестве инструмента моделирования. В исследовании рассмотрено 11 различных сценариев, в каждом из которых изучается влияние отдельной характеристики системы проводников линии электропередачи. В каждом случае варьируется только один параметр (или несколько взаимосвязанных параметров, например средние высоты подвеса фазных проводников и грозозащитных тросов), тогда как остальные соответствуют принятым «базовым» значениям. При вариации всех характеристик системы проводников и анализе результатов учтены возможные реальные диапазоны изменения этих характеристик. Выполнены вычислительные эксперименты в целях анализа влияния различных факторов на значения сопротивлений и проводимостей высоковольтных воздушных линий электропередачи. Выяснено, что доминирующими факторами, влияние которых на параметры воздушных линий электропередачи нельзя считать пренебрежимо малым, являются следующие: средние высоты подвеса фазных проводников (с учетом стрелы провеса); средние высоты подвеса грозозащитных тросов; удельная проводимость земли; удельные проводимости материала проводов линии; относительная магнитная проницаемость грозозащитного троса. Установлено, что влиянием вариаций значений прочих характеристик (радиусы проводников, междуфазные расстояния, диэлектрическая проницаемость грунта и др.) фактически можно пренебречь. Результаты осуществленного анализа позволяют реализовать принципиально иной подход к решению задачи по определению актуальных параметров воздушных линий электропередачи на базе синхронизированных векторных измерений и, таким образом, ускорить процесс внедрения соответствующих алгоритмов в аппаратно-программные комплексы мониторинга энергосистем (примеры успешных внедрений с большой вероятностью до сих пор отсутствуют). Наличие актуальных данных о параметрах воздушных линий потенциально может использоваться для решения множества задач, например: оценивания состояния режима электрической сети; определения места повреждения на линии «классическим» способом; уточнения параметров срабатывания (уставок) дистанционной защиты; более точного учета потерь электроэнергии при ее передаче по проводам линии электропередачи.

При эксплуатации силовых автотрансформаторов, получивших широкое распространение в сетях 110 кВ и выше, нередко приходится иметь дело с неполнофазными режимами, вызванными отключениями одной или двух фаз при коротких замыканиях либо при пофазных ремонтах. Это приводит к несимметрии напряжений автотрансформаторов, что сказывается на качестве электроснабжения потребителей; для самого автотрансформатора неполнофазная работа может быть опасна в отношении перегрузки отдельных обмоток. Наличие электрической связи между высоким и средним напряжениями обусловливает специфику в анализе их режимов работы. И если теоретический анализ и общий подход к расчету несимметричных режимов двухобмоточных трансформаторов в настоящее время рассмотрены достаточно подробно, то задача анализа несимметричных режимов работы трехобмоточных автотрансформаторов сохраняет свою актуальность. В связи с этим поиск теоретических подходов к расчету несимметричных режимов работы силовых автотрансформаторов является актуальным направлением исследований. В основу исследований положен метод симметричных составляющих, а также схемы замещения трехобмоточных автотрансформаторов для токов различных последовательностей. На основе метода симметричных составляющих разработан подход к расчету автотрансформаторных и комбинированных несимметричных режимов работы силовых автотрансформаторов. Предложены новые математические модели основных неполнофазных режимов. Приведен пример расчета комбинированного неполнофазного режима по паспортным данным автотрансформатора при очередном отключении линейных проводов со сторон среднего, низшего и высшего напряжений. Предложенная модель и полученные аналитические выражения позволяют определять токи и напряжения фазных обмоток автотрансформатора в самых различных несимметричных режимах работы на основе единого подхода.

Электромеханические магнитожидкостные демпферы с регулируемой жесткостью начинают находить практическое применение, но вопрос об адекватной расчетной методике, позволяющей предварительно оценить свойства магнитожидкостного демпфирующего устройства, до конца не решен. Используемые в настоящее время методики основаны на описании магнитной жидкости моделью Бингама. Недостатком такого подхода является отсутствие учета начального участка реологической кривой магнитной жидкости, что дает неверные результаты при малых градиентах течения магнитной жидкости в зазоре демпфера. Недостатком аналитических моделей является привязка уравнений к определенному типу конструктивного исполнения рабочей зоны электромеханических магнитожидкостных демпферов и невозможность получения точного решения для каналов сложной формы. В связи с этим необходима разработка и совершенствование моделей электромеханических магнитожидкостных демпферов с учетом взаимного влияния физических полей. Исследования проведены на основе теорий магнитогидродинамики, реологии неньютоновских жидкостей, электромагнитного поля. Использовано взаимосвязанное конечно-элементное моделирование электромагнитного, гидродинамического и температурного полей электромеханического магнитожидкостного демпфера. Предложен оригинальный алгоритм расчета силовой характеристики электромеханического магнитореологического демпфера с учетом реальных магнитореологических свойств магнитной жидкости, нелинейно зависящих от градиента скорости сдвигового течения и параметров магнитного поля. Нелинейные магнитореологические характеристики магнитной жидкости разбиваются на несколько участков с постоянной вязкостью. Разработана конечно-элементная модель, позволяющая проводить анализ электромеханического магнитореологического демпфера с учетом взаимного влияния электромагнитных, гидродинамических и тепловых полей. Предложенные развитые расчетные модели электромеханического магнитореологического демпфера и алгоритмы расчета позволяют корректно определять жесткость, силу сопротивления и выполненную работу ЭМЖД. Подход, основанный на разбиении реологической кривой магнитной жидкости на два участка с различными вязкостями, позволяет говорить о результатах, более приближенных к реальным и менее зависящим от величины градиента сдвига в зазоре магнитожидкостного демпфера. Результаты модельного аналитического решения подтверждаются результатами расчета конечно-элементного моделирования, что позволяет использовать развитую аналитическую расчетную модель электромеханического магнитореологического демпфера при проектировании вновь создаваемых демпферов.

При эксплуатации и наладке современных систем управления важное значение имеют точность и качество выполненных измерений. Самыми распространенными являются температурные измерения. Одним из основных показателей датчиков температуры является время термической реакции. Динамические свойства датчиков оказывают влияние на параметры настройки автоматических регуляторов и, соответственно, на качество работы АСУТП в целом, однако изучены значительно хуже статических свойств. Поэтому задача исследования динамических свойств датчиков температуры является актуальной и востребованной. Выбран метод определения динамических характеристик датчиков температуры, заключающийся в снятии кривой разгона при скачкообразном изменении температуры среды, окружающей датчик, от одного установившегося значения до другого. Решение поставленной задачи осуществлено с применением платиновых термопреобразователей сопротивления, высокоточного метрологического оборудования, использован метод совмещения кривых разгона по «нулевым линиям». Получены переходные характеристики для четырех термопреобразователей сопротивления при различных изменениях температуры. В результате обработки полученных переходных характеристик рассчитаны их оценки для доверительной вероятности 0,95. Показано, как диаметр монтажной части датчиков температуры оказывает влияние на их динамические характеристики. Установлено, что при помещении датчиков в одинаковую технологическую среду с одинаковой скоростью обтекания датчика технологической средой большое влияние на динамические характеристики оказывает диаметр монтажной части, что обусловлено особенностями теплопроводности для различных толщин стенки датчика; длина монтажной части не играет значительной роли ввиду того, что чувствительный элемент датчика температуры находится на его рабочем конце, т.е. чувствительные элементы всех исследованных датчиков находились в одинаковом температурном поле. Полученные в ходе проведения экспериментов динамические характеристики датчиков температуры показывают, что при изменении диаметра монтажной части термопреобразователя сопротивления в 2,5 раза время термической реакции изменяется в 4 раза. Полученные результаты могут быть полезны при выборе датчиков температуры для технологических объектов управления, а также при проектировании и вводе в действие АСУТП при настройке автоматических систем регулирования для оптимизации качества работы регуляторов, при реализации технологических защит и блокировок.

Современные электроприводы прокатных станов выполняются на базе мощных высоковольтных синхронных (асинхронных) двигателей и преобразователей частоты с активными выпрямителями. Существующие системы преобразователей частоты с активными выпрямителями не адаптированы к несимметричным провалам напряжения, возникающим во внешней питающей сети, в результате чего могут происходить частые отключения преобразователей. В выполненных ранее исследованиях предложены мероприятия по компенсации провалов напряжения за счет использования статических тиристорных компенсаторов, функционирующих в системах электроснабжения дуговых сталеплавильных печей, при условии параллельной работы электросталеплавильного комплекса и преобразователей частоты с активными выпрямителями прокатного стана. Однако в данных работах не проводились исследования процессов в преобразователях частоты с активными выпрямителями при несимметрии и колебаниях напряжения, вызванных работой дуговых сталеплавильных печей. В связи с этим исследования режимов работы преобразователей частоты с активными выпрямителями, подключенных на параллельную работу с комплексом «ДСП-СТК», являются важной задачей. При проведении исследований использованы экспериментальные массивы электрических параметров, записанные на действующих комплексах «ДСП-СТК», а также известные методы математического моделирования силовых преобразователей и их систем управления. При моделировании активного выпрямителя использованы существующие методы широтно-импульсной модуляции, реализованные в серийных преобразователях частоты с активными выпрямителями. Проведен анализ параллельной работы электросталеплавильного и прокатного комплексов при наличии и отсутствии статических тиристорных компенсаторов. На основании выполненных исследований впервые доказана возможность параллельной работы комплекса «ДСП-СТК» и преобразователей частоты с активными выпрямителями. Результаты исследований имеют теоретическую значимость для теории электропривода и электроснабжения промышленных предприятий и могут найти практическое применение при проектировании систем электроснабжения главных электроприводов прокатных станов, а также при выборе параметров силовых схем и систем управления преобразователей частоты с активными выпрямителями в случае необходимости обеспечения дополнительной защиты преобразователей частоты с активными выпрямителями от внешних провалов напряжения.

Из литературных источников хорошо известно, что противоточная схема движения более эффективна по сравнению с прямоточной схемой движения потоков теплоносителей. Ранее нами в рамках разработанной модели многопоточного теплообмена выполнен анализ схем движения теплоносителей в трехпоточном теплообменном аппарате. Определение эффективной структуры потоков для теплообменных аппаратов с числом теплоносителей три и более является актуальной задачей для различных промышленных технологий. Построение модели для многопоточных теплообменных аппаратов выполнено в виде системы дифференциальных уравнений, составленных на основе уравнений теплового баланса для каждого теплоносителя. Аналитическое решение полученной системы линейных дифференциальных уравнений найдено методом пробных функций. Разработано математическое описание четырехпоточных теплообменных аппаратов с различной структурой потоков теплоносителей в виде системы линейных дифференциальных уравнений, найдены и проанализированы аналитические решения для восьми возможных схем движения теплоносителей, выявлена наиболее эффективная структура потоков с точки зрения минимальных тепловых потерь. Разработанная математическая модель служит основой для создания более эффективных методов организации процессов теплопередачи в технологических установках различного назначения с произвольным числом теплоносителей.

Для создания благоприятной и комфортной городской среды необходимы проведение рациональной жилищной политики, планирование и планировка будущей застройки города, формирование инженерной инфраструктуры и другие мероприятия, проводимые на основе мониторинга текущего и ретроспективного состояния объекта и оперативной оценки ситуации. Анализ существующих методов оценки качества городской среды проживания (обитания) человека, а также наиболее значимых подходов, ключевых особенностей и основных этапов осуществления оценки состояния городской системы (от выбора источников и сбора данных до математической обработки и интерпретации результатов), существующих методик оценки городской ситуации показал отсутствие сегментов контроля и корректировки тактического плана. В связи с этим необходима разработка собственной методики оценки качества инженерной инфраструктуры городского района, которая должна обладать свойствами открытости, самоадаптируемости и удовлетворять принципам гибкого масштабирования. Для разработки модели принятия решений в области градостроительного планирования и управления с учетом оценки инженерной инфраструктуры использованы механизмы нейро-нечетких сетей. На основе полученных результатов первичного и вторичного анализов сформирована концептуальная модель методики комплексной оценки с учетом инженерной инфраструктуры городского района на базе механизма нейро-нечетких сетей. Описаны основные этапы разработки модели: композиция обобщенного состава критериев оценки и построение архитектуры нейро-нечеткой сети. Предлагаемая нейро-нечеткая модель позволяет разработать систему поддержки принятия решений в области планирования развития системы энергоснабжения городской территории.