В связи с развитием промышленности в мире потребность в электроэнергии растет. По этой причине актуальным является вопрос о получении энергии за счет установок по использованию вторичных энергоресурсов. В связи с этим становится актуальным осуществление исследований работы такого рода установок. Существует множество способов исследования работы турбин как одного из видов установок по использованию вторичных энергоресурсов. При этом такие визуальные среды, как ANSYS, позволяют получить наглядное 3D представление о работе турбины. Таким образом, актуальной задачей является разработка численной детерминированной модели турбины в пакете ANSYS CFX с последующим адаптированием еe по экспериментальным данным. Модель на основе численных экспериментов может использоваться для поиска путей повышения выработки ЭЭ. В качестве объекта исследования выбрана газовая утилизационная бескомпрессорная турбина ГУБТ-25. В процессе разработки модели утилизационной газовой турбины использован профессиональный аналитический комплекс ANSYS CFX для решения термо-, гидро-, газодинамических задач, а также его модули, такие как BladeGen для построения твердотельной модели и TurboGrid для создания сетки. ANSYS CFX при численном решении задачи расширения газа в турбине использует следующие основные уравнения: уравнение энергии, уравнение количества движения и уравнение неразрывности. Впервые разработана численная детерминированная модель турбины ГУБТ-25 в аналитическом комплексе ANSYS CFX, а также осуществлена предварительная верификация модели по результатам промышленного эксперимента, проведенного на турбине ОАО «Северсталь». В целях демонстрации возможностей модели графически представлены такие характеристики, как распределения температур и скоростей в первой ступени турбины. Разработанная численная модель турбины ГУБТ-25 имеет ряд ограничений, которые влияют на результаты моделирования. Результаты сравнения данных, полученных при моделировании, отличаются от экспериментальных данных. При усложнении модели появится возможность более точно моделировать реальные процессы ГУБТ-25.
Вестник Ивановского государственного энергетического университета
2022. — Выпуск 3
Содержание:
Наночастицы, взвешенные в объеме базовой жидкости, способствуют существенному усилению светопоглощающих свойств среды в диапазоне длин волн от 0,2 до 2,5 мкм, а также могут служить центрами парообразования при кипении базовой жидкости. Такие суспензии находят широкое применение в создании солнечных коллекторов прямого поглощения, в которых функции рабочего тела и поглотителя солнечного излучения совмещены в суспензии. Однако отсутствие подходящих моделей не позволяет выполнить оценку паропроизводительности коллекторов прямого поглощения. В связи с этим актуальным является экспериментальное и теоретическое исследование процесса кипения суспензии под действием излучения. Экспериментальное исследование проведено на лабораторной установке с симулятором солнечного излучения, способной работать в непрерывном стационарном режиме с рециркуляцией конденсата. Рассмотрены два типа наночастиц: многостенные углеродные нанотрубки с главными диаметрами 49 и 72 нм и длиной ~5 мкм и 110-нм частицы оксида железа FeO. Для всех типов частиц в качестве базовых жидкостей использована дистиллированная и соленая вода. Массовые концентрации частиц варьировались от 0,5 до 5 %. Эталонный эксперимент проведен для соленой воды в зачерненном объеме. Теоретическая модель основана на предположении о локализации кипения в узкой области, прилежащей к облучаемой поверхности. Выполнено экспериментальное исследование паропроизводительности для различных типов частиц. Предложено аналитическое выражение для оценки паропроизводительности наножидкости при кипении под действием излучения. Проведено сравнение экспериментальных данных, полученных для суспензий на основе дистиллированной и соленой воды. Установлено, что добавление морской соли не оказывает существенного влияния на паропроизводительность, приводя к максимальному отличию в 12 %, наибольшая паропроизводительность достигается при использовании углеродных нанотрубок с массовой долей 5 %, приводя к увеличению паропроизводительности на 23 % относительно эталонного эксперимента. Предложенная теоретическая модель описывает экспериментальные данные со средним отклонением 7 %. Применение наночастиц в солнечных коллекторах прямого поглощения позволяет повысить паропроизводительность по сравнению с кипением базовой жидкости в зачерненном объеме. Теоретическая модель позволяет с высокой точностью оценить паропроизводительность при кипении суспензии под действием теплового излучения. Результаты работы могут представлять интерес при разработке солнечных энергетических установок с паротурбинным циклом.
Ключевые слова
Математическое моделирование линии электропередачи является важным вопросом для широкого круга задач в электроэнергетике и необходимо при исследовании переходных процессов в электроэнергетических системах. Получение аналитических выражений, позволяющих моделировать ЛЭП в широком частотном диапазоне, включая низкие частоты и постоянный ток, позволяет исследовать функционирование устройств релейной защиты и автоматики в различных режимах и повысить точность устройств определения места повреждения. Актуальным является не только получение аналитических выражений для определения частотных зависимостей сопротивления, но и верификация данных выражений в сравнении с более точными методами, построенными на основе метода конечных элементов. Исследование проведено с применением математического аппарата, построенного на цилиндрических функциях Бесселя. Вывод формул с использованием данных функций базируется на определении постоянных интегрирования на основе граничных условий. Моделирование в целях верификации полученных выражений выполнено в программном комплексе COMSOL Multiphysics, базирующемся на методе конечных элементов. Представлено исследование внутреннего сопротивления проводов ЛЭП на примере провода АС 185/24. Получено аналитическое выражение для определения внутреннего комплексного сопротивления биметаллического провода. Достоверность полученных выражений подтверждена их сходимостью с результатами имитационного моделирования в Comsol и математического моделирования по известным аналитическим выражениям. Предложенный подход к определению внутреннего сопротивления провода позволяет получить более точное аналитическое определение параметров воздушной ЛЭП и, соответственно, строить более качественные модели для анализа переходных процессов в ЛЭП и исследовать функционирование устройств релейной защиты и автоматики. Разработанные модели провода в Comsol можно рассматривать как более точные в широком диапазоне частот.
Ключевые слова
Основной тенденцией электроэнергетики является расширение промышленными предприятиями собственной энергетической базы. При этом выход на раздельную работу остается по-прежнему режимом, ведущим к аварийным ситуациям. Актуальность проводимых исследований подтверждается опытом эксплуатации. Происходит непрерывная реконструкция заводских ТЭЦ, мощности генераторов возрастают, и их переводят на работу в блоки генератор-трансформатор. Постоянно изменяется состав генерирующего оборудования в результате ремонтов и аварийных ситуаций, поэтому часть машин работают по электрическому графику, другая часть по тепловому. При выходе на раздельную работу некоторые машины не могут участвовать в регулировании частоты в выделившемся на работу узле. В условиях дефицита реактивной мощности может возникнуть угроза нарушения статической устойчивости. В связи с этим возникает необходимость исследований, направленных на выявление причин нарушения устойчивости промышленных СТГ, проведение вычислительных экспериментов и разработку мероприятий по снижению аварийных ситуаций. Расчеты режимов работы заводских ТЭЦ проведены с использованием программного комплекса «КАТРАН». Для анализа статической устойчивости электростанции использован метод последовательного утяжеления, а для расчета установившихся режимов при раздельной и параллельной работе с энергосистемой - метод последовательного эквивалентирования. Разработан алгоритм, отличающийся от существующих учетом влияния тепловой нагрузки на запас статической устойчивости турбогенераторов заводских ТЭЦ и позволяющий выбирать блоки турбина-генератор, которые будут работать на поддержание постоянства давления в паропроводе. Исследованы режимы выхода на раздельную работу с точки зрения статической устойчивости электростанции при работе всех регуляторов скорости и в случае работы одного из блоков турбина-генератор на поддержание постоянства давления в паропроводе. Показано, что при проведении ремонтов работа одной из машин по тепловой нагрузке может привести к нарушению статической устойчивости. Даны рекомендации по повышению устойчивости турбогенераторов. Полученный алгоритм позволяет разработать мероприятия по повышению статической устойчивости турбогенераторов при раздельной работе с энергосистемой. В качестве основного мероприятия предлагается перераспределение между турбинами функций поддержания постоянства давления пара в общем паропроводе. Вычислительный эксперимент, проведенный на примере заводской ТЭЦ, показал его эффективность.
Ключевые слова
Современное технологическое оборудование оснащается многофункциональными автоматизированными системами управления технологическими процессами на базе программно-технических комплексов сетевой иерархической структуры. Опыт проектирования и эксплуатации многофункциональных автоматизированных систем управления технологическими процессами показывает, что эффективность создаваемых систем существенно зависит от множества проблем, возникающих на разных этапах технологии проектирования и модернизации системы, и остается недостаточной как на фундаментальном уровне локальных автоматических систем управления, так и на более высоком уровне иерархического построения системы. При этом особое внимание обращается на наличие дефектов в программном обеспечении, которые устраняются, как правило, путем периодического обновления всего контента. Для автоматизированных систем управления технологическими процессами такой подход в условиях эксплуатации энергетического оборудования недопустим. В связи с этим проблемы эффективности сложных систем необходимо классифицировать с точки зрения факторов технологического процесса, факторов теории автоматического управления и инструментальных факторов, связанных с адекватной реализацией программного обеспечения. В качестве теоретической основы решения проблемы информационной достаточности и синтеза структурно-устойчивых систем использованы методы потенциалов и координат термодинамики необратимых процессов, в качестве средства анализа и диагностирования инструментальных программно-технических средств - метод тестирования. Выделены три группы факторов: системные, контроллера и локальные. Задача анализа соответствия информационно-алгоритмического обеспечения сводится к экспертной проверке отсутствия дефектов в программном обеспечении многофункциональной системы и выполнения декларированных требований. Система автоматизированного тестирования образует единую среду анализа выполнения тестовых сценариев и обеспечивает непрерывную валидацию и верификацию информационно-алгоритмического обеспечения программно-технических комплексов. В частности, разработана методика проведения ресурсных испытаний программно-технических комплексов с проверкой работы механизмов резервирования, синхронизации и замены его компонентов путем имитации сбоев в процессорных модулях, аппаратных и программных компонентах. Сформулирован комплекс методологических факторов, сопровождающих создание продвинутых программно-технических комплексов для автоматизированных систем управления технологическими процессами, существенно влияющих на адекватность информационно-алгоритмического обеспечения сложной системы. Разработана технология автоматизированного тестирования программно-аппаратных средств программно-технических комплексов. Обобщены методы решения проблемных междисциплинарных задач, решение которых целесообразно выполнить на более ранних стадиях проектирования сложной системы. Предложенная технология разработки и автоматизированной диагностики программных и аппаратных средств программно-технических комплексов путем реализации единой среды для исследования, сравнения и выявления дефектов программного обеспечения программно-технических комплексов на всем жизненном цикле автоматизированных систем управления технологическими процессами позволяет решить проблему выявления и устранения взаимного негативного влияния компонентов программно-технических комплексов друг на друга как на этапе разработки компонентов, так и на этапе последующей системной организации, в том числе проблему информационной безопасности на этапе ввода системы и при ее эксплуатации. Разработанный подход к решению сложных междисциплинарных задач, требующих своего решения на ранних стадиях проектирования сложных систем, позволяет избежать принципиально ошибочных решений и повысить конкурентоспособность программно-технических комплексов как системообразующих комплексов автоматизированных систем управления технологическими процессами на момент их ввода в действие.
Ключевые слова
Приоритетом государственной энергетической политики Российской Федерации является переход к ресурсо- и энергосберегающим технологиям. Одним из направлений совершенствования таких технологий на тепловых электрических станциях и атомных электрических станциях является эффективное охлаждение циркуляционной воды в системах оборотного охлаждения. Несмотря на большое количество научных публикаций по данной тематике, совершенствование процесса охлаждения циркуляционной воды систем оборотного охлаждения остается актуальной задачей особенно при использовании систем с башенными градирнями в условиях ограниченного количества слабоминерализованной воды для подпитки. Универсальные методики расчета и проектирования данного оборудования отсутствуют. Таким образом, разработка новых методов моделирования и совершенствования тепломассообменных процессов в градирнях башенного типа является актуальной задачей для энергетики и смежных отраслей промышленности. Для решения задач моделирования тепломассообменных процессов с учетом фазового перехода в теплоносителях используются модели, построенные на уравнениях баланса массы и энергии. Полученные уравнения решаются методами математического программирования. Разработана модель процесса тепломассообмена в башенных градирнях систем оборотного охлаждения ТЭС и АЭС с учетом возможного фазового перехода в теплоносителях. Предложен подход и метод решения задач по выбору конструкции и режимов работы градирен башенного типа. Выполнено сравнение результатов моделирования с нормативными данными. Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов показало адекватное описание моделью реального процесса тепломассообмена в башенной градирне, что позволяет ставить и решать задачи по выбору оптимальных конструктивных и режимных параметров оборудования систем оборотного охлаждения. Предложенный метод решения задачи моделирования тепломассообмена обеспечивает возможность одновременного поиска приемлемых значений конструктивных и режимных параметров градирен башенного типа различного назначения.
Ключевые слова
В настоящее время показатели энергоэффективности региональной инфраструктуры представляются, как правило, в количественном виде. Однако для лиц, принимающих решения, необходима оценка в удобочитаемом виде с переходом от ряда количественных значений к качественному значению, позволяющему в целом оценить динамику изменения энергопотребления в регионе. В связи с этим разработка метода оценки эффективности энергопотребления с лингвистическим распознаванием полученных результатов представляется весьма актуальной. В основу анализа положены ретроспективные значения показателей региональных топливно-энергетических балансов. Сводный баланс включает порядка 500 значений показателей по всем используемым топливно-энергетическим ресурсам за год. Для получения оценки рассматриваемой многофакторной системы целесообразно применение известной матричной схемы агрегирования, где по строкам расположены факторы, а по столбцам - их качественные уровни. В качестве шкалы для перехода от количественных значений показателей балансов к качественным значениям используется стандартный пятиуровневый нечеткий 01-классификатор. Предложен метод оценки динамики изменения энергопотребления посредством лингвистического распознавания определенной совокупности относительных показателей топливно-энергетических балансов. Апробация результатов анализа в ряде регионов на реальных ретроспективных данных показала актуальность и достоверность полученных результатов. Оценки динамики изменения энергопотребления проверены методами анализа и визуализации многомерных данных, а также экспертами. Предложенный подход к оценке эффективности использования топливно-энергетических ресурсов может быть применен в региональной практике энергосбережения в целях повышения эффективности принятия решений.