Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук:
05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации (в
химической технологии, нефтехимии и нефтепереработке,
биотехнологии), 05.14.14 – Тепловые электрические станции, их
энергетические системы и агрегаты. — Ивановский государственный
энергетический университет. — Иваново, 2008. — 52 с.
Научный консультант – доктор технических наук, профессор Жуков В.П.
Целью работы является развитие теоретических основ
и принципов системного подхода к решению проблемы повышения
эффективности тепломассообменных процессов в технических системах
химических и энергетических комплексов со сложной конфигурацией
потоков.
Научная новизна
С позиции системного подхода развиты теоретические основы синтеза математических моделей тепломассообменных аппаратов и их систем со сложной конфигурацией потоков, позволяющих вводить различный уровень декомпозиции моделируемых систем и процессов.
Предложена принципиально новая матричная модель для расчета характеристик систем поверхностных теплообменников со сложной конфигурацией потоков теплоносителей, учитывающая возможность фазовых переходов в теплоносителях, в которой модели подсистем (элементов) представлены конечным числом предложенных дифференциальных описаний.
Предложенная модель обобщена на случай расчета характеристик многоступенчатых смешивающих тепломассообменных аппаратов струйного и барботажного типов, на основе которой разработана модель деаэрации воды в многоступенчатых деаэраторах струйного и струйно-барботажного типов с учетом внутренних источников массы, обусловленных химическими реакциями.
Разработана система кодификации структуры систем тепломассообменных аппаратов, которая однозначно ставит в соответствие данной структуре ее код, а по коду синтезирует разработанную матричную модель системы, позволяющую рассчитать ее характеристики и оценить эффективность. С использованием предложенной системы кодификации разработан генетический (эволюционный) алгоритм структурной оптимизации сложных систем тепломассообменного оборудования.
Разработан алгоритмический подход к моделированию переходных процессов в тепломассообменных аппаратах и их системах со сложной конфигурацией потоков, использующий математический аппарат теории цепей Маркова, позволяющий описывать их характеристики в нестационарных режимах работы и позволяющий достаточно просто использовать эти модели в системах автоматического регулирования.
Выполнены экспериментальные исследования тепломассообменных процессов при струйной и барботажной деаэрации, восполняющие пробелы эмпирического обеспечения разработанной модели, и их критериальная обработка. На их основе выполнена параметрическая идентификация и проведена проверка адекватности предложенных моделей процессов тепло- и массопереноса в ряде промышленных аппаратов и расширены возможности эмпирического обеспечения методов их расчета.
По ряду выбранных целевых функций сформулированы и решены задачи многопараметрической и многокритериальной оптимизации систем тепломассообменных аппаратов со сложной конфигурацией потоков теплоносителей и показана нетривиальность расчетных рекомендаций по совершенствованию режимно-конструктивных параметров тепломассобменного оборудования.
Поставлена и решена с использованием алгоритма Беллмана нелинейная задача об оптимальном по расходу топлива распределении выработки тепловой и электрической энергии на совокупности турбоагрегатов с различными характеристиками при меняющейся потребности в тепловой и электрической энергии с учетом сложных технологических ограничений на область допустимых значений управляющих параметров.
Практическая ценность
Проведенные экспериментальные исследования позволили предложить расчетные зависимости для коэффициентов тепло- и массопередачи при струйной и барботажной деаэрации, которые положены в основу эмпирического обеспечения предложенного метода расчета для ряда промышленных аппаратов.
На основе разработанной модели и проведенной идентификации предложен инженерный метод расчета систем тепломассообменных аппаратов поверхностного и смешивающего типов со сложной конфигурацией потоков, базирующийся на единой алгоритмической основе. Разработанный метод расчёта даёт более широкую и достоверную информацию о характеристиках сложных технических систем, что позволяет вырабатывать надежные рекомендации по повышению эффективности их работы и снижению риска экологического ущерба от теплового загрязнения окружающей среды.
На основе предложенных методов расчета разработаны алгоритмы и пакеты прикладных программ для расчета тепломассообменных систем со сложной конфигурацией потоков. Разработанные подходы матричной формализации положены в основу расчета энергетических характеристик оборудования и использованы при создании программного комплекса “ТЭС ЭКСПЕРТ”, внедрение которого только на Владимирской ТЭЦ позволило сэкономить 14 тыс. Гкал/год тепловой энергии за счет выбора оптимального состава и режима работы оборудования.
Разработанные математические модели, методы расчета, их программная реализация, решения на их основе проектных и конструкторских задач внедрены в Ченстоховском политехническом университете (Польша), на Ковровском заводе котельного и сушильного оборудования «СОЮЗ», на Костромской ГРЭС (ОАО «ОГК-3»), Владимирской и Дзержинской ТЭЦ (ОАО «ТГК-6»), ОАО «Северсталь», МУП «Теплоэнергия» г. Череповца.
Научная новизна
С позиции системного подхода развиты теоретические основы синтеза математических моделей тепломассообменных аппаратов и их систем со сложной конфигурацией потоков, позволяющих вводить различный уровень декомпозиции моделируемых систем и процессов.
Предложена принципиально новая матричная модель для расчета характеристик систем поверхностных теплообменников со сложной конфигурацией потоков теплоносителей, учитывающая возможность фазовых переходов в теплоносителях, в которой модели подсистем (элементов) представлены конечным числом предложенных дифференциальных описаний.
Предложенная модель обобщена на случай расчета характеристик многоступенчатых смешивающих тепломассообменных аппаратов струйного и барботажного типов, на основе которой разработана модель деаэрации воды в многоступенчатых деаэраторах струйного и струйно-барботажного типов с учетом внутренних источников массы, обусловленных химическими реакциями.
Разработана система кодификации структуры систем тепломассообменных аппаратов, которая однозначно ставит в соответствие данной структуре ее код, а по коду синтезирует разработанную матричную модель системы, позволяющую рассчитать ее характеристики и оценить эффективность. С использованием предложенной системы кодификации разработан генетический (эволюционный) алгоритм структурной оптимизации сложных систем тепломассообменного оборудования.
Разработан алгоритмический подход к моделированию переходных процессов в тепломассообменных аппаратах и их системах со сложной конфигурацией потоков, использующий математический аппарат теории цепей Маркова, позволяющий описывать их характеристики в нестационарных режимах работы и позволяющий достаточно просто использовать эти модели в системах автоматического регулирования.
Выполнены экспериментальные исследования тепломассообменных процессов при струйной и барботажной деаэрации, восполняющие пробелы эмпирического обеспечения разработанной модели, и их критериальная обработка. На их основе выполнена параметрическая идентификация и проведена проверка адекватности предложенных моделей процессов тепло- и массопереноса в ряде промышленных аппаратов и расширены возможности эмпирического обеспечения методов их расчета.
По ряду выбранных целевых функций сформулированы и решены задачи многопараметрической и многокритериальной оптимизации систем тепломассообменных аппаратов со сложной конфигурацией потоков теплоносителей и показана нетривиальность расчетных рекомендаций по совершенствованию режимно-конструктивных параметров тепломассобменного оборудования.
Поставлена и решена с использованием алгоритма Беллмана нелинейная задача об оптимальном по расходу топлива распределении выработки тепловой и электрической энергии на совокупности турбоагрегатов с различными характеристиками при меняющейся потребности в тепловой и электрической энергии с учетом сложных технологических ограничений на область допустимых значений управляющих параметров.
Практическая ценность
Проведенные экспериментальные исследования позволили предложить расчетные зависимости для коэффициентов тепло- и массопередачи при струйной и барботажной деаэрации, которые положены в основу эмпирического обеспечения предложенного метода расчета для ряда промышленных аппаратов.
На основе разработанной модели и проведенной идентификации предложен инженерный метод расчета систем тепломассообменных аппаратов поверхностного и смешивающего типов со сложной конфигурацией потоков, базирующийся на единой алгоритмической основе. Разработанный метод расчёта даёт более широкую и достоверную информацию о характеристиках сложных технических систем, что позволяет вырабатывать надежные рекомендации по повышению эффективности их работы и снижению риска экологического ущерба от теплового загрязнения окружающей среды.
На основе предложенных методов расчета разработаны алгоритмы и пакеты прикладных программ для расчета тепломассообменных систем со сложной конфигурацией потоков. Разработанные подходы матричной формализации положены в основу расчета энергетических характеристик оборудования и использованы при создании программного комплекса “ТЭС ЭКСПЕРТ”, внедрение которого только на Владимирской ТЭЦ позволило сэкономить 14 тыс. Гкал/год тепловой энергии за счет выбора оптимального состава и режима работы оборудования.
Разработанные математические модели, методы расчета, их программная реализация, решения на их основе проектных и конструкторских задач внедрены в Ченстоховском политехническом университете (Польша), на Ковровском заводе котельного и сушильного оборудования «СОЮЗ», на Костромской ГРЭС (ОАО «ОГК-3»), Владимирской и Дзержинской ТЭЦ (ОАО «ТГК-6»), ОАО «Северсталь», МУП «Теплоэнергия» г. Череповца.