Содержание к диссертации
Введение 5
1 Анализ проблем разработки и применения систем подготовки водотопливной эмульсии и управления ее составом 1 3
1.1 Основные объекты внедрения систем подготовки ВТЭ 1 3
1.1.1 Штатное дизельное топливо для питания энергетических установок 14
1.1.2 Экономические и экологические показатели работы дизелей на чистом топливе 1 7
1.2. Особенности работы энергетических установок, питаемых ВТЭ 2 О
1.2.1 Анализ физических свойств ВТЭ 2 О
1.2.2 Физико-химическая модель процесса сгорания ВТЭ 2 3
1.3 Анализ влияния ВТЭ на показатели работы ДЭУ 2 6
1.3.1 Информативность показателей эффективности работы ДЭУ 2 6
1.3.2 Анализ влияния ВТЭ на экономические показатели ДЭУ 2 9
1.3.3. Анализ влияния ВТЭ на экологические показатели 3 1
1.4 Способы получения ВТЭ и регулирования концентрации воды З 3
1.4.1 Анализ систем подготовки ВТЭ 3 4
1.4.2. Системы регулирования концентрации воды в ВТЭ 3 8
1.4.2.1 АСР расхода воды с двухпозиционным исполнительным механизмом и релейным законом управления 41
1.4.2.2 АСР расхода воды с двухпозиционным исполнительным механизмом и ПИ - законом управления 4 3
1.4.2.3 АСР расхода с исполнительным механизмом регулируемого сечения 43
Выводы
2 Модель дизеля при работе на ВТЭ, критерии оптимизации состава эмульсии и структура системы оптимизации
2.1 Моделирование работы дизеля на ВТЭ 44
2.1.1 Статическая модель дизеля 4 7
2.1.2 Динамическая модель дизеля при работе на ВТЭ 5 6
2.1.3 Модель неустановившегося режима работы дизеля, вызванного изменением концентрации воды в ВТЭ 6 О
2.1.4 Анализ влияния плотности эмульсии на скорость ее движения по топливной системе 7 О
2.2 Описание структурной схемы АСУ подготовкой ВТЭ 7 1
2.3 Определение критериев оптимизации 73 Выводы 7 6
3 Моделирование работы системы управления составом ВТЭ
3.1 Моделирование работы систем приготовления ВТЭ 77
3.1.1 Исследование эффективности систем с двухпозиционными исполнительными механизмами 7 9
3.1.2 АСР расхода воды с исполнительным механизмом регулируемого сечения 8 4
3.1.3 Система подготовки ВТЭ, с дискретным изменением концентрации воды 8 7
3.2 Описание разработанных средств для синтеза алгоритмов управления и оптимизации состава ВТЭ 91
3.3 Имитационное моделирование процесса управления и оптимизации в системе подготовки с дискретным изменением концентрации воды 9 8
3.3.1 Шаговый алгоритм поиска экстремума с постоянным шагом 99
3.3.2 Шаговый алгоритм с переменным шагом 10 1
3.3.3 Алгоритм экстремального регулирования по производной 1 03
3.3.4Алгоритм оптимизации с уточнением статической характеристики ДЭУ в процессе работы системы 1 0 5
3.4 Определение оптимальной концентрации воды по нескольким токсичным компонентам 11 0
3.5 Повышение эффективности системы автоматической оптимизации
Выводы 117
4 Техническая реализация системы управления подготовкой ВТЭ и экспериментальные исследования 119
4.1 Система подготовки ВТЭ главных судовых двигателей 119
4.2 Система подготовки ВТЭ главных судовых котлов 12 5
4.3 Электронный блок АСУ подготовкой ВТЭ судового котлоагрегата 127
4.4 Стендовые испытания системы управления составом ВТЭ 13 0
4.4.1 Описание экспериментальной установки 1 3 0
4.4.2 Методика проведения эксперимента 13 3
4.4.3 Оценка статических характеристик удельного расхода топлива при различных концентрациях воды в ВТЭ 13 4
4.4.4 Анализ погрешности эксперимента 13 6
4.4.5 Экспериментальная оценка показателей качества системы стабилизации концентрации воды в эмульсии 13 7
4.4.6 Экспериментальная оценка эффективности алгоритма экстремального регулирования 13 9
Выводы 14 1
Общие выводы и заключения 14 2
Список литературных источников 144
Приложения 154
Введение к работе
Актуальность ресурсосберегающих технологий и технологий, повышающих экологическую безопасность в сфере использования жидких углеводородных топлив в настоящее время неоспорима.
Наиболее эффективным методом одновременного повышения экономических и экологических показателей является перевод питания дизельных энергетических установок (ДЭУ) на водотопливную эмульсию (ВТЭ). Эта технология получила широкое распространение на объектах, работающих большую часть времени в установившихся режимах, например, судовая энергетика и котельные установки.
Надежную работу дизелей на ВТЭ без использования дорогостоящих эмульгаторов, повышающих устойчивость эмульсий, можно обеспечить лишь в системах непрерывного действия, в которых время промежуточного хранения обводненного топлива минимально и эмульсия готовится непосредственно перед подачей к ДЭУ.
В настоящее время существуют устройства получения ВТЭ, которые могут быть встроены в линию подачи топлива с возможностью изменения состава эмульсии в процессе работы системы, без изменения конструкции ДЭУ. Такие системы обеспечивают непрерывность действия и позволяют изменять состав ВТЭ в процессе работы. В то же время, существующие системы подготовки не содержат контура оптимизации состава по показателям работы ДЭУ. Кроме того, зачастую отсутствует и контур стабилизации концентрации воды в эмульсии от внешних возмущений.
Указанные недостатки не позволяют получить максимальную эффективность использования ВТЭ, т.к. оптимальный состав эмульсии определяется режимом работы и условиями эксплуатации энергетической установки, более того несоответствие концентрации воды оптимальным значениям может привести к ухудшению показателей работы дизеля, что снижает надежность всей системы.
Повысить эффективность, надежность и расширить область применения ВТЭ можно путем управления и оптимизации состава эмульсии по показателям работы ДЭУ. Таким образом, решение задачи комплексной автоматизации систем подготовки и использования ВТЭ непрерывного действия своевременно и актуально.
Разработка системы управления и оптимизации состава эмульсии возможна лишь на основе комплексных исследований работы ДЭУ на ВТЭ в статических и динамических режимах, особенностей подготовки эмульсии, определения критериев оптимизации и алгоритмов управления.
Целью настоящей работы является повышение эффективности использования ВТЭ путем оптимизации состава эмульсии в процессе непрерывной подготовки по показателям работы ДЭУ.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
- провести анализ существующих систем управления составом ВТЭ;
- разработать математическую модель, учитывающую влияние состава ВТЭ на экономические и экологические показатели работы дизеля;
- экспериментально получить зависимости экономических и экологических показателей дизеля ПД-1М тепловоза ТЭМ-2 от концентрации воды в ВТЭ;
- разработать математические модели и оценить эффективность систем подготовки и стабилизации состава ВТЭ;
- определить критерии оптимизации состава эмульсии;
- разработать алгоритмы оптимизации состава ВТЭ и оценить их эффективность путем имитационного моделирования и в натурном эксперименте;
- разработать, средства автоматического регулирования состава ВТЭ. Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, обработки экспериментальных данных, имитационного моделирования, методы теории автоматического управления и экстремального регулирования.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:
- получена математическая модель влияния состава эмульсии на экономические и экологические показатели работы дизеля, основанная на расчете эквивалентных приращений расхода основного топлива или удельной теплоты сгорания, определяемых по статическим характеристикам, что позволяет разделить модель на безынерционную экстремальную часть и линейную часть, отражающую динамику дизеля;
сформулированы критерии оптимального состава эмульсии, учитывающие совместно, требования к экологическим и экономическим показателям работы дизеля;
- разработаны алгоритмы управления и оптимизации состава обводненного топлива по выходным показателям работы дизеля, удовлетворяющие совокупности сформулированных критериев оптимального состава эмульсии;
- предложена структура системы подготовки водотопливной эмульсии непрерывного действия, обеспечивающая дискретное изменение концентрации воды в эмульсии, и разработана математическая модель этой системы Положения, выносимые на защиту:
- математическая модель, описывающая статические зависимости показателей работы дизельного двигателя от концентрации воды в водотопливной эмульсии;
- математические модели дизельного двигателя, работающего на водотопливной эмульсии, как объекта управления, основанные на расчете эквивалентного расхода топлива или удельной теплоты сгорания, определяемого по статическим характеристикам;
- модель и структура системы подготовки водотопливной эмульсии, обеспечивающей дискретное изменение концентрации;
- алгоритмы оптимизации и результаты численного моделирования работы системы управления и оптимизации состава обводненного топлива по показателям функционирования дизельных энергетических установок.
Практическая ценность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:
- показана возможность использования для оптимизации состава ВТЭ экстремальных алгоритмов по удельному расходу топлива и концентрациям токсичных компонентов в продуктах сгорания;
- собран и исследован экспериментальный материал по работе дизеля ПД-1М на водотопливной эмульсии;
- разработанные алгоритмы оптимизации состава ВТЭ для тепловозного дизеля ПД1-М показали высокую эффективность при реостатных испытаниях;
- разработана испытана и внедрена система регулирования состава ВТЭ для главных судовых котлов KB А 1/0,5 танкеров "Волгонефть" пароходства ОАО "Волготанкер". Разработанная система включает аппаратную часть (датчики, исполнительные механизмы и контроллер управления) и программную реализацию разработанных алгоритмов управления.
Реализация результатов работы. Результаты проведенного исследования использовались в виде алгоритмического, программного и аппаратного обеспечения при разработке, испытаниях и внедрении автоматизированной системы управления составом ВТЭ в рамках работ, проводимых НТЦ "Надежность мехнических и транспортных машин" СамГТУ совместно с Самарским представительством ОАО пароходства «Волготанкер».
Апробация результатов работы. Вынесенные на защиту положения диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (2001г., г. Пенза); Межвузовской научно-технической конференции 2002г. (2002г., г. Самара); IV Научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (2002г., г. Москва); Международной конференции «Надежность технологических, энергетических и транспортных машин» (2003г., г. Самара); международной научно-технической конференции "Информационные, измерительные и управляющие системы (ИИУС - 2005)", 2005г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4-х научных статьях, 5 тезисах к докладам.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 141 страницу машинописного текста, 4 таблицы, 83 рисунка и 6 приложений. Список использованной литературы включает 87 наименований.
Практическая полезность. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:
- показана возможность использования для оптимизации состава ВТЭ экстремальных алгоритмов для дизельных двигателей по удельному расходу топлива и концентрациям токсичных компонентов в продуктах сгорания;
- разработанные алгоритмы оптимизации состава ВТЭ для тепловозного дизеля ПД1-М показали высокую эффективность при реостатных испытаниях;
- разработана испытана и внедрена система регулирования состава ВТЭ для главных судовых котлов КВА 1/0,5 танкеров "Волгонефть" пароходства ОАО "Волготанкер". Разработанная система включает аппаратную часть (датчики, исполнительные механизмы и контроллер управления) и программную реализацию разработанных алгоритмов управления.
Реализация результатов работы. Результаты проведенного исследования использовались в виде алгоритмического, программного и аппаратного обеспечения при разработке, испытаниях и внедрении автоматической системы управления составом ВТЭ в рамках хоз. договоров, проводимых НТЦ "Надежность мехнических и транспортных машин" СамГТУ.
Краткое содержание работы.
В первой главе на основе анализа литературных источников и собственных исследований рассматриваются физические свойства водотопливных эмульсий, влияющие на процесс ее подготовки и сжигания в ДЭУ, вопросы эффективности применения ВТЭ и структуры систем подготовки.
Установлено, что использование ВТЭ существенно влияет на рабочий процесс дизельных двигателей и котельных установок. В большинстве случаев наблюдается улучшение экологических и экономических показателей.
Основной проблемой при использовании ВТЭ является ее низкая кинетическая устойчивость. Решить эту проблему можно путем применения систем подготовки ВТЭ непрерывного типа. Использование таких систем позволяет автоматически управлять составом ВТЭ по показателям работы ДЭУ. Однако, известные системы подготовки ВТЭ работают только в установившемся режиме, поддерживая постоянным соотношение воды и топлива. Показатели работы двигателя при этом не учитываются. Таким образом, выполненный обзор выявил проблему отсутствия гибких моделей управления, которые могли бы использоваться для автоматизации процесса непрерывной подготовки ВТЭ. Соответственно отсутствуют и системы автоматического управления подготовкой ВТЭ подобного типа.
Во второй главе проводится анализ характерных особенностей энергетических установок (дизельных двигателей и котлоагрегатов) как объектов управления. Рассматриваются их динамические и статические модели по показателям функционирования.
Обосновывается возможность использования для целей управления аппроксимацию статических характеристик полиномами третьей степени. На основе анализа, проведенного в первой главе и экспериментальных данных, приводятся выводы о зависимости экономических и экологических показателей от соотношения компонентов эмульсии.
Предлагается динамическая модель работы дизеля на ВТЭ основанная на преобразовании концентрации воды в ВТЭ в эквивалентные удельную теплоту сгорания топлива или цикловую подачу при условии равной мощности. Использование такой модели позволяет проводить анализ эффективности алгоритмов оптимизации и управления составом эмульсии.
Предлагаются критерии оптимизации, учитывающие требования к содержанию токсичных компонентов в продуктах сгорания и экономию топлива.
Рассматривается структура системы оптимизации, в которой можно выделить два уровня управления. На верхнем уровне на основе данных о работе ДЭУ определяется оптимальный состав ВТЭ и найденное значение передается в качестве требуемой выходной величины на нижний уровень управления, задачей которого является стабилизация концентрации воды в ВТЭ на уровне требуемого с заданной точностью за минимальное время.
В третьей главе приведены результаты моделирования разрабатываемой системы оптимизации и управления.
Проводится моделирование систем стабилизации концентрации воды в ВТЭ при различных законах регулирования и исполнительных механизмов. Установлено, что время установления требуемой концентрации превышает время разгона для дизельных двигателей, рассматриваемых в качестве объектов модернизации, а значения перерегулирования могут превышать предельно допустимые значения, что сказывается на надежности системы.
Предлагается система, дискретного изменения концентрации воды в ВТЭ с двумя промежуточными емкостями, использование которой позволяет устранить работу дизеля на ВТЭ с концентрациями, обусловленными переходными процессами системы стабилизации.
Далее рассматривается разработанная система для моделирования и синтеза алгоритмов оптимизации и управления составом ВТЭ.
Приводятся результаты моделирования экстремальных алгоритмов шагового типа с постоянным значением шага, с шагом, определяемым последовательностью смены знаков производной и алгоритма управления по производной.
Рассматривается алгоритм оптимизации состава эмульсии, основанный на эпизодическом уточнении статической характеристики ДЭУ и на решении совокупности уравнений и неравенств, задаваемых критериями оптимизации.
В разделе также рассматриваются способы повышения эффективности систем экстремального регулирования для инерционного объекта в условиях дрейфа статических характеристик. Приводятся результаты моделирования таких систем, при использовании звена динамической коррекции сигнала выхода объекта.
В четвертой главе проводится описание разработанных систем подготовки ВТЭ для главных судовых дизелей и котлоагрегата KB А 1/0,5 танкера "Волганефть" пароходства ОАО "Волготанкер".
Рассматривается используемый алгоритм оптимизации состава ВТЭ.
Приводятся результаты экспериментальных исследований, проведенных при реостатных испытаниях тепловозного дизеля ПД-1М тепловоза ТЭМ Куйбышевской железной дороги. В результате проведенных экспериментов были получены семейства статических характеристик: концентрация ВТЭ -удельный расход топлива; концентрация ВТЭ - дымность отработавших газов на различных скоростных и нагрузочных режимах работы дизеля.
Приводятся результаты испытания системы оптимизации состава ВТЭ по расходу топлива.
