Введение к работе
Актуальность проблемы. Качество разрабатываемых систем автоматического управления во многом зависит от точности используемых математических моделей объекта и совершенства алгоритмов управления В тех случаях, когда объект еще только проектируется или необходимые экспериментальные исследования невозможны, прибегают к разработке аналитических моделей В основе аналитических моделей лежат уравнения физико-химических законов, коэффициенты которых включают в себя конструктивные и технологические параметры объекта Поэтому аналитические модели наиболее полно раскрывают внутреннюю структуру и сущность процессов в объекте, что позволяет сформулировать предложения по изменению отдельных параметров в направлении обеспечения устойчивости и управляемости проектируемого объекта В тех режимах, когда проявляется существенная нелинейность объекта (например, в аварийных режимах и в режимах пуска и останова), аналитические модели являются практически единственным способом математического описания его свойств Кроме того, аналитические модели позволяют определять изменение тех параметров, которые на реальном объекте не измеряются
Роль аналитических моделей усилилась в связи с появлением новых технологий и новых математических методов оптимального управления, внедрением алгоритмов прогнозирования и диагностики оборудования, разработкой тренажеров различної о назначения
Одним из действенных путей повышения точности моделей гидродинамических и тепловых процессов является учет распределенности параметров сред по пространственным координатам Нерешенной проблемой остается расчет динамических характеристик моделей теплообменников с противоточной схемой движения теплоносителей, так как использование формального математического аппарата двойного
преобразования Лапласа вступает в противоречие с задаваемыми граничными условиями Практически отсутствуют разработки аналитических моделей многоточечного приближения, хотя в цифровом виде именно такие модели представляют собой наибольший интерес
Явное смещение центра тяжести в сторону аналитических моделей увеличивает потребность в квалифицированных специалистах в области математического моделирования И в этой связи разработка методологии построения аналитических моделей, дальнейшее их совершенствование, сравнение моделей различной степени приближения и сопоставление их с экспериментальными данными является, безусловно, актуальной задачей
Целью диссертационной работы является создание теоретических и методологических основ построения аналитических моделей теплоэнергетических процессов
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач
на основании накопленного отечественного и зарубежного опыта и дальнейшего развития научных основ разработать методологию построения аналитических моделей тепло-гидравлических процессов в энергетике,
выполнить дальнейшее совершенствование моделей с распределенными параметрами, могущими служить эталоном при оценке качества более простых моделей,
разработать модели многоточечного приближения, ориентированные на их использование в инженерной практике,
- исследовать качество моделей различной степени приближения на
примерах реальных теплообменных устройств и систем автоматического
регулирования
Научная новизна работы состоит
- в создании единой методологии построения аналитических моделей
теплообменных устройств ТЭС и АЭС различного вида конвективных с
однофазными теплоносителями, конвективных с наружным теплоносителем на линии насыщения, радиационных,
в выполнении сравнительного анализа различных моделей теплопередающеи стенки и разработке метода эффективной коррекции статической модели плоской стенки,
в получении динамических характеристик распределенных и многоточечных аналитических моделей гидродинамики однофазного одномерного потока и их сравнении с динамическими характеристиками точечных моделей,
- в разработке математических моделей конвективного теплообменника,
отражающих распределение параметров обоих теплоносителей и
теплопередающеи стенки, с использованием двойного преобразования
Лапласа и теории графов,
- в разработке методики безитерационного расчета динамических
характеристик противоточных теплообменников,
в получении моделей многоточечного приближения для конвективных теплообменников с однофазными теплоносителями, конвективных теплообменников с наружным теплоносителем на линии насыщения и радиационных теплообменников,
в построении аналитических моделей конвективных теплообменников, учитывающих перемени ьій коэффициент теплоотдачи и теплоемкость внутреннего теплоносителя, и выводе формул для поправочных коэффициентов динамических характеристик,
в разработке и внедрении в учебный процесс программы для ЭВМ «Расчет динамических характеристик поверхностей теплообмена»,
в ппсгановке задачи и непосредственном участии при расчетах и исследованиях характеристик моделей реальных поверхностей нагрева ТЭС и АЭС
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная теория и методология построения аналитических моделей теплообменных устройств ТЭС и АЭС могут быть использованы инженерами и научными работниками при создании моделей теплоэнергетических и гидродинамических процессов для решения широкого круга задач синтез систем автоматического регулирования, формулирование рекомендаций по изменению конструкции проектируемых теплообменников, построение алгоритмов диагностики, прогнозирования и оптимального управления, разработка тренажеров различного назначения
Получеїшьіе распределенные и многоточечные модели с результатами их сравнительного анализа переданы в институт «Мосэнергопроект» и ЗАО «Тренажеры для электростанций» и используются в настоящее время при разработке компьютерных тренажеров для электростанций в, в частности, при решении вопроса о выборе числа разбиений поверхностей теплообмена котлов ТПП-210А и ТП-87
Результаты работы применялись в течение 15 лет в учебном процессе на кафедре АСУ ТП Московского энергетического института
Достоверность и обоснованность результатов работы обусловлена строгостью применения математического аппарата, применением различных методов при выводе дифференциальных уравнений и получении передаточных функций, асимптотическим приближением характеристик многоточечной модели к характеристикам распределенной модели, совпадением частных случаев предложенной распределенной модели с моделями других авторов, хорошим совпадением характеристик аналитических моделей с экспериментальными характеристиками
Апробация работы. Результаты работы были представлены на международных научно-технических конференциях Control-2003 и Control-2005, на конференциях МЭИ и ИЭИ, апробированы в учебном процессе
кафедры АСУ ТП МЭИ, использовались при разработке компьютерных тренажеров для электростанций в ЗАО «Тренажеры для электростанций»
Публикации. Основное содержание выполненных исследований, научных и методологических разработок изложено в 11 учебных пособиях, 8 журнальных статьях, 12 тезисах и докладах на конференциях
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, десяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и двух приложений Работа изложена на 386 страницах машинописного текста, включает 199 рисунков и 7 таблиц, 185 наименований использованных литературных источников
