Содержание к диссертации
Введение
1 Общая характеристика работы 12
2 Анализ существующих теплосиловых схем энергоустановок и баз данных о свойствах рабочих тел для энергетики 22
2.1 Базы данных 22
2.2 Газотурбинные и паротурбинные установки 23
2.3 Комбинированные и другие установки ЭУ 26
2.4 Выводы 27
3 Методическая часть 28
3.1 Открытые интерактивные алгоритмы 28
3.2 Открытые Интернет - ресурсы 32
3.3 Разработка облачной базы данных 37
3.3.1 Структура базы ОБД 40
3.3.2 Функции базы ОБД 43
3.4 Открытые интерактивные алгоритмы, описывающие теплофизические свойства R рабочих тел 47
3.5 Выводы 54
4 Разработка Интернет - ресурсов и прикладные расчеты 56
4.1 Теплосиловые схемы установок ЭУ 56
4.2 Термодинамические процессы и циклы установок ЭУ 58
4.3 Теплофизические расчеты энергетических критериев Z для установок ГТУ 60
4.4 Теплофизические расчеты энергетических критериев Z для установок ПГУ – КУ и ПГУ - ТЭЦ 106
4.5 Выводы 156
5 Формирование базы ОБД и исследование ее функционирования 158
5.1 Создание веб – сайта и наполнение базы ОБД 158
5.2 Режимы работы базы ОБД 160
5.3 Выводы 162
6 Выводы по диссертационной работе 164
7 Список использованных источников 166
- Комбинированные и другие установки ЭУ
- Открытые Интернет - ресурсы
- Термодинамические процессы и циклы установок ЭУ
- Режимы работы базы ОБД
Введение к работе
Актуальность работы. Диссертация посвящена расчетно -теоретическому исследованию технических решений для ряда энергоустановок, в том числе решений, которые связаны с теплосиловыми схемами и методами расчета КПД и других характеристик циклов, относящихся к перспективным энергоустановкам (ГТУ, ПГУ, ПГУ - КУ и
др).
Список принятых обозначений ПГУ - КУ - парогазовая установка с котлом - утилизатором, ПГУ - ТЭЦ - парогазовая установка с теплофикационным блоком, IT Интернет - технологии,
«OI - алгоритм» - открытый интерактивный алгоритм, «OI ресурс» - открытый интерактивный ресурс,
Algor - OI - Air3.1(R, Y, ()) - наименование алгоритма, используемого для расчета свойств воздуха, здесь в имени алгоритма:
а) «Algor - OI» - имя, указывающее на то, что данный алгоритм
является открытым интерактивным,
б) Air - имя вещества,
в) R = (p, h, s, ...) свойства вещества;
г) Y - граничные параметры,
д) () - URL - адрес, например,
MCS/Worksheets/tps/tab1_2_1_pt.xmcd,
е) key(def) ключ/пароль в виде строковой переменной, включающей
12 цифр и символов,
Res - OI - Air 3.1 (Д U,(https:\\klm),key(def)) - наименование OI - ресурса, используемого для расчета свойств воздуха, здесь в имени ресурса: U -входные данные, например, аргументы U = (Р, Т), Z - энергетические критерии установки ЭУ: Z1 = цэ = СОРЭ - электрический КПД, Z2 = т]і - внутренний КПД, Z3 = 7]t - термический КПД, Y - граничные условия:
Y2 = t3Г - температура на входе в турбину №1, Г3 = щ - степень повышения давления в компрессорном блоке, Y4 = к- число ступеней сжатия, Y6 = t - число ступеней расширения воздуха. В соответствии с основными положениями «Энергетической стратегии России на период до 2035 года» и закона ФЗ - 261 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» приоритетными направлениями развития энергетики являются повышение энергоэффективности, надежности и экологичности генерирующих производств. Наш анализ показывает, что комплексные энергоустановки (ГТУ, ПГУ и др.), исследуемые в диссертации, вполне отвечают указанным направлениям. Исходя из информации,
представленной в литературе, включая работы Цанева СВ., Бурова В.Д. и др. (2006 г., 2009 г., 2011 г.), Андрющенко А.И. и др. (1988 г., 1998 г.), Лебедева А.С. и др. (2008 г.), Трухния А.Д., Грибина В.Г. и др. (1988 г.), Трухния А.Д. (1999 г., 2013 г.), Костюка Р.И. и др. (1999 г.), Ольховского Г.Г., Тумановского А.Г. (2000 г.) и Барочкина Е.В. (2014 г.), Лавыгина В.М., Седлова А.С., Цанева СВ. и др. (2009 г.), мы сделали некоторые выводы.
1. В настоящее время термодинамическая эффективность многих ТЭЦ,
которые имеют теплофикационную турбину с противодавлением и реализуют
цикл, производящий работу, /, и теплоту, Q, теплофикационного отбора,
является далекой от расчетных показателей. Одна из причин этого
отрицательного эффекта состоит в том, что данные теплофикационные
энергоблоки, например, в силу отсутствия отопительной нагрузки, вынуждены
работать до 6 месяцев в году в нерасчетном (конденсационный) режиме.
2. Требуется достоверная предпроектная подготовка для ряда комплексных
энергоустановок, например, для установок ПГУ - КУ, которые имеют условную
мощность (250 … 450) МВт и позволяют получить весьма высокие параметры
энергоэффективности по сравнению с таковыми для ТЭЦ:
а) электрический КПД Z\ = цэ = 60.0 % для установки ПГУ в целом,
б) внутренний КПД Z2 = Цэ = 40.0 % для блока ГТУ, входящего в
теплосиловую схему.
Цели и задачи исследования. Целью исследования являются повышение КПД комплексных установок ЭУ, включая ГТУ, ПГУ и пр., а также улучшение других энергетических критериев этих установок (например, снижение объема тепловых выбросов для установок ГТУ и ПГУ -КУ) за счет модернизации базовой теплосиловой схемы и оптимизации режимов работы как отдельных агрегатов, так и установки ЭУ в целом.
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи в плане диссертации.
-
Создать «Методику оптимизационных расчетов», с помощью которой выбираются теплосиловые схемы комплексных установок ЭУ (ГТУ, ПТУ, ПГУ и др.) и оптимизируются режимы работы указанных установок ЭУ.
-
Разработать «Комбинированную методику формирования открытых интерактивных ресурсов», которые предназначены для исследования установок (ГТУ, ПТУ, ПГУ и др.).
-
Выбрать теплосиловые схемы энергоустановок (ГТУ, ПГУ - КУ, ПГУ- ТЭЦ и др.) и создать соответствующие OI - алгоритмы для решения поставленных задач, в том числе для выполнения оптимизационных расчетов, в которых вычисляются энергетические критерии Z, при этом граничные параметры Y варьируются в заданном интервале значений 7.
4. Создать группу OI - алгоритмов и соответствующих ресурсов,
предназначенных для описания свойства R рабочих тел, в том числе таких,
как: воздух, Н2О, смесь (Н2О + NaCl), смесь (воздух + Н2О), теплоносители
(Я407с, Д410), тяжелая вода, свинец, висмут, эвтектический сплав Pb-Bi,
натрий, калий, уран, диоксид урана, графит, цирконий.
5. Выполнить оптимизационные расчеты применительно к
энергоустановкам (ГТУ, ПГУ - КУ, ПГУ - ТЭЦ и др.), включая:
а) исследование режимов работы указанных установок с применением
целевой функции Zi{Y) в виде внутреннего КПД энергоустановки в заданном
интервале Y = Ymax - Ymin , например, интервалы 7 для варьируемых
параметров Y= (72 … 7ю), относящихся к ГТУ, содержат области высоких
температур (72 = ?3Г = 1000 … 1700 оС) и давлений (73 = жк = 50 … 100),
б) вычисление эффектов AZ2(3Г, тгк, t, к …), связанных с изменением
внутреннего КПД Z2 и мероприятиями по модернизации базовой
энергоустановки.
6. Создать базу данных, которая именуется как облачная база данных
(ОБД), размещена на удаленном сервере (BS) и содержит ряд Интернет -
ресурсов. Осуществить стороннее тестирование базы ОБД.
Объекты исследования. В качестве объектов исследования выбраны схемные решения, которые можно использовать, во - первых, при модернизации действующих энергоустановок, и, во - вторых, при проектировании новых комплексных установок ЭУ, включая ГТУ, ПГУ -КУ, ПГУ - ТЭЦ, с целью повышения КПД, а также улучшения других энергетических критериев этих установок; (например, с целью снижения объема тепловых выбросов для ГТУ и пр.).
Наряду с этим рассматриваются энергетические критерии Z {2\ = r/э, Z2 = rji, Z3 = Jjt, Z4 = фсотр = Ucomp /qt_i, Z5 = /гт_д …), которые количественно характеризуют данное схемное решение для установки ЭУ, здесь 2л, = СотР = lt_comP /qn - относительная работа компрессора, Z5 = /гт_ д - реальная работа блока ГТ. Исследуются оптимальные циклы и соответствующие рабочие режимы, которые относятся к проектируемой энергоустановке.
Еще один объект исследования представляет собой группу баз данных, которые содержат информацию о теплофизических свойствах рабочих тел и размещены в Интернете.
Научная новизна работы настоящего исследования состоит в том, что нами впервые получены следующие наиболее важные результаты, представляемые на защиту.
1. Численные и графические данные, полученные в оптимизационных
расчетах и включающие энергетические критерии Z ряда энергоустановок
(ГТУ, ПГУ - КУ, ПГУ - ТЭЦ и др.) в той области параметров Г, которая не
представлена в литературе, в том числе информация о термодинамических
циклах ГТУ в интервале значений Г, охватывающих:
а) область высоких температур (72 = t3Г = 1000 … 1700 оС),
б) область высоких давлений (73 = ж к = 50 … 100),
в) интервал значений внутреннего КПД или Z = п, = (38.65 … 46.5) %.
2. Оценки термодинамической эффективности ряда энергоустановок
(ГТУ, ПГУ - КУ, ПГУ - ТЭЦ и др.), отвечающих предложенным
теплосиловым схемам.
3. Группа OI – ресурсов, которые ориентированы на энергоустановки
(ГТУ, ПГУ – КУ, ПГУ – ТЭЦ и др.) и позволяют клиенту:
а) вычислять свойства R рабочих тел в заданных точках
термодинамического цикла,
б) вычислять КПД и другие энергетические критерии Z,
в) выполнять оптимизационные расчеты.
4. «Методика оптимизационных расчетов», с помощью которой
выбираются теплосиловые схемы комплексных установок ЭУ (ГТУ, ПГУ –
КУ, ПГУ – ТЭЦ и др.) и выявляются оптимальные режимы работы указанных
установок ЭУ; она представляет собой новый подход, который существенно
сокращает интервал времени w, затрачиваемый на вычисление целевых
функций Z(Y), за счет:
а) применения сервера BS,
б) Интернет – технологий,
в) автоматизации теплофизических расчетов (ТФ).
5. «Комбинированная методика формирования открытых интерактивных
ресурсов», которые предназначены для теплофизических или сетевых
расчетов (получение численных данных о КПД и других энергетических
критериях Z, вычисление свойств R рабочих тел и других характеристик); эта
методика представляет собой новую технологию, которая базируется на
использовании: а) высокоточного уравнения состояния рабочих тел, б) пакета
Mathcad и в) Интернет – инструментов.
6. База ОБД, размещенная на сервере BS, имеющая URL – адрес
и прошедшая стороннее тестирование.
Практическая ценность результатов диссертации определяется возможностью использования, во – первых, ее выводов и рекомендаций для решения технически важных задач, которые относятся к действующим энергоустановкам (ГТУ, ПГУ – КУ, ПГУ – ТЭЦ и др.) и связаны с их модернизацией. Эти рекомендации, которые базируются на многочисленных результатах, полученных в оптимизационных расчетах (численные данные о КПД и других энергетических критериях Z), представляют интерес для специалистов, которые ведут модернизацию действующих установок ЭУ, а также заняты поиском перспективных теплосиловых схем и настройкой оптимальных режимов работы указанных энергоустановок,
Во – вторых, большая часть интерактивных алгоритмов и соответствующих ресурсов представляет интерес для специалистов, связанных с проектированием перспективных установок ЭУ на этапе предпроектных исследований, а также для студентов и аспирантов теплотехнических специальностей, включая 05.04.12, 05.14.01, 05.14.03 и 05.14.14 в учебном процессе.
В – третьих, разработанные интерактивные ресурсы, размещенные в базе ОБД, являются легко доступными новыми инструментами для специалистов, занятых ТФ – расчетами применительно к энергоустановкам (ГТУ, ПГУ – КУ и др.) и свойствам ряда рабочих тел.
Достоверность и обоснованность выводов и рекомендаций,
сформулированных в диссертации, определяются:
а) методически обоснованными расчетами и контролем точности
полученных численных данных;
б) использованием в разрабатываемых материалах («Методика
оптимизационных расчетов» и (2), OI - ресурсы) таких математических
зависимостей и расчетных схем, которые проверены практикой на отдельных
задачах, встречающихся в области комбинированных энергоустановок;
в) согласованностью численных данных, полученных в диссертации, с
надежными результатами, опубликованными в технической литературе.
Соответствие паспорту специальности 05.14.14 «Тепловые
электрические станции, их энергетические системы и агрегаты»:
а) разработка научных основ методов расчета, выбора и оптимизации
параметров, показателей качества и режимов работы агрегатов, систем и
тепловых электростанций в целом,
б) исследование и математическое моделирование процессов,
протекающих в агрегатах, системах и общем цикле тепловых
электростанций.
в) разработка конструкций теплового и вспомогательного оборудования
и компьютерных технологий их проектирования и диагностирования.
Личный вклад автора. Непосредственное участие автора выразилось:
а) в обзоре литературы и анализе опубликованной информации,
связанной с направлениями настоящего исследования;
б) в разработке «Комбинированной методики формирования открытых
интерактивных ресурсов», позволяющей формировать OI - алгоритмы и
ресурсы, которые предназначены для сетевых расчетов применительно к
энергоустановкам (ГТУ, ПГУ – КУ, ПГУ – ТЭЦ и др.),
в) в создании «Методика оптимизационных расчетов», с помощью
которой выбираются теплосиловые схемы комплексных установок ЭУ (ГТУ,
ПТУ, ПГУ и др.), и выполнении оптимизационных расчетов, в которых
вычисляются энергетические критерии Z указанных энергоустановок в
заданном интервале значений Y,
г) в обработке и анализе полученных результатов,
д) в разработке и тестировании базы ОБД.
Автор выносит на защиту:
1) «Методику оптимизационных расчетов», с помощью которой
выбираются теплосиловые схемы комплексных установок ЭУ (ГТУ, ПГУ –
КУ, ПГУ – ТЭЦ и др.) и оптимизируются режимы работы указанных
установок ЭУ,
2) «Комбинированную методику формирования открытых
интерактивных ресурсов», которые предназначены для сетевых расчетов
применительно к энергоустановкам (ГТУ, ПГУ – КУ, ПГУ – ТЭЦ и др.),
3) OI – алгоритмы, которые отвечают заданным теплосиловым схемам
энергоустановок (ГТУ, ПГУ – КУ, ПГУ – ТЭЦ и др.) и предназначены:
а) для вычисления свойств R рабочих тел в заданных точках
термодинамического цикла,
б) для вычисления КПД и других энергетических критериев Z,
-
схемные решения для ряда энергоустановок (ГТУ, ПГУ – КУ, ПГУ – ТЭЦ и др.),
-
результаты оптимизационных расчетов, в которых вычисляются КПД и другие критерии Z для ряда энергоустановок (ГТУ, ПГУ – КУ, ПГУ – ТЭЦ и др.), при этом граничные параметры Y варьируются в заданном интервале значений Y; выводы и рекомендации применительно к оптимальным термодинамическим циклам указанных энергоустановок,
6) результаты, связанные с формированием базы ОБД и ее
тестированием.
Апробация работы. Основные методические положения и результаты
диссертационной работы отражены в докладах: на ХIX - ой Международной
научно-технической конференции студентов и аспирантов
«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», НИУ МЭИ, г. Москва, 15 февраля 2013 г., на ХXI - ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», НИУ МЭИ, г. Москва, 14 февраля, 2015 г., в двух сообщениях на XIV - ой Российской конференции (с международным участием) по теплофизическим свойствам веществ (РКТС - 14), г. Казань, 2014 г., а также рассмотрены на семинарах кафедр ТВТ и ТЭС НИУ «МЭИ» в 2014 и 2015 г. г.
Связь с планами основных научно-исследовательских работ
Диссертация выполнена в рамках работы над инициативным научным проектом № 12-08-91166 – а по теме “Исследование теплофизических свойств ионных жидкостей: эксперимент и моделирование” при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.
Внедрение результатов работы
Ряд результатов диссертации отражены в отчете о научно-исследовательской работе “Исследование теплофизических свойств ионных жидкостей: эксперимент и моделирование” Гос. рег. № 01201259336 (заключительный, 1) по теме № 3042080, выполненной кафедрой Технологии воды топлива НИУ «МЭИ» в 2014 г.
Полученные в диссертации алгоритмы, связанные с описанием процессов и циклов ряда энергоустановок (ГТУ, ПГУ – КУ, ПГУ – ТЭЦ и др.), а также теплофизических свойств воды нашли применение в учебных тренажерах и обучающих программах для персонала ТЭС.
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 16 опубликованных работах, из них пять статьей представлены в журналах из списка ВАК.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и выводов по работе, а также содержит 171 страниц текста, приложения, 118 рисунков и 28 таблиц. Список литературы включает 72 ссылку.
Комбинированные и другие установки ЭУ
Еще один объект исследования представляет собой базы данных, которые содержат информацию о теплофизических свойствах рабочих тел и размещены в Интернете; рассматриваются ресурсы, включенные в базу данных, а также структура и функционирование этих инструментов.
Цель работы. Целью исследования являются повышение КПД комплексных установок ЭУ, включая ГТУ, ПГУ и др., а также улучшение других энергетических критериев этих установок (например, снижение объема тепловых выбросов для ГТУ) за счет модернизации базовой теплосиловой схемы и оптимизации режимов работы как отдельных агрегатов, так и установки ЭУ в целом. Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи. 1. Разработать компьютерную технологию, которая должна использоваться: а) для проектирования теплосиловых схем комплексных установок ЭУ (ГТУ, ПГУ, ТЭЦ и др.), б) для оптимизации режимов работы исследуемых установок ЭУ. 2. Создать «Методику оптимизационных расчетов», с помощью которой можно выбрать теплосиловые схемы исследуемых установок и оптимизировать режимы работы этих установок ЭУ. 3. Создать «Комбинированную методику формирования открытых интерактивных ресурсов», которая предназначена для формирования OI – алгоритмов и соответствующих ресурсов, отвечающих ряду условий: а) они опираются на пакет Mathcad и Интернет – технологии, б) они ориентированы на установки ЭУ и предназначены: - для вычисления свойств R рабочих тел в заданных точках термодинамического цикла, - для вычисления КПД и других энергетических критериев Z, - для других ТФ – расчетов, в) OI - ресурсы должны размещаться в Интернете для широкого круга пользователей, г) Mathcad - программы, входящие в OI – ресурсы, являются открытыми для копирования. 4. Создать группу OI – алгоритмов, предназначенных для описания свойства R рабочих тел, в том числе таких, как: воздух, Н2О, смесь (Н2О + NaCl), смесь (воздух + Н2О), теплоносители (R407с, R410), тяжелая вода, свинец, висмут, эвтектический сплав Pb-Bi, натрий, калий, уран, диоксид урана, графит, цирконий. 5. Выбрать теплосиловые схемы ГТУ и построить соответствующие OI – алгоритмы, которые и предназначены: а) для вычисления свойств R рабочих тел в заданных точках термодинамического цикла, б) для вычисления КПД и других энергетических критериев Z, в) для выполнения оптимизационных расчетов, в которых вычисляются энергетические критерии Z, при этом граничные параметры Y варьируются в заданном интервале значений Y, 6. Выбрать теплосиловые схемы ПГУ – КУ и создать соответствующие OI – алгоритмы, которые предназначены: а) для вычисления свойств R рабочих тел в заданных точках термодинамического цикла, б) для вычисления КПД и других энергетических критериев Z, в) для выполнения оптимизационных расчетов, в которых вычисляются энергетические критерии Z, при этом граничные параметры Y варьируются в заданном интервале значений Y. 7. Выполнить оптимизационные расчеты. 8. Создать облачную базу данных (ОБД), размещенную на сервере BS. Соответствие паспорту специальности 05.14.14 «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты»: а) разработка научных основ методов расчета, выбора и оптимизации параметров, показателей качества и режимов работы агрегатов, систем и тепловых электростанций в целом, б) исследование и математическое моделирование процессов, протекающих в агрегатах, системах и общем цикле тепловых электростанций. в) разработка конструкций теплового и вспомогательного оборудования и компьютерных технологий их проектирования и диагностирования.
Практическая ценность результатов диссертации работы определяется возможностью использования, во – первых, ее выводов и рекомендаций для технически важных задач, которые относятся к выбранным энергоустановкам (ГТУ, ПГУ – КУ, ПГУ – ТЭЦ и др.). Эти рекомендации, базирующиеся на многочисленных результатах (численные данные о КПД и других энергетических критериях Z указанных энергоустановок, значения граничных параметров Y, полученных в оптимизационных расчетах), представляют интерес для специалистов, которые, во – первых, ведут модернизацию действующих установок ЭУ и заняты выбором теплосиловых схем и настройкой оптимальных режимов работы указанных энергоустановок, во – вторых, проектируют перспективные варианты упомянутых установок ЭУ.
Во – вторых, большая часть интерактивных алгоритмов и соответствующих ресурсов представляет интерес для специалистов, связанных с проектированием перспективных установок ЭУ на этапе предпроектных исследований, а также в учебном процессе для студентов и аспирантов теплотехнических специальностей, включая 05.04.12, 05.14.01, 05.14.03 и 05.14.14. Эти OI – ресурсы содержат легко доступные новые инструменты для специалистов, занятых ТФ – расчетами применительно к энергоустановкам (ГТУ, ПГУ – КУ, ПГУ – ТЭЦ и др.) и к ряду рабочих тел.
Открытые Интернет - ресурсы
Важным объектом нашего исследования являются OI - алгоритмы [6]. Эти алгоритмы служат методической основой для создания и функционирования Интернет– ресурсов («функция пользователя», «шаблон» и другие), которые применяются, например, для вычисления свойств R рабочих тел [6] или ТФ – моделирования КПД и других критериев Z, относящихся к ряду установок ЭУ [5].
Также нами формируются OI - алгоритмы и соответствующие OI – ресурсы, которые входят в базу ОБД. Отметим, что база ОБД отвечает ряду требований (I … III, см. ниже), в том числе такому условию, что ОБД должна базироваться на пакете Mathcad и размещаться в Интернете, то есть эта база должна использовать IT – инструменты и включать программное обеспечение (ПО), с помощью которого пользователь может выполнять ТФ - расчеты, в том числе вычислять критерии Z = (COP, N1,N2, Q …) применительно к некоторой установке ЭУ и в заданных граничных условиях Y.
Наш анализ показывает, что информация, которая относится к теплофизическим свойствам веществ и размещена в Интернете на ряде веб – сайтов обладает некоторыми характеристиками, которые можно пояснить на примере расчетной задачи (1), связанной с проектированием установки ЭУ - 1. Последняя предназначена для комбинированного производства электроэнергии и тепла. В рамках такой задачи пользователь – проектировщик выполняет оценки энергетических критериев Z применительно к ЭУ - 1 и использует собственную программу Code_EU1(Z,Y), здесь в имени программы: а) Code – имя, указывающее, что данная программа написана на Mathcad, б) EU1 – имя, указывающее на установку ЭУ - 1, в) Z – критерии, которые вычисляются при заданных граничных условиях Y; последние содержат термодинамические свойства R = (v, h, s, …) рабочего тела в заданных точках цикла.
Значения R = (v, h, s, …) выбираются пользователем, компьютер PC которого подключен к Интернету, из внешнего источника, в том числе известных веб - сайтов организаций (Стандартинформ, НИСТ [1], ОИВТ РАН [2] и др.), где размещены наиболее распространенные TF – ресурсы, относящиеся к указанным «базам данных». Для пользователя выходные значения R = (v, h, s, …) представляются текстовыми файлами - массивами, которые содержат также фиксированные аргументы (р,Т) для ряда веществ (R134a, Н2О и др.). Пользователь обращается к TF- ресурсу и, используя последовательно опции ( «выбор вещества», «показ таблицы»), копирует табличные значения R = (р,Т, v, h, s,...) в виде текстового файла в формате txt. Термин «текстовый» показывает, что TF - ресурс не использует компьютерную программу или exe - file, которые осуществляют вычисление свойств R по некоторой математической формуле (MF). Отметим, что известно небольшое количество веб - сайтов, которые оперируют программами «exe - file» для вычисления свойств R. Эти инструменты базируются на закрытых алгоритмах, именуемых как EI - алгоритмы. Обращаясь к EI - алгоритму, пользователь может выбрать такие опции, как: 4) «набор входных параметров» 11= (Р,Т), 5) «запуск программы», которая рассчитывает свойство R по формуле MF при входных параметрах U, 6) «вывод результата» расчета X на экран PC в виде X = (P,T,R), то есть, например, вывод таблицы искомых значений свойств М = (P,Tj , h, s, ...), и «копирование данных» Х= (P,T,R).
Так, в веб - сайтах ИВТ РАН и СТАНДАРТИНФОРМ размещены EI - алгоритмы для расчета свойств R примерно десяти веществ (R134a, метанол и др.), а на веб - сайте Technical University of Denmark [39] представлены EI - алгоритмы для расчета свойств R примерно ста хладагентов и других веществ.
Отметим, что EI - алгоритмы не обеспечивает таких опций, как «показ» и «копирование» формул MF, которыми оперируют эти алгоритмы. Данная характеристика объясняет термин «закрытый».
Известные EI - алгоритмы, предназначенные для ТФ - моделирования критериев Z некоторых энергоустановок, не предоставляют возможность для пользователя вести вычисления в интерактивном режиме; работая с EI - алгоритмом, пользователь, во -первых, очень ограничен в выборе входных данных U, во - вторых, не может ознакомиться с алгоритмом расчета, и, в - третьих, не получает информации о методах расчета, которые «зашиты» в соответствующем EI - ресурсе.
Рассмотрим вопрос (А) «Какую форму обеспечения ПО можно предложить в Интернете, чтобы пользователь мог адаптировать табулированные значения М = (R, Р, Т,...) для применения в программе Code_EU\(Z,Y)?» на примере адаптации тестовых (p,p,t) - данных воздуха (таблицамна рис. 3.1). Для решения упомянутого вопроса на первом этапе составлена программа Code csplain3.1(p,Y), здесь в имени программы: а) Code - имя, показывающее, что программа написана с использованием пакета Mathcad, б) csplain - имя, указывающее на метод расчета (двойная сплайн - интерполяция прямоугольного массива), в) 3.1 - номер программы, г) р - плотность (свойство), которое вычисляется при заданных граничных условиях Y. Программа Code csplain_3A(p,Y) позволяет вычислять значение р при входных параметрах U = (p,t), представлена на рис. 3.1 и использует в качестве аргументов давление/? в интервале от 1 до 300 бар (см. первый столбец таблицы М, рис. 3.1) и температуру t в интервале от - 50 С до 400 С (см. первую строку таблицы М). Граничные значения Y = (p,T, ...) содержат: а) параметры U\ = р, и Ui = Т, которые вводятся в соответствии с задачей, б) границы аргументов (р,Т)тах и (р,Т)тщ в) другие параметры. В программе Code csplain 3.1 (p,Y) нами введена строка (вектор Zv) с использованием заданного давления U = р. В соответствии с методом сплайн-интерполяции вычисляется требуемое значение р, при этом привлекается вектор Zv. На рис. 3.1 показаны Mathcad - операторы, которые обеспечивают: а) вызов функции/? , 0, б) ввод заданных значений U = (р, Т), в) ввод единиц измерения, г) вывод результата Хна экран PC в виде искомых значений Х= (Р, Т,р). На рис. 3.1 можно видеть результат расчета плотности p(p,t) с выбором европейских и американских единиц. Нами запрограммированы и другие единицы (фунт, фут, …), которые клиент выбирает по желанию. В программе Code csplain(pj) нами реализована уникальная особенность Mathcad, которая учитывает единицы измерений, входящие в физические аргументы и функции [7].
Термодинамические процессы и циклы установок ЭУ
Нами сделан анализ работы известных баз данных, размещенных в Интернете на веб - сайтах ряда организаций (Стандартинформ, НИСТ, ИТФ СО РАН, ОИВТ РАН и др.). Среди указанных объектов нами выделены традиционные «базы данных», которые оперируют TF - ресурсами (раздел 3.1) и составляют большинство.
Применительно к указанным «базам данных» в типичных методических исследованиях [6,7,34 … 37] рассматриваются, во - первых, специализированные функции (СП), в том числе: а) анализ новых литературных данных о свойствах R веществ, б) пополнение новыми литературными данными о свойствах R веществ, в) формирование «пользовательских функций» и «шаблонов», г) предоставление опций пользователю, д) передача данных по Интернету. е) другие функции СП. Во - вторых, анализируются опции, в том числе: 1) «выбор вещества», 2) «показ таблицы» и 3) «копирование» табулированных свойств R вещества. В распространенных «базах данных» перечень опций является небольшим.
Отметим, что выявлено некоторое количество веб - сайтов, которые оперируют программами «ехе - file» для вычисления свойств R, а не TF - ресурсами. Так, на сайтах [2,39] применяются EI - алгоритмы, которые позволяют рассчитывать свойства R некоторых веществ. В подобных базах данных пользователь может выбрать такие опции, как: 4) «набор входных параметров» U = (Р,Т), 5) «запуск программы», которая рассчитывает свойство R по формуле MF при входных параметрах U, 6) «вывод результата» расчета X на экран PC в виде X = (Р,T,R) и «копирование данных» X, то есть, например, «вывод» таблицы искомых значений свойств М = (P,T,p,h,s ...). Базы данных, размещенные на компьютерных дисках, например, Refprop 8, предлагают пользователю опции (4 … 6), а также опцию «построение графика». Отметим, что указанные базы данных (Refprop 8 и др.) и EI - ресурсы не предоставляют таких опций, как «показ» и «копирование» формул MF, которыми оперирует это программное обеспечение. Известные EI - ресурсы предлагают, по - первых, очень ограниченный выбор входных данных U, во - вторых, не дают информацию об алгоритме расчета, и, в -третьих, не говорят о методах расчета, которые «зашиты» в соответствующем EI -ресурсе. Нами не обнаружено EI - ресурсов, которые предназначены для выполнения ТФ- моделирования критериев Z = {СОР, N\, N%Q ) применительно к установкам ЭУ, рассматриваемым в нашем исследовании. Наш анализ показал, что имеются базы данных, которые размещены на компьютерных дисках, позволяют рассчитывать свойства R и предлагают пользователю опции (4 … 6), а также опцию «построение графика». Нами сформулирован ряд требований (/,//,///, см. ниже) и отобраны критерии для разрабатываемой облачной базы данных (ОБД), а также указаны проблемы, которые следует решить при ее создании. Г) База ОБД ориентирована на тепловую и атомную энергетику и должна обеспечивать справочной информацией пользователя, выполняющего ТФ - расчеты, которые, во-первых, необходимы при проектировании и усовершенствовании установок ЭУ, предназначенных для комбинированного производства электроэнергии и тепла и, во – вторых, нацелены на вычисление свойств R рабочих тел (вещества, теплоносители, смесевые системы и др.).
База ОБД должна размещаться в Интернете и содержать открытые интерактивные алгоритмы, в том числе: а) OI - алгоритмы, которые предназначены для вычисления свойств рабочих веществ R = (v, h, s…), б) OI - алгоритмы, которые связаны с вычислением критериев Z = (COP, N1,N2,Q ...) применительно к установкам ЭУ. Указанные OI - алгоритмы и соответствующи ресурсы являются открытыми не только для пользователя, выполняющего ТФ – расчеты, но и для стороннего эксперта, который может проверить как методику, так и результаты ТФ – расчета, выполненного с помощью данного OI - алгоритма. II) Наряду с этим База ОБД должна предоставить пользователю следующую справочную информацию: а) численные данные, которые относятся к свойствам R рабочих тел и отвечают заданным метрологическим характеристикам (высокая точность, достоверность и др.); отбор информации должен выполняться по надежным источникам, включая издания организаций ГСССД и СТАНДАРТИНФОРМ, б) сведения о теплосиловых схемах, термодинамических циклах и процессах, которые реализуются в энергоустановках. III) База ОБД нацелена на одновременное обслуживание большой группы пользователей. При создании и эксплуатации базы ОБД должны применяться: а) пакет Mathcad и методы информатики, б) современные программные средства, используемые в IT, и новейшие инструменты, в том числе сервер BS, на котором размещается веб – сайт базы ОБД и который имеет: большой объем памяти, заданное быстродействие и высокую скорость обмена данными. В диссертации поставлен ряд задач, которые касаются базы ОБД: 1) сформировать макет базы ОБД; 2) разработать методы, обеспечивающие перевод формульных, графических и табличных баз данных в специальную форму, а именно: а) «живые» таблицы, книги и графики, б) облачные функции, в) «пользовательских функции» и«шаблоны»; 3) разработать научные основы, которые должны обеспечить функционирование баз данных в «облаке» на сервере BS, 4) выполнить тестирование OI - ресурсов («пользовательские функции», «шаблоны» и др.), которые разработаны для расчета теплофизических свойств R, относящихся к рабочим веществам, теплоносителям и материалам, рассматриваемым в диссертации; 5) выполнить тестирование OI – ресурсов, которые наполняют базу ОБД и с помощью которых выполняются ТФ - расчеты применительно к ряду установок ЭУ, в том числе определяются критерии Z = (COP, N1,N2, Q …) цикла в заданных граничных условиях Y = (t3Г, Ta,Тb,Pti…), 6) выполнить тестирование OI – ресурсов, которые наполняют базу ОБД и с помощью которых ведутся ТФ - расчеты применительно к энергоустановкам, предназначенным для комбинированного производства электроэнергии и тепла, 7) выполнить оптимизационные расчеты, направленные на поиск оптимального варианта граничных параметров Y opt, при которых, например, целевая функция COP(Y) доставляет максимум критерия оптимизации Z(Yopt) = COPmax для заданной энергоустановки; выполнить оптимизационные расчеты, направленные на поиск оптимального варианта граничных параметров Y, при которых используется альтернативный критерий оптимизации Z = (N, Q…) для заданной энергоустановки; 8) выполнить критический анализ и доработать стандартные формуляции по свойствам рабочих тел и теплоносителей применительно к энергетике .
Режимы работы базы ОБД
Оптимизационные расчеты, связанные с «Методикой оптимизационных расчетов», направлены, во - первых, на поиск рекомендуемого варианта граничных параметров Y для цикла, при которых целевая функция, например, СОР(Т) имеет максимум, здесь СОР - внутренний КПД Z2; то есть оптимизационные расчеты должны доставить параметр Yop, обеспечивающий условие COP(Yopt) = Z2 = Z2nax для заданной энергоустановки. Во - вторых, на формирование соответствующего схемного решения, в котором имеются блоки, связанные с модернизацией одноименной базовой установки, и реализуются граничные условия Y = Yopt.
В указанном оптимизационном поиске для функции Z2(Y2 = ґ3Г) выполняется условие (Y 2opt) = Z2max, а другие параметры Y являются постоянными; например, параметр 7з составляет 7з = жк = consh и параметр YA составляет YA = k = const2 (см. ниже).
Нами принято во внимание, что в общем случае оптимизационные расчеты должны включать: а) несколько энергетических критериев Z = (Z\, Z2 …) или целевых функций COP(Y)= Z, которые исследуется в заданном диапазоне параметров 7, б) несколько граничных параметров Y = (Yi, Y2 …), которые свзаны с мероприятиями по модергизации базовой ГТУ и соответствующими блоками теплосиловой схемы, а также допускают вариацию в заданном интервале 7 Планируется, например, получить численные данные о целевой функций COP(Y2\ здесь СОР = Z2 = Ці - внутренний КПД, Y2 = hГ - температура, которая варьируется в заданном интервале Y2 и относится к точке входа в турбину. Численная оптимизация применительно к установке ГТУ (вариант 4.3, теплосиловая схема показана на рис. 4.27) проводились в соответствии с анализом формулы (4.4) и ее компонентов, а также с теоретическими подходами, описанными в начале раздела 4.5.
В оптимизационных расчетах (этап 1) были сделаны некоторые упрощения. В частности, в качестве рабочего тела был выбран атмосферный воздух на всех участках установки. Задача, касающеяся ТФ - моделирования теплофизических свойств R воздуха, решается нами с помощью двух ресурсов: Res—01– AirJ.\(R,Y,( http://klm),key(dej)) и Res 01 - Air 3.2(R,Y,( http://klm),key(def)). Последний позволяет вычислять свойств R воздуха при температурах до 2000 K и высоких давлениях (до 10 МПа). Нами принято, что при модернизации осуществляется охлаждение газовых турбин. Учет такого охлаждения в модели ГТУ (вариант 4.3) производился в соответствии с методикой, описанной в [5].
В соответствии с «Методикой оптимизационных расчетов» данный расчет должен доставить результаты X = (Z,R,Y) в виде искомых значений критериев Z и других характеристик; эти результаты X = (Z,R,Y) должны: а) отражать поведение ряда целевых функций COP(Y) = Z на изолиниях при вариации параметров Y в заданных интервалах Y, б) давать возможность находить точки, в которых функция COP(Y) = Z имеет максимум на изолиниях, то есть в них выполняется условие COPopt = Z = Z max при оптимальном значении параметра Yopt.
Как отмечалось в методической части, нами привлечены «символьные инструменты», помощью которых была запрограммирована целевая функция Z2(Y), представляющая собой COP = i установки ГТУ (вариант 4.3) и имеющая форму Mathcad – функции Z2(Y2, Y3, Y4 , Y5 , Y6 , Y7). На рис. ПБ1 (Приложение Б) показано Mathcad – поле, которое входит в OI – ресурс применительно к установке ГТУ (вариант 4.3). Здесь видна начальная часть Mathcad - функции Z2(Y2, Y3, Y4 , Y5 , Y6 , Y7) в виде (4.5), записанной для температуры 1400 оС.
Наряду с функцией Z2(Y) были запрограммированы производные дZ2(Yi) / дYi, которые позволяют определить положение максимов целевой функции в заданных граничных условиях, здесь i – индекс аргументов, который лежит в интервале 2 … 7. Mathcad – функция для критерия Z2(Y2, Y3, Y4 , Y5 , Y6 , Y7) и Mathcad – функция для производной дZ2(Yi) / дYi в символьной форме при температуре 1400 оС имеют вид: Были выполнены следующие пункты исследования. 1. Сформирован OI–алгоритм в виде Algor–OI– GTU_4.3.1(Z, R, Y, (http://klm), key(def)), здесь в имени алгоритма: а) GTU_4.3 – имя, указывающее на установку ГТУ (вариант 4.3); б) 1 – номер алгоритма, используемого в расчетах (этап 1) для ГТУ (вариант 4.3); в) расшифровка остальных обозначений является аналогичной именам, выбранным в ГТУ (вариант 4.1). 2. Написана программа Code - GTU4.3.1 (Z,RJ), предназначенная для расчета критериев Z и свойств R в заданных точках цикла применительно к ГТУ (вариант 4.3). 3. Создан ресурс Res - 01 GTU 43 Л (Z, R, U, (http://klm),key(def)) и размещен на сервере BS, здесь в имени ресурса U = (hГ, лк ...) - входные данные. На основе упомянутой «Методики оптимизационных расчетов» и с помощью указанного 01 - алгоритма были сделаны оптимизационные расчеты, в которых вычислялись критерии Z и варьировались граничные параметры 7 = (Y2 … Гю) в заданном интервале; например, степень сжатия 7з = жк менялась в интервале 10 … 50 с заданным шагом.
В оптимизационных расчетах (этап 1) были получены результаты X = (Z,R,Y) в виде искомых значений критериев Z и других характеристик применительно к ГТУ (вариант 4.3). Также получены численные данные (табл. Б. 4.17) о производной Щ7) I dYi, которая определена при аргументе 7 = 7з = жк. Эти данные позволили определить положение максимов целевой функции в заданных граничных условиях. Отметим, что в указанном 01 - ресурсе для вычисления свойств R воздуха нами применен ресурс Res - 01- Air 3Л (R, Ц (http://klm),key(dej)).
На рис. ПБ9 и ПБ12 показаны примеры, в которых получены численные данные о производной dZ2(Yi) I dYt при аргументе 7 = 73 = пк. На рис. ПБ12 можно видеть, как используются Mathcad - функции для указанной производной Щ7) / dYt в символьной форме (4.5). На этом рисунке приведены Mathcad - функции (4.5) для изотерм от 1200 до 1700 оС. С помощью данной Mathcad - функции вычисляются и строятся указанные производные на изолиниях (табл. Б. 4.17).
Примеры результатов X = (ZJ) отражены в таблицах (Б. 4.1 … Б. 4.9) и графиках. Выполнен анализ влияния параметров 7 на ряд целевых функций COP(Y). Например, рассмотрено влияние температуры рабочего тела 7г = t3Г на величину критерия Z2 = СОР = ц. Численные данные о целевой функции COP(Y2) рассчитаны в интервале (1200 … 1700) оС. Получены численные данные о целевой функции COP(Yi)= Z2(Yi) и выявлены точки 7з = жк opt на изолиниях, где выполняется условие COPopt = Z2 = Z2max (рис. 4.28 - б).