Введение к работе
Актуальность темы. Необходимость обеспечения высоких показателей экономической эффективности производства электроэнергии, критериев надежности и безопасности предъявляют жесткие требования к качеству и полноте проектных разработок, достоверности используемой информации и к уровню эксплуатации энергоустановок. Современный уровень развития энергетического производства, важность задачи по организации надежного энергоснабжения, сложность решаемых инженерно-технических задач, возросшая сложность в управлении основными технологическими процессами, а также неснижающий-ся процент аварий и отказов по вине персонала в отрасли требует и совершенствования системы обеспечения надежной работы эксплуатационного персона-па, поддержания его квалификации.
Динамика энергоустановок в целом и парогенераторов, в частности, важна для решения широкого круга задач, охватывающих практически все стадии от предпроектных разработок этих установок до их текущей эксплуатации. Стоящие перед энергетикой проблемы повышения маневренности оборудования; улучшения надежности его работы при нестационарных режимах; автоматизации управлення в широком диапазоне изменения нагрузок, охватывая процессы пуска; предупреждения и локализации аварийных ситуаций; оценки показателей надежности и долговечности; повышения квалификации персонала с применением компьютерных тренажеров требуют для своего решения наличия надежного математического описания нестационарных процессов в широком диапазоне изменения режимных параметров энергоустановок.
В связи с этим является актуальной проблема разработки эффективных методов математического моделирования динамических процессов и их верификации на основе результатов динамических экспериментов на специальных физических установках. Учитывая многообразие задач, предъявляющих различные требования к охвату числа моделируемых параметров, детальности описания процессов, точности расчетов, быстродействию и т.п., возникает потребность в разработке согласованных систем динамических моделей энергоустановок и их элементов, отвечающих конкретным постановкам исследователь-жих и эксплуатационных задач. Причем эти модели, ввиду сложности процесів нестационарного тепло-, массообмена и гидродинамики при генерации пара з энергоустановках, должны основываться на сочетании теоретических положений данных дисциплин с результатами физических экспериментов.
Цель работы. Разработка и реализация согласованного комплекса теоретических методов и экспериментальных средств исследования динамических процессов в энергетических установках и их элементах при больших возмуще-іиях режимных параметров. Построение на их основе системы динамических моделей энергетических установок, в том числе, разработка всережимных ди-«мических моделей энергоустановок для решения задач реального времени.
Научная новизна. Создана комплексная методика математического моделирования и экспериментального исследования динамики процессов энергоустановок, основанная на теории решения сложных алгебро - дифференциальных систем уравнений, численно-аналитическом методе расчета динамики теплообменников и их систем, методе идентификации динамических систем и применении физического эксперимента для проверки и корректировки математических моделей и получения новой информации о нестационарных режимах в обогреваемых каналах с теплоносителем.
В работе получены следующие новые научные результаты.
Разработана и апробирована в практике методика построения всережим-ных динамических моделей реального времени энергетических установок на органическом топливе для тренажеров операторов тепломеханического оборудования тепловых электрических станций, основанная на сочетании теории гидравлических цепей, методов решения сложных алгебро-дифференциальных систем уравнений и использовании нелинейных интегральных моделей теплообменников и их систем.
Определены аналитические выражения импульсных переходных функций однофазных и кипящих теплообменников, а также их интегралов свертки, использованные для построения линейных и нелинейных интегральных моделей динамики парогенерирующей системы как объекта с распределенными параметрами.
Найдено точное аналитическое решение задачи нелинейной динамики теплообменника со слабосжимаемым теплоносителем, явившееся важным звеном в вопросе обоснования разработанного автором теоретического подхода к построению нелинейных интегральных динамических моделей теплообменников и их систем.
Выполнен анализ полученного точного решения динамической задачи в случае кусочно-постоянного входного воздействия, позволивший вывести обобщенные интегральные соотношения, которые могут рассматриваться как-дискретные аналоги нелинейного интеграла свертки для моделей теплообменников с распределенными параметрами.
Разработаны линейные и нелинейные интегральные модели единичных теплообменников и парогенерирующей системы в целом, основанные на полученных в работе аналитических выражениях соответствующих интегралов свертки. На примере линейного случая осуществлено сведение краевой задачи динамики к системе интегральных уравнений Вольтерра второго рода. Выведены необходимые квадратурные формулы и построен алгоритм безитерационно-го решения этой системы.
Исследованы возможности применения теории интегро-степенного ряда Вольтерра для построения нелинейной динамической модели теплообменного аппарата в виде квадратичного отрезка этого ряда. Для определения ядер Вольтерра применены методы идентификации с использованием функций Хевисай-
да в качестве тестовых сигналов на эталонной математической модели и физической лабораторной установке.
Создан комплекс экспериментальных установок для исследования динамических процессов в прямоточных парогенераторах при малых и больших возмущениях, а также быстрых термогидравлических процессов в зоне тепловыделения водоохлаждаемых каналов при больших набросах тепловой нагрузки. Установки оснащены развитой системой автоматизации, построенной на базе локальной вычислительной сети, содержащей средства управления экспериментом, в том числе средства визуализации быстрых нестационарных процессов. Разработанный комплекс технических и программных средств позволяет обеспечить сквозную технологию автоматизации физического эксперимента от начального этапа его подготовки до конечной обработки данных измерений.
Выполнено экспериментальное тестирование разработанных интегральных динамических моделей при достаточно глубоких по величине и произвольных по форме внешних возмущениях, показавшее правильность принятых при их построении методических положений и эффективность численно-аналитического подхода к моделированию нелинейных переходных процессов в теплообменниках с одно- и двухфазным теплоносителем и образуемых ими парогенерирующей системы в целом.
Экспериментально изучены нестационарные сильно неравновесные термогидравлические процессы в водоохлаждаемом канале при больших набросах мощности тепловыделения. Дано экспериментальное описание различных типов пульсационных процессов по давлению в канале и их максимальных амплитуд в зависимости от режимных условий. Определены условия возникновения высокоамплитудного гидроударного импульса в кольцевом канале после наброса мощности и структура ударной волны. В результате комплексного исследования нестационарного процесса вскрыта взаимосвязь динамики греющей поверхности, давления в объеме теплоносителя и структуры парожидкостного слоя в зоне наброса мощности.
Построена расчетная теоретическая модель нестационарного теплоотвода от греющей стенки после наброса мощности тепловыделения. Модель основана на применении квазистационарной кривой кипения с предложенными в работе интерполяционными зависимостями для области переходного кипения. Проведено сопоставление расчетной температуры стенки с данными экспериментов при низком давлении в канале, где наиболее сложен характер изменения давления, подтвердившее работоспособность теоретической модели в широком диапазоне изменения начальных недогревов воды'.
Практическая ценность н реализация. Разработанный численно-аналитический метод построения нелинейных интегральных динамических моделей предназначен для использования в научно-исследовательских и проектных организациях при моделировании динамических свойств существующего и проектируемого теплообменного оборудования.
Методика динамической идентификации нелинейных систем может использоваться при решении задач управления сложными технологическими установками.
Разработанная методика построения комплексных всережимных математических моделей котельных установок и энергетических блоков позволяет осуществлять на персональных ЭВМ решение задач реального времени, составляющих ядро компьютерных тренажеров.
Разработанные методы и математические модели котельных установок и энергоблоков и реализующие их алгоритмы внедрены под руководством и при непосредственном участии автора в виде программных комплексов на тренажерах котлоагрегата БКЗ-420 Ново-Иркутской ТЭЦ, энергоблока 150 МВт Иркутской ТЭЦ-10 АОЭиЭ «Иркутскэнерго» и котлоагрегата Е-500 Красноярской ТЭЦ-2, дубль-блока 150 МВт Назаровской ГРЭС АО «Красноярскэнерго». Отдельные варианты тренажеров используются при обучении студентов на энергетических факультетах Читинского и Иркутского государственных технических университетов.
Защищаемые положения.
1 .Методика математического моделирования и построения всережимных динамических моделей теплоэнергетических установок для решения задач реального времени, основанная на использовании эффективных методов решения сложных алгебро-дифференциальных систем уравнений в сочетании с теорией гидравлических цепей.
-
Разработка численно-аналитических методов построения линейных и нелинейных интегральных моделей динамики парогенерирующих систем теплообменников.
-
Результаты аналитических решений уравнений динамики теплообменников с одно- и двухфазным теплоносителем как структурных звеньев парогенерирующих систем.
-
Теоретический вывод соотношений дискретных аналогов нелинейного интеграла свертки для теплообменников с одно- и двухфазным теплоносителем с учетом распределенности параметров по длине.
-
Применение математических методов идентификации динамических систем с использованием входных воздействий в форме функций Хевисайда и теории интегро-степенного ряда Вольтерра для построения нелинейной интегральной модели динамики тешюобменных установок.
6. Комплексные всережимные математические модели барабанных и
прямоточных парогенераторов и энергоблоков для тренажеров операторов теп
ломеханического оборудования пылеугольных тепловых электрических стан
ций.
7. Создание комплекса физических установок и сквозной технологии ав
томатизации эксперимента на основе локальной сети ЭВМ для изучения широ
кого спектра динамических процессов в парогенераторах и водоохлаждаемых
каналах.
-
Результаты экспериментального тестирования линейных и нелинейных штегральных динамических моделей теплообменников и их систем на физиче-кой модели прямоточного парогенератора.
-
Результаты экспериментального и теоретического исследования неста-(ионарных теплогидравлических процессов в водоохлаждаемом канале при іольших набросах тепловой нагрузки.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на: Респуб-іиканских семинарах по динамике тепловых процессов (Киев, 1978, 1984); Все-оюзных семинарах по обратным за'дачам и идентификации процессов тепло-ібмена (Москва, 1976, 1982; Уфа, 1984); XXI Сибирском теплофизическом се-шнаре (Новосибирск, 1978); YI и YIII Всесоюзных конференциях по теплооб-!ену, гидравлическому сопротивлению и двухфазному потоку в элементах нергетических машин и аппаратов (Ленинград, 1979, 1990); Всесоюзных коор-;ннационных семинарах по динамике теплообмена в элементах энергетических ппаратов (Севастополь, 1984; Балашиха, 1986; Челябинск, 1989), а также от-іаслевьіх семинарах по динамике (Гатчина, 1990; Минск, 1991; Одесса, 1992); fll Всесоюзной конференции «Планирование и автоматизация эксперимента в [аучных исследованиях» (Москва, 1983); Всесоюзной научно-технической онференции «Измерительные информационные системы» (Ульяновск, 1989); ісесоюзном симпозиуме «Комплексные проблемы развития и методы управле-іия системами энергетики» (Иркутск, 1985); Всесоюзной конференции «Тепло-'бмен в парогенераторах» (Новосибирск, 1988); I и II Российских националь-:ых конференциях по теплообмену (Москва, 1994, 1998); III и IY Минских ме-чдународных форумах по тепломассообмену (Минск, 1996, 2000); Всероссий-кой конференции «Энергетика России в переходный период: проблемы и на-чные основы развития и управления» (Иркутск, 1995); X и XI Международных ттематических Байкальских школах-семинарах (Иркутск, 1995, 1998); Между-:ародном семинаре «Нелинейное моделирование и управление» (Самара, 1997); Международной конференции «Математические модели и численные методы іеханики сплошной среды» (Новосибирск, 1996); Международном симпозиуме Физические основы теплообмена при кипении и конденсации» (Москва, 1997); 'егиональном семинаре по теплофизике и теплоэнергетике (Новосибирск, 999); Советско-китайском семинаре «Methods for solving the problems on en-rgy, power sistem development and control» (Иркутск, 1992); 4-th World. Confer-nce on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (Brus-els, Belgium, 1997); Third International Conference on Multiphase Flow (Lyon, ranee, 1998); 11-th International Heat Transfer Conference (Kyongju, Korea, 1998).
Работы последних лет получили поддержку Российского фонда фунда-[ентальных исследований (гранты № 94-02-03971, 97-02-16953, 99-02-16053).
По теме диссертации опубликовано 58 работ, в том числе 3 монографии з соавторстве).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из ведения, семи глав, выводов, списка литературы (279 наименований) и прило-
