Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние методов и проблемы компьютерного моделирования элементов энергетических котлоагрегатов 17
1.1. Схема котлоагрегатов с естественной циркуляцией и задачи их проектирования 17
1.2. Математическое моделирование нестационарных режимов в элементах энергетических установок 19
1.3. Методики, алгоритмы и программы статических поверочных и конструктивных расчетов котлов и их элементов. 23
1.4. CAD/CAM/CAE для автоматизированного проектирования теплоэнергетического оборудования 29
1.4.1. Проблемы и достоинства использования CAD/CAM/CAE 36
1.4.2. Критерии выбора САПР для машиностроительного предприятия. 58
1.4.3. SOLID EDGE в конструкторской практике 66
1.4.4. Технологии SDRC 74
1.4.5. Технологии CV(CADDS 5 и Optegra) 87
1.4.6. CAD вариант b 101
1.4.7. Unigraphics Solutions — полное виртуальное проектирование изделий 112
Глава 2. Информационные технологии в проектировании и моделировании энергетических котлоагрегатов 120
2.1. Разработка схемы автоматизированного проектирования 120
2.2. Алгоритмы расчетов в составе САПР 127
Глава 3. Параметрическое математическое моделирование 171
3.1. Проблемы параметризации конструкторских чертежей. 171
3.2. Способы создания параметризованной геометрической модели 180
3.3. Параметрическое моделирование узлов паровых котлов 186
Глава 4. Сосредоточенная математическая модель для исследования динамических характеристик котлоагрегатов 192
4.1 Основные упрощающие допущения 191
4.2 Математические модели участков барабанного котла 193
4.3. Расчетные исследования динамических характеристик 199
4.4. Влияние конструкции котлоагрегата на его динамику 202
Литература 212
Приложение 234
Справки внедрения результатов диссертационной работы 435
- Математическое моделирование нестационарных режимов в элементах энергетических установок
- Алгоритмы расчетов в составе САПР
- Способы создания параметризованной геометрической модели
- Расчетные исследования динамических характеристик
Введение к работе
Актуальность. Энергетические котлоагрегаты — класс сложных теплоэнергетических установок, функционирующих в статических и динамических режимах, состоящих из большого числа разнотипных и повторяющихся элементов, объединенных технологическими связями, материальных и энергетических потоков между элементами.
Характерными особенностями энергетических котлоагрегатов являются большие габариты, высокие скорости газов, плотные компоновки поверхностей нагрева и ориентация на использование каменного угля.
Невысокая маневренность конструкции также является отличительной чертой энергетических котлоагрегатов. Обеспечение надежной работы для них только на стационарных режимах не достаточно для эффективного функционирования котлоагрегата в целом. Серьезно встает эта проблема при изменениях энергетических нагрузок.
Повышенные требования к точности и времени выполняемых на стадии проектирования энергетических котлоагрегатов статических, динамических и параметрических расчетов с одной стороны, и ограниченные возможности чисто экспериментальных исследований с другой, свидетельствуют об актуальности проблемы, вынесенной в заглавие диссертации, как для развития методов математического моделирования, так и для инженерной практики разработки и реализации сложных технических проектов. Проблема актуальна также для разработки имитационных моделей функционирования технических систем и подготовки обслуживающего персонала.
Традиционно разработка изделия включает последовательность проектных работ. Приемлемой нормой качества проектирования - получение «просто хорошей конструкции». Не остается ни времени, ни ресурсов для «хотя бы еще одной итерации». Обычно каждый расчет выполняется без интеграции с другими. Не достаточно используются возможности интеграции всего цикла проектирования. Путем компьютерного моделирования котлоаг-
регата проектировщик может не только зафиксировать конструктивные нестыковки, но и повысить качество проектных решений. За счет этого снижаются затраты на изготовление физического прототипа. Все изложенное определяет актуальность исследований по теме диссертации.
Объектом диссертационного исследования выступают процессы функционирования энергетических котлоагрегатов и технологии их проектирования.
Предметом исследований являются математические модели, алгоритмы и программные комплексы, предназначенные для расчета и проектирования энергетических котлоагрегатов.
Цель и задачи работы. Целью работы явилось создание моделей, алгоритмов и программ расчета и моделирования для наиболее полного исследования и всестороннего конструирования энергетических котлоагрегатов. Достижение поставленной цели достигается решением следующих задач:
Проанализировать современные подходы к моделированию и расчету энергетических котлоагрегатов.
Разработать статические, динамические и параметрические модели расчета, соответствующих основным этапам проектирования: расчет конструкции, изготовление чертежей, расчет динамики работы котла.
Разработать эффективные (в рамках каждой из поставленных задач) алгоритмы решения вычислительных задач расчета и моделирования котлоагрегатов.
Развить методы проектирования котлоагрегатов с использованием математических моделей, формализующих процессы функционирования котлоагрегатов.
Исследовать и разработать модели, технологии и программные средства численного моделирования динамики теплофизических процессов кот-лоагрегата, как объекта автоматического регулирования.
Разработать алгоритмы, библиотеки подпрограмм и программные комплексы тепловых, гидравлических, аэродинамических, прочностных и других расчетов.
Исследовать возможности применения разработанных методов, моделей и программных комплексов при проектировании и эксплуатации энергетических котлоагрегатов. Подтвердить адекватность разработанных моделей и методов на основе анализа машинных экспериментов, а также опыта использования в практике массовых многовариантных инженерных расчетов в условиях котлостроительных заводов и других организаций.
Методика исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач применялись вычислительные эксперименты, проводимые в режиме имитационного моделирования, модульное программирование, математическое моделирование.
Выполненная работа соответствует требованиям паспорта специальности ВАК Минобразования РФ 05.13.18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ» (п. 5).
В процессе диссертационного исследования изучены, проанализированы и использованы разработки научных коллективов и отдельных ученых Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Института теоретической и прикладной механики СО РАН, Казанского государственного энергетического университета, Московского энергетического института, Научного Производственного Объединения «Центральный котлотурбинный институт», Института вычислительных технологий СО РАН, а также опыт проектирования энергетических котлоагрегатов ОАО «Сибэнергомаш».
Основные научные результаты и их новизна состоят в концептуальном обосновании направлений математического моделирования, в разработке ряда новых математических моделей и программных средств и в применении результатов в системах автоматизированного проектирования и настройке оптимальных режимов энергетических котлоагрегатов.
6 Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
отработана технология моделирования, позволяющая ускорить нахождение конструктором приемлемого варианта котлоагрегата по показателям стабильности динамических характеристик; надежности работы поверхностей нагрева и конструктивной маневренности котлоагрегата;
разработана динамическая многостадийная математическая модель котлоагрегата с естественной циркуляцией в виде системы обыкновенных дифференциальных и алгебраических уравнений, позволяющая при внешних и внутренних возмущениях рассчитывать изменения температуры, расхода и давления перегретого пара;
исследованы закономерности и степени чувствительности изменения динамических характеристик промышленного энергетического котлоагрегата при ступенчатых возмущающих воздействиях;
разработаны инженерные методы расчета теплофизических характеристик котлоагрегатов, допускающие алгоритмизацию, взаимоувязку статических и динамических режимов;
предложены параметрические математические модели конструктивных элементов котлоагрегатов, обеспечивающие инвариантность масштабирования, в том числе в проекциях рабочих чертежей.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достигается: выбранными методами решения проблемных задач; использованием современных средств обработки информации; сравнением результатов моделирования с реальными данными; применением разработанных пакетов прикладных программ в практике проектирования; государственными свидетельствами на программное обеспечение российского агентства по патентам и товарным знакам; актами внедрения разработанных технологий и программных систем.
Практическая значимость результатов диссертационного исследования. Развитые в работе методы позволяют рассчитывать и моделировать котлоагрегаты, сокращая дорогостоящие экспериментальные исследования и
доводочные работы, прогнозировать теплогидравлические характеристики котлов и ресурс их элементов, оптимизировать тепловые схемы котлоагрега-тов, а также структуру и параметры настроек систем их автоматического регулирования.
Разработанные модели и программные средства ориентированны на практическое применение при решении в условиях котлостроительных заводов, КБ и НИИ прикладных инженерных задач.
Представленный материал обобщает результаты работ, выполненных автором в отделе автоматизированных систем проектирования ОАО «Сиб-энергомаш» в период с 1979 по 1998 годы.
Теоретические разработки оформлены в виде пяти проблемно-ориентированных библиотек из 236 подпрограмм расчетов, написанных на языках Фортран и Автолисп и имеющих полную техническую документацию. Разработанное математическое и программное обеспечение включено в состав САПР энергетических котлоагрегатов, внедрено в ОАО «Сибэнерго-маш» (Барнаул) и передано в следующие организации: наладочно-ремонтное производственно-техническое предприятие «Энергобумпром» (Москва), НПО «Волгограднефтемаш»; ГИВЦ Министерства энергетического машиностроения; предприятие «Сахпромэнергоналадка» (Киев), ПО «Тихорецкпуть-маш», «ПКТБхиммаш» (Пермь), ПО «Завод имени Серго» (Зеленодольск), Таганрогский завод «Красный котельщик», институт «Гипрокомбайнпром» (Ростов-на-Дону), Усть-Каменогорский свинцово-цинковый комбинат.
Автор выносит на защиту:
Концептуальные положения и направления комплексного математического моделирования энергетических паровых котлов и совокупность статических, динамических и параметрических математических моделей их функционирования.
Технологию применения математических моделей при решении задач проектирования котлоагрегатов и алгоритмы программных комплексов
моделирования тепловых, гидравлических, аэродинамических режимов энергетических паровых котлов.
Структуру программной системы и ее компоненты, имеющие средства настройки параметров математических моделей и задания проектных режимов функционирования исследуемого объекта.
Результаты прогноза состояния энергетических котлоагрегатов как объектов автоматического регулирования в динамических режимах, достоверность которых экспериментально установлена на промышленном котле БКЗ 420-140-9 Усть-Илимской ТЭЦ.
Систему автоматизированного расчета и проектирования энергетических котлоагрегатов, обеспечивающую за счет использования математических моделей и комплекса программ повышение эффективности проектных работ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на 22 международных конференциях: «Проблемы устойчивого развития общества и эволюция жизненных сил населения Сибири на рубеже XX-XXI веков» (Барнаул -1997); «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (Ульяновск — 2001); «Наука-Техника-Технологии» (Находка - 2002); «Образование и наука в третьем тысячелетии» (Барнаул - 2002); «Информационные технологии в естественных, технических и гуманитарных науках» (Таганрог - 2002); «Новые информационные технологии в науке, образовании, экономике» (Владикавказ - 2002); «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов - 2002); «Моделирование как инструмент решения технических и гуманитарных проблем» (Таганрог - 2002); «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и" экономических процессах» (Новочеркасск - 2002); «Открытое и дистанционное образование: анализ опыта и перспективы развития» (Барнаул - 2002); «Современные информационные технологии» (Пенза - 2002); «Вычислительные технологии и математические модели в науке, технике и обра-
зовании» (Алма-Ата - 2002); «EL-Pub 2002» (Новосибирск - 2002); «Оптимальное управление, устойчивость и прочность механических систем» (Ереван - 2002); «Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники» (Владимир - 2002); «Динамика процессов в природе, обществе и технике» (Таганрог — 2003); «Дистанционное обучение — образовательная среда XXI века» (Минск - 2002); «Математика в XXI веке. Роль ММФ НГУ в науке, образовании и бизнесе» (Новосибирск - 2003); «I Междунар. конф. CAD/CAM/PDM» (Москва - 2001); «II Междунар. конф. CAD/CAM/PDM» (Москва — 2002); «Microscale heat transfer 2. Eurotherm seminar № 75» (France, Reims - 2003); «The 3rd International Symposium on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation» (Italy, Pisa — 2004).
Результаты представлены в более 20 научных докладах на Всероссийских научно-теоретических, научно-практических и научно-методических конференциях ученых, преподавателей и практических работников.
Публикации. Материалы диссертации изданы в 91 публикации, в том числе - в одной монографии и 31 статьи в центральных периодических научных изданиях.
Содержание и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 181 наименований и приложения. Она содержит 240 страниц машинописного текста, 30 рисунков, 25 таблиц.
Во введении определяется общая характеристика работы, обосновывается актуальность темы, формулируется цель, задачи исследования, научная новизна и практическая ценность работы.
В первой главе на основании обзора литературных данных освещено состояние проблемы инженерного расчета и проектирования на ЭВМ элементов котлов с точки зрения их применимости при моделировании статических и динамических режимов работы энергетических котлоагрегатов.
Проведенный анализ достигнутого уровня исследований котлоагрегатов подтвердил, что для создания комплексной системы расчета и проекти-
рования энергетических котлоагрегатов важными являются следующие направления исследований: системный комплексный подход к разработке и развитию модели предметной области, создание концепции комплексной алгоритмизации расчета и проектирования энергетических котлоагрегатов, одновременное выполнение динамических расчетов и использование их результатов при проектировании паровых котлов. Тем самым обосновано актуальное направление комплексной алгоритмизации расчета и проектирования энергетических котлоагрегатов. Показано, что не решена задача комплексного подхода к моделированию энергетических котлоагрегатов.
Во второй главе проведен анализ уровня проектирования и решены задачи совершенствования расчета и моделирования энергетических котлоагрегатов.
В третьей главе приводится параметрическая математическая модель элементов котлоагрегата на примере коллекторов испарительных панелей и пароперегревателя.
В четвертой главе представлена разработанная линейная сосредоточенная по длине пароводяного тракта математическая модель и, на примере перспективного для энергетики котлоагрегата БКЗ 420-140-9 с повышенной степенью радиационное пароперегревателя, исследованы основные эксплуатационные режимы. Динамическая математическая модель котла создавалась в предположении, что котельный агрегат является линейной детерминированной системой в условиях малых возмущений.
В диссертационной работе проведен анализ современных средств автоматизированного проектирования энергетических котлоагрегатов с использованием CAD/CAM/CAE программных систем.
Внедрение в инженерную практику методов автоматизации проектирования позволяет перейти от традиционных методов расчета и проектирования котлоагрегатов к их расчету и проектированию в существующих программных средах в сети персональных компьютеров.
В связи с изложенным повышение эфективности проектных работ возможно путем модульного расширения библиотек этих программных сред и
и разработкой самостоятельных расчетных программных средств исследования и расчета режимов проектируемых котлоагрегатов.
Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:
Основополагающе обоснована технология комплексного расчета и моделирования энергетических котлоагрегатов как проектная взаимоувязка результатов, полученных с использованием статических, параметрических и динамических моделей.
Отработана технология моделирования, позволяющая ускорить нахождение конструктором приемлемого варианта котлоагрегата. Показано, что разработанные программные средства способствует улучшению качества проектирования по следующим показателям:
стабильность динамических характеристик;
повышение надежности работы поверхностей нагрева;
повышение конструктивной маневренности котлоагрегата;
Разработана динамическая многостадийная математическая модель котлоагрегата с естественной циркуляцией в виде системы обыкновенных дифференциальных и алгебраических уравнений, позволяющая при внешних и внутренних возмущениях (по топливу, воздуху, температурой впрыска, расходом водяного экономайзера) рассчитывать изменения температуры, расхода и давления перегретого пара на его выходе. Расчеты по модели предложено проводить с использованием существующих пакетов программ анализа динамических характеристик котлоагрегатов.
Проведены выбор коэффициентов модели и экспериментальная проверка ее адекватности при моделировании переходных режимов котлоагрегатов с естественной циркуляцией. Показано, что увеличение степени радиаци-онности пароперегревателя от 0,45 до 0,5 стабилизирует температуру пара на выходе из котлоагрегата при работе его в переходных режимах. Получены зависимости параметров переходного процесса промышленного котлоагрегата (температуры, давления и расхода перегретого пара на выходе из котлоаг-
регата) от 10% возмущений по топливу и воздуху. Найдена область значений параметров тепловой схемы при проектировании котлоагрегата с естественной циркуляцией для блока мощностью 130 МВт. Расчетная методика апробирована на экспериментальном котле БКЗ 420-140-9 Усть-Илимской ТЭЦ и позволила сократить затраты на выполнение проектных работ.
5. Путем проверки различных вариантов компоновки элементов конст
рукции моделированием на ЭВМ выбрана схема котлоагрегата, которая по
зволяет рассчитывать его динамические характеристики. Показано, что раз
работанная технология проектирования позволяет уменьшить трудозатраты
конструктора и повысить эффективность выполнения работ по проектирова
нию котлоагрегата.
6, Разработаны инженерные методы, допускающие алгоритмизацию,
взаимоувязку статических и динамических расчетов.
Результаты диссертационной работы используются в ОАО «Сибэнер-гомаш» (г.Барнаул), ОАО «Институт Томсктеплоэлектропроект» (г. Томск). Отдельные результаты диссертации используются в учебном процессе математического факультета АлтГУ при подготовке студентов по неправлению «прикладная математика и информатика».
Математическое моделирование нестационарных режимов в элементах энергетических установок
Нестационарный (динамический) режим является характерным состоянием котлоагрегатов. Это обстоятельство связано с совокупностью случайных и преднамеренных возмущений, поступающих в него по многим каналам связи с окружающей средой и внутренним причинам.
Управление котлоагрегатом осуществляется посредством специальных устройств - автоматических систем регулирования (АСР). Структура АСР формируется на основе сведений о динамических свойствах объекта [1]. При этом если заранее известно, что котлоагрегат предназначен для работы в базовой части графика нагрузки, задачей АСР является стабилизация режима, а с точки зрения моделирования динамики это означает решение линеаризованных уравнений сохранения [4].
В настоящее время более характерным режимом работы котлоагрегата является переменный, а также режим непрерывного изменения нагрузки в соответствии с диспетчерским графиком энергосистемы. Математические модели, призванные описывать нестационарные процессы в этих состояниях, должны строиться на основе квазилинейных и нелинейных представлений. Можно сказать, что пока еще нет общепризнанных методов моделирования динамики в режиме крупных изменений нагрузки котлоагрегатов, однако в этом направлении предпринимаются значительные усилия многих научных коллективов.
Естественно, что реализация нелинейной модели возможна лишь с привлечением персональных ЭВМ. Исключением является работа [74], где при больших допущениях удалось получить аналитическое решение задачи динамики прямоточного парогенератора. Эта модель представляет интерес для качественного анализа развития нестационарных процессов. Модели, пригодные для количественного анализа, пока далеки от совершенства по многим показателям: точности и быстродействию, объему памяти и др. Для использования нелинейной модели в качестве элемента АСР эти характеристики должны быть существенно улучшены.
Математическое моделирование динамики котлоагрегатов при больших возмущениях и в режиме управления представляет собой сложную теоретическую и вычислительную задачу. Попытка учесть с максимальной полнотой все конструктивные и режимные особенности столь сложного энергетического объекта делает нереальным проведение количественного и качественного анализа. С другой стороны, любой отход от реального прообраза влияет на конечные результаты моделирования, и часто прогнозировать погрешность не представляется возможным.
Это указывает на неизбежность определенных идеализации. Для их оценки возникает необходимость включения физической модели котлоагрегата в качестве одного из средств разработки теоретических моделей. Эксперимент вносит необходимый элемент эталонности, его применение позволяет удов летворить требование адекватности разнообразных математических моделей их целевому назначению [163].
В расчетных методах динамические характеристики котлоагрегатов и их элементов получаются в результате решения системы дифференциальных уравнений, с различной степенью полноты описывающей сложный комплекс взаимосвязанных тепловых, гидромеханических, физико-химических и других процессов, протекающих в объекте [149].
Для простейших математических моделей решения могут быть получены в наиболее общей аналитической форме. Они оказываются пригодными для всех объектов, имеющих ту же исходную математическую модель. Математическая модель динамических процессов в котлоагрегате представляется системой обыкновенных дифференциальных уравнений либо для всей установки, либо для каждого из входящих в нее элементов. В такой модели не учитывается реальная протяженность элементов котлоагрегатов и связанная с ней зависимость параметров от координат (модель с сосредоточенными параметрами) [73].
Учет распределенности параметров котлоагрегатов в направлении оси потока теплоносителя впервые сделан в аналитической работе [74]. В большинстве случаев получить аналитические решения невозможно, и динамические характеристики могут быть найдены численно путем решения исходных уравнений на персональных ЭВМ.
Деление методов расчета на аналитические и численные условно. Более характерным является сочетание обоих подходов, позволяющее использовать сильные стороны каждого из них.
В большей части опубликованных исследований аналитические решения для элементов котлоагрегата получаются в виде передаточных функций, что объясняется, с одной стороны, достаточностью, а с другой — математическими трудностями перехода во временную область. Однако по существу метода преобразования Лапласа, приводящего к передаточным функциям, последние являются промежуточным результатом, и во многих случаях бывает полезно найти закон изменения во времени различных технологических параметров (температуры, расхода, давления и т.д.) в поверхностях нагрева и не обогреваемых участках. Это, очевидно, расширяет возможности инженеров, проектирующих котлоагрегаты и средства управления ими [45, 60].
Аналитические выражения временных функций могут быть непосредственно реализованы в модели котлоагрегата при использовании персональных ЭВМ. Такая модель может оказаться наиболее удобной не только для расчета малых отклонений параметров от заданного режима, но и для установления количественных зависимостей существенно нестационарного процесса (при больших отклонениях).
Задача определения динамических свойств котлоагрегатов решается в основном исходя из гипотез детерминированности и линейности. Однако можно выполнить операцию линеаризации, чтобы область применения теоретических решений выходила за традиционные рамки «малых» отклонений. Последнее не только снимает ограничения на значения тестовых сигналов при определении динамических свойств котлоагрегатов и теплообменников, но и открывает новые возможности теоретического моделирования существенно нестационарных режимов.
Традиционная область приложения исследований динамики энергетического оборудования - разработка средств управления - переживает период обновления.
Развитие возможностей современной вычислительной техники и успехи методов математического моделирования позволили сделать расчеты нестационарных процессов массовыми и поставить вопрос о включении в состав технической документации заводов-изготовителей информации о динамических свойствах парогенераторов [67]. Появляется возможность для каждого нового котлоагрегата исследовать на стадии проектирования варианты системы автоматического регулирования с выработкой требований к конструкции котлоагрегата, составу средств и законам управления [45].
Алгоритмы расчетов в составе САПР
На выходе получаем сумму сопротивлений трактов, по которой выбираются дымососы и вентиляторы. Исходной информацией для гидравлического расчета являются конструктивные характеристики, другие данные теплового расчета. В результате получаем истинный расход, действительную скорость, кратность циркуляции, осуществляется проверка на опрокидываемость [35].
При расчете температуры металла стенки трубы на основании температуры пара и конструктивных характеристик получаем температуру в заданной точке трубы, по которой подбирается металл пароперегревателя. Перепад давления по паровому тракту рассчитывается по конструктивным характеристикам труб и скоростям пара (на входе), на выходе получаем суммарное сопротивление тракта и давление в барабане [57].
Расчет на прочность элементов котла (коллекторов, труб, переходов, днищ и др.) ведется по методу предельных нагрузок. Исходной информацией являются внутренний диаметр и давление в сосуде, допустимое напряжение, коэффициент прочности, учитывающий наличие отверстий, сварных швов и т.д. Выходные данные расчета: толщина стенки сосуда, выполнение условий прочности, фактическая температура, которую выдерживает элемент данной марки стали, фактический ресурс работы элемента.
При расчете на прочность цельносварных экранов задаются конструктивные характеристики, тепловой поток, коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи, температура среды. Проводится расчет напряжений от теплового потока, от хлопка в топке, от внутреннего давления, от весовых нагрузок. Определяются суммарные напряжения и сравниваются с допустимыми.
При расчете системы пылеприготовления необходимо знать количество, вид и характеристики топлива. В конце расчета получим производительность и число мельниц, сепараторов, мельничных вентиляторов, температуру горячего воздуха для сушки топлива. При расчете на самокомпенсацию трубопроводов необходимы конструктивные характеристики и данные теплового расчета, выходные данные — удлинения трубопроводов. При расчете на прочность цельносварных газоплотных потолков следует иметь схему нагрузок и конструктивные данные, выходными данными расчета будут эпюры напряжений и прогибы потолков.
Исходные данные для расчета динамических характеристик получают на основании расчетов циркуляции, теплового, температуры металла стенки пароперегревателя, перепада давления по паровому тракту. Составляется математическая модель котла как объекта регулирования. Полученную систему уравнений решают совместно. В конце расчета получают зависимости давления, температуры, расхода во времени при различных возмущающих воздействиях (изменение расхода подачи топлива, воздуха, температуры впрыска и т.д.).
Расчет каркаса котла осуществляется методом конечных элементов: каркас разбивается на отдельные элементы, а затем напряженно-деформированные состояния этих элементов сопрягаются между собой так, чтобы удовлетворялись условия совместимости деформаций и равновесия. Для каждого элемента задаются: площадь, момент сопротивления поперечного сечения, момент инерции, нагрузка. Осуществляется расчет на устойчивость и прочность балок каркаса. Результаты расчета -характеристики напряженно-деформированного состояния системы и схемы загружений, выведенные на графопостроитель.
При расчете надежности работы поверхностей нагрева определяют параметр потока отказов по каждой поверхности, а также характеристики потока вынужденных остановов на 100 000 ч работы. Входной информацией является количество прямых участков, сгибов труб, контактных сварных стыков, бесштуцерной приварки змеевиков к камерам [92].
Взаимосвязь расчетов с потоками информации можно проследить по рисунку 2.2 [69]. При автоматизированном проектировании парового котла последовательно прорабатываются определенные этапы: расчет конструкции, изготовление чертежей, расчет динамики работы котла. Каждому этапу соответствует своя математическая модель: статическая, параметрическая, динамическая (рис. 2.3) [5]. Статические модели представляют собой алгоритмы расчетов (см. табл. 2.1).
Способы создания параметризованной геометрической модели
Существуют три подхода к созданию параметризованной геометрической модели изделия: параметрическое конструирование (parametric/variational - associative design); ассоциативная геометрия (associative geometry); объектно-ориентированное конструирование с использованием базовых операций добавления/удаления материала (feature-based modeling) .
Определить цель конструирования достаточно просто, однако процесс поиска рационального решения сложен и требует гармоничного сочетания различных методов автоматизированного конструирования изделий. Параметрическое конструирование как методология автоматизированной разработкиявляется основой для параллельного ведения проектно-конструкторских работ и позволяет уточнить конечную цель конструирования уже на ранних стадиях реализации проекта, что и определяет эффективность совмещения процессов конструирования, инженерного анализа и производства на едином временном интервале и их взаимной интеграции. Параметризация подразумевает использование различных видов взаимосвязей между компонентами модели и приложениями, которые используют данную модель.
Использование технологии параметрического конструирования позволяет при необходимости легко изменять форму модели, в результате чего пользователь имеет возможность быстро и эффективно получать альтернативные конструкции или пересмотреть концепцию изделия в целом. При отсутствии средств обеспечения параметрического конструирования модель определена однозначно только своей геометрией, поэтому внесение даже малейших изменений требует значительных трудовых затрат. Изменения же параметрической модели выполняются так же легко, как и изменения значения размеров на чертежах.
Параметризация — концепция, которая охватывает все методы для решения задач конструирования. Важной особенностью современной концепции параметрического конструирования является прежде всего возможность создания геометрической модели с использованием связей и правил, которые могут переопределяться и дополняться на любом этапе ее создания. Связи представляются в виде размерных, геометрических и алгебраических соотношений. Правила же определяются как условия выполнения базовой операции (например, сквозное или «слепое» отверстие). Параметрическое конструирование с полным набором связей или «жесткая» параметризация (Parametric Design)
Параметрическое конструирование с полным набором связей или «жесткая» параметризация — интеллектуальное моделирование, где геометрия и конструкторские намерения заложены в самом определении модели. «Жесткая» параметризация - режим параметрического конструирования, при котором конструктор полностью задает все необходимые связи, однозначно определяя тем самым форму геометрической модели изделия. В этом случае изменение значения какого-либо параметра или переопределение связей влечет за собой автоматическое изменение геометрии модели и не требует от конструктора выполнения каких-либо действий по модификации геометрической модели.
Для режима «жесткой» параметризации характерно наличие случаев, когда при изменении параметров геометрической модели решение вообще не может быть найдено, так как часть параметров и установленные связи вступают в противоречие друг с другом. Другими словами, такая технология позволяет при необходимости управлять изменением формы конструкции в не которых пределах, которые определяются интервалом взаимной непротиворечивости всей совокупности параметров и наложенных связей.
Существует много способов задания параметров и связей для одной и той же конструкции, поэтому при использовании этой технологии очень важным является порядок определения и характер наложенных связей, которые будут управлять изменением формы конструкции, так как для каждого способа наложения связей интервалы их взаимной непротиворечивости будут разными. Параметрическое конструирование с неполным набором связей, или «мягкая» параметризация (Variational Design) - работа с недоопреде-ленной системой связей — позволяет конструктору работать, не задумываясь о порядке, в котором определены или учтены связи, а также об их достаточности для полного описания геометрии конструкции. Такой подход позволяет пользователю решать проблему, следуя по интуитивному, наиболее естественному пути.
Ключевое преимущество использования технологии «мягкой» параметризации при конструировании — возможность решения геометрически не-доопределенных задач путем предоставления пользователю возможности выявления неизвестных факторов в виде связей и нахождения нужного решения.
Расчетные исследования динамических характеристик
С учетом новизны схемы котла БКЗ 420-140-9 (станционный №6) Усть-Илимской ТЭЦ, с расположением ступени пароперегревателя в топочном объеме и отсутствия расчетных данных по динамике подобного котла, представляется интересным определить комплекс динамических характеристик этого котлоагрегата.
Для каждого участка произвели математическое описание происходящих в нем нестационарных процессов путем составления линейных дифференциальных и алгебраических уравнений [5, 6, 7]. В результате получили систему из 18 дифференциальных и 28 алгебраических уравнений, которые решались совместно на ЭВМ. Динамические характеристики построены для котла, работающего без регуляторов, и представлены на рисунке 4.2, из которого видно, что наиболее сильными являются возмущения расходом воздуха, топлива [9, 11, 12]. При возмущении расходом воздуха топка охлаждается, расход пара по всему тракту и на выходе из котла падает. Давление пара уменьшается. Возрастает температура по всем сечениям пароводяного тракта, кроме радиационного пароперегревателя в топке.
Сразу после возмущения расходом топлива возрастают температура и расход пара вследствие возросшего теплово сприятия экранов. Затем расход интенсивно увеличивается, температура пара начинает падать и стабилизируется на 563 С. нагрузки на 10% от номинальной должен обеспечить максимальное отклонение температуры пара на выходе из котла Ав9иах не более 8 С, и интеграль-ный квадратичный критерий должен быть не более 5000 (С) с [18, 19]. а - типовая схема; б - улучшенная схема (ДФ - дифференциатор, ра - относительная величина температуры рабочей среды i-ro участка); в - графики переходных процессов при возмущении топливом: параметры настройки регуляторов: коэффициент усиления регулятора в относительных единицах; Ти - время изодрома регулятора, с; Тд - время дифференциатора, с; Кд - коэффициент усиления дифференциатора, с): 1 - типовая схема; 2 - улучшенная; г - расход конденсата на впрыски при возмущении топливом: 1 - типовая схема; 2 -улучшенная схема (сплошная линия - расход конденсата на впрыск 1, пунктирная линия - расход конденсата на впрыск 2)
Для котла БКЗ 420-140-9 принята схема (рис. 4.3, а) с двухимпульсны-ми регуляторами. Регулятор 1 впрыска получает импульс по температуре за седьмым участком и по скорости изменения температуры пара непосредственно за точкой 1 впрыска. Регулятор 2 впрыска получает импульс по температуре пара на выходе из пароперегревателя и скоростной импульс по температуре за точкой 2 впрыска, т.е. за пароохладителем.
В улучшенной схеме (рис. 4.3, б) предлагается добавить скоростной импульс по температуре за седьмым участком для регулятора 1 впрыска и скоростной импульс по температуре за девятым участком для регулятора 2 впрыска. Параметры настройки регуляторов показаны на рисунке 4.3, в. По типовой схеме интегральный квадратичный критерий равен 1320 (С)2с, Ав?01 =3 С. По улучшенной схеме интегральный квадратичный критерий равен 1200 (С)2 с, АвГ =2,8С.
По улучшенной схеме максимальное перемещение клапана впрыска (рис. 4.3, г) меньше, чем для типовой схемы.
Температура перегрева пара на выходе из котлоагрегата относится к важнейшим параметрам, определяющим экономичность паровой турбины и энергоблока в целом. В литературе отсутствуют расчетные данные по влиянию конструктивных характеристик котлоагрегата на его динамические характеристики, в частности на температуру перегрева пара в выходной ступени пароперегревателя. Такие исследования проведены в Алтайском государственном университете для котлоагрегатов ОАО «Сибэнергомаш» [3, 4, 6, 10, 11]. Получены данные, необходимые для создания современных энергоблоков, отвечающих возросшим требованиям к точности поддержания температуры перегрева пара.
Исследовались котлоагрегаты ОАО «Сибэнергомаш» БКЗ 420-140-9 и БКЗ 420-140 ПТ-2. Их основные характеристики приведены в таблице 1.1. Оба котлоагрегата с естественной циркуляцией работают на ирша-бородинском угле, компоновка представлена на рисунке 1.1.
Общая схема пароперегревателя включает в себя два ширмовых пароперегревателя, экраны горизонтального газохода (ЭГГ) и экраны конвективной шахты (ЭКШ), а также три ступени конвективного пароперегревателя. Отличительной особенностью тепловой схемы котла БКЗ 420-140-9 является наличие радиационной ступени пароперегревателя в топке и восьми двухсветных испарительных панелях циркуляционного контура. По методу сосредоточенных параметров были составлены линейные математические модели, состоящие из системы линейных дифференциальных и алгебраических уравнений с постоянными коэффициентами [18].
В модели с сосредоточенными параметрами не учитывается реальная протяженность элементов котлоагрегата и связанная с ней зависимость параметров от координат.
Обобщенная расчетная схема котлоагрегатов состоит из семи участков, которые делятся на две группы участков. К первой группе относится циркуляционный контур как участок с двухфазной средой. Ко второй группе относятся все участки с однофазной средой. Уравнения (4.1)-(4.5), представленные выше, описывают нестационарные процессы в циркуляционном контуре (участок 1). Уравнения (4.6)-(4.12) используются для расчета однофазных участков.
