Введение к работе
Актуальность работы. Горение является основой энергетики, многих технологических процессов и производств Оно широко применяется как в стационарных теплоэнергетических установках, так и в автономных теплогенерирую-щих устройствах Ряд проблем в теплоэнергетическом оборудовании возможно решить при повышении эффективности применения как самого твердого топлива (ТТ), так и процесса его горения
Последние тенденции экономического развития нашей страны выводят ТТ (уголь) на лидирующую позицию, делая его основным сырьем для тепловых электрических станций (ТЭС) Проблемы, возникающие при использовании ТТ, в основном, связаны с продуктами его сгорания, которые приводят к уменьшению эффективности ТЭС, незапланированным отключениям вследствие отказов оборудования или для их очистки Оценить потенциальную степень влияния продуктов сгорания на производительность таких станций сложно из-за вариаций состава используемого ТТ, сложности поведения продуктов сгорания и изменяющихся условий работы Для предсказания этого влияния должны быть определены и учтены все параметры и факторы процесса горения Ныне действующие методы оценки либо неэффективны, либо слишком дороги и требуют много времени Аналогичные проблемы возникают при использовании ТТ ам-миачно-селитренного состава (АСС) в теплогенерирующих устройствах для интенсификации нефтедобычи Они связаны с недостаточно обоснованными представлениями о физико-механических параметрах ТТ и характеристиках его горения, в частности, с отдельными случаями нарушения нормального (послойного) воспламенения и сгорания заряда из ТТ или преждевременного нарушения герметичности корпуса устройства, вследствие недостаточной прочности его заряда Наряду с этим и мало изучены закономерности процесса горения ТТ в условиях жидкой среды и давления, имитирующих скважинные
В связи с этим совершенствование ТТ и конструкций теплоэнергетического оборудования возможно только на основе точного моделирования Однако, построение математической модели процесса горения ТТ существующими методами вызывает сложность, т к выходная характеристика [температура (в топочных устройствах) или скорость горения (в теплогенерирующих устройствах)] зависит более чем от двух входных параметров (состава топлива, соотношения окислителя и горючего, давления, дисперсности и плотности частиц топлива и др ) Кроме того, при увеличении размерности задачи сложность ее решения такими методами резко возрастает и, что немаловажно, делает невозможной единую программную реализацию для случаев произвольной размерности Одним из перспективных путей решения данной проблемы является применение нейротехнологий, основывающихся на искусственных нейронных сетях (ИНС), обладающих возможностями моделирования сложных систем и позволяющих также оптимизировать альтернативные ТТ для автономных аппаратов погруж-
ного горения (ААПГ), применяемых с целью нагрева и выпаривания различных растворов, и для устройств повышения производительности нефтяных скважин
Таким образом, создание новых методов моделирования процесса горения ТТ для повышения эффективности работы тепловых электрических станций и разработка новых конструкций теплогенерирующих устройств является актуальной задачей, представляющей существенный научный и бесспорный практический интерес.
Диссертационная работа, выполнялась в рамках 8 государственных программ научно-технического развития, среди которых:
Единый заказ-наряд (Министерство образования РФ от 26 апреля 1997 г.);
Федеральная научно-техническая программа «Конверсия и высокие технологии» (Топливо и энергетика, 1997 - 2000 г.);
Региональная научно-техническая программа «Химия и химическая технология» (1995 - 2000 г );
Федеральная научно-техническая программа «Вузовская наука - регионам» (1997-2000 г.),
Федеральная программа «Разработка и применение технологий двойного назначения»;
Государственная программа Республики Татарстан «Развитие науки по приоритетным направлениям на период до 2000 г.» (Письмо Госкомимущества Республики Татарстан №2119от11 апреля 1997 г );
Грант Президента РФ МК-2156 2004.8 «Компьютерное моделирование процесса горения твердого топлива в условиях жидкой среды и давления»;
Грант Президента РФ МК-553 2007.8 «Нейросетевая система управления эксплуатационными параметрами процесса горения твердого топлива для тепловых электрических станций»
Цель диссертационной работы. Развитие теоретических основ и методов моделирования горения твердого топлива для повышения эффективности промышленных теплоэнергетических процессов.
Задачи исследования:
разработать твердое топливо АСС с повышенными физико-механическими характеристиками,
разработать методику на основе искусственных нейронных сетей для моделирования и управления эксплуатационными параметрами процесса горения в теплоэнергетических установках,
показать возможность энерго- и ресурсосбережения за счет использования нейросетевого моделирования и управления эксплуатационными параметрами процесса горения,
исследовать закономерности процесса горения ТТ в жидкой среде при высоком давлении, имеющих место в призабойных зонах нефтедобычи,
разработать методику и алгоритм расчета характеристик горения ТТ в жидкой среде при высоком давлении, имеющих место в призабойных зонах нефтедобычи,
- разработать новые конструкции теплогенерирующих устройств для повыше
ния производительности нефтяных скважин и выпаривания различных раство
ров
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что
впервые, с использованием разработанной методики фоторегистрации в условиях окружающей жидкой среды и давления, установлены особенности и закономерности процесса горения образцов ТТ АСС, проявляющиеся, по сравнению с газовой средой, в изменении процессов воспламенения, структуры фронта и зоны горения, характера распространения газообразных продуктов, эффективности действия добавок, скорости и зависимости ее от давления,
впервые разработан алгоритм расчета характеристик горения ТТ АСС и построена математическая модель процесса горения в жидкой среде при высоком давлении, установлены некоторые особенности и закономерности процесса горения ТТ в теплоэнергетических установках, проявляющиеся, по сравнению с газовой средой, в изменении скорости и зависимости ее от давления,
впервые создана методика на основе искусственных нейронных сетей для моделирования и управления эксплуатационными параметрами процесса горения ТТ (угля) на тепловых электрических станциях, установлены особенности показателей значимости входных данных и соответствия их с закономерностями процесса горения ТТ,
уточнены закономерности достижения наибольшей прочности ТТ в процессе отверждения образцов аммиачно-селитренного состава с использованием нового отвердителя и пластификатора горюче-связующего как в условиях нормальной, так и повышенной влажности,
сформулировано научно-техническое обоснование разработанной конструкции теплогенерирующего устройства на основе ТТ АСС для выпаривания различных растворов,
предложены научно-технические, технологические и экономические обоснования разработанным ТТ с повышенными эксплуатационными характеристиками, усовершенствованным и созданным на их основе теплогенерирующим устройствам для технологии комплексного воздействия на призабойную зону пласта (ПЗП), обеспечивающим повышение производительности скважин
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается согласованием теоретических и экспериментальных данных, согласованием точности проведенных расчетов с известными результатами классических моделей, подтверждением прогноза эксплуатационных параметров, полученных с использованием ИНС, проведением стендовых испытаний с применением стандартных методов экспериментальных исследований, успешной апробацией разработок в промышленности
Практическая ценность. Показана возможность и перспективность применения нейросетевого моделирования и управления эксплуатационными параметрами процесса горения (зольность, температура и теплотворная способность) на тепловых электрических станциях для повышения эффективности их работы,
энерго- и ресурсосбережения Разработанная на основе искусственных нейронных сетей методика моделирования и управления эксплуатационными параметрами процесса горения может быть использована при проектировании автоматизированных механизмов систем автоматизации технологического процесса выработки электроэнергии на тепловых электрических станциях Показана возможность и перспективность применения разработанной математической модели для оптимизации рецептур ТТ АСС в теплогенерирующих устройствах, эксплуатируемых в различных условиях Разработанные ТТ могут быть использованы при создании теплогенерирующих устройств для выпаривания различных растворов и для повышения производительности нефтяных скважин. Технико-экономический расчет для последнего случая показал, что использование новой конструкции устройства в термоимплозионной обработке ПЗП снижает его себестоимость на 28 % и, увеличивая коэффициент успешности, повышает экономический эффект от единичной скважино-обработки на 9 %. Разработанная методика фоторегистрации, установленные особенности и закономерности процесса горения образцов ТТ АСС в условиях жидкой среды и давления могут быть использованы при изучении и выявлении механизма и закономерностей изменения характеристик горения подобных систем и создании новых устройств, эксплуатируемых в условиях жидкой среды и давления.
Реализация результатов. Результаты исследований и практические рекомендации, полученные в диссертационной работе, использованы.
для повышения эффективности проведения НИОКР при создании новых топ-лив и устройств на их основе в ФГУП «Краснозаводский химический завод» (г Краснозаводск),
для повышения эффективности теплоэнергетических установок филиала «Казаньнефтепродукт» ОАО ХК «Татнефтепродукт»,
для повышения производительности малодебитных скважин за счет внедрения теплогенерирующего устройства в пластмассовом корпусе для термоимплозионной обработки скважин в НГДУ «Альметьевнефть» ОАО «Татнефть»,
в технологии повышения производительности малодебитных скважин при проектировании технологий обработки призабойной зоны пласта в ЗАО «КОС и Г»;
в технологическом процессе изготовления термоисточников в пластмассовом корпусе в мастерской учебно-опытного производства КГТУ в виде разработанного технологического регламента;
в технологии термоимплозионной обработки скважин в НГДУ «Иркеннефть» с использованием разработанного термоисточника в пластмассовом корпусе,
в учебном процессе КГТУ. в лекционных курсах и лабораторном практикуме по дисциплинам «Основы физики горения и взрыва», «Технология и оборудование импульсной обработки материалов», «Технология взрывчатых и сгораемых материалов для интенсификации добычи нефти», а также при выполнении курсовых и дипломных работ,
в учебном процессе КГЭУ в лекционных курсах и лабораторном практикуме по дисциплинам «Интеллектуальные средства измерений», «Программные и аппаратные средства информатики», а также при выполнении бакалаврских и дипломных работ,
в учебном процессе КВВКУ. на лекционных и практических занятиях по дисциплине «Информатика Информационные технологии управления персоналом»
На защиту выносятся:
особенности и закономерности горения ТТ в жидкой среде при высоком давлении для теплоэнергетических установок,
методика определения характеристик горения ТТ АСС в жидкой среде при высоком давлении для теплоэнергетических установок,
методика на основе искусственных нейронных сетей для моделирования и управления эксплуатационными параметрами процесса горения,
научно-технические обоснования разработанных конструкций теплогенери-рующих устройств на основе ТТ АСС, обеспечивающих решение задач автономного выпаривания различных растворов и повышения производительности нефтяных скважин, последней дано экономическое обоснование,
конструкции теплогенерирующих устройств на основе ТТ АСС
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались
на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 100-летию Н А Холево, «Фундаментальные и прикладные исследования в области энергетических конденсированных систем», КГТУ, Казань- 1997 г ,
на научно-практической конференции, посвященной 50-летию открытия девонской нефти Ромашкинского месторождения, «Приоритетные методы увеличения нефтеотдачи пластов и роли супертехнологий», Бугульма, 1997 г,
на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 75-летию К И Синаева, «Горение и воспламенение конденсированных систем», КГТУ, Казань-1998 г,
на IX международной конференции молодых ученых «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка ВМС», КГТУ, Казань - 1998 г ,
на научно-технической и учебно-методической конференции «Конверсия и высокие технологии», КГТУ, Казань - 1999 г,
на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 90-летию М М Арша, «Воспламенение и горение конденсированных систем», КГТУ, Казань-1999 г,
на международной научно-технической и методической конференции «Современные проблемы технической химии», КГТУ, Казань - 2004 г ,
на XIV Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», МВВО АТН РФ, Н Новгород-2005 г,
на XIII, XVII, XVIII и XIX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергети-
ческих установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды веществ, материалов и изделий», КВАКУ, Казань - 2001,2005,2006 и 2007 г.,
на XVIII, XIX и XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-18, 19 и 20», КГТУ, Казань - 2005 г, ВГТА, Воронеж - 2006 г.; ЯГТУ, Ярославль - 2007;
на международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию Ф.З Тинчурина, «Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России», КГЭУ - 2006 г;
в XVI школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А И Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках», СПбГПУ, Санкт-Петербург - 2007 г
По теме диссертации опубликовано 95 работ, из них 12 - статей, входящих в перечень ВАК, три патента РФ, одна монография и шесть учебных пособий, два из которых имеют гриф Министерства образования Российской Федерации
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованных источников из 255 названий и приложений Общий объем диссертации 299 страниц, включая 190 страниц текста, 71 рисунок, 39 таблиц
