Введение к работе
Актуальность проблемы Неатомные подводные лодки (НАПЛ) – один из наиболее эффективных видов морского оружия. При этом существенным недостатком НАПЛ с обычной дизель-электрической энергоустановкой является ограниченное время пребывания под водой. В подводном положении главный гребной электродвигатель дизель-электрической подводной лодки получает электроэнергию от аккумуляторной батареи, емкость которой ограничена. Фактически, время нахождения под водой лодок последних поколений не превышает нескольких суток, при условии патрулирования на малых скоростях. Движение в подводном положении на максимальной скорости (20-25 узлов) разряжает батарею за 2-3 часа. Поэтому мировой рынок подводных лодок испытывает все возрастающую потребность в неатомных подводных лодках, оснащенных воздухонезависимыми энергоустановками, способными повысить важнейшее качество подводной лодки – скрытность – путем увеличения времени пребывания в подводном положении.
Эта задача может быть решена путем создания воздухонезависимых энергоустановок на основе электрохимических генераторов (ЭХГ), где топливом является водород, а окислителем – кислород. Существуют различные варианты систем хранения водорода на борту, однако эту проблему до сих пор нельзя назвать решенной. К наиболее известным способам хранения водорода относятся: хранение газообразного водорода в баллонах под давлением, криогенное, в инкапсулированном состоянии в микросферах, в гидридах интерметаллических соединений, в нанотубуленах. Общей особенностью для всех вышеперечисленных способов является необходимость заправки системы хранения значительным количеством водорода, необходимым для работы корабельной энергоустановки на требуемых режимах, для поддержания минимального давления в системе и компенсации диффузионных потерь. В этом случае всегда существует определенный риск возникновения на борту чрезвычайной ситуации.
Такой опасности можно избежать, если получать водород только в количестве, соответствующем текущей секундной потребности электрохимического генератора. Получать водород на борту можно гидролизом металлов, гидролизом гидридов металлов (в частности, боргидрида натрия), риформингом углеводородного топлива и т.д.
Таким образом, при проектировании системы хранения или генерации водорода (СХГВ) неизбежно возникает проблема выбора. Предпочтение тому или иному типу СХГВ может быть отдано по соображениям взрывопожаробезопасности, экономической целесообразности, технологичности конструкции, объемным характеристикам системы, исходя из возможностей отечественной промышленности и т.п., так что прежде собственно процесса проектирования необходимо выбрать оптимальный по некоему критерию вариант, т.е. сформулировать и решить задачу оптимизации.
Вместе с тем, анализ источников и состояние современных разработок в области создания СХГВ для ЭУ с ЭХГ свидетельствуют, что при проектировании СХГВ экономическая составляющая зачастую учитывается в последнюю очередь, пути достижения минимума затрат и влияние технических параметров системы на стоимость эксплуатации не рассматриваются.
Поэтому при выборе критерия оптимизации (целевой функции) необходимо обратить внимание на возрастающую роль стоимости проектируемого изделия при принятии Заказчиком решения о создании того или иного технического средства. Особенно четко проблема оптимизации затрат на создание и эксплуатацию подводной техники проявляется в период экономического кризиса при пересмотре финансирования по государственному оборонному заказу (ГОЗ), а также в контексте конкурентной борьбы на непрерывно растущем международном рынке НАПЛ.
Цель работы – разработка метода оптимизации СХГВ по критерию наименьших полных (капитальных и эксплуатационных) затрат.
Объектом исследования являются системы хранения водорода в баллонах под давлением, в микросферах, в кристаллических решетках интерметаллических соединений, а также системы получения водорода на борту гидролизом алюминия и боргидрида натрия.
Предмет исследования Математические модели функционирования СХГВ и методы условной оптимизации функции нескольких переменных.
Задачи исследования
– анализ основных возможных вариантов получения и хранения водорода на борту подводной лодки;
– выбор типов СХГВ, производство которых возможно в современных условиях в России;
– определение зависимости критерия оптимизации от параметров системы и граничных условий для выбранных вариантов СХГВ;
– выбор метода оптимизации;
– разработка алгоритма оптимизационного исследования;
– выполнение численного эксперимента по разработанному алгоритму для обоснования правильности полученной модели и исследования влияния значащих факторов на результаты оптимизации.
Научную новизну работы составляют:
– анализ ситуации в химической и металлургической промышленности на предмет диапазона цен на исходные материалы и реагенты;
– метод оценки экономических показателей СХГВ;
– уравнения, описывающие влияние технических параметров СХГВ на затраты;
– математическая модель оптимизационного исследования на основе квазиньютоновского метода с помощью программы MATLAB 6.5.
– методика расчета затрат на создание и эксплуатацию пяти различных СХГВ для НАПЛ с ЭХГ.
Методы исследований. В основу работы положены расчетные исследования на ЭВМ в программной среде, позволяющей находить решение оптимизационных задач в случае многопараметрической оптимизации нелинейных функций с нелинейными ограничениями в виде равенств и неравенств. Для оптимизации использован градиентный квазиньютоновский метод поиска точки минимума, ограничения учитываются введением функции Лагранжа.
Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечиваются
использованием апробированных практикой методов исследования, программ от ведущих мировых производителей программного обеспечения, сравнением полученных результатов с результатами проектирования в конструкторских бюро, патентными исследованиями и материалами международных конференций.
Практическая значимость работы
- полученная в диссертации методика позволяет производить оценку любой СХГВ по критерию наименьших полных затрат, что может быть использовано как в разработке технико-экономического обоснования любого проекта НАПЛ с ЭХГ в целом так и для сравнения нескольких вариантов СХГВ с последующим выбором оптимального;
- разработанная методика может быть использована в процессе проектирования надводных кораблей, автомобилей, при создании любых образцов гражданской техники с энергетическими установками на основе ЭХГ;
- созданная методика не зависит от типа ЭХГ, требований к чистоте водорода, ситуации на рынке используемых материалов и реагентов.
Личный вклад автора.
При непосредственном участии автора проводились: постановка задачи исследования, разработка математических моделей СХГВ, выполнение расчетных исследований и анализ их результатов.
Апробация работы.
Результаты работы апробированы на ряде научно-технических конференций:
5-я международная научно-практическая конференция «Достижения ученых XXI века», Тамбов, 20 июля 2010, 7-я международная научно-практическая конференция «Наука на рубеже тысячелетий», Тамбов, 29-30 сентября 2010, 5-я международная научно-практическая конференция «Наука и современность – 2010», Новосибирск, 4 октября 2010. По результатам докладов опубликованы четыре статьи в сборниках конференций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ. Из перечисленных работ 5 выполнено в личном авторстве. Доля автора в остальных составляет от 33 до 50%. В изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК РФ, опубликованы 2 статьи, одна из которых выполнена в личном авторстве, доля автора в другой составляет 50%.
На защиту выносятся
-методики получения уравнений и неравенств, содержащих ограничения областей допустимых значений переменных;
-модель оптимизационного исследования;
-методики и алгоритмы оптимизации на ЭВМ;
-результаты численного эксперимента.
Структура и объем работы.
Введение, 5 глав, Заключение, Список литературы – 77 наименований. Общий объем 204 стр. с рисунками и Приложением – распечаткой программ.
