Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Повышение потребления энергии на душу населения с одновременным ростом численности населения земного шара приводит к увеличению производства энергии и ставит перед человечеством глобальные проблемы теплового загрязнения окружающей среды, с одной стороны, и истощения разведанных запасов топлива, с другой. В связи с этим особую актуальность приобретает задача повышения эффективности систем генерации и использования энергии в энергоемких отраслях промышленности: химической, энергетической и др.
Теплообменное оборудование является важной составной частью большинства энергоемких производств. Рациональная организация процессов тепломассообмена во многом определяет ресурсосбережение и экологическую безопасность этих производств. Стремление наиболее полно использовать располагаемую тепловую энергию приводит к созданию тепломассообменных устройств с весьма сложной конфигурацией потоков теплоносителей как внутри этих устройств, так и в объединяющих их схемах. Кроме того во многих случаях в теплоносителях возможны фазовые переходы, при появлении которых меняются качественные и количественные характеристики тепломассообмена. В подобных устройствах и схемах появляется сильное взаимное влияние отдельных стадий процесса или аппаратов друг на друга, без точного учета которого вновь проектируемый аппарат или схема могут оказаться низкоэффективными. В этих условиях, особенно для энергоемких отраслей промышленности, задача разработки единого подхода к моделированию и оптимизации сложных систем тепломассообменных аппаратов является весьма актуальной.
Современным инструментом для исследования и совершенствования сложных систем, включающих элементы разной физической природы, является системный анализ. Применение методологии системного анализа для описания и оптимизации сложных теплооб-менных систем при производстве и потреблении электрической и тепловой энергии является актуальной научной и практической задачей, которой и посвящено настоящее исследование.
Актуальность темы работы подтверждается также ее выполнением в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1-А118 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и международных договоров о научно-техническом сотрудничестве с Ченстоховским политехническим университетом (Польша) и Горным институтом г. Алби (Франция).
Целью работы является развитие теоретических основ и принципов системного подхода к решению проблемы повышения эффективности тепломассообменных процессов в технических системах химических и энергетических комплексов со сложной конфигурацией потоков.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
проведение системного анализа тепломассообменных установок со сложной конфигурацией потоков теплоносителей с учетом возможности в них фазовых переходов, работающих в стационарных и переходных режимах;
разработка моделей и методов расчета процессов тепломассопереноса в локальных подсистемах поверхностных и смешивающих подогревателей с учетом массообмена и внутренних источников массы, обусловленных химическими реакциями, позволяющих их интеграцию в синтезируемую модель системы с варьируемым уровнем декомпозиции.
Научная новизна
1. С позиции системного подхода развиты теоретические основы синтеза математических моделей тепломассообменных аппаратов и их систем со сложной конфигурацией по-
токов, позволяющих вводить различный уровень декомпозиции моделируемых систем и процессов.
-
Предложена принципиально новая матричная модель для расчета характеристик систем поверхностных теплообменников со сложной конфигурацией потоков теплоносителей, учитывающая возможность фазовых переходов в теплоносителях, в которой модели подсистем (элементов) представлены конечным числом предложенных дифференциальных описаний.
-
Предложенная модель обобщена на случай расчета характеристик многоступенчатых смешивающих тепломассообменных аппаратов струйного и барботажного типов, на основе которой разработана модель деаэрации воды в многоступенчатых деаэраторах струйного и струйно-барботажного типов с учетом внутренних источников массы, обусловленных химическими реакциями.
-
Разработана система кодификации структуры систем тепломассообменных аппаратов, которая однозначно ставит в соответствие данной структуре ее код, а по коду синтезирует разработанную матричную модель системы, позволяющую рассчитать ее характеристики и оценить эффективность. С использованием предложенной системы кодификации разработан генетический (эволюционный) алгоритм структурной оптимизации сложных систем тепломассообменного оборудования.
-
Разработан алгоритмический подход к моделированию переходных процессов в тепломассообменных аппаратах и их системах со сложной конфигурацией потоков, использующий математический аппарат теории цепей Маркова, позволяющий описывать их характеристики в нестационарных режимах работы и позволяющий достаточно просто использовать эти модели в системах автоматического регулирования.
-
Выполнены экспериментальные исследования тепломассообменных процессов при струйной и барботажной деаэрации, восполняющие пробелы эмпирического обеспечения разработанной модели, и их критериальная обработка. На их основе выполнена параметрическая идентификация и проведена проверка адекватности предложенных моделей процессов тепло- и массопереноса в ряде промышленных аппаратов и расширены возможности эмпирического обеспечения методов их расчета.
-
По ряду выбранных целевых функций сформулированы и решены задачи многопараметрической и многокритериальной оптимизации систем тепломассообменных аппаратов со сложной конфигурацией потоков теплоносителей и показана нетривиальность расчетных рекомендаций по совершенствованию режимно-конструктивных параметров тепло-массобменного оборудования.
-
Поставлена и решена с использованием алгоритма Беллмана нелинейная задача об оптимальном по расходу топлива распределении выработки тепловой и электрической энергии на совокупности турбоагрегатов с различными характеристиками при меняющейся потребности в тепловой и электрической энергии с учетом сложных технологических ограничений на область допустимых значений управляющих параметров.
Практическая ценность
-
Проведенные экспериментальные исследования позволили предложить расчетные зависимости для коэффициентов тепло- и массопередачи при струйной и барботажной деаэрации, которые положены в основу эмпирического обеспечения предложенного метода расчета для ряда промышленных аппаратов.
-
На основе разработанной модели и проведенной идентификации предложен инженерный метод расчета систем тепломассообменных аппаратов поверхностного и смешивающего типов со сложной конфигурацией потоков, базирующийся на единой алгоритмической основе. Разработанный метод расчёта даёт более широкую и достоверную информацию о характеристиках сложных технических систем, что позволяет вырабатывать надеж-
ные рекомендации по повышению эффективности их работы и снижению риска экологического ущерба от теплового загрязнения окружающей среды.
-
На основе предложенных методов расчета разработаны алгоритмы и пакеты прикладных программ для расчета тепломассообменных систем со сложной конфигурацией потоков. Разработанные подходы матричной формализации положены в основу расчета энергетических характеристик оборудования и использованы при создании программного комплекса "ТЭС ЭКСПЕРТ", внедрение которого только на Владимирской ТЭЦ позволило сэкономить 14 тыс. Гкал/год тепловой энергии за счет выбора оптимального состава и режима работы оборудования.
-
Разработанные математические модели, методы расчета, их программная реализация, решения на их основе проектных и конструкторских задач внедрены в Ченстоховском политехническом университете (Польша), на Ковровском заводе котельного и сушильного оборудования «СОЮЗ», на Костромской ГРЭС (ОАО «ОГК-3»), Владимирской и Дзержинской ТЭЦ (ОАО «ТГК-6»), ОАО «Северсталь», МУП «Теплоэнергия» г. Череповца. Автор защищает
-
Развитие теоретических основ и принципов системного подхода к синтезу математических моделей массообменных аппаратов и их систем со сложной конфигурацией потоков, позволяющих вводить различный уровень декомпозиции моделируемых подсистем и процессов.
-
Новые матричные модели для расчета характеристик систем поверхностных и смешивающих теплообменников струйного и барботажного типа, учитывающие возможности фазовых переходов в теплоносителях и универсальный алгоритм компьютерного синтеза этих моделей из моделей отдельных подсистем и процессов.
-
Матричную модель деаэрации воды в многоступенчатых деаэраторах струйного и струйно-барботажного типов с учетом внутренних источников массы, обусловленных химическими реакциями.
-
Единый алгоритмический подход к моделированию переходных процессов в тепломассообменных аппаратах и их системах, основанный на математическом аппарате теории цепей Маркова и позволяющий описывать их характеристики в нестационарных режимах работы и инкорпорировать эти модели в системы автоматического регулирования.
-
Результаты экспериментальных исследований и выполненной на их основе параметрической идентификации предложенных моделей для ряда промышленных тепломассообменных установок.
-
Систему кодификации, которая по заданной структуре системы однозначно формирует ее код, а по заданному коду осуществляет компьютерный синтез математической модели системы, и которая позволяет эффективно осуществлять выбор оптимальных структур с использованием эволюционных (генетических) алгоритмов.
-
Результаты решения расчетных и оптимизационных задач по ряду выбранных целевых функций режимно-структурных параметров тепломассобменного оборудования, в том числе, решения с использованием алгоритма Беллмана нелинейной задачи об оптимальном по расходу топлива распределении выработки тепловой и электрической энергии на совокупности турбоагрегатов с различными характеристиками при меняющейся потребности в тепловой и электрической энергии с учетом сложных технологических ограничений на область допустимых значений управляемых параметров.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях: VI Miedzynarodowa konferencja naukowa „Nowe technologie і osiagniecie w Metalurgii і inzynierii Materialowej", Politechnika Czestochowska (Польша 2005), 34і International Conferense of Slovak of Chemical Engineering (Словакия, 2007), Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-2001, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007), Международной научно-технической конфе-
ренции «Энерго- ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства» (Иваново 2004, 2007), Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Бенардосовские чтения) (Иваново 2003, 2006, 2007), Всесоюзной научно-технической конференции. "Химические реакторы "(Чимкент, 1983). Всесоюзной научно-технической конференции. "Физико-химические проблемы материаловедения и новые технологии" (Белгород, 1991).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 51 печатной работе, в том числе в 15 изданиях, предусмотренных перечнем ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников (275 наименований работ) и приложений. Работа содержит 308 страниц, в том числе 294 страниц основного текста, 2 приложения на 14 страницах.
