Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ объекта и предмета исследования, разработка логической схемы и постановка задач автоматизированного анализа и синтеза систем газоснабжения 13
1.1. Назначение, состав и основные требования систем газоснабжения ракетно-космических комплексов 13
1.2. Анализ и формализация процесса разработки систем газоснабжения. Требования к математическому и информационному обеспечению 17
1.3.Анализ уровня автоматизации разработки СГС и их элементов. Постановка цели и задач исследования 24
1.4. Структура объектно-ориентированной системы анализа и синтеза систем газоснабжения ракетных комплексов 30
1.5. Выводы 32
ГЛАВА 2. Разработка математического обеспечения процедур анализа и синтеза систем газоснабжения 34
2.1. Предварительные замечания 34
2.2. Особенности математического описания функционирования СГС. Базовые уравнения состояния и термодинамические зависимости 35
2.3. Математическое обеспечение для расчета установившегося течения газа в линиях питания СГС 41
2.4. Математическое обеспечение для расчета массового расхода газа через сужающее устройство 51
2.5. Математическое обеспечение для расчета процессов в газовых емкостях... 58
2.5.1. Расчетная схема газовой емкости 58
2.5.2. Изотермические модели 59
2.5.3. Адиабатические модели 60
2.5.4. Модели с учетом теплообмена с окружающей средой 60
2.6. Анализ областей применимости математических моделей различной степени детализации 61
2.6.1. Учет коэффициента сжимаемости газа 62
2.6.2. Расход газа через сужающее отверстие 64
2.6.3. Течение газа по трубопроводу 66
2.7. Выводы 68
ГЛАВА 3. Разработка автоматизированной системы и методики анализа и синтеза систем газоснабжения 70
3.1. Предварительные замечания 70
3.2. Структура автоматизированной системы анализа и проектирования СГС... 71
3.2.1. Подсистема проектирования СГС 73
3.2.2. Подсистема анализа СГС 74
3.3. Методическое и информационное обеспечение процесса анализа и синтеза систем газоснабжения 81
3.3.1. Методика автоматизированного анализа и синтеза систем газоснабжения 81
3.3.2. Методика формирования структурных схем линий питания СГС 91
3.3.3. Методика формирования принципиальных схем систем газоснабжения... 97
3.3.4. Методика расчета гидравлических сопротивлений систем с учетом взаимного влияния элементов 99
3.3.5. Расчет параметров технологической части блоков и стоек 103
3.4. Общая методика использования объектно-ориентированной системы анализа и синтеза систем газоснабжения 104
3.5. Выводы 109
ГЛАВА 4. Пример практического применения объектно-ориентированной системы анализа и синтеза СГС 110
4.1. Предварительные замечания ПО
4.2. Исходные данные 110
4.3. Формирование структурной схемы СГС и расчет параметров 112
4.3.1. Определение основных параметров подсистемы высокого давления. 112
4 4.3.2. Определение основных параметров подсистемы низкого давления 115
4.4. Уточнение характеристик линий питания высокого давления 117
4.4.1. Формирование принципиальной схемы стойки выдачи 117
4.4.2. Уточненный анализ процесса выдачи газа из источника питания 124
4.4.3. Уточненный расчет линий питания 127
4.5. Расчет процесса заправки источника питания 128
4.5.1. Исходные данные для расчета заправки источника питания 128
4.5.2. Проведение расчета процесса заправки источника питания 127
4.6. Теплогидравлический расчет линии высокого давления 131
4.7. Выводы 134
Заключение 135
Список литературы 137
Приложение 1 148
- Назначение, состав и основные требования систем газоснабжения ракетно-космических комплексов
- Особенности математического описания функционирования СГС. Базовые уравнения состояния и термодинамические зависимости
- Методика автоматизированного анализа и синтеза систем газоснабжения
- Определение основных параметров подсистемы высокого давления.
Введение к работе
Объектом исследований, проведенных в диссертационной работе, являются системы газоснабжения ракетно-космических комплексов (СГС РКК). Они представляют собой совокупность взаимосвязанных агрегатов, устройств и приборов, предназначенных для приема сжатых газов от средств заправки, их хранения и выдачи потребителям стартового комплекса с заданными параметрами (давление, температура, расход, масса газа).
СГС являются специфическим классом систем газоавтоматики, отличающимся от промышленных СГС [72] большой номенклатурой рабочих тел, широким диапазоном их термодинамических параметров (давления до 40 МПа, температуры ±200 С). Поэтому при их анализе и проектировании зачастую необходимо учитывать свойства реального газа и теплообмен.
Газобаллонные источники питания СГС включают до тысячи баллонов объемом 0,5 м , то есть являются весьма энергоемкими. Высокие требования по надежности обусловили специфику их структур: это древовидные линии питания (ЛП) от ресиверов источника питания к многочисленным и различным по своим требованиям потребителям (до 50 штук). В ЛП установлено большое количество изделий арматуры различного назначения (до нескольких тысяч), объединенных в типовые блоки, колонки, стойки. Подобные структуры обеспечивают как высокую надежность, так и возможность быстрой идентификации и ликвидации отказов.
Таким образом, СГС являются сложными техническими объектами, разработка которых требует значительных затрат времени и других ресурсов. В современных условиях создание подобных систем на высоком техническом уровне, в короткие сроки, с заданными показателями качества невозможно без автоматизации и информационной интеграции всех этапов их разработки, т. е. применения современных информационных технологий.
Анализ существующих программных продуктов, ориентированных на разработку СГС показал, что они не могут обеспечить в полной мере реше- ниє задач анализа и синтеза систем газоснабжения ракетно-космических комплексов в силу их специфики.
Анализ литературы в области проектирования СГС показал, что накоплен большой теоретический и практический опыт их разработки [4, 9-12], имеется теоретический задел по комплексному учету свойств реального газа с использованием соответствующих основ термодинамики [12, 19, 73-76]. На их базе разработан ряд программных средств для анализа и проектирования СГС [63-64]. Однако данное программное обеспечение устарело, оно предназначалось для решения частных задач и не обеспечивало информационной интеграции. Следовательно, уровень автоматизации проектирования СГС РКК следует считать не соответствующим требованиям современных информационных технологий.
Поэтому научно-техническая задача, заключающаяся в создании объектно-ориентированной системы анализа и синтеза СГС РКК, обеспечивающей автоматизацию и информационную интеграцию процесса разработки систем газоснабжения в составе ракетно-космического комплекса, является актуальной.
Цель диссертационной работы заключается в повышении эффективности процесса разработки и технического уровня создаваемых систем газоснабжения ракетно-космических комплексов за счет создания и внедрения объектно-ориентированной системы автоматизированного анализа и синтеза СГС, базирующейся на соответствующих автоматизированных процедурах анализа и синтеза основных составных частей комплекса.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи.
Формализация и алгоритмизация процесса анализа и синтеза СГС в процессе их создания.
Разработка структуры автоматизированной системы (АС) анализа и проектирования СГС.
Разработка математического обеспечения процесса автоматизированного анализа и синтеза СГС РКК.
Анализ достоверности и определение областей применимости математических моделей различной степени детализации.
Разработка методики автоматизированного анализа и синтеза СГС.
Разработка программного и информационного обеспечения создаваемой объектно-ориентированной системы.
Внедрение результатов работы в практику проектирования предприятий и учебный процесс вузов.
При выполнении работы использованы теоретико-экспериментальные методы, основными из которых являются: основы системного анализа, САПР и современных информационных технологий; теоретические положения механики, термодинамики, теплофизики, теплообмена и газовой динамики; методы объектно-ориентированного программирования, вычислительной математики, вычислительного и физического экспериментов.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Разработана многоуровневая система математических моделей (ММ) процессов в элементах СГС, отличающаяся единством используемых уравнений состояния, высокой степенью общности и детализации уровней.
Обоснована достоверность ММ, входящих в систему, сформированы критерии и методические рекомендации по областям их применимости, что позволяет пользователю выбрать рациональную модель для решения конкретной задачи в процессе анализа и синтеза создаваемой системы.
Предложена структурно-логическая схема автоматизированной системы, отличающейся тем, что она обеспечивает решение разнообразных задач анализа и синтеза проектных решений систем газоснабжения ракетно-космических комплексов на основе системного математического обеспечения в рамках единой информационной технологии.
Разработан интерактивный алгоритм укрупненного проектирования систем газоснабжения, отличающийся возможностью минимизации базовых параметров трубопроводов линий питания, а также высокой точностью
8 расчета параметров источника питания, что позволяет оптимизировать запасы газа в системе и уменьшить массогабаритные характеристики систем.
Разработана методика автоматизированного анализа и синтеза СГС, которая позволяет оперативно и целенаправленно решать задачи анализа и синтеза систем газоснабжения и их элементов, повышая эффективность процесса разработки и технический уровень создаваемых систем.
Разработана методика расчета гидравлических сопротивлений изделий арматуры, блоков и стоек с учетом взаимного влияния сопротивлений их элементов, которая позволяет обеспечить пополняемость информационной базы данных для расчетов СГС.
Предложен алгоритм расчета расхода реального газа через дросселирующее отверстие, практически исключающий итерации при поиске критических параметров газа.
Практическая полезность работы состоит в улучшении характеристик вновь создаваемых систем газоснабжения ракетно-космических комплексов, сокращении сроков их разработки. Самостоятельное значение имеет предложенная методика расчета гидравлических сопротивлений изделий пневмоавтоматики различного вида с учетом взаимного влияния сопротивления их элементов, позволяющая наполнять информационный массив данных системы достоверной информацией об элементной базе системы.
Полученные в диссертации результаты исследований в виде методики анализа и синтеза систем газоснабжения приняты и внедрены в КБ «Арматура» - филиале ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, а также в учебный процесс по дисциплинам «Проектирование гидропневмосистем ракетно-космических комплексов», «Конструкции гидропневмосистем ракетно-космических комплексов» кафедры «Гидропривод и гидропнево-мавтоматика» ГОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева».
9 Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались в период с 2005 по 2010 г. на научно-технических семинарах кафедры «Гидропривод и гидропневомавтоматика» Ковровской государственной технологической академии им. В.А. Дегтярева, а также на следующих конференциях: V Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике», Оренбург 2006;
II Научно-техническая конференция аспирантов и молодых ученых «Вооружение, технология, безопасность, управление», Ковров 2007; XIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск 2007;
III Научно-техническая конференция аспирантов и молодых ученых «Вооружение, технология, безопасность, управление», Ковров 2008;
Международная научно-техническая конференция «Современные информационные технологии — 2008», Пенза 2008.
IV Научно-техническая конференция аспирантов и молодых ученых с международным участием «Вооружение, технология, безопасность, управление», Ковров 2009;
II Всероссийская межвузовская научная конференция «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России», Муром, 2010.
Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 11 работ, в том числе 3 свидетельства о государственной регистрации разработки в отраслевом фонде алгоритмов и программ и 2 статьи в изданиях по перечню ВАК.
Материал диссертации изложен в следующей последовательности.
В первой главе, на основе анализа особенностей СГС РКК, процесса их разработки, современного уровня его автоматизации и рынка автоматизиро-
10 ванных систем, обоснована необходимость создания специализированной объектно-ориентированной системы анализа и синтеза СГС, важнейшими составными частями которой будут являться математическое и алгоритмическое обеспечение, методики автоматизированного анализа и синтеза СГС и базирующаяся на них автоматизированная система.
Анализ существующего процесса проектирования систем газоснабжения позволил выделить в нем относительно самостоятельный этап формирования проектных решений и формализовать его, то есть представить его в форме последовательных процедур анализа и синтеза, используемых в ходе автоматизированного проектирования СГС.
На базе детального анализа процесса разработки, с учетом обзора литературы по автоматизации проектирования СГС, сформулированы основные требования к отдельным видам обеспечения объектно-ориентированной системы, общие требования к ней. На этой основе в первой главе сформирована общая структура объектно-ориентированной системы анализа и синтеза систем газоснабжения ракетно-космических комплексов.
Вторая глава посвящена разработке единого в своей основе математического обеспечения для решения разнообразных задач, возникающих в процессе анализа и синтеза СГС, их подсистем и компонентов.
На начальном этапе решен вопрос о базовых уравнениях состояния. Принято решение использовать классическое уравнение Клапейрона-Менделеева (идеальный газ) и два уравнения реального газа: Редлиха-Квонга и полиномиальное. Использование указанных уравнений состояния при построении математического обеспечения объектно-ориентированной системы образует надежную основу для решения задач анализа и синтеза в широком диапазоне изменения параметров газа.
Представлено математическое обеспечение для анализа процессов в основных элементах СГС. В качестве базовой предложена обобщенная математическая модель установившегося течения газа в трубопроводах, базирующаяся на основных уравнениях газовой динамики в предположении уравне- ния состояния газа различного вида, справедливая для дозвуковых скоростей, отражающая гидравлические потери и теплообмен. Из нее последовательным упрощением получены ММ меньшей степени детализации. Наиболее простыми являются классические формулы Дарси-Вейсбаха для гидравлических расчетов и Шухова для тепловых расчетов.
Приведен общий алгоритм расчета расхода реального газа через дросселирующее отверстие, отличающийся отсутствием многочисленных итераций, а также его реализация для выбранных уравнений состояния (для идеального газа это известная формула Сен-Венана и Вентцеля).
Рассмотрена система ММ для описания динамических процессов в газовых емкостях различного назначения. В основе систематизации также лежат базовые уравнения состояния газа и способы учета теплообмена. Наиболее простые ММ являются известными аналитическими зависимостями для расчета процессов наполнения и опорожнения емкостей, удобными для ориентировочных расчетов.
Отдельный подраздел главы 2 посвящен обоснованию достоверности предлагаемого к использованию МО и формированию методических рекомендаций и критериев применимости ММ различной степени детализации. Приведены критерии, математические зависимости и графики, позволяющие выбрать рациональную ММ для решения конкретной задачи.
В главе 3 представлено и детально описано методическое обеспечение анализа и синтеза СГС. Дано описание автоматизированной системы анализа и проектирования СГС и ее аналитических подсистем. Описано информационное обеспечение для поддержки работы аналитических подсистем, методическое обеспечение для применения отдельных программных средств. В частности, описана методика расчета гидравлических сопротивлений как изделий арматуры, так и более сложных объектов, отличающаяся учетом взаимного влияния элементарных гидравлических сопротивлений. Приводится общая методика использования объектно-ориентированной системы анализа и синтеза систем газоснабжения.
В главе 4 приведены примеры практического использования объектно-ориентированной системы для решения задач анализа и синтеза применительно к системе газоснабжения 2Г82. Анализ процесса разработки и результатов расчетов показывает, что предлагаемая объектно-ориентированная система позволяет в короткие сроки с высокой точностью решить поставленные задачи, а потому является средством повышения эффективности процесса проектирования и технического уровня СГС.
В заключении изложены основные результаты диссертационной работы, подтверждающие ее завершенность.
В приложениях приведены материалы, имеющие второстепенное значение (зависимости для расчета теплообмена, алгоритмические модели для расчета термодинамических свойств газов, алгоритм укрупненного проектирования СГС, зависимости для расчета гидравлических сопротивлений типовых элементов), акты внедрения и использования основных результатов работы.
Назначение, состав и основные требования систем газоснабжения ракетно-космических комплексов
Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 11 работ, в том числе 3 свидетельства о государственной регистрации разработки в отраслевом фонде алгоритмов и программ и 2 статьи в изданиях по перечню ВАК.
Материал диссертации изложен в следующей последовательности. В первой главе, на основе анализа особенностей СГС РКК, процесса их разработки, современного уровня его автоматизации и рынка автоматизиро 10 ванных систем, обоснована необходимость создания специализированной объектно-ориентированной системы анализа и синтеза СГС, важнейшими составными частями которой будут являться математическое и алгоритмическое обеспечение, методики автоматизированного анализа и синтеза СГС и базирующаяся на них автоматизированная система.
Анализ существующего процесса проектирования систем газоснабжения позволил выделить в нем относительно самостоятельный этап формирования проектных решений и формализовать его, то есть представить его в форме последовательных процедур анализа и синтеза, используемых в ходе автоматизированного проектирования СГС.
На базе детального анализа процесса разработки, с учетом обзора литературы по автоматизации проектирования СГС, сформулированы основные требования к отдельным видам обеспечения объектно-ориентированной системы, общие требования к ней. На этой основе в первой главе сформирована общая структура объектно-ориентированной системы анализа и синтеза систем газоснабжения ракетно-космических комплексов.
Вторая глава посвящена разработке единого в своей основе математического обеспечения для решения разнообразных задач, возникающих в процессе анализа и синтеза СГС, их подсистем и компонентов.
На начальном этапе решен вопрос о базовых уравнениях состояния. Принято решение использовать классическое уравнение Клапейрона-Менделеева (идеальный газ) и два уравнения реального газа: Редлиха-Квонга и полиномиальное. Использование указанных уравнений состояния при построении математического обеспечения объектно-ориентированной системы образует надежную основу для решения задач анализа и синтеза в широком диапазоне изменения параметров газа.
Представлено математическое обеспечение для анализа процессов в основных элементах СГС. В качестве базовой предложена обобщенная математическая модель установившегося течения газа в трубопроводах, базирующаяся на основных уравнениях газовой динамики в предположении уравнения состояния газа различного вида, справедливая для дозвуковых скоростей, отражающая гидравлические потери и теплообмен. Из нее последовательным упрощением получены ММ меньшей степени детализации. Наиболее простыми являются классические формулы Дарси-Вейсбаха для гидравлических расчетов и Шухова для тепловых расчетов.
Приведен общий алгоритм расчета расхода реального газа через дросселирующее отверстие, отличающийся отсутствием многочисленных итераций, а также его реализация для выбранных уравнений состояния (для идеального газа это известная формула Сен-Венана и Вентцеля).
Рассмотрена система ММ для описания динамических процессов в газовых емкостях различного назначения. В основе систематизации также лежат базовые уравнения состояния газа и способы учета теплообмена. Наиболее простые ММ являются известными аналитическими зависимостями для расчета процессов наполнения и опорожнения емкостей, удобными для ориентировочных расчетов.
Отдельный подраздел главы 2 посвящен обоснованию достоверности предлагаемого к использованию МО и формированию методических рекомендаций и критериев применимости ММ различной степени детализации. Приведены критерии, математические зависимости и графики, позволяющие выбрать рациональную ММ для решения конкретной задачи.
В главе 3 представлено и детально описано методическое обеспечение анализа и синтеза СГС. Дано описание автоматизированной системы анализа и проектирования СГС и ее аналитических подсистем. Описано информационное обеспечение для поддержки работы аналитических подсистем, методическое обеспечение для применения отдельных программных средств. В частности, описана методика расчета гидравлических сопротивлений как изделий арматуры, так и более сложных объектов, отличающаяся учетом взаимного влияния элементарных гидравлических сопротивлений. Приводится общая методика использования объектно-ориентированной системы анализа и синтеза систем газоснабжения. В главе 4 приведены примеры практического использования объектно-ориентированной системы для решения задач анализа и синтеза применительно к системе газоснабжения 2Г82. Анализ процесса разработки и результатов расчетов показывает, что предлагаемая объектно-ориентированная система позволяет в короткие сроки с высокой точностью решить поставленные задачи, а потому является средством повышения эффективности процесса проектирования и технического уровня СГС. В заключении изложены основные результаты диссертационной работы, подтверждающие ее завершенность.
В приложениях приведены материалы, имеющие второстепенное значение (зависимости для расчета теплообмена, алгоритмические модели для расчета термодинамических свойств газов, алгоритм укрупненного проектирования СГС, зависимости для расчета гидравлических сопротивлений типовых элементов), акты внедрения и использования основных результатов работы.
Особенности математического описания функционирования СГС. Базовые уравнения состояния и термодинамические зависимости
В данной главе рассмотрена разработка математического обеспечения (МО) процесса проектирования в соответствии с перечнем решаемых задач и общими требованиями к МО, сформулированными в главе 1.
Одним из важных требований к МО является учет свойств реального газа. Поэтому в п. 2.2 рассмотрен вопрос о выборе базовых уравнений состояния и соответствующих им вариантов термодинамики для описания процессов в СГС.
Типовыми расчетами для процесса проектирования являются гидравлические и теплогидравлические расчеты (см. рис. 1.2.). Для их выполнения используются математические модели установившегося течения газа в линиях питания. Применительно к этим расчетам все многообразие элементов ЛП (арматуры, блоков арматуры и трубопроводов) сведено к местным и распределенным гидравлическим сопротивлениям, а для их выполнения разработана система математических моделей различной степени детализации, базирующаяся на соотношениях термодинамики реального газа и основных уравнениях газовой динамики при учете гидравлических и тепловых потерь. Эта система ММ изложена в п. 2.3.
В п. 2.4 рассмотрена типовая задача расчета расхода идеального и реального газа через дроссель при условии адиабатичности течения газа. Для расчета расхода реального газа предложен оригинальный алгоритм расчета, который отличается от прототипов простотой и экономичностью (малыми затратами машинного времени).
Типовыми элементами СГС также являются емкости газобаллонного источника питания. ММ газовой емкости широко используется для описания процессов в полостях приводов, эквивалентных объемах ЛП, воздушных подушках ємкостей с жидкими средами. В п.2.5 сформирована система ММ различной степени детализации для описания процессов в газовых емкостях. Наиболее сложные модели учитывают свойства реального газа и теплообмен, простые ММ представляют собой явные аналитические зависимости.
Разработанная система ММ может быть использована в соответствии с рекомендациями по выбору тех или иных моделей для решения конкретных задач. В п. 2.6 предложены рекомендации по областям применения ММ из их системы, полученные в результате анализа имеющихся экспериментальных данных и численных исследований, проведенных на базе разработанных программ для ЭВМ. 2.2. Особенности математического описания функционирования СГС. Базовые уравнения состояния и термодинамические зависимости Как отмечалось в первой главе, СГС являются специфическим классом систем газоавтоматики, для которых характерны следующие особенности: 1) широкая номенклатура рабочих тел (воздух, азот, кислород; гелий, аргон, ксенон и другие инертные газы; углекислый газ); 2) высокие давления газов (до 40 МПа), температурный диапазон ±200С. Эти особенности, прежде всего, обуславливают необходимость учета свойств реального газа при моделировании процессов в основных подсистемах и элементах СГС — линиях питания и газовых емкостях источника питания. Свойства реального газа должны учитываться комплексно. Для этого необходимо использовать термодинамику реального газа, подчиняющегося конкретному уравнению состояния. Для построения системы математических моделей, применяемых в проектировании СГС выбраны следующие уравнения состояния: Клапейрона-Менделеева (идеальный газ), Редлиха-Квонга и полиномиальное (реальный газ). Это мотивировано тем, что уравнение Клапейрона-Менделеева является классическим и наиболее простым. Оно приемлемо в области низких давлений (до 1 МПа), его целесообразно применять для решения задач многовариантного анализа. Уравнение Редлиха-Квонга, по мнению исследователей, является наиболее точным среди двухпараметрических (см. [83], с.40), используется в практике инженерного анализа и проектирования СГС уже около 30 лет (см. [7]) и представляет собой компромисс между точностью и сложностью. Полиномиальное уравнение состояния является наиболее точным, коэффициенты в полиномах определены для ряда газов [98, 99, 101-107], справочные таблицы по свойствам газов имеют статут Госстандарта. Однако сложность уравнения ограничивает его область применимости относительно простыми задачами (например, расчетом расхода реального газа). Получим термодинамические зависимости для произвольного уравнения состояния газа. Основой для моделирования является не конкретное уравнение состояния газа, а основы термодинамики, подчиняющиеся этому уравнению. Рассмотрим кратко процесс получения термодинамических зависимостей для произвольного уравнения состояния газа. Сделав допущение о форме уравнения состояния газа, из приведенных зависимостей получим основные уравнения термодинамики. Следует отметить, что выводимые термодинамические модели имеют при этом единую форму, особенность которой заключается в том, что реальногазовые эффекты в формулах отражаются поправками к классическим формулам для идеального газа. Их называют изотермическими поправками, поскольку интегралы в расчетных формулах берутся при постоянной температуре. Это существенно облегчает трактовку формул в их взаимной связи: при снижении давления формулы плавно переходят в зависимости для идеального газа. Термодинамические зависимости для различных уравнений состояния газа сведены в табл. 2.1. На основе изложенного математического обеспечения разработано программное средство для расчета термодинамических и теплофизических свойств газов [100], которое использовалось при решении различных задач в данной работе.
Методика автоматизированного анализа и синтеза систем газоснабжения
Подсистема проектирования СГС позволяет в диалоговом режиме работы «проектировщик — система» сформировать начальное приближение облика СГС: структуры линий питания, источника питания, системы заправки и определить ее основные параметры. В основу функционирования подсистемы проектирования положен алгоритм формирования основных параметров СГС. Он детально изложен в Приложении 3 с использованием математических зависимостей и в соответствии с нормативной документацией [81]. Прототипом данного алгоритма является методика формирования основных параметров СГС с использованием алгебраических моделей, приведенная во второй части монографии [12, с. 280-289]. Она базируется на ряде упрощающих допущений, которые не всегда выполняются в реальных условиях, а потому носит приближенный характер, т.е. ориентирована на укрупненное проектирование. Процесс проектирования поддерживается методикой автоматизированного анализа и синтеза, являющейся развитием методики [12] и подробно изложенной в п. 3.5.1. Рассмотрим основные особенности подсистемы проектирования: 1. Проектирование ведется в диалоговом режиме, обладает гибкостью, то есть позволяет остановить процесс, повторить его с любой стадии, документировать работу проектировщика. Кроме того, имеется возможность автоинтерактивного режима работы, когда проектировщик задает исходные данные, а далее только подтверждает предложенный вариант продолжения решения задачи. Итогом работы является спроектированный базовый вариант СГС (первое приближение), характеристики которого далее можно изменять. 2. Используется система математических моделей различной степени детализации, базирующаяся на трех уравнениях состояния рабочего тела. 3. Применяемый алгоритм позволяет оптимизировать (минимизировать) базовые диаметры трубопроводов участков ЛП при заданных ограничениях на скорость движения газа и потери давления. Процедура оптимизации унифицирована для входных и выходных участков ЛП, а также для линий заправки источника питания. Ее применение позволяет уменьшить типоразмер трубопроводов, арматуры, а, следовательно, массогабаритные характеристики и стоимость системы. 4. В разработанной системе, в сравнении с прототипом, более детальному анализу подвергается система заправки: схемы линий заправки формируются аналогично линиям питания, на основе известных характеристик ИП определяется количество средств заправки и время их работы для решения типовых задач (заправка, термостатирование, дозаправка). 5. В применяемом алгоритме реализован анализ древовидных структур ЛП, присоединенных к одному ресиверу или его секции. Обычно каждая ЛП включает входной участок, блок регулирования параметров и выходной участок. Входной и выходной участки включают блок арматуры и трубопровод заданной длины (известен на основе предшествующего анализа). Однако количество входных и выходных участков для одной ЛП может быть задано различным (и разным), что расширяет класс анализируемых структур.
Особенности подсистемы. Подсистема «Анализ СГС» включает ряд автономных программных средств анализа, предназначенных для решения типовых задач и многовариантного анализа применительно к подсистемам, фрагментам и элементам СГС. Они в своей основе имеют единое математическое описание, базирующееся на выбранных ранее уравнениях состояния. Программные модули в основе более простых средств анализа (например, для расчета свойств газа, его расхода), входят в состав более сложных подсистем без изменений. Эта унификация позволяет повысить надежность сложных программных средств, обеспечить возможность быстрого редактирования при совершенствовании математического обеспечения. Средства анализа дополняют друг друга и позволяют решить множество задач, возникающих в процессе проектирования СГС.
Программное средство расчета термодинамических свойств газов ПС «ТДС» предназначено для расчета основных свойств газов (см. табл. 2.1.). На его основе можно провести многовариантный сравнительный анализ точности расчета свойств по термодинамическим зависимостям, отличающимся формой используемого базового уравнения состояния. Результаты выдаются в форме таблиц и графиков. Основной расчетный модуль термодинамических и теплофизических свойств газов [100] широко используется во всех модулях автоматизированной системы.
Программное средство расчета массового расхода газа ПС «Расход газа» предназначено для расчета массового расхода газа через дросселирующее отверстие. Режим течения предполагается адиабатическим, скорость газа перед дросселирующим отверстием равна нулю.
ПС «Расход газа» может быть использовано для многовариантного анализа, для расчета дроссельных шайб и для определения перепада давления на них. Форма представления результатов аналогична ПС «ТДС». Расчетный модуль ПС «Расход газа» входит практически во все программы.
Программное средство анализа установившегося неизотермического течения реального газа в трубопроводе «Газопровод» предназначено для расчета установившегося неизотермического течения реального газа в трубопроводе с дозвуковыми скоростями при учете гидравлических потерь и теплообмена с внешней средой. Его рационально использовать для уточнения характеристик ЛП в области высоких скоростей газа, когда традиционные формулы гидравлики [5, 6, 39, 40] неприемлемы, а также когда имеется необходимость учета теплообмена с внешней средой (криогенные или горя-чегазовые системы, системы с регуляторами температуры газа).
Задача расчета неизотермического течения реального газа по трубопроводу является более сложной, чем две предыдущие. Она базируется на расчетной схеме и системе ММ, включающей дифференциальные уравнения течения газа, термодинамические зависимости для идеального газа и реального газа, критериальные зависимости гидравлики и теории теплообмена, которые приведены в главе 2.
Хотя расчетная схема в основе ПС «Газопровод» является относительно простой, к ней может быть приведена любая линия питания за счет использования эквивалентных значений гидравлического и теплового сопротивления.
Определение основных параметров подсистемы высокого давления.
Формирование блока регулирования. Для расчета блока регулирования используются значения параметров газа у потребителя (давление, его погрешность, требуемый расход), а также результаты формирования выходного участка ЛП.
Предусмотрены различные варианты реализации блока регулирования. Рассмотрим вариант с использованием газового регулятора давления (ГРД). Из базы данных выбирается ГРД, соответствующий требованиям потребителя (род газа, давление, расход, температура). Если поставленным требованиям удовлетворяют несколько ГРД, то ведется их сравнительный анализ в режиме диалога с проектировщиком. Как правило, преимущество имеет ГРД с минимальным перепадом между входным и выходным давлением, поскольку он непосредственно влияет на объем источника питания. На выбор влияют также точность поддержания выходного давления, массогабаритные характеристики ГРД, диаметры штуцеров для подсоединения трубопроводов. 1.3. Формирование входных участков ЛП. Эта процедура унифицирована с процедурой 1.1. Исходными являются параметры газа на входе в блок регулирования, полученные на предыдущем этапе проектирования. Расчет носит циклический характер (по количеству входных участков). В результате расчета определяется такой параметр, как конечное давление в баллонах. Это максимальное из давлений в начале входных участков ЛП, подсоединенных к данному ресиверу. 1.4. Анализ характеристик ЛП. Результаты поверочного расчета всех линий питания для удобства представляются в табличной форме. Для анализа и принятия решений используются не только характеристики СГС, но и дополнительные безразмерные показатели эффективности. Таковыми показателями являются: относительные потери давления в ЛП, относительная масса газа на заполнение ЛП (по отношению к выдаваемой), относительное конечное давление в баллонах (по отношению к начальному), относительная выдаваемая масса газа (по отношению к начальной). Показатели эффективности отражают степень совершенства СГС. На их основе сформирован обобщающий аддитивный показатель эффективности, который используется проектировщиком для принятия решений. На основе анализа таблицы результатов расчета всех линий питания проектировщик принимает решение о необходимости редактирования структуры ЛП (объединения или разделения участков линий, замены регулятора и т.п.) или ее параметров. Добившись приемлемого результата, он переходит к следующему этапу. Этап 2. Формирование структуры и расчет параметров источника питания. В процессе расчета ИП определяются массы газов на заполнение линий питания, на утечки, на выдачу газа потребителям. По суммарной массе определяется объем ресивера ИП, то есть потребное количество баллонов заданного типоразмера. Пример результатов расчета ресивера показан на рис. 3.8. Процесс расчета источника питания носит итерационный характер по нескольким причинам: Во-первых, необходимо учесть влияние конечной температуры газа в баллонах на конечную массу газа, а, следовательно, на объем ресивера. Уменьшение давления в процессе выдачи газа приводит к снижению конечной температуры, увеличению конечной плотности и потребного объема ресивера. Поскольку точное значение конечной температуры в баллонах не всегда известно, то рекомендуются следующие варианты ее определения: 1) считать процесс выдачи газа изотермическим; 2) принять конечную температуру равной минимальной температуре в помещении ресивера; 3) определить конечную температуру по формулам адиабатического расширения газа, варьируя показатель адиабаты. Во-вторых, следует отметить противоречивое влияние увеличения базового диаметра трубопроводов (например, входных участков ЛП) на объем ИП. Увеличение диаметра уменьшает потери давления, а потому и конечное давление в баллонах ИП и его потребный объем. С другой стороны, увеличивается масса газа на заполнение магистралей, что увеличивает объем ИП. Следовательно, в ряде случаев, возможна оптимизация (минимизация) объема ресивера.
Математическая постановка этой задачи более сложна, чем минимизация диаметров трубопроводов, однако ее решение возможно путем многовариантного анализа влияния величины относительных потерь давления в ЛП на объем ресивера.
По окончании проектного расчета выполняется поверочный расчет, при котором определяется давление в ресивере в процессе выдачи газа по суммарной циклограмме. Он позволяет сравнить располагаемые и желаемые давления, а также оценить запасы расчета в любой момент времени. Ведь не исключается ситуация, когда в середине цикла выдачи по одной из ЛП необходимо выдать большой расход газа, что увеличивает потребное давление в баллонах. Если имеется малый запас по давлению (см. рис. 3.9, 3.10, как пример подобной ситуации) или потребное давление не обеспечивается, целесообразно увеличить давление в баллонах или объем секции ресивера.
Из рисунков 3.9 и 3.10 видно, что по циклограмме давлений в конце процесса выдачи необходимо обеспечить у потребителя давление 15 МПа. Однако в середине процесса работы один из потребителей требует давления 22 МПа и значительного расхода газа (для проведения операции заправки бортовых баллонов). В момент времени t = 400 с циклограмма желаемого давления едва не пересекает график располагаемого давления, запасы давления в этот момент минимальны.
