Введение к работе
Актуальность темы. Одним из путей повышения эффективности работы оборудования паротурбинных установок (ПТУ) ТЭС является широкое использование новых информационных технологий на всех этапах их жизненного цикла (ЖЦ). Наиболее ответственный этап ЖЦ оборудования ПТУ - этап проектирования конструкции, на котором определяются не только технические характеристики и конструктивные решения, но и закладывается фундамент для их эффективного и надежного функционирования в процессе эксплуатации.
Совершенствование проектирования и эксплуатации оборудования ПТУ в современных условиях неразрывно связано с применением информационных технологий, которые позволяют справиться с многократным увеличением объема информации, используемой на этапах проектирования, изготовления, эксплуатации и обслуживания. Требования повышения качества оборудования и его конкурентоспособности обуславливают необходимость объединения информационных технологий в интегрированные системы, обеспечивающие сквозную поддержку оборудования ПТУ на всех этапах его ЖЦ.
В настоящей работе теоретические и прикладные исследования по расчету и проектированию основного и вспомогательного оборудования ПТУ, а также его мониторингу и диагностике технического состояния основываются на применении современных технологий информационной поддержки изделий (ИПИ-технологий).
Работа соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ (энергетика и энергосбережение), а также критическим технологиям РФ (информационная интеграция и системная поддержка жизненного цикла продукции (CALS-технологии, САЕ, CAD, САМ технологии) из перечня, утвержденного президентом РФ 30.03.2002.
Объектом исследования и разработки в рамках представляемой работы являются ПТУ различных типов, их основное и вспомогательное оборудование. Совершенствование проектирования оборудования паротурбинных установок с применением современных информационных технологий выполнено на основе разработанной концепции информационной поддержки оборудования ПТУ на всех этапах их жизненного цикла (ЖЦ). Система информационной поддержки ЖЦ оборудования
ПТУ реализована при проектировании компоновки всей ПТУ, а также проектирования теплообменных аппаратов систем подогрева сетевой воды и маслоснабжения ПТУ. Совершенствование эксплуатации оборудования паротурбинных установок с применением современных информационных технологий выполнено на уровне их технологических подсистем (конденсаторов, ПСГ, ПНД, ПСВ, маслоохладителей и
др.).
Целью исследования является совершенствование существующих и разработка новых технологий расчета и проектирования оборудования ПТУ; организация информационной поддержки эксплуатации оборудования ПТУ с применением современных информационных технологий, обеспечивающих повышение его конкурентоспособности.
Задачи исследования
Разработка концепции системы информационной поддержки оборудования ПТУ на основных этапах его жизненного цикла - проектирования и эксплуатации, а также стратегии выполнения работ при реализации таких систем с применением современных информационных технологий.
Разработка и исследования методов количественной оценки путей реинжиниринга бизнес-процессов при совершенствовании проектировании и эксплуатации оборудования ПТУ.
Совершенствование методов расчета и проектирования оборудования ПТУ на основе теоретических, экспериментальных и прикладных исследований проектных процедур, имеющих резервы для повышения эффективности, качества проектирования, повышения производительности труда.
Разработка, апробация и реализация усовершенствованных систем проектирования оборудования ПТУ с применением современных информационных технологий.
Апробация и реализация модулей системы мониторинга и диагностики технического состояния оборудования ПТУ на этапе эксплуатации в составе различных информационных программных комплексов ТЭС.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые применительно к оборудованию и ПТУ в целом разработана концептуальная модель организации информационной поддержки основных этапов их ЖЦ в соответствии с ИПИ-технологией, которая позволяет максимально оперативно и точно реагировать на изменяющиеся внешние условия.
Предложена и апробирована стратегия выполнения исследовательских работ при совершенствовании проектирования и эксплуатации оборудования ПТУ.
Разработана и исследована методика количественной оценки путей реинжиниринга бизнес-процессов при проектировании и эксплуатации оборудования ПТУ, что позволяет сделать предварительную оценку эффективности предлагаемых путей реинжиниринга до его начала (на этапе функционального моделирования основных проектных процедур).
Разработана система классификаторов, представляющая собой интеграцию классификаторов, принятых в качестве стандарта в США и Европейском Союзе, а также классификаторов, ранее использовавшихся в России и модернизированных автором. Разработанная система классификаторов позволяет интегрировать информацию, получаемую в процессе проектирования, изготовления, эксплуатации, технического обслуживания и ремонта и, в конечном счете, создает предпосылки для перехода к ремонту оборудования ПТУ по состоянию.
Для пучков профильных витых трубок (ПВТ) применительно к задачам совершенствования методов расчета теплообменных аппаратов ПТУ на этапе проектирования исследованы с использованием современных информационных технологий процессы аэродинамического возбуждения вибрации пучков теплообменных аппаратов в системах подогрева сетевой воды и системах регенеративного подогрева питательной воды ПТУ; процессы демпфирования колебаний; процессы гидродинамики масла в трубных пучках маслоохладителей. Впервые предложены коэффициенты нестационарных аэродинамических сил для пучков ПВТ. Предложены характерные параметры для обобщения результатов экспериментального и теоретического исследований гидродинамики масла; получены зависимости для определения гидравлического сопротивления и скорости течения масла в технологических зазорах трубных пучков. Уточнены методики теплогидравлического расчета маслоохладителей и вибрационного расчета трубных пучков теплообмен- ных аппаратов в системах подогрева сетевой воды и системах регенеративного подогрева питательной воды ПТУ.
Впервые разработана и реализована информационно - логическая модель данных компоновок ПТУ в методологии IDEF1X, на ее основе создан банк данных твердотельных параметрических моделей элементов компоновок ПТУ; особенностью модели данных является использование дискриминаторов неполной категории, что позволяет предусмотреть (при генерации модели данных на физическом уровне) возможности для расширения и пополнения библиотеки в будущем, тем самым обеспечивая возможности масштабирования.
Разработана методика учета фактического состояния оборудования ПТУ на изменение характеристик относительных приростов (ХОП) удельных расходов тепла на отпуск электроэнергии. Методика основана на результатах статистической обработки данных, полученных в процессе промышленной эксплуатации (в течение более 10 лет) разработанных автором информационных комплексов, предназначенных для оценки параметров функционирования и параметров состояния оборудования энергоблоков ТЭС.
Все основные научные результаты подтверждены испытаниями оборудования
ПТУ, апробированы и реализованы в составе систем проектирования на ряде предприятий энергетического машиностроения и информационных комплексов на ряде
ТЭС в различных условиях эксплуатации.
Основные положения, выносимые на защиту
Концептуальная модель организации информационной поддержки основных этапов ЖЦ оборудования ПТУ в соответствии с ИПИ-методологией.
Стратегия выполнения исследовательских работ при совершенствовании проектирования и эксплуатации оборудования ПТУ с применением современных информационных технологий.
Методика количественной оценки путей реинжиниринга бизнес-процессов при проектировании и эксплуатации оборудования ПТУ.
Система классификаторов, позволяющая удовлетворить требованиям информационной поддержки оборудования ПТУ как на производственных, так и на постпроизводственных этапах их ЖЦ.
Коэффициенты нестационарных аэродинамических сил для пучков ПВТ при поперечном обтекании трубок, полученные в ходе экспериментальных исследований; КАЛИБР ЗАЗОРА, как характерный параметр для обобщения результатов экспериментального и теоретического исследований гидродинамики течения масла в маслоохладителях ПТУ; зависимости для определения гидравлического сопротивления и скорости течения масла в технологических зазорах трубных пучков; уточненная методика вибрационного расчета трубных пучков теплообмен- ных аппаратов при поперечном обтекании; уточненная методика теплогидравли- ческого расчета маслоохладителей.
Информационно - логическая модель данных компоновок элементов ПТУ в методологии IDEF1X.
Методика учета фактического состояния оборудования ПТУ на изменение характеристик относительных приростов (ХОП) удельных расходов тепла на отпуск электроэнергии, основанная на результатах статистического исследования практически всех возможных режимов работы энергоблоков Сургутской ГРЭС-1 в течение 10 лет, полученных в процессе эксплуатации информационных комплексов, разработанных автором.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается применением современных стандартизованных методов и методологий системного и структурного анализа, методологии ассоциативности и параметризации, методов твердотельного проектирования; применением лицензионного и сертифицированного программного обеспечения при проведении численных экспериментов и твердотельного трехмерного моделирования оборудования и компоновок ПТУ; соответствием полученных результатов общепринятым физическим представлениям; хорошим согласованием результатов испытаний теплообменных аппаратов (маслоохладителей, ПСВ, ПНД) паровых турбин с результатами расчетов по уточненным автором методикам позонного теплогидравлического и вибрационного расчета.
Практическая значимость работы заключается в том, что стратегия выполнения исследовательских работ и концептуальная модель непрерывной информационной поддержки ЖЦ оборудования ПТУ, разработанные автором, были положены в основу при разработке как систем проектирования оборудования ПТУ (компоновок, теплообменного оборудования), так и при разработке информационных комплексов для автоматизации задач эксплуатационного контроля работы оборудования ТЭС. Функциональные модели и модели данных, разработанные автором в процессе их создания, уже обеспечивают возможность максимально быстро и точно реагировать на изменяющиеся условия при возникновении необходимости модернизации ранее разработанных и эксплуатирующихся на ряде промышленных предприятий и ТЭС (от трех до десяти лет) автоматизированных систем различного назначения.
Реализация результатов работы. На основе предложенной и разработанной автором стратегии разработаны и реализованы информационные комплексы (ИК) для автоматизации задач проектирования оборудования ПТУ на ряде машиностроительных заводов (ЗАО "Уральский турбинный завод", г. Екатеринбург и ЗАО "Нестандар- тмаш", г. Екатеринбург) и ИК контроля эксплуатации оборудования ТЭС, обеспечивающие отображение показателей функционирования оборудования ПТУ.
Разработанные системы проектирования компоновок ПТУ и сетевых подогревателей теплофикационных ПТУ используются на ЗАО "Уральский турбинный завод" (г. Екатеринбург). С помощью этих систем разработаны проект подогревателя сетевой воды турбины ПТ-50/60-12,4, а также компоновки ПТУ с теплофикационными турбинами Т-50/60-8,8; Т-113/145-12,0 и конденсационной турбиной К-110-1,6.
На основе уточненных методик расчета теплообменных аппаратов и новых методов проектирования разработано, спроектировано и изготовлено (ЗАО "Нестандар- тмаш, г.Екатеринбург) более 170 высокоэффективных теплообменников и их трубных систем (ПНД, ПСВ, ПСГ и др.).
Впервые определены необходимые поправки к нормативным характеристикам оборудования для практически всех режимов и конкретных условий эксплуатации оборудования ПТУ, позволяющие перейти к обоснованной и экономически целесообразной оптимизации распределения тепловых и электрических нагрузок между параллельно работающими турбоагрегатами с учетом их фактического состояния. Результаты этих разработок уже используются в составе информационных комплексов для сбора, обработки и анализа результатов испытаний, оценки технико- экономических и экологических показателей турбин и вспомогательного оборудования ПТУ на ряде ТЭС: Сургутской ГРЭС-1, Верхнетагильской ГРЭС, НовоСвердловской ТЭЦ, Пермской ТЭЦ-14, Ново-Стерлитамакской ТЭЦ.
Основные результаты диссертационной работы вошли в учебник "Теплообменники энергетических установок" (рекомендован УМО по образованию в области энергетики и электротехники для студентов вузов РФ); учебное пособие "Трубопроводы тепловых электрических станций" (рекомендован УМО по образованию в области энергетики и электротехники для студентов вузов РФ); монографию "Повышение эффективности и надежности теплообменных аппаратов паротурбинных установок"; ряд учебно-методических пособий; используются при чтении спецкурсов студентам вузов, а также специалистам - энергетикам в системе переподготовки и повышения квалификации.
Личный вклад автора заключается в разработке стратегии проведения исследовательских работ и концептуальной модели непрерывной информационной поддержки основных этапов ЖЦ оборудования ПТУ; постановке задач исследования и непосредственном участии в работах по экспериментальным исследованиям, созданию функциональных моделей, моделей данных, созданию систем проектирования оборудования ПТУ и эксплуатационного контроля оборудования ТЭС; планировании и проведении численных исследований и промышленных испытаний оборудования ПТУ; анализе и обобщении результатов исследований; разработке и уточнении методик расчета и проектирования оборудования ПТУ; разработке методики учета фактического состояния оборудования на ХОП удельного расхода топлива.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной конференции "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM)" (Москва, Институт проблем управления РАМ) в 2002...2010 годах; международной научно-практической конференции "Совершенствование теплотехнического оборудования ТЭС, внедрение систем сервисного обслуживания, диагностирования и ремонта", Екатеринбург, в 1995, 2001, 2004, 2007, 2009 годах; международной конференции "Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе", Ялта-Гурзуф, в 2005, 2006, 2008, 2010 годах; международной научно-технической конференции "Энергомашиностроение-2006 (ЭМ-2006)",
Севастополь, 2006 г.; ряде региональных и межвузовских конференций, совещаний и семинаров
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 74 различных изданиях (из них 46 относятся к изданиям, рекомендуемым ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций), в том числе: в монографии, 42 печатных работах, 6 авторских свидетельствах на изобретения и свидетельствах Роспатента об официальной регистрации программ для ЭВМ, 18 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК для защиты докторских диссертаций, а также вошли в учебник для студентов вузов и 7 методических руководств и учебных изданий.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературных источников, насчитывающего 247 наименований. Материал изложен на 377 страницах машинописного текста, содержит 143 рисунка и 16 таблиц.
