ПРОБЛЕМА ВЫБОРА ИНСТРУМЕНТАРИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

Зубов Д.И.¹, Суворов Д.М.², Татаринова Н.В.³

¹ORCID: 0000-0002-8501-0608, Магистрант, ²ORCID: 0000-0001-7415-3868, Кандидат технических наук, доцент, ³ORCID: 0000-0003-2640-9085, Кандидат технических наук, доцент, ^1,2,3Вятский государственный университет (ВятГУ)

ПРОБЛЕМА ВЫБОРА ИНСТРУМЕНТАРИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

Аннотация

В статье рассмотрены положительные и отрицательные аспекты разработки математической модели парогазовой установки в среде Microsoft Excel. Указаны проблемы, которые возникли при работе в этой среде, модули, которые невозможно в ней реализовать.  Приведен обзор работы математической модели паровой турбины Т-50-130 с примерами работ, выполненных с её использованием, на основе которого составлен ряд требований к разрабатываемой модели. Предложены альтернативные программные инструменты для разработки.

Ключевые слова: парогазовая установка, математическое моделирование, языки программирования.

Zubov D.I.¹, Suvorov D.M.², Tatarinova N.V.³

¹ORCID: 0000-0002-8501-0608, Master student, ²ORCID: 0000-0001-7415-3868, PhD in Engineering, associate professor, ³ORCID: 0000-0003-2640-9085, PhD in Engineering, associate professor, ^1,2,3Vyatka State University (VyatSU)

THE PROBLEM OF SELECTING A TOOLKIT FOR DEVELOPMENT OF MATHEMATICAL MODEL COMBINED-CYCLE POWER PLANT

Abstract

The article deals with the positive and negative aspects of the development of a mathematical model of combined-cycle plant in Microsoft Excel environment. Indicated problem, which have arisen during the work in this environment, the modules that are impossible to implement it. An overview of the work the mathematical model of the T-50-130 steam turbine with examples of works carried out with the use of it, on the basis of which made a set of requirements to the developed model. Proposed alternative software development tools.

Keywords: combined-cycle plant, mathematical modeling, programming languages.

После введения в эксплуатацию в 2014 году блока ПГУ-220 на Кировской ТЭЦ-3 встали задачи оптимизация режимов её работы, в частности – максимизация выработки электрической мощности при поддержании заданного температурного графика. Принимая во внимание эти задачи, а также учитывая неполноту предоставленных заводом нормативных характеристик, было принято решение создать математическую модель блока ПГУ-220 Кировской ТЭЦ-3, которая позволит приступить к решению поставленных задач [1].

Решение этой задачи было начато с разработки математической модели паротурбинной установки Т-63/76-8,8. В качестве среды для разработки была выбрана программа Microsoft Excel, входящая в пакет Microsoft Office. В ходе работы была создана рабочая модель, которая позволяла рассчитывать режимы работы установки при одноступенчатом подогреве сетевой воды с достаточной точностью при нагрузке блока, близкой к номинальной [1].

Таким образом, в ходе работы была создана математическая модель паротурбинной части блока, которая предназначена для узкого круга задач. Она потеряет актуальность после их решения. Такой результат не устраивает разработчиков из-за несоразмерности объёма затраченных временных ресурсов и полученных полезных данных. После переосмысления целей исследования было решено двигаться в направлении создания полной математической модели блока ПГУ-220, которая станет универсальным инструментом для расчёта различных режимов работы и их экономических показателей. Одним из важных критериев стала возможность использования данной модели людьми, не принимавшими участия в её разработке, то есть создания самостоятельного приложения с интуитивно понятным интерфейсом.

Для решения вышеуказанных задач было принято решение о поиске нового инструмента разработки, так как одним из главных недостатков Microsoft Excel, как инструмента для разработки математической модели, мы считаем невозможность создания в ней отдельного приложения, которое можно было бы установить и использовать на любом персональном компьютере под управлением операционной системы MS Windows. Кроме того, для выполнения полноценных расчётов на полученной математической модели необходимо наличие на персональном компьютере не только программы Microsoft Excel, но и различных надстроек от сторонних разработчиков, необходимых для вычислений свойств воды и водяного пара.

Новый инструмент для разработки модели должен удовлетворять следующим минимальным условиям:

• синтаксис инструмента должен позволять выполнять широкий спектр математических вычислений;
• возможность подключения сторонних библиотек и инструментов;
• возможность создания самостоятельного приложения для персонального компьютера под управлением ОС Windows;
• выбранный инструмент должен быть бесплатным и не требовать значительных временных затрат для освоения (это не обязательный пункт).

В качестве образца конечного результата разработки было решено выбрать математическую модель паровой турбины Т-50-130, разработанную в ВятГУ. Принцип её работы заключается в объединении ряда формул, уравнений и зависимостей, которые отражают наиболее важные параметры и свойства турбоагрегата.

При работе с программой пользователь задаёт ряд параметров (всего задаваться или определяться расчетом могут 15 параметров, из них обязательно указываются давление и температура свежего пара, давление в деаэраторе). Из оставшихся 12 параметров для расчёта режима необходимо указать 6, оставшиеся параметры будут рассчитаны программой.

При работе с программой можно изменять схему турбоустановки, в частности переключать питание деаэратора (второй, третий отбор турбины или сторонний источник), изменять точку сброса дренажа с ПВД-5 (деаэратор или каскадный слив ПНД-4), изменять положение различных запорных и регулирующих органов.

Давление в конденсаторе можно задавать или определяться расчетом по характеристике конденсатора, для чего должны быть заданы расход циркуляционной воды, ее температура на входе в конденсатор и величина присосов воздуха в вакуумную систему. Если фактические давление в конденсаторе задано, то в результате расчета определяется степень загрязнения конденсатора, приводящая в данном режиме к такому давлению.

Интерфейс программы позволяет составлять список данных, которые затем можно сохранять в отчёт, выводимый либо в табличной форме Microsoft Excel, либо в текстовой форме.

Вышеуказанная математическая модель активно используется в ВятГУ для решения различных проблем. Например, при оценке точности упрощённых подходов при оценке эффективности теплофикации на нашей кафедре была проведена работа, в ходе которой сравнивались результаты расчётов по методике [3] с результатами расчётов с использованием математической модели паровой турбины Т-50-130. Выполненные расчеты показали, что применение упрощенной методики оценки энергетического эффекта теплофикации без использования реальных тепловых схем и реальных энергетических характеристик теплофикационных турбин, включая  прежде всего мощностные характеристики отсеков проточной части, может привести к существенно завышенным значениям величины этого эффекта, а неверный учет распределения тепловых нагрузок между верхним и нижним сетевыми подогревателями при двухступенчатом подогреве –  к дополнительным погрешностям [4].

Ещё одним примером может служить разработанная на кафедре теплотехники и гидравлики ВятГУ методика, которая позволяет уточнить возможное влияние на экономические и энергетические показатели работы турбоустановки детального учета процессной влаги разного качества. Огромным преимуществом использования математической модели в данном вопросе является то, что  при экспериментальных исследованиях проблематично с достаточной степенью точности определить значения коэффициентов влажности в каждом отсеке турбины и коэффициент сепарации пара. Зато во время расчетного исследования появляется возможность без труда присваивать им любые действительные значения в интервале от нуля до единицы включительно в произвольной комбинации. Следовательно, появляется инструмент качественной и количественной оценки границ диапазона вероятного их воздействия на показатели работы турбины как в предельных, так и в промежуточных сочетаниях. Полученные результаты представляют несомненный интерес при рассмотрении вопроса о целесообразности учета влияния процессной влаги тем или иным образом на показатели работы турбины во время проведения сравнительных и оптимизационных расчетов турбоустановки в целом [5].

Таким образом, кроме необходимой точности, разрабатываемая математическая модель парогазовой установки должна:

• обеспечивать гибкость в выборе параметров для расчёта режима работы блока;
• предусматривать возможность изменения тепловой схемы блока;
• предусматривать возможность корректировки заложенных в ней характеристик оборудования;
• иметь возможность сохранения и выгрузки расчётных данных в удобной форме.

На данном этапе, в качестве инструмента для создания математической модели парогазовой установки были выбраны три варианта:

• C++ – язык программирования общего назначения, обладает широкими возможностями, имеет свободные среды разработки, но сложен в изучении;
• Delphi – обладает менее широкими возможностями, но проще C++ в освоении;
• GNU Octave –система для математических вычислений, бесплатный аналог MATLAB, не имеет возможности создавать самостоятельные приложения, кроме того, на данный момент времени имеется довольно мало документации на русском языке.

Список литературы / References

1. Зубов Д.И., Суворов Д.М. Разработка математической модели паровой турбины Т-63/76-8,8 и её верификация для расчёта режимов с одноступенчатым подогревом сетевой воды// Международный научно-исследовательский журнал. – 2016. - №1. – С. 28-32.
2. Байбаков С.А. О расчете экономии топлива и оценке эффективности комбинированной выработки электрической и тепловой энергии// Электрические станции. – 2011. – №6. – С. 38-45.
3. Суворов Д.М. Об упрощённых подходах при оценке энергетической эффективности теплофикации // Электрические станции. – 2013. – №2. – С. 2-10.
4. Tatarinova N.V., Suvorov D.M. Results of Mathematical Modeling to Study the Influence of Accounting the Process Moisture on Energy Indicators of Cogeneration Steam Turbines // Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 792. – P. 370-374. doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.792.370

Список литературы на английском языке / References in English

1. Zubov D.I., Suvorov D.M. Razrabotka matematicheskoj modeli parovoj turbiny T-63/76-8,8 I eyo verifikaciya dlya raschyota rezhimov s odnostupenchatym podogrevom setevoj vody [Development of mathematical model of the steam turbine t-63/76-8.8 and its verification for calculation regimes with single stage heating of delivery water] // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel’skij zhurnal [International research Journal]. – 2016. – #1. – P. 28-32. [In Russian]
2. Bajbakov S.A. O raschete ekonomii topliva i ocenke effektivnosti kombinirovannoj vyrabotki elektricheskoj i teplovoj energii [About computation fuel economy and assess the effectiveness of the combined production of electricity and heat]// Elektricheskie stancii [Power stations]. – 2011. – #6. – P. 38-45. [In Russian]
3. Suvorov D.M. Ob uproshchyonnyh podhodah pri ocenke energeticheskoj effektivnosti teplofikacii [About the simplified approach in assessing energy efficiency of district heating]// Elektricheskie stancii [Power stations]. – 2013. – #2. – P. 2-10. [In Russian]
4. Tatarinova N.V., Suvorov D.M. Results of Mathematical Modeling to Study the Influence of Accounting the Process Moisture on Energy Indicators of Cogeneration Steam Turbines // Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 792. – P. 370-374. doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.792.370