Математичне моделювання об'єктів теплоенергетики на основі термодинамічних підходів

Abstract

Волощук В.А. Математичне моделювання об’єктів теплоенергетики на основі термодинамічних підходів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 01.05.02 – Математичне моделювання та обчислювальні методи. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Інститут гідромеханіки Національна академія наук України, Київ, 2018, Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору Національної академії наук України, Київ, 2018. Сьогодні назріла нагальна проблема розробки, удосконалення та використання принципово нових методів моделювання у сфері теплоенергетики, які базуються на сумісному застосуванні Першого та Другого законів термодинаміки та їх поєднання із економічним та екологічним оцінюванням – методів прикладної термодинаміки або методів ексергетичного аналізу. У дисертаційній роботі запропоновано теоретичне узагальнення і нове розв’язання науково-прикладної проблеми удосконалення методів і засобів моделювання теплоенергетичних систем, включаючи мінливість їх режимів у результаті впливу випадкового характеру погодно-кліматичного чинника. Перший розділ дисертації присвячено аналізу сучасного стану та шляхів подальшого розв’язання науково-прикладної проблеми з удосконалення на основі термодинамічних підходів методології створення та реалізації математичних моделей з дослідження об’єктів та систем теплоенергетики, включаючи мінливість режимів роботи таких систем, що зумовлена випадковим характером впливу погодно-кліматичного чинника. Ексергетичний підхід є новим витком у теорії моделювання об’єктів та систем теплоенергетики, зокрема систем тепло- та холодозабезпечення будівель. На відміну від енергетичного аналізу, який найчастіше використовується у науковій та інженерній практиці, поєднання ексергетичного, економічного та екологічного методів оцінювання дозволяє визначити місце, значення, джерела, вартість і негативний вплив на довкілля термодинамічних втрат у процесах передачі та перетворення енергії. На відміну від електрогенеруючих установок та систем промислової теплоенергетики, де методи прикладної термодинаміки апробовано найбільшою мірою, значна частина елементів систем теплозабезпечення будівель характеризується параметрами, близькими за своїми значеннями до параметрів оточуючого середовища (температура, відносна вологість, тиск), відносно яких визначаються ексергетичні показники. Це обумовлює чутливість цих показників до змінювання параметрів зовнішнього повітря. Загалом, у наявних роботах, ексергетичний аналіз систем створення теплового комфорту в будівлях здійснюють за умови незмінних, розрахункових значень параметрів навколишнього середовища. У деяких враховують динаміку змінювання цих параметрів у межах одного року, хоча параметри зовнішнього середовища змінюються як у середині року, так і в багаторічному перерізі. Перспективний напрям розвитку енергетики пов’язаний із газотурбінними та парогазовими енергетичними установками. Шляхи підвищення ефективності таких установок до кінця ще не досліджено і становлять складну багатопараметричну проблему, яку в багатьох випадках можна вирішити за допомогою моделювання. Однією з основних перешкод широкого впровадження на практиці сучасних методів реалізації математичних моделей об’єктів теплоенергетики на основі термодинамічних підходів є необхідність залучення бази даних із теплофізичних властивостей робочих тіл та застосування досить нестандартної теорії моделювання, що переважно не використовують в інженерній діяльності, оскільки це вимагає додатковий час та зусилля і не завжди можна реалізувати за допомогою наявних програмних продуктів. З огляду на це в роботі поставлено задачу розроблення та реалізації нових методів організації процесів моделювання, які забезпечили б практичне впровадження розрахункових моделей на основі термодинамічних підходів, були легкодоступними, зручними та спиралися на сучасні інформаційні технології та Інтернет. У другому розділі дисертації наведено методологічні підходи до реалізації математичних моделей з енергетичного та ексергетичного аналізу будівлі як ключового елемента систем теплозабезпечення будівель з урахуванням змінних режимів роботи, зумовлених випадковим характером погодно-кліматичного чинника. Вперше показано та обгрунтовано факт зростання показника мінливості через вплив погодно-кліматичного чинника режимів роботи системи теплозабезпечення у разі впровадження в будівлях заходів із енергоефективності. Додатковий аналіз показав, що це обумовлено збільшенням частки прихідної частини енергетичного балансу будівель – за рахунок проникнення через прозорі огородження сонячної радіації та внутрішніх тепловиділень. Виявлена особливість зростання мінливості потреб енергії та ексергії обумовлює зростання невизначеності критеріїв ухвалення техніко-технологічних рішень у цих системах. Розроблено метод розрахунку потреб ексергії для створення теплового комфорту всередині будинку шляхом врахування за допомогою теорії ймовірностей впливу випадкового характеру метеорологічних факторів в межах опалювального періоду, на основі якого в умовах Рівненського регіону показано та розрахунковим шляхом підтверджено, що при визначенні сезонних потреб ексергії на теплозабезпечення будинку використання стаціонарного підходу призводить до заниження результатів на 12…28 % у порівнянні із динамічним підходом. Розроблений та реалізований на прикладі умов Рівненського регіону метод із розрахунку параметрів природної вентиляції будинку на основі врахування за допомогою теорії ймовірностей випадкового характеру впливу метеорологічних факторів в межах опалювального періоду показав, що використання середньостатистичних значень метеорологічних параметрів (стаціонарний підхід) у випадку визначення сумарних за опалювальний сезон витрат енергії на нагрівання інфільтраційного повітря природної вентиляції є недостатньо обґрунтованим і призводить до заниження даної частини енергоспоживання будинку від 6 до 12 % у порівнянні із динамічним методом, який враховує зміни режимів природної вентиляції. Як наслідок це спричиняє досить відчутні відхилення із визначення параметрів економічної доцільності впровадження енергоефективних рішень в системі вентиляції будинку. Запропоновано метод із визначення критеріїв обґрунтування параметрів приведеного опору теплопередачі огороджувальної конструкції будівлі та розрахунку невизначеності цього рішення у разі диференціації цін на енергоносії залежно від кількості спожитої енергії на основі врахування за допомогою теорії ймовірностей випадкового характеру впливу метеорологічного фактора (кількості градусо-діб) у багаторічному перерізі. Реалізація цього методу показала, що критерії економічної доцільності досить суттєво відхиляються (до 30 %) від показників, розрахованих за існуючим стаціонарним підходом, де параметри метеофакторів приймаються постійними. Крім того, в даному випадку показано, що зміна кількості градусо-діб у багаторічному перерізі суттєво впливає на коливання дисконтованого терміну окупності в межах 4,5…8 років. У третьому розділі запропоновано методи та реалізація математичних моделей з поєднання ексергетичного, ексергоекономічного, ексергоприродничого аналізу системи теплозабезпечення будівель на базі теплонасосних установок (ТНУ), як найбільш перспективних технологій у цій сфері, з урахуванням мінливих режимів роботи. В якості критеріїв оцінки використовувалися річні показники. Їх визначення, на відміну від інших робіт, вперше здійснювалося на основі динамічного підходу. Це обумовлено тим, при різних режимах роботи як абсолютні значення так і частки деструкції ексергії в окремих елементах ТНУ є різними. Відповідно ексергетична оцінка ТНУ при одному режимі його роботи є недостатньою. Крім того, при різних режимах роботи ТНУ температурний рівень довкілля може по-різному співвідноситися до температурних рівнів теплоносіїв ТНУ (бути нижчим, перетинати або вищим). Відповідно і ексергія «палива» та ексергія «продукту» визначаються при різних режимах по-різному. У зв’язку з цим, в роботі також вперше запропоновані залежності для визначення розрахункових сезонних значень питомої вартості ексергії «палива» та ексергії «продукту». На відміну від існуючих методів енергетичного, техніко-економічного та екологічного аналізу, реалізація методології поглибленого ексергетичного, ексергоекономічного та ексергоприродничого оцінювання ТНУ в складі системи теплозабезпечення дозволила уже при першій ітерації виявити місцезнаходження, причини, а також розрахувати значення, вартість та негативний вплив на довкілля термодинамічної неефективності елементів ТНУ. Показано, що для найбільш розповсюджених на сьогоднішній день типів ТНУ зниження температурного напору у випарнику та конденсаторі сприяє найбільшому зниженню деструкції ексергії не тільки у цих елементах, але і у дросельному вентилі та компресорі, а також забезпечує деяке зниження інвестиційної складової найбільш дорогого компонента ТНУ – компресора, та значене зниження негативного впливу ТНУ на довкілля через деструкцію ексергії. В результаті, до базового варіанту СТ було запропоновано декілька варіантів можливого покращення енергетичних, економічних та екологічних характеристик системи. Показано, що, порівняно з наявними, найбільш розповсюдженими технологіями, можливостей підвищення ефективності використання ексергії первинного енергоносія в ТНУ ще на вичерпано. Виявлено, що через взаємозв’язок між елементами технологічної схеми «ТНУ-пікове джерелоопалювальний прилад-будинок» саме використання ТНУ забезпечує: зниження до 2,3 рази річної деструкції ексергії системи; підвищення на 2…7 % в абсолютних одиницях річного ексергетичного ККД; зростання річного коефіцієнта трансформації ТНУ до 4…5 і вище; зниження річної ексергетичної вартості кінцевого «продукту» системи до 3,5 %; зменшення річного негативного впливу на довкілля «продукту» системи до 40 %. У четвертому розділі удосконалено метод та розроблені й реалізовані математичні моделі термодинамічної оптимізації «зразкових циклів» (тобто таких, реальне здійснення якого забезпечує досягнення максимуму внутрішнього ККД) деяких типів газотурбінних (ГТУ) та парогазових (ПГУ) теплоенергетичних установок. Результати теоретичного аналізу та числових досліджень на основі реалізації створених математичних моделей показали, що за рахунок ускладнення циклу (застосування в ГТУ багатоступеневого стиснення повітря з проміжним його охолодженням та багатоступеневого розширення газу з проміжним підводом теплоти), збільшення температури робочого тіла на вході у газову турбіну, використання у ПГУ КУ багато контурних котлів-утилізаторів (два або три контури) та оптимізації параметрів термодинамічного циклу можна забезпечити підвищення внутрішнього ККД автономної безрегенеративної ГТУ до 42…44 %, а ПГУ КУ – до 50…60 %. Отримані результати добре узгоджуються із даними діючих установок. Отримані результати добре узгоджуються із даними діючих установок. У п’ятому розділі запропоновано розроблення відкритого, інтерактивного середовища, яке ґрунтується на використанні мережі Інтернет для широкого впровадження на практиці методології сучасної прикладної термодинаміки у моделюванні та оптимізації параметрів об’єктів та систем теплоенергетики. Таке середовище підтримує збирання, зберігання та оброблення даних і використовує розроблені математичні методи та алгоритми. Запропоновано та реалізовано удосконалений метод із визначення теплофізичних властивостей робочих тіл на основі табличних даних за допомогою подвійної сплайнової інтерполяції з урахуванням ліній розривів та зламів функціональних залежностей, що дозволило створити як прямі, так і обернені функції для моделювання теплофізичних властивостей робочих тіл (фреонів R22, R134a, R407c, R410a, аміаку та вуглекислоти). Розроблено та реалізовано відкриті інтерактивні алгоритми для числового дослідження й оптимізації різного виду та складу теплоенергетичних енергоустановок. Розвинені та вдосконалені наявні методи і засоби моделювання теплоенергетичних систем забезпечило створення методик, алгоритмів, комп’ютерних програм та Інтернет-ресурсів, які використовують у виробничій діяльності корпорації «Європейська енергетична компанія» та ПРАТ «Білоцерківська ТЕЦ» під час обґрунтування рішень на стадії проектування та модернізації систем, а також упроваджують у навчальний процес для викладання низки дисциплін та виконання магістерських робіт студентами енергетичних спеціальностей Національного університету водного господарства та природокористування та КПІ ім. Ігоря Сікорського.