ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Состояние и направления исследований по комплексной оптимизации параметров теплоэнергетических установок из "Методы математического моделирования и оптимизации теплоэнергетических установок " На сооружение и эксплуатацию крупных теплоэнергетических установок на органическом и ядерном топливе расходуются огромные средства, эффективное использование которых имеет большое значение для народа ного хозяйства страны. Успешное решение этой задачи бывает в значительной мере предопределено на стадии разработки профиля отдельных агрегатов и элементов энергетического оборудования и проектирования электростанции в целом. [c.5] Изучение возможностей улучшения технико-экономических показателей теплоэнергетических установок электростанций показывает необходимость рассмотрения все более сложных совокупностей взаимосвязанных факторов. Очевидно, что достаточно строгий анализ этих взаимосвязей осуществим лишь при комплексном подходе к рассмотрению влияния всех факторов. Однако до недавнего времени такой подход ограничивало применение ручного или маломеханизированного способов вычисления. [c.5] Появление быстродействующих электронных цифровых вычислительных машин (ЭЦВМ) и возможность использования метода математического моделирования изменили положение. К настоящему времени уже накоплен некоторый опыт применения новых методов и средств поиска наивыгоднейших проектных решений по теплоэнергетическим установкам. Анализ этого опыта позволяет выявить те задачи, решение которых будет способствовать еще более широкому применению метода математического моделирования при оптимизации теплоэнергетических установок. [c.5] Во многих научно-исследовательских и проектных организациях, а также конструкторских бюро энергомашиностроительных заводов успешно используются программы расчета на ЭЦВМ тепловой схемы паротурбинных установок, теплового расчета котлоагрегата, турбины и других элементов электростанции. ЭЦВМ используются при оптимизации отдельных параметров теплоэнергетической установки, параметров отдельных элементов установки или вариантов ее технологической схемы. Применение ЭЦВМ позволило значительно увеличить количество рассматриваемых факторов и резко сократить время поиска оптимального решения задачи. [c.5] Вместе с тем анализ работ по применению ЭЦВМ при оптимизации теплоэнергетических установок показывает, что во многих случаях ЭЦВМ преимущественно использовались для расширения возможности традиционных способов исследования эффективности теплоэнергетических установок. При этом, естественно, сохранились и недостатки этих способов, что не дало в некоторых случаях нового эффекта от применения современной вычислительной техники. [c.5] Таким образом, к числу главных причин серьезного отставания уровня выполняемых оптимизационных исследований теплоэнергетических установок от возросших запросов практики следует отнести недостаточное использование современных эффективных методов исследования, достижений вычислительной техники и вычислительной математики. [c.6] Получение качественно нового эффекта от использования ЭЦВМ в практике оптимизации теплоэнергетических установок неразрывно связано с применением метода математического моделирования, с превращением этого метода в мощный инструмент научных исследований. Метод математического моделирования позволяет описать все основные связи, характеризующие изучаемое явление (объект), и в то же время раскрывает внутреннюю математическую логику изучаемых явлений (объектов), позволяя тем самым находить качественно новые связи и закономерности. [c.6] К настоящему времени разработаны теоретические основы построения математических моделей теплоэнергетических установок различных типов и использования этих моделей для выявления внутренних закономерностей, присущих теплоэнергетическим установкам. Прошли практическую проверку приемы применения метода математического моделирования и ЭЦВМ для определения путей повышения экономичности теплоэнергетических установок за счет выбора оптимальных термодинамических, расходных и конструктивных параметров, а также рационального вида технологической схемы [1—7]. [c.6] В математическом плане в работах по оптимизации параметров теплоэнергетических установок, выполненных в последние годы с использованием ЭЦВМ, наряду с современными методами нашли применение два старых метод вариантных расчетов с целью определения лучшего варианта из числа рассматриваемых и метод нахождения и приравнивания нулю частных производных величин приведенных расчетных затрат по оптимизируемым параметрам для получения экстремальной точки. Использование этих методов безусловно сузило возможности оптимизации теплоэнергетических установок. [c.6] Поскольку современные теплоэнергетические установки характеризуются большим числом взаимосвязанных параметров, метод вариантных технико-экономических расчетов отличается большой трудоемкостью уже при десяти варьируемых параметрах требуется выполнение сотен тысяч и миллионов повторных расчетов. В результате, как ни велики возможности современных быстродействующих ЭЦВМ, объем решаемой задачи в части числа оптимизируемых параметров и учитываемых факторов при использовании метода вариантных расчетов оказывается ограниченным. [c.6] На первый взгляд, использование второго метода позволяет достаточно просто решить задачу оптимизации параметров и профиля теплоэнергетической установки. Однако это не так. Существуют математические трудности при его реализации и ограничения сферы его применения. Последнее связано с тем, что рассматриваемый метод позволяет определить экстремум функции при отсутствии ограничений на оптимизируемые параметры [8]. Между тем при оптимизации теплоэнергетических установок приходится иметь дело с системой ограничений в форме равенств и неравенств. [c.6] Важность учета технических ограничений в процессе оптимизации следует особо подчеркнуть, так как только в этом случае возможно получение наилучшего экономического решения, в полной мере учитывающего специфику технического выполнения и использования теплоэнергетической установки. Система ограничений, которую необходимо учитывать, складывается из ряда подсистем. [c.7] Многие параметры теплоэнергетической установки имеют заданный диапазон возможного их изменения. Ограничения бывают также заданы на характеристики отдельных узлов и элементов установки в соответствии с требованием возможности их изготовления и длительной надежности в процессе эксплуатации. Наконец, имеется система балансовых уравнений для всех узлов установки, которая связывает между собой все термодинамические и расходные параметры, а также технологические характеристики процессов. [c.7] В наибольшей мере к решению задачи комплексной оптимизации теплоэнергетических установок применимы методы нелинейного математического программирования. Здесь целесообразно отметить, что нелинейное программирование как новое математическое направление возникло и развилось за два последних десятилетия из-за невозможности учета ограничений — неравенств на оптимизируемые параметры и на нелинейные функции с помощью классических методов решения экстремальных задач. [c.7] В настоящее время известны теоретически обоснованные и проверенные практикой методы нелинейного программирования, например градиентные, наискорейшего спуска, покоординатного спуска, возможных направлений [8—12]. Накоплен опыт применения методов нелинейного программирования и для решения задач оптимизации параметров и профиля оборудования теплоэнергетических установок. Разработанные программы расчета на ЭЦВМ позволяют осуществить совместную оптимизацию 300— 500 различных параметров [1, 2, 4, 7]. [c.7] В результате выполнения комплексной оптимизации теплоэнергетических установок определяются оптимальные значения всех основных лараметров, а также материально-технических характеристик узлов и элементов установки. Здесь имеются в виду не только термодинамические параметры установки, но и распределение теплоперепадов, температурных напоров, расходов, скоростей, падений давлений по узлам и связям установки. Все это обеспечивает достижение нового качественного эффекта, а именно достижение оптимальных пропорций в распределении капиталовложений между отдельными узлами и элементами установки, а также установление оптимального соотношения между расходом топлива и капиталовложениями на установку. Иными словами, достигается оптимизация внутренней структуры теплоэнергетической установки. [c.7] С помощью разработанных математических моделей теплоэнергетических установок и программ, реализующих методы нелинейного программирования, проведены исследования для выбора оптимальных параметров мощных конденсационных паротурбинных блоков применительно к условиям некоторых районов страны, парогазовых установок, в том числе для покрытия пиковой части графика нагрузки энергосистем, атомных электростанций с реакторами различных типов, установок с МГД-гене-раторами и др. (например, [7, 13—181). Степень комплексности подхода к решению задачи оптимизации параметров установок в указанных работах различна. Однако во всех этих работах получен значительный положительный эффект. [c.7] В перспективе ближайших 10—15 лет перед теплоэнергетикой стоят большие задачи форсированное развитие атомных электростанций различных типов с агрегатами единичной мощностью (электрической) до 1000—1500 Мет наращивание конденсационных электростанций блоками мощностью 500, 800,1200 Мет и выше, в том числе с пониженными капиталовложениями, экономически соответствующими работе на дешевых сибирских углях создание специальных пиковых и полупиковых электростанций большой мощности с газотурбинными, парогазовыми и паротурбинными агрегатами создание новых видов комбинированных энергоустановок (парогазовые циклы, установки с МГД-генераторами, установки с низкокипящими рабочими веществами, водофреоновые циклы и др.). Решение указанных задач связано с определением рационального вида технологической схемы и оптимальных значений термодинамических, расходных и конструктивных параметров различных типов теплоэнергетических установок, что немыслимо без широкого использования метода комплексной оптимизации теплоэнергетических установок. Только в этом случае возможно получить решение, эффективное по времени, затратам и широте охвата факторов. [c.8] Вместе с тем метод комплексной оптимизации теплоэнергетических установок нуждается в развитии. Приобретенный опыт позволяет наметить направления дальнейшей разработки и совершенствования принципов и методов математического моделирования и комплексной оптимизации теплоэнергетических установок. [c.8] В части математического моделирования теплоэнергетических установок необходимо более глубоко исследовать проблемы построения оптимальных систем математических моделей, эквивалентирования, точности построения и реализации математических моделей, рационального описания свойств рабочих тел и теплоносителей, автоматизации построения математических моделей и т. д. Было бы неправильным разрабатывать для каждого вида теплоэнергетической установки только одну-единствен-ную математическую модель и пытаться в ней учитывать и одновременно исследовать весь сложнейший комплекс связей, реально существующих в данной установке. Такая постановка задачи была бы теоретически неправильной хотя бы из-за исключительной разноточности исходной информации. Кроме того, она практически трудно реализуема вследствие необходимости описания в единой математической модели всех свойств сложной теплоэнергетической установки. [c.8] Вернуться к основной статье