автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Информационная технология для управления физико-химическими процессами в энергетике, которые используют явления кавитации

УКРАИНСКАЯ АКАДЕМИЯ ПЕЧАТИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УКРАИНЫ

КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ЭНЕРГЕТИКЕ, КОТОРЫЕ ИСПОЛЬЗУЮТ ЯВЛЕНИЯ КАВИТАЦИИ

Специальность 05.13.06 - Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

72 11/8

На правах рукописи УДК 682.03

Булгаков Алексей Борисович

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор Дурняк Б.В.

СОДЕРЖАНИЕ

Список использованных обозначений и сокращений..............................................4

ВСТУПЛЕНИЕ..................................................................................8

Раздел 1. Анализ методов и средств кавитацийних технологий..........................16

1.1. Анализ методов информационного обеспечения процессов очистки воды загрязненной нефтепродуктами........................................................16

1.2. Задачи информационного обеспечения технологических процессов подготовки нефтепродуктов......................................................................29

1.3. Информационные технологии, используемые в энергетике.................41

1.4. Специализированные системы информационного обеспечения...........52

Выводы к первому разделу........................................................................64

Раздел 2. Теоретические основы информационного обеспечения

технологических процессов в энергетике.............................................65

2.1. Методы описания отдельных компонент информационных средств ...66

2.2. Описание структур специализированных информационных средств ..81

2.3. Методы формирования информационных структур...............................95

2.4. Формирование и анализ динамических структур специализированных информационных систем.............................. ...........................................110

Выводы ко второму разделу...........................................................................124

Раздел 3. Методы построения информационных моделей кавитационных процессов...................................................................................................125

3.1. Анализ кавитационных процессов и формирование их технологических образов.......................................................................................................125

3.2. Методы построения компонент информационных моделей технологических процессов.....................................................................143

3.3. Использование основных характеристик информационных систем при формировании описания моделируемого объекта................................157

3.4. Методы формирования структуры информационной модели.............169

Выводы к третьему разделу............................................................................183

Раздел 4. Исследование возможностей информационных моделей в изучении

кавитационных процессов....................................................................184

4.1. Анализ задач, решаемых в рамках информационной модели

кавитационных процессов...............................................................................184

4.2. Формирование базы параметров для построения информационных моделей......................................................................................................199

4.3. Исследование базы параметров с целью обеспечение эффективности структуры информационной модели......................................................215

4.4. Методы активизации параметров в базовых элементах информационных моделей.......................................................................233

Выводы к четвертому разделу.......................................................................243

Раздел 5. Алгоритмические методы реализации компонент технологических

комплексов на примере рыбозащитных систем...................................245

5.1. Использование кавитационных установок для создания рыбозащитных систем........................................................................................................245

5.2. Методы расчета основных компонент рыбозащитных систем на основе использования кавитационных установок.............................................258

5.3. Особенности использования информационных моделей при проектировании рыбозащитных систем.................................................271

5.4. Реализация отдельных информационных средств для проектирования сложных технических систем..................................................................283

Выводы к пятому разделу...............................................................................294

Раздел 6. Аппаратная реализация отдельных кавитационных установок

базовых модулей информационного обеспечения.............................296

6.1. Реализация отдельных аппаратных средств технологического процесса формирования водомазутных эмульсий.................................................296

6.2. Реализация отдельных подсистем обработки мазута на электростанциях........................................................................................306

6.3. Реализация отдельных подсистем кавитационной очистки воды на электростанциях........................................................................................330

Выводы к шестому разделу.............................................................................351

ВЫВОДЫ.................................................................................................................352

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................354

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................362

Список ИСПОЛЬЗОВАННЫХ обозначений и сокращений

ИИС - информационно измерительная система

Pi - i-й параметр процесса

ROUT - устройство маршрутизации

SE(l-N) - рабочая станция

SER(l-N) -сервер

HUB - концентратор

DR - печатное устройство

SWC(l-N) - центральний процессор

FIRW - устройство защиты от атак

ГКА - гидрокавитатор

M(yt) - мера информативности данных di

dt - компонент данных об элементе пространства данных

maxZ). - максимальное значение параметра

Y = f(xv...,xn) - параметрическая функция от параметра-аргументах {Qij)x - дискретное значение параметра х 77(IQ - информационная компонента g - структурний граф в информационной среде Т[ ] - многопозиционная таблица данных

) _ функция вывода компонент с таблицы экспериментальных данных X,Z - класс параметров технологического процесса R = R(t) - радиус пузырька, переменная во времени R{) - начальный радиус пузырька р — удельная плотность

Р, Р0 - давления в среде технологического объекта vr - скорость изменения радиуса пузырька v - скорость движения пузырька

Тк=0 - кинетическая энергия динамики движения пузырька

/и - молекулярная масса

С - концентрация газа

И - коэффициент диффузии

Рл - давление разрыва пузырька

сг - тангенциальное усилие напряжения

Яе - число Рейнгольдса

- число Фруда Еи - число Эйлера БИ - число Струхаля

Ь - характерный параметр турбулентности (Т,гк) - интервал корреляции Якр,2кр - критические параметры кавитации /г - резонансная частота кавитации

£(¿»,0 - спектральная плотность энергий гидродинамического потока в

режиме кавитации Сх - скорость звука в жидкости

с18 - - элемент эффективного объёма гидросмеси

= Цу) -информационный образ элемента технологического

процесса

(а/, Д7) - параметры технологического процесса

{Я;. - система подающих насосов

УИ - ультразвуковой излучатель

ГУК - генератор ультразвуковых колебаний

ГКА - гидродинамический кавитатор

- спектр собственных чисел графа g

А = [аи,...,атг] - множество параметров

НОД - наибольший общий делитель

Р(А*) - логическое выражение (предикат), которое описывает структуру объекта

{Т - таблица параметров, полученных во время экспериментальных

исследований Т(у1,х],...,х/к) — функциональная связь

dk,Dk - диаметры кавитатора и проточной трубы ?b{xi,yi) - функция взаимной детализации параметров {xt,yt) dem = /х{1,Фк) - диаметр капель эмульсии / - удельные энергетические затраты кавитатора Фк - функция конструктивная формы

dem - f2(d/В,Re) - функция размера капель от числа Рейнгольдса и

коэффициента сжатия потока dem = f¿(d,А) - функция эффективного размера кавитатора и промежутка

/4(а) - функция установки суперкавитирующего угла Хк - коэффициент размера кавитационной зоны п - кратность кавитационной обработки горючей смеси D/ст - однородность поля кавитационных пузырьков fp - параметр-функция

/е(@) - параметр-цель

Чет ~ расходы эмульсии м3/сек

- коэффициент потерь через отверстие для эмульсии /ир - коэффициент потерь воды [л2 - коэффициент потерь воздуха со - площадь отверстия

Н - пьезометрическое давление в трубопроводе С - относительное содержание воздуха Q2 - расходы воздуха

()в - расходы воды

£> - диаметр трубопровода

(с1,с1п) - диаметры сопел

Ь - общая длина перфорированного коллектора Я - коэффициент гидродинамического трения qro - расходы воздуха через сопло трубы

д - расходы воды через сопло трубы рыбозащитной системы на дне канала

двЫ - удельная потеря затрат воздуха через А^-ое сопло дгЫ - расходы воздуха через ./V - ое сопло / - шаг перфорации между соплами донной трубы в канале

водозабора ТЭС ТЭС - теплоэлектростанция

{кк,кп,кг,кГ1} - компоненты расходов в коллекторе канала Ь - длина эквивалентного участка снижения давления при повороте ЬпМ - проточная длина линии перфорации трубы

ЬпН - потеря напора в перфорированной трубе рыбозащитной системы АСУ-ТП(К) - автоматизированная система управления технологическим процессом с кавитатором

АСУ-А(К) - система управления агрегатом с кавитатором БУН - блок управления насосом КП - командный процессор

ВСТУПЛЕНИЕ

Актуальность проблемы. Развитие энергетических технологий приводит к их более широкому влиянию на внешнюю окружающую среду. Это обстоятельство обусловливает необходимость в развитии целого ряда вспомогательных технологий, которые выполняют функции, которые не только обеспечивают выполнение условий, связанных с требованиями экологического характера, но и выполняют функции, которые повышают эффективность функционирования основного технологического процесса. Необходимость в вспомогательных технологических процессах обусловливается еще и тем, что технологии энергетических предприятий являются достаточно сложными, энергоёмкими и стратегически важными. Для обеспечения эффективного функционирования совокупности взаимосвязанных технологических процессов необходимо иметь возможность отслеживать большое количество информации, которая отображает текучее состояние всех технологических процессов, что является необходимым условием осуществления оптимального управления, большой вклад в которое сделали научные отечественные школы под руководством Згуровского И.М., Кафарова В.В., Федоткина И.М. Решение таких задач является возможным только в рамках соответствующих информационных технологий. Поэтому исследования и решение проблемы создания новых информационных технологий, которые ориентированы на обслуживания физико-химических технологических процессов, в которых используются явления кавитации, являются актуальными.

Характерным для энергетических технологий является потребление больших объемов природных ресурсов, к которым относятся вода, воздух, земельные участки и топливо. Поскольку, возобновление ресурсов естественным образом нуждается в достаточно больших периодах времени, то вспомогательные технологические процессы, которые ориентированы на возобновление природных ресурсов и на повышение эффективности их использования, играют важную роль при реализации энергогенерирующего процесса. Среди физико-химических процессов, которые используются в

вспомогательных технологиях, важное место занимают процессы, которые используют кавитационные явления. Соответствующие технологические процессы достаточно сложно описывать в виде детерминированных математических моделей, поскольку их природа достаточно сложна и не до конца изучена. Использование этих явлений в технологических процессах основывается на данных экспериментальных исследований и опытных данных, полученных в результате анализа результатов функционирования соответствующих установок. Использование этих данных для управления соответствующими технологическими процессами является возможным только в рамках специально разработанных информационных технологий, важный вклад в формирование теорий которых сделали Глушков В.М., Стогний А.А., Губарев В.Ф., Бусленко Н.П. и Сергиенко И.В.

Актуальность проблемы разработки информационных технологий для реализации оптимального управления процессами энерговырабатывающих технологий обусловливается важностью задач охраны окружающей среды и обеспечением замкнутых циклов использования природных ресурсов.

Связь работы с государственными программами, планами, темами. Работа выполнялась в рамках следующих научно-исследовательских работ и Государственных тем.

Госбюджетная научно-опытная работа „Исследования процессов кавитационного эмульгирования и диспергирования в химической технологии" и 21 научно-исследовательских и хоздоговорных работ, в том числе: договор №01-98 «Разработка и внедрение технологии снижения вязкости мазута при его гидродинамической обработке», ТЭЦ-6 АК «Киевэнерго», 1998р.; №04-98 «Разработка модернизированной технологии нейтрализации сточных вод с использованием гидродинамического смесителя», ТЭЦ-6 АК «Киевэнерго», 1998р.; №03-98 «Разработка модернизированной системы приготовления водомазутной эмульсии», ТЭЦ-6 АК «Киевэнерго», 1998р.; №14-99 «Разработка и внедрение системы флотации замазучених вод», ТЭЦ-5 АК «Киевэнерго», 1999р.; №03-00 «Разработка и внедрение водо-воздушной завесы защиты от

рыб на водозаборе ТЭЦ-5», ТЭЦ-5 АК «Киевэнерго», 2000р.; №12-2000 «Разработка и внедрение технологии повышения качества котельного топлива», Запорожский коксохимический комбинат, 2000р.; №16-2000 «Разработка и внедрение системы приготовления, хранения и сжигания водомазутной топливной эмульсии (ВМТЭ) с применением гидродинамических кавитационных аппаратов (ГКА)», ОАО «Запорожсталь», 2000р..; №01-01/07 «Разработка схемных решений, проектирование установки защиты водозабора от молоди рыб, изготовление нестандартного оборудования», ЧП «Промтехсервис», 2001р.; №03-1-01 «Разработка и внедрение технологии флотации сточных вод загрязненных нефтепродуктами с применением кавитаторов», ГРЕС-3 ОАО «Мосэнерго», 2001р.; № 06-3 «Внедрение технологии приготовления товарных мазутов» Лисичанский нефтеперерабатывающий завод ОАО «ЛИНОС», 2003р.; №01-1/А «Создание рыбо- и мусорозащитного устройств с использованием гидродинамических аэраторов на водозаборе ковшевого типа ФГУП АЭХК». Федеральное государственное унитарное предприятие Ангарский электролизный химический комбинат, 2004р.; №01-2-04 «Реконструкция системы хранения, подогрева подачи мазутного топлива», ГЕС-1 ОАО «Мосэнерго», 2004р.; №161-05 «Внедрение модернизированной технологии очистки от нефтепродуктов на очистных сооружениях», ТЭЦ-16 ОАО «Мосэнерго», 2005р.; №03-2-05 «Внедрение схемы флотации для бака-отстойника узла очистки замазученных вод очистных сооружений», ГРЕС-3 ОАО «Мосенерго», 2005р.

Цель и задание исследования. Цель работы заключается в разработке научно обоснованных методов и информационных технологий анализа и управления технологическими процессами, которые реализуются на основе физико-химических процессов, которые основываются на использовании явлений кавитации, что позволяет эффективно управлять процессами обогащения дизельного топлива, процессами очистки воды и другими процессами, управление которыми возможно благодаря применению специализированных структур информационных моделей.

Для достижения указанной цели, были поставлены и решены такие основные задачи:

1. Разработка новых структур информационных моделей, которые позволяют описывать на разных уровнях идентификации и детализации физико-химические процессы кавитации.

2. Реализация методов построения информационных моделей кавитационных процессов для описания динамики технологических объектов, их структуры и динамики.

3. Разработка методов формирования информационной технологии, которая охватывает ряд взаимосвязанных технологических процессов, которые используют явления кавитации.

4. Разработка информационной технологии моделей распознавания образов кавитационных процессов для автоматизации и оптимизации режимов вспомогательного технологического комплекса на энергопродуцирующем предприятии.

5. Разработка методики использования информационных моделей и специализированной информационной технологии, которая описывает кавитационные процессы в технологических структурах с целью оптимизации.

6. Синтез структур АСУ-ТП с кавитационными агрегатами.

Объектом исследования являются системы автоматизации технологических процессов, которые функционируют на энергогенерирующих предприятиях, их оптимизация и интеграция.

Предметом исследования являются информационные технологии анализа физико-химических процессов, которые используют явления кавитации и основываются на использовании специальных информационных структур для повышения их энергетической эффективности.

Методы исследования. Исследование выполнено на основе использования методов математической логики, математического моделирования и компьютерного моделирования, а также на основе

экспериментальных исследований.

Научная новизна полученных результатов. В диссертационной работе решена научно-прикладная проблема построения концептуальных положений и научно обоснованных методов и информационных технологий синтеза всп�