CC BY
19
ДИНАМИКА ТЕПЛОВЫХ И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ
УДК 621.18
КРИТЕРИИ ОПТИМИЗАЦИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГАЗОТРУБНОГО КОТЛА
П. А. Батраков, А. Г. Михайлов
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-67-70
Аннотация - В статье представлены решения задач технико-экономических расчетов, целью которых является определение возможности рекомендовать проект к промышленному внедрению. Одним из основных определяющих факторов, влияющих на энергоэффективность котла, является температура уходящих газов, а также тепловое напряжение объема топочного пространства. В работе рассматриваются газотрубные котлы с топками различного профиля. Представлен наиболее полный анализ теплотехнических показателей работы котла при следующей технической задаче: Q = idem, М = idem и оценке по n, B. Применение топки с профилем эллипс оребренный приводит к уменьшению расхода топлива из-за более эффективной поверхности теплообмена в топке по сравнению с другими рассмотренными топками.
Ключевые слова: газотрубный котел, энергоэффективность, оптимизация, топка.
I. Введение
Энергоэффективность - эффективное использование энергетических ресурсов. Цели энергоэффективности -экономия ресурсов; эффективное расходования энергии; снижение издержек на топливо; повышение производительности [1]. Россия занимает третье место в мире по совокупному объёму энергопотребления, и её экономика отличается высоким уровнем энергоёмкости [2]. Поэтому энергоэффективность и энергосбережение входят в 5 стратегических направлений приоритетного технологического развития Российской Федерации. С учетом этого при использовании эффективных поверхностей теплообмена при совершенствовании конструкции топки газотрубного котла малой и средней мощности необходимо получить результаты технико-экономических расчетов, что позволит рекомендовать данный проект к промышленному внедрению.
II. Постановка задачи
Формулировка задачи оптимизации включает несколько этапов: выбор критерия оптимальности, выбор оптимизируемых параметров, установление необходимых ограничений и запись целевой оптимизационной функции.
Наиболее распространенными критериями оптимизации являются экономические и технологические показатели эффективности.
Задача оптимизации массогабаритных и рабочих характеристик газотрубного котла может быть записана в следующем виде:
f (Тух, qv) ^ max;
390 К < Тух < 400 К;
250 кВт/м3 < qv< 1100 кВт/м3,
где Тух - температура уходящих газов; qv - тепловое напряжение объёма топочного пространства.
Одним из основных факторов, влияющих на потерю теплоты с уходящими газами, является температура Тух. Для снижения Тух увеличивают площадь теплоиспользующих поверхностей нагрева. Величина Тух влияет не только на КПД агрегата, но и на капитальные затраты, необходимые для установки дополнительного теплооб-менного оборудования. С уменьшением Тух возрастает КПД, снижаются расход топлива и издержки на него. Однако при этом возрастают площади теплоиспользующих поверхностей (при малом температурном напоре площадь поверхности теплообмена необходимо увеличивать), в результате чего повышаются стоимость установки и эксплуатационные расходы. Поэтому для вновь проектируемых котельных агрегатов или других теп-лопотребляющих установок значение Тух определяют из технико-экономического расчета, в котором учитывается влияние Тух не только на КПД, но и на величину капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Современные котельные агрегаты, работающие на газообразном топливе, имеют Тух = 390 - 400 К.
Значение qv = Q/VT представляет собой количество теплоты, выделившейся при сжигании определенного количества топлива в единицу времени и приходящейся на 1 м3 объема топочного пространства. Если значение qv будет выходить за интервал значений, установленных практически, то за время нахождения в топке топливо не сгорит полностью. Опыт эксплуатации котельных агрегатов показал, что для различных видов топлива, способов сжигания и конструкций топок допустимое значение qv изменяется в широких пределах. Для газотрубного котла малой и средней мощности, использующего для работы газообразное топливо, qv находится в пределах от 250 до 1100 кВт/м3.
Рассмотрим метод проекции градиента как разновидность метода спуска. Описанный ниже алгоритм предназначен для решения задач вида
Min f(x), Ф! (x) < 0, I = 1, ..., m, ф1 (x) = 0, I = m+ 1, ..., l,
где f, ф! - непрерывно дифференцируемые функции, и является прямым обобщением метода наискорейшего спуска. Принцип работы и у того, и у другого один - идти в направлении быстрейшего убывания минимизируемой функции. Только в методе наискорейшего спуска, осуществляющем поиск безусловного минимума, это направление есть антиградиент, а в методе проекции градиента, решающем задачи условной оптимизации, оно определяется с учетом ограничений и получается в результате ортогонального проектирования антиградиента на некоторое линейное многообразие. Последнее аппроксимирует участок границы допустимой области, «параллельно» которому будет сделан шаг на очередной итерации. Поскольку граница нелинейная, этот шаг, вообще говоря, выведет из допустимого множества, даже если исходная точка принадлежит ему. Таким образом, в методе проекции градиента возможно движение по недопустимым точкам. Однако степень нарушения ограничений строго контролируется и сохраняется малой за счет корректировок и ограничения длин шагов.
III. Теория
Для сопоставления теплообменных поверхностей в качестве основных характеристик выделяются величины: количество теплоты Q, передаваемой через поверхность; расход топлива B; масса М.
Для решения задачи, в которой рассматриваются газотрубные котлы с топками различного профиля и массы [3], поверхность нагрева не может однозначно служить мерой оценки сравниваемых вариантов. В соответствии с этим предлагается следующая формулировка основных типов технических задач:
1. Q = idem, М = idem - оценка по n, B.
2. Q = idem, B = idem - оценка по M.
3. В = idem, М = idem - оценка по n, Q.
4. Q = idem, F = idem - оценка по n, В, М.
5. B = idem, F = idem - оценка по n, Q, М,
где количество теплоты Q, передаваемой через поверхность, масса М газотрубного котла, КПД брутто газотрубного котла n, расход топлива B, V - объем всей конструкции котла, F - площадь поперечного сечения.
Наиболее полный анализ теплотехнических показателей работы газотрубного котла возможен при решении следующей технической задачи:
1. Сохраняя постоянную площадь поверхности теплообмена в сечении топки и котла в целом (Q = idem, М = idem - оценка по n, B).
Переход от профиля круг к профилям эллипс и эллипс оребренный при неизменном интервале рекомендуемых температур уходящих газов соответствует уменьшению расхода топлива примерно на 1,1 м3/час из-за более эффективной поверхности теплообмена в топке с профилем эллипс оребренный по сравнению с другими рассмотренными вариантами (рис. 1), где точками показаны номинальные характеристики работы котлов).
Переход от профиля круг к профилям эллипс и эллипс оребренный ведет к уменьшению объёма топки и при неизменном интервале рекомендуемых тепловых напряжений в топке соответствует уменьшению расхода топлива примерно на 1,1 м3/час (рис. 2) в заданном интервале температур уходящих газов.
Согласно рис. 3 можно определить область, в которой находится максимум функции n = f (a/b, 5), где a/b -отношение длин малой и большой полуосей, 5 - коэффициент оребрения, что соответствует n = 0,95, a/b ~ 1,3 и 5 ~ 1,32 при выполнении условий: 1,0 < a/b < 1,5; 1,0 < 5 < 1,4; 390 < Тух < 400 К; 250 < qv< 1100 кВт/м3.
402 400 398
396
£
394
392
390
388
верхняя граница по технологическому регламенту
Эллипс+ребр
нижняя граница по технологическому регламенту
20 20,5 21 21,5 22 22,5
B, м3/час
23
23,5
24
Рис. 1. Зависимость температуры уходящих газов от расхода топлива
g950
„ 900 850 800 750
верхняя граница по технологическому регламенту
-X
Эллипс+ребр
а
Эллипс
20 20,5 21 21,5 22 22,5
B, м3/час
23
23,5
24
Рис. 2. Зависимость теплонапряженности топочного объема от расхода топлива
Рис. 3. Расчетные зависимости для n = f (a/b, 5)
Согласно рис. 4, можно определить область, в которой находится максимум функции B = f (a/b, 5), что соответствует B = 21,6 м3/ч, a/b ~ 1,3 и 5 ~ 1,32 при выполнении условий: 1,0 < a/b < 1,5; 1,0 < 5 < 1,4; 390 < Тух < 400 К; 250 < qv < 1100 кВт/м3.
а
Рис. 4. Расчетные зависимости для B = f (a/b, 5)
VI. Выводы и заключение
Таким образом, можно выделить общую область максимальных значений для КПД брутто п, рассчитанную методом спуска. Область минимальных значений для расхода газа B определялась таким же методом. Причем как в первом, так и во втором случаях максимальные, минимальные значения этих теплотехнических характеристик соответствуют a/b ~ 1,3 и 5 ~ 1,32.
Список литературы
1. Виленский П. Л., Лившиц В. Н., Смоляк С. А. Оценка эффективности инвестиционных проектов: теория и практика. М. : Дело, 2001. 832 с.
2. Генцлер И. В., Петрова Е. Ф., Сиваев С. Б. Энергосбережение в многоквартирном доме. Тверь: Научная книга, 2009. 130 с.
3. Batrakov P. A., Mrakin A. N., Selivanov A. A. Numerical study of the nitrogen oxide formation in non-circular profile furnaces of gas-tube boilers // 2016 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7818974.
УДК 621.1
АНАЛИЗ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ДЛИННОЙ ТРУБЕ
В. Т. Куанышев1, И. Н. Сачков2, И. Г. Сорогин3
'Уральский технический институт связи и информатики, г. Екатеринбург, Россия 2Уральский федеральный университет, г. Екатеринбург, Россия 3Уральский государственный университет путей сообщения, г. Екатеринбург, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2- 70- 78
Аннотация - Рассматриваются вопросы, связанные с анализом и первичной обработкой результатов тензометрических измерений, полученных в ходе производственных испытаний на длинной полузакрытой трубе с двигающимся в канале трубы поршнем под действием газа. Изучение динамических процессов и их характеристик, протекающих в трубе при движении поршня под действием расширяющихся газов, основано на анализе результатов измерений методом тензометрии. Особенности конструкции трубы и ее динамические характеристики должны обеспечивать заданную начальную скорость и устойчивость движения поршня в период последействия. Рассмотренные методы решения задач обработки и анализа полученных результатов имеют большую практическую значимость, заключающейся в возможности использования новых методов обработки информации (спектральный и вейвлет-анализ) с целью получения основных характеристик испытуемого изделия.
Ключевые слова: труба, тензометрия, динамические процессы, спектральный анализ.
