CC BY
41
Ефективтсть газотурбтних установок залежить вiд чистоти всмоктуваного повтря. В статтi представлено результа-ти моделювання та дослидження процесу очищення повтря за допомогою патронних фiльтрiв iз використанням традицтних та сучасних засобiв моделювання
Ключовi слова: повтряний фшьтр, газотурбтна установка, ттелектуальна
система, байеЫвська мережа
□-□
Эффективость газотурбинных установок зависит от чистоты всасываемого воздуха. В статье представлены результаты моделирования и исследования процесса очистки воздуха с помощью патронных фильтров с использованием традиционных и современных средств моделирования
Ключевые слова: воздушный фильтр, газотурбинная установка, интеллектуальная система, байесовская сеть
□-□
The quality of induced air has an essential impact on efficiency of gas turbine plants. Results of the modelling and research of air cleaning process by means of cartridge filter using traditional and modern simulation tools are presented in the article
Keywords: air filters, gas turbine, intellectual systems, Bayesian network
■о о
УДК 66.074:004.8
МОДЕЛЮВАННЯ ТА АНАЛ1З ПРОЦЕСУ ОЧИЩЕННЯ АТМОСФЕРНОГО ПОВ1ТРЯ НА ПАТРОННИХ Ф1ЛЬТРАХ ДЛЯ ГАЗОТУРБ1ННИХ УСТАНОВОК
Л.М. Бугаева
Кандидат техычних наук, доцент* Контактний тел.: (044) 563-39-40 E-mail: bugaeva_l@ukr.net
К.М. Полякова*
Контактний тел.: 050-294-10-55 E-mail: poliakova_k@ukr.net
Г.О. Статюха
Контактний тел.: (044) 406-82-12 E-mail: gen.statyukha@mail.ru Доктор техычних наук, професор, завщувач кафедрою* *Кафедра мбернетики хiмiко-технологiчних процеав Нацюнальний техшчний уыверситет УкраТни «КиТвський
пол^ехшчний шститут» пр. Перемоги, 37, м. КиТв, УкраТна, 03056
1. Вступ
Газотурбшш установки (ГТУ) широко застосову-ються в багатьох галузях промисловоси, енергетищ та на транспорть Великий вплив на загальну економiч-шсть, надшшсть, довговiчнiсть i еколопчну безпеку ГТУ мае яюсть повггря, що всмоктуеться з атмосфери i проходить через елементи установки. Недостатньо ефективне очищення атмосферного повиря призво-дить до ерозшного зносу проточно! частини двигуна, змшюе швидкiсть робочого тiла в проточнш частинi компресора i турбши, погiршуе процес згорання па-лива. Тому проблема очищення повиря, яке подаеться до ГТУ, е надзвичайно актуальною. Очищення повиря вщ зважених частинок здшснюеться iз допомогою га-
зоочисних anapaTiB i фiльтрiв. Дослщження цих про-цесiв та anapaTiB дозволяе виявити шляхи пiдвищення ïx ефективностi. Великий об'ем нaкопичених спосте-режень 3a стaном фiльтpiв дaе можливiсть моделювaти процес як тpaдицiйними методaми обробки шфор-мaцiï, TaK i зaстосовувaти iнтелектуaльнi методи, як дозволяють ствоpювaти пpогpaмнi системи тдтримки прийняття piшень, спpямовaниx Ha тдвищення ефек-тивностi роботи ГТУ.
2. Постановка задачi
Вpaxовуючи aктуaльнiсть проблем, пов'язaниx з очищенням aтмосфеpного повггря для гaзотуpбiнниx
установок, було прид^ено особливу увагу процесу очищення повиря за допомогою патронних фшм^в. Поставлено задачу проведення теоретичного та ек-спериментального дослiдження процесу ф^ьтрацп через цилiндричну гофровану поверхню патронних фiльтрiв та впливу на процес 1х режимних параметрiв. Також необхщно було розглянути можливiсть викори-стання байeсiвських мереж для ршення задачi ощню-вання ефективностi процесу очищення атмосферного повиря для ГТУ.
3. Дослщження процесу очищення повпря на патронних фiльтрах
Для видалення часток пилу з атмосферного по-виря, що поступав до газових турбш, використову-ються рiзнi системи ф^ьтрацп [1]. Як вiдомо, розмiр найбiльших твердих частинок, що мштяться в повiтрi в нормальних умовах, складав 10 - 15 мкм. Ерозiя лопаток компресора викликавться частками б^ьше 10 мкм, а забруднення компресора (вщкладення пилу на лопатках) - частками менше 5 мкм. Частки вщ 5 до 10 мкм можуть викликати ерозж або забруднення в за-лежносп вiд 1х твердостi, хiмiчного складу i фiзичних властивостей.
Для очищення атмосферного повиря в нашому до-слщженш використовувалися патроннi фiльтри. На рис. 1 показана схема ф^ьтрування через цилшдрич-ну гофровану фiльтрувальну перегородку. В проце« фiльтрування на поверхш гофри вiдкладавться осад пилу завтовшки 8.
Рис. 1. Схема процесу фтьтрування через цилiндричну гофровану перегородку
Шари осаду на протилежних стшках сходяться в точцi А, яка з часом змщувться до Ян, а внутрiшня частина складки, заповнена пилом, поступово зб^ь-шувться.
З рис. 2 видно, що при ф^ьтруванш з утворенням осаду через гофровану перегородку тсля деякого часу (у нашому прикладi близько 5000 с) настав перюд швидкого зростання втрати тиску на перегородщ, що повинне поза сумшвом враховуватися при виборi перь оду фiльтрування до регенерацп.
Можна знайти повну витрату повиря через гофровану перегородку, використовуючи наступний вираз:
V = АР(„Ь +
dy
+ Гоб 0Япн + ГоТУ^+б^
2Нп
Рис. 2. Залежнiсть товщини осаду вщ часу
Величина перепаду тискiв, що забезпечув необхщ-ну швидкiсть течи газового потоку через фшьтруваль-ну перегородку в найважлившою експлуатацiйною характеристикою будь-якого ф^ьтру. З попереднього виразу можна визначити втрату тиску:
АР = - У
Ъ/tga
¿у
2Нп
г ^ )
К„н + Г.8 { Япн + гоЛ/у2 + 82 Ц
де
8 = Ltga(1 - 1 -
poL2Hntga
)
Я„. = А
32Н(1 -е)2 ^е2
pоНnL2tga СУ
АР - втрата тиску, Па;
8 - товщина шару осаду, м;
тпр - граничний час фшьтрування, с;
Япн - коефiцiвнт опору перегородки;
D - дiаметр волокну, м;
е - порувапсть шару;
V - витрата газу, м3/с;
ц - динамiчна в'язкiсть газу, Па*с;
Н - висота перегородки (патрон), м;
п - число гофр ф^ьтрувально'! перегородки;
го - питомий коефвдвнт опору шару осаду;
L - ширина гофри, м;
ро - об'вмна шдльшсть осаду;
С - концентращя твердо! фази в повир^ що очищу-вться, кг/м3.
Отримана залежшсть втрати тиску вiд часу при ф^ьтруванш з утворенням осаду на гофрованш пере-городцi представлена на рис. 3.
Рис. 3. Залежшсть втрати тиску вщ часу при фтьтруванш з утворенням осаду на гофрованш перегороди
0
Ц
Мета експериментального дослщження - вивчення процесу ф^ьтрування через цилшдричну гофровану поверхню фiльтр патронiв i оцiнка впливу на процес режимних i конструктивних параметрiв фiльтру, пере-вiрка результапв i рекомендацiй теоретичного дослщ-ження процесу.
Експериментальш дослiдження проводилися в ТОВ «Комплексш повiтроочиснi пристро!» (м. Ки'!в). Для дослiдження були використаш патрони з числом гофр N =180, i загальною площею ф^ьтру-вання Sф = 2,455 м2. Дослiди проводилися при рiз-них концентращях пилу i значеннях швидкость За отриманими даними встановлювалися закономiр-ностi фiльтрування (закупорювання пор, утворення осаду) на фшьтр^ !х послщовшсть i тривалiсть. Визначалися константи ф^ьтрування, необхiднi для розрахунку фiльтру i його застосування в тих або шших умовах.
На початку роботи ф^ьтру втрата тиску на ф^ьтр елементах визначаеться, опором чисто! перегородки i складае АРн. У циклi фiльтрування втрата тиску з часом росте, при цьому кшетика зростання АР визначаеться структурою ф^ьтрувального матерiалу, параметрами газу i пилу, швидкiстю фiльтрування i характером процесу (закупорювання пор, утворення осаду, змшаний або послщовний процес).
Досягши АР кiнцевого значення АРк включаеться цикл регенерацп, пiсля якого АР знижуеться. Проте АР може i не знизитися до АРн чисто'! перегородки, внаслщок часткового закупорювання пор, що сталося в попередньому циклi фiльтрування. Таким чином, АРн вщ циклу до циклу ф^ьтрування може поступово збiльшуватися, а сам цикл в чаа поступово скорочу-ватися.
Регенеращя фiльтру використовуеться для перю-дичного очищення фiльтр-перегородки вiд осаду, вщ-новлення початково! швидкостi ф^ьтрування W i втрати тиску на перегородщ АР. В нашому дослвджен-нi регенерацiя здiйснювалася зворотнiм iмпульсним продуванням патронiв стислим повiтрям. Тривалшть iмпульсiв складала 0,2 с. У циклi регенерацii через 1 хв. по черзi продувався один патрон без зупинки ф^ь-трування в шших трьох. Досягши рiвноважноi регене-рацii i подачi повiтря вентилятором залежност АР(Т) мають вигляд, показаний на рис. 4.
Т
Рис. 4. Залежжсть перепаду тиску вiд часу в циклах фтьтрування-регенераЩя: W=0.01 м/с
Дослщження ефективностi пиловловлювання частинок на волокнистих фшьтрах проводилися на
тих самих зразках ф^ьтрувальних перегородок, що i гiдравлiчнi випробування. На рис. 5 приведенi ре-зультати по фракцшнш ефективностi уловлювання частинок пилу для волокна. Швидюсть фiльтрацii складала 0,01 м/с i 0,03 м/с. Приведет дат свщчать про високу ефектившсть уловлювання частинок пилу (близько 1 мкм) при швидкосп ф^ьтрацп 0,03 м/с.
но
зо —
0 0,5 1 1,5 2
Д1айетр часток, мкм
Рис. 5. Фракцшна ефективнiсть при рiзнiй швидкосп фтьтрацп
Таким чином, була показана дощльшсть практичного застосування фтьтрацп при швидкостях газового потоку > 0,01 м/с i дiаметрi волокна 10 мкм при температурi повiтря 200С, опорi фiльтру 4 кгс/м2 и товщинi шару 0,0003 м.
4. Аналiз процесу очищення повкря на патронних фiльтрах i3 допомогою мереж Байеса
Наявнiсть експериментальних (мошторингових) даних KpiM традицiйноi статистично! обробки даних дозволяе провести ще й iнтелектуальний аналiз даних [2]. Зараз широкого застосування набули таю ш-телектуальш засоби як нейронш мережi, системи не-чикого виведення та багато iнших, серед яких е й так зваш мережi Байеса. Цi мережi представляють собою графiчнi моделi iмовiрнiсних i причинно-наслiдкових вiдносин мiж змiнними в статистичному шформацш-ному моделюваннi. В байеивських мережах можуть органiчно поеднуватися емтричш частоти появи рiз-них значень змшних, суб'ективнi оцiнки «очжувань» i теоретичнi уявлення про математичну iмовiрнiсть тих або iнших наслщюв з апрiорноi iнформацii, що вiдрiзняе байесiвськi мережi вiд iнших методик ште-лектуального моделювання. 1нтелектуальний аналiз даних процесу очищення атмосферного повггря для газотурбiнних установок проводився на базi бай-есiвських мереж в середовишд HUGIN Expert, яке дозволяе створювати системи пiдтримки прийняття ршень в умовах невизначеностi в рiзних проблемних областях.
Виходячи з аналiзу процесу фтьтрацп повiтря па-тронним фшьтром для газотурбiнного двигуна, були видшеш основнi чинники, що впливають на ефектившсть процесу:
Восточно-Европейский журнал передовым технологий
• дiаметр частинок пилу в повир^ що фшьтруеться;
• температура повiтря на входi в очисну систему;
• швидюсть повiтря на входi;
• перепад тиску на ф^ьтрувальнш перегородщ.
Рис. 6. Вершини байеавськоТ мережу що описуе процес фiльтрацü'
чити, що при температурi повiтря 25-35оС, швидкостi повiтря в межах 0.01-0.02 м/с та розмiрi частинок пилу в повггря в межах 1 мкм iмовiрнiсть якiсного очищен-ня мала. Значення ефективноси 20-40%, коефвденту
пропуску в межах 40-1^1 60% 1 дуже великий пе-
репад тиску - 300-350 Па сввдчить про те, що ф^ьтри вже забрудне-нi i потребують замiни. Вершина «Рекоменда-цп» з трьох можливих варiантiв дш пропонуе замiнити фiльтри.
Порiвнюючирезуль-тати отримаш за допо-могою HUGIN з результатами отриманими традицiйними методами моделювання, мож-на зауважити, що деяка розбiжнiсть мае мiсце. Вона пояснюеться тим, що на еташ побудови системи в програмно-му середовищi HUGIN, ми не мали шформацп про iмовiрнiсть настан-ня тiеi чи iншоi подii,
Звичайно, факто-рiв, ввд яких залежить ефективнiсть очищення повиря, значно бiльше. Також до показниюв, що описують процес фiльтрацii, вщнесемо коефiцieнт пропуску частинок пилу через ф^ь-трувальну перегородку, зниження потужностi двигуна(викликане перепадом тиску на пере-городщ) та продуктив-нiсть фiльтру. Таким чином, було вид^ено сiм чинникiв (вершин), що впливають на ефектившсть процесу (восьма вершина) та можливi рекомендацii (дев'ята вершина) щодо його проведення. Всi щ вершини байеавсь-коi мережi показано на рис. 6.
Для побудови та-блиць умовноi iмовiрностi були використаш експе-риментальнi данi спостережень факторiв процесу за деякий перюд часу. Загальна кiлькiсть статистичних даних перевищуе 800 спостережень. Коли структура мережi та данi для ii побудови було визначено, необхщ-но було також визначити ва можливi стани для змш-них. На рис. 7 представлено побудовану байеивську мережу iз вказаними значеннями факторiв. Можна ба-
Рис. 7. BiKHO програми HUGIN з побудованою байеавською мережею
а мали лише статистичш данi процесу очищення атмосферного повиря за допомогою фiльтр-патронiв, накопичену за останнш рiк. Саме використовуючи цю iнформацiю програма згенерувала таблицю ймовiрно-стей для всiх змшних. Але в загалом можна вважати, що розроблена система шдтримки прийняття ршень у виглядi байeсiвськоi мережi повною мiрою вiдображаe дослiджуваний процес.
5. Висновки
В представленш po6oTi надано математичний опис процесу нестащонарного фшьтрування з утворенням осаду через цилшдричну гофровану фiльтрувальну перегородку i розглянуто його особливость Приведено результати дослщження впливу часу фiльтрування на перепад тиску, змши гiдравлiчного опору та ефек-тивностi процесу пиловловлювання частинок пилу патронними ф^ьтрами. Показано, що суттеву втрату тиску з часом при ф^ьтруванш з утворенням осаду на гофрованш перегородцi необхiдно враховувати при виборi режимних параметрiв патронного ф^ьтру. На основi експериментальних даних процесу очищення повiтря для газотурбшно! установки, наданих ТОВ «Комплексш повггроочисш пристроЬ» в середовищi Hugin Expert розроблена байеавська мережа, що дае змогу ощнити стан фiльтруючого елемента за кон-
кретних умов функщонування та ефективнiсть всього процесу в щлому. Результати моделювання та ощнки ефективностi процесу очищення атмосферного по-вiтря виконано на замовлення ТОВ «Комплексш повь троочиснi пристро!» з метою подальшого впроваджен-ня на газопровщних станцiях.
Лiтература
1. Лебедев А.С. Общие технические требования к системам фильтрации воздуха для энергетических газотурбинных установок / А.С. Лебедев, М.Ю. Львов, В.Е. Михайлов; М., ОАО «РАО ЕЭС», 2006.
2. Бугаева Л.Н., Полякова Е.Н. Оценка эффективности процесса очистки воздуха для газотурбинных установок / Сб. трудов Международ. науч. конф. Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23, Саратов, Россия, 2010.
Модифшовано украгнський регюналь-ний тдекс еколотчшп сталостi. Наведено результати оцтювання екологгчног стало-cmi регютв Украгни на основi даних 2008 року
Ключовi слова: сталий розвиток, еко-логiчна стал^ть, оцтю)вання, тдикатор, тдекс
□-□
Модифицирован украинский региональный индекс экологической устойчивости. Приведены результаты оценивания экологической устойчивости регионов Украины на основе данных 2008 года
Ключевые слова: устойчивое развитие, экологическая устойчивость, оценивание,
индикатор, индекс
□-□
Modified Ukrainian Regional Environmental Sustainability Index is proposed. The results of environmental sustainability assessment of Ukrainian regions based on 2008 data are given
Key words: sustainable development, environmental sustainability, assessment, indicator, index
УДК 502/504
ОЦ1НЮВАННЯ ЕКОЛОПЧНО1 СТАЛОСТ1 РЕГ1ОН1В УКРА1НИ НА ОСНОВ1 ДАНИХ 2008 РОКУ
1.М. Джигирей
Кандидат техшчних наук, старший викладач* Контактний тел.: (044) 408-82-12 E-mail: dzhygyrey@gmail.com
Г.О. Статюха
Доктор техычних наук, професор, завщувач кафедрою* Контактний тел.: (044) 408-82-12 E-mail: gen.statyukha@mail.ru *Кафедра мбернетики хiмiко-технологiчних процеав Нацюнальний техшчний уыверситет УкраТни «КиТвський
пол^ехшчний шститут» пр. Перемоги, 37, м. КиТв, УкраТна, 03056
1. Вступ
Системи iндикаторiв сталого розвитку активно розробляються та впроваджуються у свт [1], зокрема
i в Укра1ш, наприклад метрики [2-5], на рiзних рiв-нях, у рiзних сферах суспiльного життя. У контекст сталого розвитку оцiнювання на основi iндикаторiв дае змогу зробити висновки щодо стану i тенденцiй
