CC BY
18
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2011 год № 1 (6)
05.00.00 Технические науки
УДК 621.3
В.Ф. Очков, С. Гурке, Е.А. Минаева
Очков Валерий Федорович - д-р техн. наук, профессор кафедры технологий воды и топлива Московского энергетического института (НИУ), г. Москва. E-mail: [email protected]
Саша Гурке - вице-президент компании KNOVEL, США
Минаева Екатерина Александровна - мл. научн. сотр. кафедры морских технологий и энергетики ДВГТУ, г. Владивосток. E-mail: [email protected]
ПРИМЕНЕНИЕ ОБЛАЧНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ ДЛЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
В статье представлены результаты совместных исследований сотрудников МЭИ, американской компании Knovel, одного из мировых лидеров в области создания электронных справочников и баз данных, и ДВГТУ. Работа посвящена применению облачных вычислений в энергетическом секторе экономики. Результаты представлены на расчетном сервере МЭИ, который позволяет выполнять различные теплотехнические расчеты и может быть использован в образовательных целях. Для инженерных вычислений характерны сложности, связанные с изменением размерности, ошибками вычислений, массивными уравнениями и т.д. В статье рассмотрены методы предотвращения таких ошибок.
Ключевые слова: облачные вычисления, инженерные расчеты, Mathcad, теплоэнергетика, он-лайн-справочники.
Valery F. Ochkov, Sasha Gurke, Ekaterina A. Minaeva APPLICATION OF CLOUD COMPUTING IN FIELD OF POWER ENGINERING
In the present paper we consider the results of the joint research of collaborators of the Moscow Power Engineering Institute (National Research University), American company Knovel, which is one of the leaders in providing on-line reference books and data bases, and the Far Eastern National Technical University. The paper describes applying of cloud computing in energy sector of economy. The results are also presented at the calculation server of MPEI, which allows executing different fast and troubleproof and also may be used for educational purposes. At engineering computing there are a lot of specific complexities connected with change of dimension, calculation errors, big extend of connected calculation equations etc. In this paper we also observe methods of adaptation of on-line computing for engineering purposes.
Key words: doud computing, engineering computing, Mathcad, power engineering, on-line manual.
Введение
С развитием информационных технологий, Интернета и математических пакетов появилась возможность создания интерактивных сетевых технических справочников. Формулы, таблицы и графики переносятся в математические пакеты, такие как Mathcad, и выкладываются на сервер с возможностью проводить вычисления пользователями, у которых этих математических пакетов нет.
На базе МЭИ (Московского энергетического института) был создан расчетный сервер для инженеров (http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/VPU_Book_New/mas/ index.html), который постоянно развивается и содержит справочные данные по таким параметрам, как энтальпия, энтропия, динамическая скорость, число Прандтля, статическая диэлектрическая постоянная, теплопроводность и т.д. Данные рассчитаны по уравнениям, утвержденным Международной ассоциацией по свойствам воды и пара (www.iwaps.org) [4]. Таблицы термодинамических свойств составлены для значений температуры от 0 до 800 ^ и давления до 100 МПа, включая стадии насыщения и свойства метастабильного переохлажденного пара.
На сегодняшний день газотурбинные энергетические установки и установки комбинированного типа очень распространены в России, в этой связи сервер также содержит таблицы с такими данными, как внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, изобарная теплоемкость для компонентов рабочих сред (кислород, азот, атмосферный азот, воздух, углекислый газ, диоксид серы, оксид серы, двуокись азота, пар, водород) [1]. Таблицы свойств этих газов даны для температуры от -50 до 2200 °С
Пользовательские функции в облачных вычислениях для инженерного проектирования
Преимуществами он-лайн-справочников (рис. 1) по сравнению с бумажными аналогами являются:
- простота использования;
- большая информативность, чем в таблицах и номограммах;
- возможность «скачивания» пользовательских функций, программных кодов и прочих материалов;
- возможность быстрого исправления ошибок и обновления данных.
Рис. 1. Структура он-лайн-справочника
На сервере представлены все уравнения, используемые для вычислений данных справочных таблиц. Заглавие каждой таблицы отображает адрес Интернет-сайта, позволяющего работать с этими уравнениями.
На рис. 2 показаны подробные интерактивные вычисления свойств перегретого пара.
Как показывает опыт, программа может быть написана достаточно быстро, но бывает сложно найти и устранить ошибки, неизбежные при написании более-менее объемных программ. Но если программист проверяет промежуточные данные вычислений, то устранение ошибок будет более эффективным. В частности, по этой причине результаты промежуточных вычислений (рис. 2) представлены числами с большим количеством знаков после запятой.
Но основным отличием сайта от печатных аналогов является то, что в расчете представлены не только данные по запрашиваемому значению параметра, но и колебание значения, зависящее от температуры и давления, которое
также может быть представлено графически в виде диаграммы. Сайт, показанный на рис. 2, содержит ссылку на такую диаграмму.
jС mpei.ac.ru
Structure of IAPWS-IF97: Region 2
Go to the base page en g rus
12
| MPa 3 ^^T
EçE
Recalculate
100 80
40
/
Ред ¡оп 1 gion з / ; Region 2
/
0 200 p = 12 MPa p* := 1 MPa
T= 823.15 К T*:=S40k
Gibba free energy: g / j
Ideal part ,-г) := 1п(тг) + ^^ I rig ■ т
I = 1
400 BOO
it := p / p*= 12 т:= T* / T = 0.6560165
T °C 800
-5.1830761 1 and n, see >;
Realpart ^ £ [n, . J' (т _ 0.5)"J] = "0^25457 I. J and n see >>>
I = 1
-ï0 := — -ï0(it ,T) = 0.0B33333333
Этт
-vr := —-,г(тг,т) = -6.1970028 x 10 3
Этт
R ■ T 3
Specific volume - ■ тг Пд^ + "frit'l = 0.0293044874 m /kg
-îDt -=—~i0 (it , t) = 14.4335605495 Эт
— "fr(it,-r) =-0.4634717265 Эт
Specific internal energy R ■ T ■ [т (-/0т + -угт) - тг ■ (-,0-^ + -уГ1Г][] = 3130.0281265 kJ/kg Specific entropy R ■ [т ■ (-щт + чгт) - (-щ + -/r)] = 6.6553114389 kJ/(kg K) Spesific enthalpy R Тт ■ (~,0r + -угт) = 3481.6819756 kJ/kg
Ч0тт:= -^ЦЧ0Ог,-Г) =-10.9031963261
d-r
Чгтт:= " -, (тг.-г) = -2.092796937
d-r
Specific ¡sobaric heat capacity cp := -т2 ■ [-fQ-n- + Чгтт) ■ R = 2.5812805 kJ/(kg K)
:= — — (it, t) = -6.406538 x 10 14 Эт
d2 -3
-/0lrlt := -^-,0(тг,-г) = -6.9444444 x 10
dir
Specific isochoric p> . heat capacity
2 , . (1 + ■ - "г - it ■
■ ПОтт + 1гтт)--2-
1 - ^ ■ -fririv
-i№T:= — — 1 r (it, T) =-0.0410774 Эт
d2 -5
:= -!^-,r(it,-r) = -2.4767973 x 10
dir
2l
= 1.6638518332 kJ/(kg K)
R T - I 1 + 2 ■ it ■ + 1v2 ■ -tn2)
Sound '/elocity
2 (1 + 11 ■ Trit - w -irit-r)' 1 - ^ ■ Kritit + -
= 670.2188075 m/s
Ьо-гт + "Vr-rri
Рис. 2. Сетевой расчет свойств воды и пара
Вычисления с помощью баз данных и программ обработки данных
На рис. 3 показана часть таблицы и сайта, описывающего таблицу. Среди преимуществ такого расчета, по сравнению с обычным, можно выделить следующие:
- исходные данные (давление и температура) в обычных справочниках [3] представлены со значительными промежутками (для температуры - 20 градусов), что требует интерполяции в промежуточных точках. Сайт же не ограничен такими особенностями (например, расчетные данные таблицы: X = 110 °С, р = 1,5 МПа);
- исходные данные могут быть представлены в любых единицах измерения;
- ошибки и опечатки могут быть устранены мгновенно.
Jo 40 № ЮТ
tw 120 [■to
[«) ISO
1,1НК> 1.410 L9li
№4
Tables of specific isobaric heat capacity of water and water steam
'.'С ¿peclflc licfHrlciaalcipasIt/ ф э1 pre^jrep. K,=,d
0.01 0.1 U> | 2М 1 }» 1 4jii 1 Sj) 1 (¡.О 7.0 | 8,0 | 9.0 10,0
4,21ч 4.ZIJ
4.18} 4.1» J.ik;
4,1 M 4,179 4.176 4.174
4.191 4.1*1 4,114
J.!1*! 4.HM 4,191
1,912 ],MS
4.144
:.D7j 2Л19
1,99J 4 JEW
I да 4.П7
1.97ft ;.TIJ
4.242
4,281 4.J3J 4j4ni
j.:t>5
J,l«fi
4,191
4.1 Mi
4.1 SI
4.177
4,1
Table VI Actual mass Isobaric heat capacity at constant pressure I'^O (from the reference book A. A. Alexandrov, R.A. Orlov, V. F. Ochkov
Thei nn:»i>liV'jic.il i>i oi>ertig :. of vworhhiti substances of heat uowei engineering
Moscow, Publishing house ofMPEI.2009) Tolerant Range of p and T »> T -____P :=
И00 5
Pc3
10 5
MP a
~z\
digits :=
cp = 4.194 kJ/(kg K)
Recalculate
cp ma){ = 4.202 kJ/(kg K)
± ДСр / Cp Й 0.2% cp mlN = 4.1S6 kJ/(kg K)
Рис. 3. «Бумажный» и сетевой расчеты удельной изобарной теплоемкости воды
При использовании значений справочных таблиц или Интернет-сайтов в теплоэнергетических расчетах необходимо помнить, что они могут содержать ошибки, так или иначе влияющие на конечный результат, например при вычислении эффективности энергоустановки. Кроме того, этот результат должен быть представлен с учетом ошибки вводных данных. Если необходимо вычислить изменение параметра при различных начальных данных, составляется график. Расчетный сервер позволяет совмещать требуемые данные таблицы и графика. Такая комбинация показана на рис. 3.
Графическая обработка данных
При вводе температуры и давления пользователь сайта получает не только требуемое значение звуковой скорости, но также и соответствующую точку
на графике зависимости звуковой скорости от температуры. Таким образом, график автоматически отображает требуемую изобару (в данном случае р = 35 МПа). Некоторые страницы сайта отображают точки не на графике изобар (изохор или изотерм), а на термодинамической поверхности, объединяющей три параметра воды и пара, два из которых являются входными данными, а третий - расчетным параметром. На рис. 4 показана такая поверхность [2].
» в. mpei.4C.ru/MCS/Worksheet5/rbtpp/Diag3.xmcd " X
I " [120 рсЗ] р " [35 |мПа л] Пересчитать [
иг. м/с
0 200 400 600 800
Рис. 4. Интерактивная сетевая диаграмма свойств воды и пара
Таким образом, пользователь сайта может рассчитать требуемые характеристики воды и пара, а также проследить их изменение на графике (рис. 4) или на поверхности (рис. 5).
Сайт располагает множеством других расчетов и диаграмм для воды и пара. Некоторые из них перечислены ниже:
- фазовые переходы «лед-вода-пар»;
- зависимость удельной энтальпии воды и пара от температуры и давления;
- зависимость удельной изобарной теплоемкости воды и пара от температуры и давления;
- зависимость скорости звука в воде и паре от температуры и давления;
- зависимость динамической скорости воды и пара от температуры и давления;
- зависимость теплопроводности воды и пара от температуры и давления;
- зависимость числа Прандтля для воды и пара от температуры и давления;
- параметры влажного пара (график);
- зависимость плотности различных модификаций льда от температуры и давления;
- зависимость свойств морской воды от температуры, давления, солености и т.д.
Генератор кода
Генератор кода представляет собой веб-страницу, в которой можно задать вещество либо смесь веществ, либо материал, язык программирования, метод
обработки данных и по результатам запроса генерировать код функции, необходимой пользователю.
Пользовательские функции Mathcad
Пользовательская функция Mathcad - это документ формата xmcd или xmcdz для скачивания. Пользователь может скачать функцию и вставить ее в свой расчет, причем функция учитывает единицы измерения, и у пользователя не возникнет проблем с их переводом.
Заключение
Проведенные исследования показывают перспективность применения облачных вычислений как для теплоэнергетических, так и для технологических расчетов. Они позволяют значительно быстрее и точнее обрабатывать информацию, используя при этом самые обновленные базы данных. Также рекомендуется использовать расчетный сервер МЭИ в учебном процессе при подготовке студентов теплоэнергетических специальностей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Александров А. А., Орлов К. А., Очков В.Ф. Теплофизические свойства рабочих сред теплоэнергетики. М. : МЭИ, 2009. 224 с.
2. Интернет-версия справочника «Теплоэнергетика и теплотехника. Инструментальные средства создания и развития» / Г.Ю. Кондакова, А.С. Копылов, К.А. Орлов и др. М. : МЭИ, 2007. 160 с.
3. Промышленная теплотехника и теплоэнергетика : справочник / под ред. А.В. Клименко. М. : МЭИ, 2007. 632 с.
4. Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for Thermodynamic Properties of Water and Steam. International association for the properties of Water and Steam. Executive Secretary Dr. R.B. Dooley. Structural Integrity Associates Inc. 2904 . South Sheridan Way, Suite 303.Oakville, Ontario, L6J 7L7. Canada. 2007. 48 p.
