Оптимизация автоматизированного проектирования энергетических котлоагрегатов

АСУ, ИНФОРМАЦИОННА ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИ В ЭНЕРГЕТИКЕ

УДК 621.181.001.24

ОПТИМИЗАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛОАГРЕГАТОВ

В. С. БЕДНАРЖЕВСКИЙ

Разработана технология автоматизированного проектирования и оптимизации котлоагрегатов на ЭВМ.

Повышение производительности труда при конструировании котлоагрегатов диктует внедрение вычислительной техники, проектирование котлов на котлостроительных заводах почти полностью происходит при помощи ЭВМ. В связи с этим возрастает значение системы автоматизированного проектирования (САПР) котлоагрегатов. САПР в классическом понимании включает в себя технические средства, системное программное обеспечение (ПО), прикладное (пользовательское) ПО, работу самого конструктора.

Под оптимизацией САПР котлоагрегатов подразумевается сокращение цикла проектирования котла по всем четырем составляющим САПР: замена оборудования на более производительное, обновление системного ПО, разработка и оптимизация прикладного ПО, обучение пользователей ЭВМ.

Оптимизация по техническим средствам идет по пути использования персональных ЭВМ.

Используется системное ПО и языки программирования: AutoCAD, NCAD, Glisp, ABASE, PASCAL, C, FORTRAN-77, AutoLISP. Необходимо обучение конструктора как пользователя IBM PC, ознакомление с диалогом ЭВМ-пользователь в графической системе AutoCAD.

Постановка задачи оптимизации автоматизированного проектирования (рис. 1) сводится к задаче нахождения (n + k + m) переменных t, минимизирующих

данную целевую функцию:

n k m

T = Til211>+T2{ s tj}+T3{stt},

i=1 j=1 l=1

где Т - время цикла проектирования котла; Т1 - функции времени построения и решения динамической математической модели; Т2 - функции времени

выполнения расчетных работ; Т3 - функции времени выполнения чертежных работ; ti, tj, ti - время, соответственно, построения и решения уравнений в

© В. С. Беднаржевский Проблемы энергетики, 2003, № 3-4

динамической математической модели котла, выполнения вида стационарного расчета на ЭВМ, вычерчивания рабочего чертежа со спецификацией; п, к, т -количество, соответственно, уравнений в динамической математической модели котла, видов стационарного расчета котла, рабочих чертежей. Чаще всего оптимальное решение единственно, однако возможны случаи, когда оптимальных решений несколько десятков.

оптимизация стационарных расчетоб

стационарные расчета

.^•"росч ет ны£\^ значения достигнуто? ІДА НЕТ

оптимизация тепловой схемы котла

математическая модель котла

динамический расчет котла

схема <^-^устойчи5а?^^-> ^^Тда НЕТ

оптимизация цикла черчения чертежей

рабочие чертежи узлоВ и деталей

конец автоматизированного проектиробония

Рис.1. Структурная схема оптимизации автоматизированного проектирования котлоагрегата

Рассмотрим последовательно функции Ті, Т 2, Т 3 и ограничения, накладываемые на них.

Прикладное ПО является одним из самых трудоемких в цепочке задач

САПР. Автором накоплен определенный опыт в составлении алгоритмов и программ для САПР котлов [1-3]. Функционирование САПР котлоагрегатов можно представить как определенную последовательность функционирования программных модулей. Одни программы функционируют на стадии эскизного проекта, другие - на стадии технического и рабочего проектов. Каждый расчет укрупненно можно представить как функцию определенных значений:

конструктивный тепловой расчет H = f

поверочный тепловой расчет GD = f

аэродинамический расчет Z = f

гидравлический расчет G = f

расчет температуры стенки трубы TS = f

расчет перепада давления по паровому тракту ZP = f

расчет на прочность элементов котла SM = f

расчет на прочность цельносварных экранов SIG = f

расчет системы пылеприготовления TN = f

расчет на прочность цельносварных газоплотных

потолков DL = f

расчет каркаса котла № = f

расчет на самокомпенсацию трубопроводов L = f

расчет надежности работы поверхностей нагрева WW = f

Условные обозначения, принятые в уравнениях (2)-(14): Н -

конструктивные характеристики поверхностей нагрева; Р - исходные данные для проекта котлоагрегата (паропроизводительность, вид топлива, температура и давление перегретого пара, температура питательной воды, уходящих газов и воздуха); GD - характеристики потока газов и диаметры труб; Z - сопротивление газовоздушных трактов; G - характеристики потока пароводяной смеси (истинный расход, действительная скорость, кратность циркуляции); ^ -теплотехнические данные теплового расчета; TS - температура стенки трубы; ТР-температура пара; К - конструктивные характеристики трубы (диаметр, толщина стенки); ZP - сопротивление тракта и давление среды; W - скорость пара; SM -минимальная толщина стенки трубы; SI - допустимые напряжения; SIG -суммарные напряжения; TN - температура горячего воздуха и

производительность мельниц, сепараторов и т. д.; NT - вид и количество топлива; DL - прогибы потолков и эпюры напряжений; Q - нагрузки; UP - устойчивость и прочность балок каркаса; PR - прочностные характеристики элементов (площадь, момент сопротивления поперечного сечения, момент инерции, нагрузка); WW -параметр потока вынужденных остановов; ^ - количество стыков, гибов, прямых участков сварных труб.

Из формул (2)—(14) видно, что результаты одних функций являются аргументами для других функций. По формулам (2)—(14) нетрудно укрупненно проследить информационные потоки при функционировании расчетов. В нашем случае текущие оптимальные значения функций заранее неизвестны, известны лишь данные для проекта котлоагрегата Р. Каждый расчет, в зависимости от функциональных задач, выполняется в пакетном режиме, режиме диалога, графического диалога, автоматическом и режиме их комбинаций. Если построить целевые функции режимов, то минимальное значение они будут принимать для графического диалога и автоматического режима. Время выполнения вида стационарного расчета, вне зависимости от режима, можно охарактеризовать длительностью и частотой (по аналогии с технологическим процессом [4]). В пакетном режиме частота выполнения расчета будет максимальной, в автоматическом — минимальной. Длительность расчета будет максимальной в режиме диалога, что зависит от времени ответов конструктора на запросы, частота расчета будет минимальной.

При автоматизированном проектировании необходимо создавать динамическую математическую модель котла [5, 6], используемую для

вычисления параметров настройки регуляторов систем автоматического регулирования, анализа опасных отклонений температуры перегрева пара и других параметров, оптимизации тепловой схемы котла. Котлоагрегат разбивается на расчетные участки (обычно по поверхностям нагрева): циркуляционный контур — участок с двухфазной средой (уравнения (15)—(19)), ступени пароперегревателя (ПП) — участки с однофазной средой (уравнения (20)—(24)). Укрупненно уравнения можно представить в следующем виде.

Двухфазный участок:

уравнение материального баланса

уравнение теплового баланса

f(йфр dфh dt dt dt

—) = /(АЛ,рр в,^);

уравнение расхода

* = / (фр ,#);

уравнение газовоздушного тракта

¥= /(МБ,);

уравнение изменения температуры газов на выходе из топки

Ф = /

Однофазный участок: уравнение теплового баланса

/

Ж т уравнение расхода

Я = /

уравнение теплообмена

у/= /

уравнение теплового баланса газовоздушного тракта

у/=/

уравнение материального баланса

АЯ = /

Ж &

где - Я,Мб LЛ&’Фв’Фвь ,Фр,Ф,ФИ -относительные значения, соответственно, расхода пара, топлива, воздуха; температуры газов, пара, воздуха; давления, тепловосприятия, уровня воды в барабане. АЯ, А Ф^в Р - разность 1-го и М-го

участков соответствующих величин. Используя уравнения (15)—(24), можно качественно проанализировать влияние одних переменных на другие. Известно, что применение радиационно-конвективного ПП снижает колебания температуры при переменных нагрузках. Рассмотрим два случая: степень радиационности (СР) ПП (отношение радиационного тепловосприятия к его полному тепловосприятию) будет приближаться в одном случае к 0, а в другом - к

1.

Пусть у ПП СР = 0, при возмущении расходом топлива испарительные экраны воспринимают дополнительное тепло (уравнения (18), (16)), расход пара, вырабатываемого циркуляционным контуром, возрастает (уравнения (15), (17)), и отклонение температуры пара от номинального значения (уравнение (20)) на выходе из ПП снижается, стабилизируясь на отрицательном значении. При возмущении расходом воздуха испарительные экраны воспринимают меньше тепла (уравнения (18), 16)), и, следовательно, расход пара через ПП уменьшается (уравнения (15), 17)), объем газов увеличивается и увеличивается

© Проблемы энергетики, 2003, № 3-4

тепловосприятие конвективной части ПП (уравнения (23), (22)). Отклонение температуры на выходе из ПП возрастает (уравнения (24), (20)).

Пусть у ПП СР = 1, при возмущении расходом топлива количество тепла, выделенного в топке (уравнение (18)), возрастает. Это тепло идет на нагрев испарительных экранов и на перегрев пара (уравнения (18), (16), (23), (22), (20)). Температура на выходе из ПП сначала возрастает (уравнение 20), по мере увеличения расхода (уравнения (15), (17)) падает, и отклонение температуры стабилизируется на положительном значении. При возмущении расходом воздуха расход пара через ПП уменьшается (уравнения (15), (17)), так как топка охлаждается, и температура перегрева увеличивается (уравнения (20), (24)), потому что количество выделенного тепла (уравнения (22), (23), (18)) остается прежним, а расход пара снижается (уравнения (21), (24), (17), (15)). Отклонение температуры стабилизируется на значении выше, чем при СР = 0.

В настоящее время применяются две технологии построения чертежей на ПЭВМ:

использование Аи1оСАБ'а и Аи1оЫ8Р'а в среде Аи1о-САБ'а [7]. Развитой интерфейс между Аи1оСАБ - Аи1оЫ8Р позволяет корректировать чертежи независимо от технологии их создания. Применяя Аи1оСАБ, пользователь создает чертежи вручную на магнитном носителе, при черчении чертежей по Аи1оЫ8Р-программе способ создания чертежа — автоматический графический диалог, поэтому технология с использованием Аи1оЫ8Р'а является оптимальной, так как ^и1оСАБ>>^Аи1оы8Р. Для написания программ на Аи1оЫ8Р'е необходим аппарат параметризации [8]. Под параметризацией понимается такое представление некоторого класса геометрических объектов, которое позволяет автоматически получать конкретный объект (экземпляр класса) путем задания значений параметров.

В практике компьютерного проектирования средства параметризации позволяют получать полностью автоматический выпуск конструкторских чертежей. Высокий уровень автоматизации удается обеспечить за счет специализации системы на определенный тип узлов и деталей котлоагрегата. Разрезы и виды на чертеже целесообразнее выполнять, используя параметризацию по размерам. В ее основе лежит известный факт, что геометрия разреза (вида) может быть построена по эскизу и значениям нанесенных на эскизе размеров. В таком эскизе должны определяться состав геометрических элементов, размерные отношения (в виде размерных обозначений) и наглядные геометрические отношения. В чертежной практике наглядными считаются следующие геометрические отношения: принадлежность (инцидентность) точки линии; параллельность и перпендикулярность прямых; касание окружностей и окружности с прямой; отношение точка — центр окружности; симметрия.

Для чертежей, состоящих из нескольких проекций (видов), этот набор расширяется проекционной связью. Совокупность геометрических и размерных отношений при заданном наборе элементов образует систему ограничений, достаточную для расчета геометрии вида (разреза). Далее строится модель параметризированного чертежа, состоящая из двух частей: параметрической и топологической, по которым, соответственно, рассчитывается геометрия для заданных значений размеров и строится экземпляр чертежа. Параметрическая модель МР состоит из трех множеств: Е — геометрических элементов, О — геометрических отношений и И — размерных отношений. МР= {Е, О, И}.

Топологическая модель задает соответствие между элементами чертежа и

геометрическими элементами параметрической модели. По топологической модели строится экземпляр чертежа. Формирование модели МР происходит непосредственно в ходе построения образца. На образец накладываются ограничения. Ограничениями могут быть любые G и R, которые образуют меню построений. В начале параметризации необходимо составить классификацию групп узлов котлоагрегата, которые необходимо начертить по AutoLISP-программе: коллекторов, водо- и пароперепускных труб, цельносварных

газоплотных панелей, экранов топки и конвективной шахты, экономайзеров, ширм, микроблоков ПП, боковых, фронтовых, задних блоков топки и др.

Summary

Designed technology of computer aided design and optimization an steam boilers on PC.

Литература

1. Беднаржевский В.С. Математические модели - основа систем автоматизированного проектирования паровых котлов // Теплоэнергетика.-1997.- № 9.- С. 20-23.

2. Беднаржевский В. С., Оскорбин Н.М. Автоматизированное проектирование энергетических паровых котлов // Известия вузов. Проблемы энергетики.-2002.- № 1-2.- С.3-9

3. Беднаржевский В. С., Оскорбин Н.М. Основные положения теплового расчета паровых котлов на ЭВМ // Теплоэнергетика.- 2002.- № 8.- С.22-24.

4. Капустин Н. М., Кузнецов П. М. Особенности формирования многомерной информации обратных связей в технологических объектах//Вестник машиностроения.- 1995.- № 2.- С. 32-33.

5. РТМ 108.031.101-84. Котлы барабанные: Расчет динамических характеристик. Л.: НПО ЦКТИ, 1986.- 80 с.

6. Беднаржевский В. С., Оскорбин Н.М. Динамическая математическая модель парового котла БКЗ 420-140-9 // Известия вузов. Проблемы энергетики.- 2002.-№ 3-4.

7. Беднаржевский В. С. Автоматизированное проектирование коллекторов энергетических котлов на ПЭВМ IBM PC // Тяжелое машиностроение.- 1994.-№ 11-12.- С. 13-14, 32.

8. Коваленко В. Н., Ревякин Ю. Г., Хухлаев Е. В. Параметризация машиностроительных чертежей, основанная на поэлементном расчете // Программирование.- 1992.- № 2.- С. 64—77.