Нейросетевое моделирование процесса горения твердого топлива в жидкой среде при давлении 30 МПа

АСУ, ИНФОРМАЦИОННА ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИ В ЭНЕРГЕТИКЕ

УДК 621.78:622.279.51

НЕЙРОСЕТЕВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ЖИДКОЙ СРЕДЕ ПРИ ДАВЛЕНИИ 30 МПа

А.Р. МУХУТДИНОВ, Г.Н. МАРЧЕНКО

Казанский государственный энергетический университет

Представлены результаты экспериментальных исследований, посвященных горению твердого топлива аммиачно-селитренного состава в жидкой среде при давлении 30 МПа. Установлено влияние окружающей среды, плотности заряда и материала оболочки, дисперсности окислителя, а также направления распространения фронта горения на зависимость скорости горения от давления. Выявлены особенности и закономерности процесса горения образцов состава на основе аммиачной селитры в условиях окружающей жидкой среды и высокого давления. Проведено обсуждение полученных результатов. Предложена нейросетевая модель процесса горения твердого топлива, показана возможность и перспективность ее применения для оптимизации аммиачно-селитренного состава.

Введение

В настоящее время твердые топлива (ТТ) находят широкое применение в теплогенерирующих устройствах различного назначения. Особенно эффективно их использование для повышения производительности нефтяных скважин, где они эксплуатируются в жидкой среде при высоком давлении. Создание новых конструкций устройств возможно на основе моделирования процесса горения ТТ. Однако построение математической модели процесса горения ТТ существующими методами вызывает сложность, т.к. выходная характеристика (скорость горения) зависит более чем от двух входных параметров: окружающей среды, давления, соотношения окислителя и горючего, дисперсности окислителя, плотности топлива и др. Кроме того, при увеличении размерности задачи сложность ее решения такими методами резко возрастает и, что немаловажно, делает невозможной единую программную реализацию для случаев произвольной размерности. Одним из перспективных путей решения данной проблемы является применение нейротехнологий, основывающихся на искусственных нейронных сетях (ИНС). Для нейросетевого прогнозирования необходима определенная выборка данных, которую ИНС позволит обобщить и выработать ожидаемую реакцию применительно к данным, не обрабатывающимся в процессе обучения. Однако сведений в литературе о закономерностях процесса горения ТТ в жидкой среде при высоком давлении очень мало. Учитывая, что характеристики и закономерности горения ТТ в таких условиях играют исключительно важную роль, т.к. они определяют параметры и, в конечном итоге, эффективность их

© А. А. Мухутдинов, Г.Н. Марченко Проблемы энергетики, 2007, № 7-8

применения, изучение характеристик и закономерностей горения ТТ в жидкой среде при высоком давлении, а также создание на основе полученных результатов нейросетевой модели является актуальной задачей, имеющей научный и практический интерес.

Методика и оборудование эксперимента

Для оценки характеристик горения твердого топлива в жидкой среде при высоком давлении разработаны методика испытания и стендовая установка, позволяющая имитировать скважинные условия. Стендовая установка переменного давления (рис. 1) состоит из толстостенного цилиндрического сосуда (внутренним диаметром 0,1 м и высотой 1,6 м, с полным объемом камеры 12,3 л) для размещения и сжигания образцов в жидкой среде.

Рис. 1. Стендовая установка: 1, 10 - крышка; 2, 9 - пробка; 3 - корпус; 4 - линия сброса;

5 - держатель; 6 - опытный образец; 7 - регистрирующая аппаратура; 8 - тензометрический датчик; 11 - предохранительный клапан

На боковой поверхности сосуда имеется отверстие для тензометрического датчика давления марки ЛХ-412-600. Электрическая цепь датчика давления соединена с преобразователем тензометрических сигналов (ПТС-1) и осциллографом (Н-145) для регистрации изменения давления во времени в процессе горения. Торцы сосуда герметично закрываются пробками и поджимаются крышками. В верхней пробке установлен электроввод для соединения электрической цепи узла воспламенения испытываемого образца с источником тока. Испытываемый образец в сосуде закрепляется на держателе. Провода от узла воспламенения опытного образца подсоединяются к электровводу на пробке. С пульта управления, расположенного вне кабины, на узел воспламенения подается электрический импульс, воспламеняющий образец.

В процессе горения образца при возрастающих давлениях жидкой среды величина скорости и ее зависимость от давления могут иметь различный характер. С целью определения сразу нескольких значений скорости горения испытываемого образца, соответствующих различным интервалам давлений, в работе применялся метод слоевых зарядов [1], согласно которому между слоями

исследуемого состава размещаются слои вспомогательного состава с существенно меньшей скоростью горения, чем исследуемый. Заряд формируется методом порционного прессования в пластмассовый корпус с внутренним диаметром

0,036 м и состоит из последовательно чередующихся слоев исследуемого и вспомогательного составов высотой 0,036 м и 0,018 м. В опытах образец заряда включает четыре слоя исследуемого состава р =1440 кг/м3 и четыре слоя вспомогательного состава плотностью р =1270 кг/м3. Это дает возможность получить перегибы на кривой Р((), позволяющие определить время начала и конца горения каждого слоя. Исследуемый образец представляет собой смесь состава: аммиачная селитра (АС) - 72 %, бихромат калия - 3 % и эпоксидный компаунд - 25 %, а вспомогательный - смесь состава: аммиачная селитра - 48 %, бихромат калия - 2 % и эпоксидный компаунд - 50 %. Образец воспламеняется от узла воспламенения, установленного на торце заряда и состоящего из спирали накаливания и воспламенительной смеси состава: аммиачная селитра - 70 %, бихромат калия - 10 % и эпоксидный компаунд - 20 %. Для получения скорости горения в интересующем диапазоне давлений, не превышающих давление срабатывания предохранительного клапана, сосуд заполняется жидкостью до определенного уровня. При этом оставляется свободный объем воздушного пространства, который определяется по тарировочному графику в зависимости от массы сжигаемого образца.

Для нейросетевого моделирования используется методика работы [2], способствующая созданию оптимальных систем с заданными эксплуатационными параметрами процесса горения ТТ.

Результаты экспериментов и их обсуждение

На первом этапе изучалось влияние жидкой среды, по сравнению с газовой, на значение скорости горения и зависимости ее от давления и=/Р) по мере изменения дисперсности окислителя, направления распространения фронта горения, материала оболочки и плотности ТТ.

Окружающая среда. Важной характеристикой процесса горения твердого топлива является зависимость скорости горения от давления. Зависимость и=/Р) для ТТ аммиачно-селитренного состава

оболочке, воспламеняющихся с нижнего торца заряда. Образцы испытывались как в жидкой среде, так и, для сравнения, в газовой.

Зависимость и=/Р) для всех изученных образцов АСС как в условиях жидкой, так и в условиях газовой среды является линейной в изученном диапазоне давлений (рис. 2). Линейная зависимость и=/(Р) указывает на то [3], что определяющие скорость горения процессы протекают преимущественно в кинетическом режиме. Это определяет общность закономерностей горения исследуемых образцов в обеих средах. Различие состоит в том, что уровень скорости горения в жидкой среде из-за более высоких теплопотерь несколько ниже (примерно на 10 %), чем в газовой среде. Следует также отметить, что в области повышенных давлений 15...25 МПа, характерной для обработки призабойной зоны (ОПЗ), зависимость скорости горения от давления в условиях

жидкой среды ослабляется по сравнению с газовой средой, об этом свидетельствует меньшее значение показателя при P в законе скорости горения в жидкой среде ( v =0,46) по сравнению с газовой ( v =0,56):

- w=0,22*P0,46 - для жидкой среды;

- u=0,16*P°56 - для газовой среды.

Таким образом, жидкая среда для изученных образцов АСС способствует уменьшению скорости их горения и снижению зависимости ее от давления, что, в конечном итоге, из-за возможности увеличения продолжительности термогазодинамического воздействия позволяет повысить эффективность обработки ПЗП.

17*10 7

-—V

1 л о о 1

5 10 15 20 25 ЛПМа

Рис. 2. Зависимость скорости горения от давления для образцов АСС в газовой (11) и жидкой

(1) средах

Плотность заряда. При изучении влияния плотности заряда на зависимость u=f(P) в условиях жидкой среды исходили из необходимости установления оптимальной ее величины, при которой обеспечивается нормальное послойное горение, минимальны скорость горения и зависимость ее от давления.

Исследования образцов ТТАСС различной плотности: 1360, 1440 и 1500 кг/м3 с диаметром заряда 0,056 м в ПВХ оболочке проводились в диапазоне давлений 1...30 МПа.

Зависимость u=f(P) для образцов с различными плотностями в условиях жидкой среды имеет один и тот же почти линейный характер (рис. 3).

£/*10'3

о --------------------------------------------

5 10 15 20 25 ЛПМа

Рис. 3. Влияние плотности заряда на зависимость скорости горения от давления:

1- 1360 кг/м3; 2- 1440 кг/м3; 3- 1500 кг/м3

Повышение плотности приводит к снижению скорости горения и зависимости ее от давления. Так, при повышении плотности до 1440 кг/м3 © Проблемы энергетики, 2007, № 7-8

скорость горения, при давлении 25 МПа, уменьшается на 40 %, а при 1500 кг/м3 -на 20 %. При этом, чем больше плотность, тем зависимость и=/(Р) слабее, о чем свидетельствует понижение значения показателя (V) в законе скорости горения:

- и=0,13*Р0,66 - для р =1360 кг/м3;

- н=0,22*Р046 - для р =1440 кг/м3;

- н=0,29*Р0,38 - для р =1500 кг/м3.

Прямолинейный характер кривых в исследуемом диапазоне давлений для изученных плотностей образцов ТТАСС указывает на послойное и устойчивое их горение. С целью обеспечения оптимальных характеристик горения рекомендуется использовать заряд с максимальной плотностью, которая для данной рецептуры составляет 1500 кг/м3.

Дисперсность______окислителя. Зависимость скорости горения

конденсированных смесей от дисперсности компонентов представляет существенный практический интерес, т.к. она позволяет регулировать скорость горения без изменения состава смеси.

В общем случае скорость горения конденсированной смеси зависит как от размера частиц окислителя (</ок), так и от размера частиц горючего (</гор). Однако в рассматриваемом нами случае понятие размера частиц «горючего» приобретает несколько иной смысл, поскольку в конечном итоге «горючее» выполняет роль полимерной матрицы с равномерно распределенными в ней частицами окислителя. При этом размер прослоек полимерной матрицы «горючего» прямо пропорционален размеру частиц окислителя [4]. Следовательно, в данном случае зависимость скорости горения от дисперсности компонентов сводится к зависимости скорости горения от размера частиц окислителя. Закономерности изменения скорости горения от дисперсности окислителя в условиях газовой среды достаточно полно изучены в литературе.

При оценке влияния дисперсности аммиачной селитры на характеристики горения в условиях жидкой среды исходили из необходимости использования заряда с устойчивой воспламеняемостью, минимальной скоростью горения и малой зависимостью ее от давления, а также с оптимальной технологией приготовления состава. В производственных условиях составы готовят из окислителя не одной дисперсности, а из определенного набора фракций, получаемого при рассеивании частиц через стандартный набор сит после измельчения гранулированной АС.

Гранулометричекий состав гранулированной АС, измельченной в производственных условиях с использованием шаровой мельницы, представлен в таблице.

Таблица

Гранулометрический состав

Размер частиц, мкм 63-100 100-160 160-200 200-315 315-400 400-630 630-1000 1000-2500 >2500

Содержание фракции, % 0,1 0,8 1,7 48,0 40,0 8,0 0,8 0,5 0,1

Оптимальным, с технологической точки зрения, является использование всех фракций с размерами частиц до 630 мкм, на которые приходится подавляющее количество (98 %) измельченного окислителя. В этой связи изучалось влияние на скорость горения образцов АСС базовой рецептуры

фракционного содержания окислителя, а именно: 63-315, 63-630 мкм, и смеси из фракций 63-315 мкм (40%) с фракцией 1-3 мм (60 % неизмельченных гранул селитры). Для этих трех образцов АСС с различным фракционным содержанием окислителя в условиях жидкой среды определялись скорость горения и зависимость ее от давления в пределах от 3 до 25 МПа. Для сравнения указанная характеристика также определялась у образцов состава с размером частиц окислителя 63-315 мкм в условиях окружающей газовой среды.

Зависимость u=f(P) (рис. 4) для всех изученных образцов составов с различными фракциями окислителя как в условиях жидкой, так и в условиях газовой среды имеет один и тот же характер. Это подтверждает общность закономерностей изменения в обеих средах скорости горения исследуемых образцов в зависимости от дисперсности окислителя, т.е. с уменьшением дисперсности скорость горения пропорционально снижается во всем интервале изученных давлений. С точки зрения технологии приготовления и использования состава с наименьшей скоростью горения, оптимальным является состав с фракцией окислителя до 630 мкм, т. к. состав с более крупными частицами (до 1... 3 мм из неизмельченных гранул) обладает низкой воспламеняемостью и неполнотой сгорания.

и* 10‘3_____________________________________________

м/с 4

3

2

1

«

Рис. 4. Влияние фракционного состава окислителя на зависимость скорости горения образца от давления: 11,1 - 63-315 мкм, соответственно в газовой и жидкой средах; 2 - 63-630 мкм в жидкой среде; 3 - 63-315 мкм (40%) + 1...3 мм (60%) в жидкой среде

Материал оболочки. Различные материалы, используемые в качестве оболочки заряда, в условиях жидкой среды и давления из-за теплопотерь во внешнюю среду могут по-разному влиять на скорость горения и зависимость ее от давления.

Изучение влияния материала оболочки на зависимость u=f(P) проводилось в диапазоне давлений 8...30 МПа на зарядах АСС с диаметром 0,046 м и плотностью 1440 кг/м3, заключенных в ПВХ и стальные (с внутренним тонким полимерным покрытием толщиной (0,3...0,5)*10-3 м ) трубки.

Ход кривых зависимости u=f(P) (рис. 5) указывает на то, что влияние материала оболочки в условиях жидкой среды и давления связано с теплопроводностью материала. Следует отметить, что опытный образец представляет собой слоевой заряд, размещенный в оболочке, в котором каждый последующий слой исследуемого АСС сгорает в соответствующем ему диапазоне возрастающего давления. Исходя из этого, на начальном участке заряда, когда давление и, соответственно, скорость горения малы, влияние потерь на нагрев металлической оболочки и окружающей ее среды, по

сравнению с ПВХ, выше из-за большой теплопроводности, что приводит к снижению скорости горения (примерно на 15 %).

и* 10'3

м/с

3

2 1

10 15 20 25 Р, ПМа

Рис. 5. Влияние материала оболочки на зависимость скорости горения от давления:

1 - металлический; 2 - ПВХ

В дальнейшем на последующих участках, когда возрастает давление и температура металлической оболочки, потери на нагрев заряда и металлической оболочки существенно снижаются. Это, в конечном итоге, ведет к повышению скорости горения (примерно на 14 %) заряда образца в металлической оболочке по сравнению с ПВХ.

Таким образом, теплопроводность материала оболочки и продолжительность протекания процесса горения в условиях жидкой среды оказывают преимущественное влияние на зависимость u=f(P).

Направление распространения фронта горения. Известно, что скорость горения смесевых составов зависит от различных факторов. Однако влияние направления фронта горения (т.е. сверху вниз или снизу вверх) вертикально расположенного заряда на скорость горения в условиях жидкой среды и давления в литературе не описано. Изучение этого влияния проводилось в условиях жидкой среды на образцах в ПВХ и металлической (с внутренним тонким полимерным покрытием) оболочках при постоянной плотности заряда АСС 1480 кг/м3.

Из представленных на рис. 6 результатов видно, что изменение направления фронта горения не сказывается на характер зависимости u=f(P). Однако во всем изученном интервале давлений значение скорости горения образцов в направлении снизу вверх примерно на 40...45 %) выше чем при горении сверху вниз. Повышение скорости горения при распространении фронта горения снизу вверх объясняется тем, что газообразные продукты в этом случае дольше удерживаются в зоне горения и всплывают затем вдоль боковой поверхности оболочки, уменьшая теплопотери и повышая ее температуру. Следует отметить, что в случае распространения фронта горения сверху вниз значения скорости горения изученных образцов АСС как в ПВХ, так и в металлической оболочке ложатся на прямую u=f(P) (рис. 6, кривая 2), т.е. материал оболочки в этом случае не влияет на скорость горения и зависимость ее от давления. Это объясняется динамикой движения газообразных продуктов горения, т.е. их теплоотдачей. При распространении фронта горения снизу вверх продукты горения, поднимаясь вверх, находятся в непосредственном контакте с материалом оболочки и, отдавая ей часть тепла, участвуют в ее нагреве. Однако, в зависимости от теплопроводности материала и продолжительности процесса горения, как показали исследования, зависимость u=f(P) может быть различной (рис. 6, кривая 1). Распространение фронта горения сверху вниз исключает быстрый нагрев

металлической оболочки, расположенной ниже фронта горения, т.к. продукты горения сразу поднимаются вверх, не принимая участия в ее нагреве. Поэтому в данном случае материал оболочки не оказывает влияния на скорость горения АСС (рис. 6, кривая 2).

U* 10

м/с

,-з

„ К 1 -X 1

_ - О — > 2

10

15

20

25

Р, ПМа

Рис. 6. Влияние направления распространения фронта горения образцов на зависимость скорости горения от давления: 1 - снизу вверх; 2 - сверху вниз, где о - образцы с металлической

оболочкой; х - образцы с ПВХ оболочкой

Таким образом, направление распространения фронта горения в условиях жидкой среды и давления оказывает существенное влияние на скорость горения, но характер зависимости и=/(Р) при этом сохраняется, т.е. имеется устойчиво слабая зависимость.

Учитывая, что основным объектом исследований является процесс горения ТТ, а его определяющим эксплуатационным параметром - скорость горения, то прогнозирование последней стало вторым этапом работы. Для этого на основании вводимых в ИНС данных: о твердом топливе (соотношение окислителя и горючего, дисперсность окислителя, направление распространения фронта горения, диаметр образца, плотность ТТ; добавки); о конструктивных особенностях теплогенерирующих устройств (материал оболочки); об окружающих условиях (среда, давление) - создавалась ИНС (рис. 7) с алгоритмом обучения обратного распространения ошибки, каждый нейрон которой имеет вид (рис. 8) и математически описывается следующей парой уравнений:

vk = Xwkjxj + bk , j=1

где х1, х2,..., хт - компоненты входного вектора (входные сигналы); ^к1, ^к2,.. .^кт -синаптические веса нейрона к; Ьк - значение смещения, порог; ф( V и) - функция

активации; ук - выходной сигнал нейрона. В качестве функции активации используется логистическая функция

фК ) =---------— •

1 + е ~ах

Синоптические

весы

Рис. 8. Нелинейная модель нейрона

Для выборки, состоящей из 169 экспериментов, оптимальной является структура ИНС из семи слоев с количеством нейронов в каждом слое: 10, 30, 50, 100, 90, 80, 1. По результатам тестирования данная сеть дает минимальную ошибку, где средняя ошибка прогноза соответственно составляет 0,057.

Расчет показателей значимости выявил, что материал оболочки оказывает большее влияние на скорость горения, чем плотность, давление и каталитическая добавка. Среда и направление распространения фронта горения занимают среднее положение, а каталитическая добавка занимает низшую ступень. Влияние других параметров на скорость горения закономерно, хорошо согласуется с литературными и экспериментальными данными авторов.

Таким образом, предложенная нейросетевая модель процесса горения твердого топлива свидетельствует о возможности и перспективности ее применения для предсказания ожидаемых значений скорости горения при оптимизации аммиачно-селитренных составов. Можно, видимо, полагать, что это предположение носит достаточно общий характер и может быть вполне обоснованно распространено на более широкий круг систем смесевого типа.

Выводы

1. Исследование закономерностей изменения скорости горения смесевых систем на основе аммиачной селитры от отдельных факторов показало:

- характер влияния на зависимость скорости горения от давления: окружающей среды, плотности заряда, материала оболочки, дисперсности окислителя - один и тот же в жидкой и в газовой среде, а величина скорости горения в жидкой среде из-за больших теплопотерь несколько (примерно на 10 %) меньше, чем в газовой. Во всех случаях зависимость u=f(P) имеет линейный характер;

- направление распространения фронта горения оказывает существенное влияние на скорость горения, снижая ее (до 40-45 %) при распространении его сверху вниз. При этом линейный характер зависимости u(P) сохраняется.

2. Предложена нейросетевая модель процесса горения твердого топлива, показана возможность и перспективность ее применения для оптимизации аммиачно-селитренного состава.

Summary

Results of the experimental researches devoted to burning of firm fuel in the liquid environment at pressure 30 МПа are submitted. Influence on dependence of speed of burning from pressure of an environment, density and a material of an environment of a charge, dispersiveness of an oxidizer, and also a direction of distribution of front of burning is established. Features and laws of process of burning of samples of structure are revealed on the basis of nitrate кммония in conditions of environmental liquid environment and a high pressure. Discussion of the received results is carried out(spent). It is offered нейросетевая model of process of burning of firm fuel, the opportunity and perspectivity of its(her) application for optimization of structure is shown.

Литература

1. Беляев А.Ф. Горение, детонация и работа взрыва конденсированных систем. - М.: Наука, 1968. - 255 с.

2. Мухутдинов А.Р., Вахидова З.Р., Тахавутдинов Р.Г. Компьютерное прогнозирование эксплуатационных характеристик твердых топлив с использованием интеллектуальных систем // Известия вузов. Проблемы энергетики.- 2006. - № 1-2. - С. 85-90.

3. Андреев К.К. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ.

- М.: Наука, 1966. - 346 с.

4. Бахман Н.Н., Беляев А.Ф. Горение гетерогенных конденсированных систем. - М.: Наука, 1967. - 255 с.

5. Похил П.Ф., Рысакова О.П., Ромоданова Л.Д. // Журнал физической химии. - 1962. - Т.34. - № 6. - 784 с.

6. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. Основные характеристики горения. - М.: Химия, 1977. - 298 с.

7. Шелухин Г.Г., Булдаков В.Ф., Белов В.Г. Экспериментальные исследования процесса горения гетерогенных конденсированных систем // Физика горения и взрыва. -1969. - Т.5. - № 1. - 42 с.

Поступила 24.04.2007