Применение адаптивных моделей нестационарного течения жидкостей и газов для задач управления в замкнутых газотурбинных установках и диагностики аварий в разветвленных трубопроводных системах тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

ПРЕДИСЛОВИЕ.

ЧАСТЬ 1. ЗАДАЧА ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК.

1. ВВЕДЕНИЕ.

1.1. Энергетические установки.

1.2. Некоторые сведения из теории замкнутых газотурбинных установок.

2. ВОПРОСЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЗАМКНУТЫХ ГАЗО - ТУРБИННЫХ УСТАНОВОК.

2.1. Моделирование замкнутых газотурбинных установок.

2.2. Математич еская модель нестационарных процессов в замкнутом газо - турбинном контуре.

2.2.1. Допущения, положенные в основу математической модели ЗГТК.

2.2.2. Принципиальные пневмогидравлические схемы ЗГТК.

2.2.3. Математическая модель течения газа в ЗГТК.

2.2.4. Математическая модель турбины.

2.2.5. Математическая модель компрессора.

2.2.6. Решение системы уравнений.

2.3. Разностные методы решения задач гидро и газодинамики.

2.3.1. Понятие консервативности схемы. Пример влияния не консервативности.

2.3.2. Разностная схема Лакса - Вендроффа.

2.4. Некоторые замечания и результаты исследований системы регулирования замкнутым газо - турбинным контуром.

2.4.1. Компенсация возмущений, влияющих на максимальный уровень электрической мощности вырабатываемой ЗГТК.

2.4.2. Достижение частичных режимов работы по уровню электрической мощности.

2.4.3. Дополнительные соображения по системе автоматического регулирования ЭУ.

Диссертационная работа посвящена вопросам разработки, создания адаптивных математических моделей течения жидкости и газа, а также эффективных и надежных методов управления и диагностирования аварийных ситуаций в сложных разветвленных пневмогидравлических системах (ПГС).

Название «пневмогидравлические» подчеркивает общность подхода к анализу систем независимо от свойств рабочей среды.

Большая роль, которую играют ПГС в технике и природе, обусловлена широким кругом объектов, которые относятся к ПГС; системы питания и автоматики транспортных и энергетических установок, нефте- и газопроводы, химико-технологические установки, пневмогидроавтоматика, системы водоснабжения, вентиляции и т.д. - вплоть до систем кровообращения живых существ.

Общность всех этих разнообразных объектов определяется единством физических закономерностей гидродинамики, механики, термодинамики, связывающих параметры сплошной среды в системе.

Научно-технический прогресс в области создания технических систем (в состав которых входят ПГС) невозможен без поиска новых путей повышения их надежности. Поэтому весьма актуальным является поиск и разработка новых и эффективных систем управления и диагностики аварий ПГС.

Поскольку физическая и техническая основа процессов происходящих в ПГС аналогична процессам, происходящим во многих системах в промышленном производстве, то исследование и создание эффективных систем управления и диагностики ПГС делает их перспективными в использования для многих промышленных и научных объектов.

В последнее время большое внимание уделяется проблемам безопасности трубопроводного транспорта и защите окружающей среды от последствий возможных аварий, поэтому автор диссертационной работы, также попытался применить знания и опыт, накопленный в процессе создания систем управления, диагностики и аварийной защиты ракетных и космических объектов (замкнутых газотурбинных контуров) [38], для конверсионных задач создания систем управления, диагностики и аварийной защиты на магистральных нефтепроводах.

Целью данной работы является:

1. Разработка математических моделей течения жидкости в разветвленных пневмогидравлических системах энергетических установок (ЗГТК, нефте -газопроводах и т.д.), адаптивно подстраивающихся под реальный процесс течения жидкости.

2. Анализ и отработка систем управления и аварийной защиты замкнутых газо - турбинных контуров, которые являются составной частью энергетических двигательных установок (ЯЭДУ - ядерные энергетические двигательные установки, СЭДУ - солнечные энергетические двигательные установки).

3. Создание эффективных и надежных методов (использующих математические модели течения жидкости) обнаружения и диагностики аварий в разветвленных пневмогидравлических системах, основанных на анализе значений давления и расхода, измеренных по трубе и полученных из стандартной системы телемеханики установленной на трубе.

4. Использование математических моделей и системного подхода для уменьшения воздействия вредных последствий индустриальной деятельности человека на окружающую среду.

Математическая модель течения жидкости разработанная автором, основана на решении уравнений гидродинамики разносным методом Лакса-Вендроффа [76]. Она позволяет учитывать такие факторы как сжимаемость, вязкость, теплообмен, изменение свойств перекачиваемого продукта по длине трубы [3] [4] [9] [10] [18]. Математическая модель использовалась как для расчетов

Основные выводы и результаты.

Разработанные математические модели течения жидкости в разветвленных пневмогидравлических системах энергетических установок позволяют рассчитывать переходные процессы в системе, оценивать устойчивость и эффективность работы системы управления, а также создавать эффективные и надежные методы обнаружения и диагностики аварий.

Предложенные модели и схемы регулирования дают возможность синтезировать оптимальные алгоритмы управления ЗГТК, с достаточной точностью описать процессы запуска и выхода на режим, что позволяет ускорить работы над созданием и дальнейшим совершенствованием ЯЭДУ, СЭДУ и их характеристик, а также с достаточной точностью описывать процессы запуска и выхода на режим.

Разработанные методы и подходы к решению задач диагностики аварий, позволяют

• в будущем решать задачи идентификации и диагностики аварий ЗГТК в составе ЯЭДУ и СЭДУ.

• Дать практические рекомендации по оптимальной установке средств измерения на энергетической двигательной установке (ЯЭДУ, СЭДУ и др.) с целью получения наиболее полной информации для системы диагностики аварий.

Успешное решение задач идентификации и диагностики позволит во время принять необходимые меры по предотвращению аварийных ситуаций, а также снизить ущерб принесенный космическому аппарату в случае аварии.

Разработанные методы и программное обеспечение системы диагностики утечек, снижает финансовый ущерба от утечки путем уменьшения объема вылившейся нефти за счет:

• сокращения времени от момента возникновения утечки до остановки перекачки;

• сокращения времени ликвидации утечки за счет точного указания места разрыва.

Использование данных методов в системе определения утечек:

• Снижает вероятности ошибок управления за счет автоматизации функции контроля состояния нефтепровода и анализа измеренных значений технологических параметров, полученных из системы сбора информации.

• Повышает надежность функционирования нефтепровода и качества управления, за счет автоматизации функции контроля состояния измерительных каналов.

Методы определения утечек представленные в работе, позволяют контролировать утечки в трубопроводе на всем его протяжении от входа до выхода на участках, длина которых достигает сотен километров. При этом нет необходимости устанавливать дополнительное оборудование. Достаточно той информации, которая приходит в стандартную систему сбора информации. При этом, отсутствует необходимость проведения дополнительных строительно-монтажных или каких либо иных работ на трассе. За счет этого данная система является оптимальной по критерию цена/качества, поскольку достигается достаточно низкая цена, которую надо заплатить за один километр контролируемого участка при высокой эффективности определения утечек нефти.

Использование дополнительного математического аппарата для распознавания формы переходных процессов, а также использованием методов с нестационарной моделью течения жидкости, резко сокращает число ложных срабатываний системы и позволяет проводить анализ как на стационарном, так и на переходном режимах течения.

Автором работы получены следующие результаты:

1. Создана программа адаптивного моделирования нестационарных процессов течения газа (жидкости) в разветвленных пневмогидравлических системах энергетических установок, которая решает следующие задачи:

• Расчет нестационарного течения газа (Под нестационарным процессом понимается изменение во времени параметров течения в системе в результате внесения внешнего возмущения).

• Расчет динамических по тепловым параметрам и по параметрам течения моделей ЗГТК, предназначенных для решения большинства задач управления, моделирования значительной части нештатных ситуаций, а также с достаточной точностью описывать процессы запуска и выхода на режим.

• Выбор уставок для системы регулирования ЗГТК и коэффициентов алгоритмов регулирования.

• Проведенный, сравнительный анализ экспериментальных данных и данных полученных по модели показывает: - погрешность расчета параметров стационарного режима не превышает 1%, а погрешность расчета параметров нестационарного процесса не превышает 10% .

• Использование адаптивных моделей, позволяет кардинальным образом улучшить качество диагностики и идентификации аварий в ПГС (количество ложных срабатываний уменьшается почти вдвое).

2. Разработаны и проанализированы системы регулирования ЗГТК. Показано, что:

• Наиболее широкими возможностями для компенсации «технологических» и «деградационных» возмущений, обладает схема регулирования основанная на совместном изменении тепловой мощности нагревателя и заправки контура рабочим телом. Дополнительные затраты на использование данного метода незначительные, так как нужно иметь только небольшую емкость с газом.

• Для достижения частичных режимов, можно предложить схему управления основанную на перепуске рабочего тела на компрессоре. Перепуск газа на компрессоре позволяет быстро перебросить избыток тепловой мощности на холодильник и, тем самым в десятки раз сократить время работы блока сброса мощности в наиболее теплоразряженном режиме.

3. Предложен и проанализирован нижний иерархический уровень - уровень локальных регуляторов в пределах системы автоматического регулирования энергетической двигательной установки.

• Регулятор электрической мощности, решающий внешнюю задачу регулирования уровня производимой электрической мощности с помощью дросселя перепуска газа на компрессоре.

• Регулятор давления газа за компрессором решающий внутреннюю задачу регулирования контура и регулирующий уровень давления с помощью клапанов наддува и сброса газа из контура.

• Регулятор температуры газа на входе в турбину решающий внутреннюю задачу регулирования температуры посредством изменения уставки по давлению регулятора давления газа за компрессором.

• Блок защиты компрессора от помпажа - с помощью управления дросселем перепуска газа на компрессоре.

• Аварийный регулятор частоты вращения ротора ТКГ, вступающий в работу в случае невозможности скомпенсировать штатным регулятором частоты, возникшее возмущение и восстанавливающий заданное значение частоты с помощью управления клапаном наддува и сброса газа из ЗГТК, в зависимости от знака и величины отклонения частоты.

4. Разработаны теоретические основы, описания процессов развития утечки жидкости в трубе, что позволяет снизить количество ложных срабатываний практически вдвое.

5. Созданы математические методы диагностики утечек жидкости с учетом процессов развития утечки в трубе, а также учитывающие нестационарную модель течения жидкости.

• Результаты проведенных испытаний показывают работоспособность и надежность разработанных алгоритмов (в более чем 200 проведенных на данный момент экспериментов алгоритмы СОУ четко определяли факт аварии).

• Результаты проверки на ложные срабатывания показывают, что использование дополнительного математического аппарата для распознавания формы переходных процессов, а также использованием методов диагностики утечек с адаптивной нестационарной моделью течения жидкости, резко сокращает число ложных срабатываний системы и позволяет проводить анализ как на стационарном, так и на переходном режиме течения жидкости.

1.А., Тупиченков А.А. Насосы и компрессоры. М.: Недра, 1974г.

2. БерГ.Д., Техническая термодинамика. М.: Мир, 1977г.

3. Бердников В.В., Прикладная теория гидравлических цепей. М.: Машиностроение 1977г.

4. Березин И. С., Жидков Н.П. Методы вычислений. М.: 1962г.

5. Блитштейн Ю.М., Хубларян М.Г. Распространение волн возмущений жидкости в бесконечно длинном вязкоупругом трубопроводе. Изв. АН СССР, МЖГ, 1975г. №3.

6. Богомолов А.И., Гайле В.В. Химия нефти и газа. Санкт-Петербург.: Химия, 1995г.

7. Браун Переходные процессы в линиях передачи жидкости или газа. -Техническая механика 1962г. т. 84, №4.

8. Браун, Нельсон. Переходные характеристики гидравлических трубопроводов для сигнала в виде скачка с учетом эффекта вязкости, зависящей от частоты. -ТОИР, 1965г. №7.

9. Васильев О. Ф., Неизотермическое течение газа в трубах. М.: Наука, 1978г.

10. Васильев О. Ф., Неустановившееся течение в открытых руслах, каналах и трубопроводах. В кн. : Динамика сплошной среды. Новосибирск, 1975г.

11. Владиславлев А.П., Мессерман А. С, Электрическое моделирование динамики систем с распределенными параметрами. М.: Энергия, 1978г.

12. Галицейский Б.М., Рыжов Ю.А. Тепловые и гидродинамические процессы в колеблющихся потоках. М.: Машиностроение, 1977г.

13. Гебхарт Б., Джалурия Й. Свободноконвективные течения, тепло-и массообмен. М.: Мир, 1989г.

14. Гликман Б.Ф. Нестационарные течения в пневмогидравлических цепях. М.: Машиностроение, 1979г.

15. Гликман Б.Ф. Математические модели пневмогидравлических систем. М.: Наука, 1986г.

16. Гликман Б.Ф. Автоматическое регулирование жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1989г.

17. Гликман Б.Ф., Лосенков А. С., Мусалов Р.Н. Применение графов для анализа трубопроводных систем. Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1981г. №5.

18. Годунов С.К, Рябенький B.C. Разностные схемы. М.: Наука, 1973г.

19. Голд Б., Рэйдер Ч. Цифровая обработка сигналов. М.: Советское радио, 1973г.

20. Градштейн КС. Рыжик КМ. Таблицы интегралов сумм, рядов и произведений М.: Наука, 1971г.

21. Григорьев В.А., Зорин В.М. Тепло- и массообмен теплотехнический эксперимент. М.: Энергоиздат, 1982г.

22. Гроп Д. Методы идентификации систем. М.: Москва, 1979г.

23. Гудсон, Леонард. Обзор методов моделирования переходных процессов в гидравлических линиях. ТОИР. 1972г. №2.

24. Диткин В.А,Прудников А.П. Интегральные преобразования и операционное исчисление. М.: Наука, 1974г.

25. Деч Г., Руководство к практическому применению преобразованию Лапласа. М.: Наука, 1965г.

26. Демянко Ю.Г., Конюхов Г.В., Коротеев А.С., Кузьмин Е.П., Павельев А.А. Ядерные ракетные двигатели. М.: Москва, 2001г.

27. Евлампиев А.Н., Захаров В.И., Коняхин А.Н., Гурьев В.А. Тренажер для обучения операторов нефтяной насосной станции. Трубопроводный транспорт нефти №1 1995г.

28. Есьман К.Г. Насосы. М.: Гостоптехиздат, 1954г.

29. Ионин ДА., Яковлев Е.К Современные методы диагностики магистральных газопроводов. М.: Недра 1987г.

30. Калиткин Н.Н., Численные методы. М.: Наука, 1978г.

31. Караев Р.К. Переходные процессы в линиях большой протяженности. М.: Энергия, 1978г.

32. Карам мл. О простом, но полном решении для переходной характеристики полубесконечного передающего трубопровода круглого сечения. ТОИР, 1976г. №2.

33. Коломейцев А.И.,Ли Джиавел, Мартиросов Д.С. Диагностирование разветвленной гидравлической сети методом структурного исключения. \\ Изв.вузов. Авиационная техника, 2000 г.

34. Коломейцев А.И.,Ли Джиавел. Увеличение глубины диагностирования сложных технических систем при использовании метода структурного исключения. \\ Вестник МАИ. Том 7, №2 2000 г.

35. Коняхин А.Н., Кривозубов Д.Ю. Моделирование трубопроводных систем с использованием программы Romance PipeLines. Трубопроводный транспорт нефти №4 1995г.

36. Коняхин А.Н., Кривозубов Д.Ю. Авторское свидетельство № 960061 программы для ЭВМ «Система Romance» от 21.02.1996г.

37. Коняхин А.Н., Мансуров B.C., Осипов Г.Б., Русецкий В.Ю. Разработка высокоэффективных источников электроэнергии и схем регулирования системы обеспечения температурного режима. \\ Научно технический отчет №1249 1990г. НТБ «Центр Келдыша» г.Москва

38. Конторович М.И. Операционное исчисление и процессы в электрических цепях. М.: Наука, 1964г.

39. Коротеев А.С., Семенов B.C. Космические солнечные газотурбинные установки. Полет №11 2001г.

40. КочинН.Е., Кибелъ И.А. Теоритическая гидромеханика. М.: Наука, 1963г.

41. Кошкин В.К, Калинин Э.К, Дрейцер Г.А. Нестационарный теплообмен. М.: Машиностроение, 1973г.

42. Куракин В.А. Мишин Н.К Сорвачев A.M. Коняхин А.Н., Лосенков А.С. Проверка работоспособности программного обеспечения системы обнаружения утечек. Трубопроводный транспорт нефти №3 2002г.

43. Ландау JI.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошной среды. М.:Гостехиздат, 1953г.

44. Лапшин Б.М., Мозырин А.В., Еремеев Ю.И., Николаева Е.Д., Саенко В.А. Автоматизированная система непрерывного контроля герметичности подводных нефтепроводов. : Нефтяное хозяйство, №10 1989г.

45. Лихачев В.Я. Васин А. С. Гликман Б. Ф. Техническая диагностика пневмо-гидравлических систем ЖРД. М.: Машиностроение, 1983г.

46. Лосенков А.С., Трефшов А.Г., Нархов В.П. ,Папулов В.Г., Аржиловский О.Ю. , Караилк В.П. Экспериментальная проверка алгоритмов прикладного обеспечения по диагностике утечек нефти на нефтепроводах. Трубопроводный транспорт нефти №5 1996г.

47. Лосенков А. С., Русаков А.Н., Трефилов А.Г. , Задарожньш В.А., Мишин Н.К. , Сорвачев A.M., Куракин В.А. Система обнаружения утечек по волне давления. Трубопроводный транспорт нефти №12 1998г.

48. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1970г.

49. Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1979г.

50. Маделунг Э. Математический аппарат физики. М.: 1960г.

51. Мазур И.И., Иванцов О.М. Конструктивная надежность и экологическая безопасность трубопроводов. М.: Недра 1990г.

52. МарчукГ.И, Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1989г.

53. МарчукГ.И, Математические модели в иммунологии. М.: Наука, 1991г.

54. Мину М., Математическое программирование. М.: Наука, 1990г.

55. Мошиц Г. Хорн. 77. Проектирование активных фильтров. М.: Мир, 1984г.

56. Низамов Х.Н., Липин А.В., Низамова Г.Х Новые средства защиты безрасходных магистралей от волновых процессов. \\ Нефтепромысловое дело., 1997г. № 4-5.

57. Низамов Х.Н., Липин А.В., Низамова Г.Х Средства обеспечения безаварийной работы трубопроводов систем контроля и технологической автоматики. \\ Сборник трудов РИА, 1998г. № 4-5.

58. Низамов Х.Н.,Применко В.Н., Тагасов В.И., Липин А.В. Безопасность трубопроводных систем малого диаметра. \\ Безопасность труда в промышленности., 1997г. № 5.

59. Низамов Х.Н., Тагасов В.К, Липин А.В. Защита трубопроводных систем малого диаметра от воздействия волновых процессов. \\ Тезисы докладов Международных экологических научных чтений «Белые ночи»,- С-Петербург, МАНЭБ, 1997г.

60. Низамов Х.Н.,Тагасов В.И., Липин А.В. Средства обеспечения надежной работы трубопроводных систем малого диаметра. \\ Трубопроводный транспорт нефти., 1995г. № 11.

61. Низамов Х.Н., Тагасов В.И., Липин А.В., Низамова Г.Х Исследование вынужденных колебаний давления и расхода в трубопроводных системах. \\ Нефтепромысловое дело., 1997г. № 6-7.

62. Олдер Б. Фернбах С. Вычислительные методы в гидродинамике М.: Мир, 1967г.

63. Ортега Дж. Введение в параллельные и векторные методы решения линейных систем. М.: Мир, 1991г.

64. Панов Т.Е., Петряшин Л.Ф. Охрана окружающей среды на предприятиях нефтяной и газовой промышленности. М.: Недра 1986г.

65. Попов Д.Н. Нестационарные гидромеханические процессы. М.: Машиностроение, 1982г.

66. Применко В.Н., Тагасов В.И., Липин А.В. Перспективные средства защиты трубопроводов малого диаметра. \\ Труды II Межзвуковой конференции Актуальные проблемы экологии: Тезисы докладов. М: Изд-во РУДН, 1996 г.

67. Рабинович Е.З. Гидравлика. М.: Недра, 1977г.

68. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М.: Наука, 1989г.

69. Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные схемы газовой динамики. М.: Наука, 1975г.

70. Самарский А.А. Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики. М.: Наука, 1992г.

71. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1967г.

72. Сравнение различных систем определения утечек из трубопроводов. Трубопроводный транспорт нефти №3 1998г.

73. Трубопроводный транспорт нефти №6 1999г.

74. Фаворский О.Н. Фишгойт В.В. Янтовский Е.И. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок М.: Высшая школа, 1978г.

75. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. М.: Мир, 1991г.

76. Чарный И.А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах. М.: Недра, 1975г.

77. Черняев КВ., Белкин А.А. Комплексный подход к проведению диагностики магистральных нефтепроводов // Трубопроводный транспорт нефти. 1999. №6. С. 24-30.

78. Шевяков А.А. Калнин В.М. Мартьянова Т.С. Системы управления ракетных двигателей и энергетических установок. М.: Машиностроение, 1985г.

79. Шерстянников В.А. Калнин В.М. Гидродинамическое моделирование рабочего процесса ЖРД на режимах запуска. М.: Машиностроение, 1981г.

80. Штин КВ., Тарасов А.Г. , Розмыслов А.П. , Лапшин ЯМ Система контроля герметичности подводных переходов нефтепроводов. Трубопроводный транспорт нефти №1 2000г. Приложение.

81. Шумайлов А. С. Гумеров А.Г. Диагностика магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1992г.

82. Шумайлов А.С. Гумеров А.Г. Контроль утечек нефти и нефтепродуктов на магистральных трубопроводах при эксплуатации. ВНИИОЭГ 1981 г. Сер. «Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов», вып. 10.-79 с.

83. API, Evaluation Methodology for Software Based Leak Detection Systems \\ American Petroleum Institute 1996.

84. Liou, C.P., 1990, "Pipeline Leak Detection and Location", Proceeding of the International Conference on Pipeline Design and Installation, Pipeline Division, American Society of Civil Engineers, pp. 255-269, Las Vegas, Nevada.

85. Liou, C.P., 1991, " Leak Detection and Location by Transient Flow Simulation", Proceeding of the 1991 API Pipeline Conference, American Petroleum Institute, pp. 268-281, Dallas, Texas.

86. Liou, C.P., Brockway, C.G., Miller, R.B., 1992, " Pipeline Variable Uncertainties and Their Effects in Leak Detectability", Proceeding of the 1992 API Pipeline Cybernetics Symposium, American Petroleum Institute, pp. 127-149, Houston, Texas.

87. Liou, C.P., 1993, "Mass Imbalance Error of Waterhammer and Leak Detection", Journal of Fluids Engineering, December 1993, Transaction of American Society of Mechanical Engineers.

88. Mears, M.N., 1993, "Real World Applications of Pipeline Leak Detection", Proceeding of the International Conference on Pipeline Infrastructure II, American Society of Civil Engineers, pp. 189- 209, San Antonio, Texas.