close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

397.Инженерные системы и сооружения

код для вставкиСкачать
ISSN 2074-188X
инженерные системы
и сооружения
Научно–технический
журнал
Теплоснабжение,
вентиляция,
кондиционировани
е воздуха,
газоснабжение
и освещение
Водоснабжение,
канализация,
строительные
системы охраны
водных ресурсов
Пожарная
и промышленная
безопасность
Экологическая
безопасность
строительства
и городского
хозяйства
Воронежский
государственный
архитектурно-строительный
университет
№1(1) 2009
ISSN 2074-188X
№1 (1) 2009
иНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
И СООРУЖЕНИЯ
Приветственное слово
ректора
Воронежского
государственного
архитектурностроительного
университета
И.С. Суровцева
Научно-технический журнал
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ
Главный редактор д-р техн. наук, проф. О.А. Сотникова
Зам. главного редактора канд. техн. наук С.Н. Кузнецов
Зам. главного редактора
по внешним связям канд. техн. наук А.И. Колосов
Ответственный секретарь канд. техн. наук Д.М. Чудинов
Выпускающий редактор канд. техн. наук Н.А. Петрикеева
Начальник отдела спецпроектов
канд. техн. наук Т.В. Щукина
Члены редколлегии:
Дроздов Е.В.
канд.техн.наук, профессор каф. водоснабжения
и водоотведения ВГАСУ
Зайцев А.М.
канд.техн.наук, доцент каф. промышленной
и пожарной безопасности ВГАСУ
Однолько А.А.
д-р техн.наук, профессор каф. промышленной
и пожарной безопасности ВГАСУ
Панов М.Я.
д-р техн.наук, профессор каф. теплогазоснабжения ВГАСУ
ПОПЕЧИТЕЛЬСКИЙ СОВЕТ
Управление ЖКХ городского округа г. Воронеж, в
лице зам. руководителя И.В. Черенкова
ООО ИЦ «Эксперт», г. Воронеж, в лице
генерального директора В.Б. Полуказакова
ООО “ГазСпецСтрой», г. Воронеж, в лице
генерального директора Р.Н. Кузнецова
ЗАО ЦЧР «Гипроавтотранс», в лице
генерального директора Э.В. Макарычева
АДРЕС РЕДАКЦИИ
394006, Воронеж, ул. 20 лет Октября, 84, ВГАСУ,
учебный корпус № 2, а. 2131
Т./ф.: (4732) 71-53-21
Интернет: www.vgasu.vrn.ru
E-mail: vgasutgs@vrn.ru
УЧРЕДИТЕЛЬ ЖУРНАЛА
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
ИЗДАТЕЛЬ ЖУРНАЛА
Вы держите в руках первый номер научнотехнического журнала “Инженерные системы и сооружения». Инженерные системы на сегодняшний день это сложный комплекс из множества составляющих. С
их помощью в зданиях и сооружениях поддерживаются
параметры среды, необходимые для жизнедеятельности человека или нормальной работы технологического
оборудования (температура, влажность, скорость движения и чистота воздуха, освещенность), удовлетворяются потребности в ресурсах нужных параметров и в
необходимых количествах (горячая и холодная вода,
приточный воздух, электроэнергия), отводятся побочные продукты производства и жизнедеятельности
(сточные воды, дымовые газы, загрязненный воздух);
осуществляется автоматический (или полуавтоматический) дистанционный контроль за всеми системами и
технологическими процессами.
Проектирование таких систем – кропотливый творческий процесс создания интеллектуальной модели будущих инженерных систем и сооружений. Сложность современных инженерных систем выдвигает высокие
требования к квалификации специалистов, работающих
в данной отрасли строительной науки и производства.
В нашем ВУЗе работает коллектив высококлассных
специалистов, для которых научные и экспериментальные исследования инженерных систем и сооружений –
это и призвание, и специальность. Их основные научные
достижения хорошо известны сообществу ученых и неоднократно получали высокую оценку. Результаты исследований отличают оригинальность и новизна, высокий научный уровень. Имеется крепкая и плодотворная
связь с ведущими производственными коллективами и
известными практиками, учеными и специалистами
родственных строительных ВУЗов. Результаты исследований широко внедряются в практику работ проектных и строительных организаций и находят свое применение в учебном процессе.
Хочется пожелать новому журналу долгой и плодотворной творческой жизни и выразить надежду, что
публикуемые на его страницах материалы заинтересуют ученых, специалистов производства, и, кроме того,
будут способствовать дальнейшему развитию научнотехнического прогресса в области инженерных систем
и сооружений.
С наилучшими пожеланиями авторам и читателям
И.С.Суровцев, ректор ВГАСУ
Факультет инженерных систем и сооружений
Воронежского государственного
архитектурно-строительного университета
• Материалы данного выпуска журнала публикуются
в авторской редакции • Ответственность за достоверность опубликованных в статьях сведений несут
авторы • Перепечатка материалов журнала
допускается только с разрешения редакции •
Тираж 500 экз.
Литературный редактор Н.А. Петрикеева
Компьютерная верстка А.С.Бабич, Т.Ю. Данилова
Дизайн К.Н. Сотникова
Перевод И.С.Кузнецов
Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Воронежского
государственного архитектурно-строительного университета
ISSN 2074-188X
№1 (1) 2009
ENGINEERING SYSTEMS
AND CONSTRUCTIONS
Salutatory word
of the chief
of Voronezh State
University
of Architecture
and Constructions
of I.S.Surovtsev
Scientific and technical magazine
EDITORIAL BOARD
The editor-in-chief a Dr.Sci.Tech., prof. O.A.Sotnikova
The deputy the editor-in-chief of Cand.Tech.Sci. S.N. Kuznetsov
The deputy the editor-in-chief
On external relations of Cand.Tech.Sci. A.I.Kolosov
The responsible secretary of Cand.Tech.Sci. D.M.Chudinov
The letting out editor of Cand.Tech.Sci. N.A.Petrikeeva
The chief of department of special projects
Cand.Tech.Sci. T.V.Schukina
Associate editors:
Drozdov E.V.
Cand.Tech.Sci., the professor of the department of water supply
And water removals
Zajtsev A.M.
Cand.Tech.Sci., the senior lecturer of the department of industrial
and fire safety
Odnolko A.A.
The Dr.Sci.Tech., the professor of the department of industrial
and fire safety
Panov M.Y.
The Dr.Sci.Tech., the professor of the department of heat and
gas supply
BOARD OF GUARDIANS
Management of housing and communal services of city district
Voronezh, in the name of the deputy head I.V.Cherenkov
Open Company ITS "Expert", Voronezh, in the person
General director V.B.Polukazakov
Open Company "GasSpetsStroy", Voronezh, in the person
General director R.N.Kuznetsov
Joint-Stock Company TSCHR "Giproavtotrans", in the person
General director E.V.Makarychev
THE EDITION ADDRESS
394006, Voronezh, street of 20 years of October, 84,
VSUAC, the educational case № 2, a. 2131
T./f.: (4732) 71-53-21
The Internet: www.vgasu.vrn.ru
E-mail: vgasutgs@vrn.ru
THE FOUNDER OF MAGAZINE
Voronezh State University of architecture
and constructions
You have control over the first number of scientific and technical magazine “Engineering systems and constructions». Engineering systems for today is a difficult complex from set of
components. With their help in buildings and constructions the
parametres of environment necessary for ability to live of the
person or normal work of the process equipment are supported
(the temperature, humidity, speed of movement and cleanliness
of air, light exposure), are satisfied requirements for resources
of the necessary parametres and for necessary quantities (hot
and cold water, приточный air, the electric power), are taken
away manufacture and ability to live by-products (sewage, the
smoke gases, polluted air); it is carried out automatic (or semiautomatic) the remote control over all systems and technological processes.
Designing of such systems – laborious creative process of
creation of intellectual model of the future engineering systems
and constructions. Complexity of modern engineering systems
makes high demands to qualification of the experts working in
given branch of a building science and manufacture.
In our HIGH SCHOOL the collective of vysokoklass th experts for which scientific and experimental researches of engineering systems and constructions is both calling, and a speciality works. Their basic scientific achievements well-known to
community of scientists and repeatedly were highly appreciated. Results of researches are distinguished by originality and
novelty, high scientific level. There is a strong and fruitful communication with leading work collectives and known experts,
scientists and experts of related building HIGH SCHOOLS. Results of researches widely take root into practice of works of the
design and building organisations and find the application in
educational process.
It would be desirable to wish new magazine of a long and
fruitful creative life and to express hope that materials published on its pages will interest scientists, experts of manufacture, and, besides, will promote the further development of scientific and technical progress in the field of engineering systems and constructions.
With the best regards to authors and readers
I.S. Surovtsev, the Chief of VSUAC
THE PUBLISHER OF MAGAZINE
Faculty of engineering systems and constructions
of Voronezh State University of architecture
and constructions
• Materials of the given release of magazine are published
in author's edition •
• Responsibility for reliability of the data published in articles bear authors •
• The Reprint of materials of magazine it is supposed only
with the permission of edition •
The number of copies – 500.
Literary editor N.A.Petrikeeva
Computer imposition A.S.Babich, T.Y.Danilova
Design K.N.Sotnikova
Transfer I.S.Kuznetsov
Printed: department of operative polygraphy of Voronezh
State University of architecture and constructions
ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
И СООРУЖЕНИЯ
Научно-технический журнал
№1 (1) 2009
СОДЕРЖАНИЕ
И.С.Суровцев Инженерное проектирование
как наука и искусство
9
Пожарная и промышленная безопасность
В.И.Закопайлов Экспертиза промышленной безопасности
предприятий
В.Я.Манохин, И.А.Иванова Основные факторы
пожароопасности асфальтобетонных заводов
Н.В. Мозговой, Е.А.Сушко Алгоритм построения
последовательности событий при промышленных авариях
14
17
23
Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха,
газоснабжение и освещение
М.Н.Жерлыкина, В.А.Алексенцев Вентиляция
производственного помещения при аварийных выбросах
химических веществ
В.В.Гончар, С.А.Григорьев, П.В.Живалов Техникоэкономическое обоснование использования солнечной энергии
в системах горячего водоснабжения зданий
И.И.Полосин, А.Ю.Глушков Расчетная оценка температуры
поверхности отражателя при отоплении прямоточными
«темными» трубными излучателями
И.И.Полосин, Д.В.Лобанов О необходимости внесения
изменений в нормативные документы для определения
параметров микроклимата в помещениях умственного труда
В.Н.Шершнёв Экспериментальное исследование
взаимодействия струй
Д.Б.Кладов, Д.Н.Тютюнов, И.Н.Бурилич, А.Ф.Пихлап
К вопросу об эффективности исследования конденсационных
теплообмеников в теплогенерирующей среде
О.С.Цуканова, Н.А.Петрикеева Проблема борьбы с шумом.
История и основные направления развития методов снижения
уровня шума
Х.Алдалис, М.Я.Панов, Г.Н.Мартыненко Формирование
математической модели оперативного управления
функционированием систем газоснабжения с использованием
узловой схемы отбора путевой нагрузки
О.А.Сотникова, Д.М.Чудинов, А.И.Колосов Применение
нетрадиционных возобновляемых источников энергии при
решении проблем энергоснабжения и экологической
безопасности
И.С.Кузнецов, Р.Н.Кузнецов Методика выбора оптимального
маршрута трассы газопровода на основе карт стоимости
влияющих факторов
И.С.Кузнецов, Р.H.Кузнецов, А.А.Горских
Разработка модели оптимизации трассировки трубопроводов с
использованием генетических алгоритмов
О.А.Сотникова, C.И.Черенков Обоснование перспективных
направлений снижения интенсивности коррозии
теплообменных поверхностей котлов теплогенерирующих
установок систем теплоснабжения
27
34
42
46
51
60
67
75
80
87
94
99
ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
И СООРУЖЕНИЯ
Научно-технический журнал
№1 (1) 2009
СОДЕРЖАНИЕ
Н.А.Петрикеева, О.С.Цуканова, Д.А.Письменный
Использование теплоты конденсации продуктов сгорания
теплогенерирующих установок систем теплоснабжения
107
А.И.Колосов, О.А.Сотникова, Г.Н.Мартыненко Исследование
влияния условий эксплуатации на прочностные характеристики
трубопроводов систем теплогазоснабжения
113
А.И.Колосов, О.А.Сотникова, Д.М.Чудинов Ликвидация
последствий аварий на инженерных системах
теплогазоснабжения
118
А.С.Бабич, М.А.Кирнова, К.Н.Сотникова Разработка алгоритма
оптимизации расхода топлива источником теплоты
Т.В.Щукина Обеспечение продолжительного ресурса сезонной
эксплуатации энергоактивного теплоснабжения зданий
М.Я.Панов, В.И.Щербаков, Х.Алдалис Методологические
основы моделирования процесса управления
функционированием гидравлических систем жизнеобеспечения
городов
Д.М.Чудинов, К.Н.Сотникова, М.Ю.Морозов, С.В.Чуйкин
Разработка алгоритма обоснования структуры энергокомплекса
на базе возобновляемых источников энергии
М.А.Кирнова, О.А.Сотникова Аккумулирование теплоты в
гелиогрунтовых системах теплоснабжения с твердым
аккумулирующим материалом
И.С.Кузнецов, Р.Н.Кузнецов, А.А.Горских Вариантное
проектирование при прокладке трасс инженерных сетей
М.А.Кирнова, О.А.Сотникова Численное моделирование
теплообмена в тепловом аккумуляторе с пористой матрицей
И.С.Кузнецов, Р.Н.Кузнецов, А.А.Горских
Прогнозирование развития газораспределительных сетей
125
131
136
147
155
159
164
171
Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны
водных ресурсов
М.Я.Панов, И.Ю.Пурусова, В.И.Щербаков Разработка
математической модели управления функционированием
водоподъемной станции
176
Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства
Н. В.Фирсова, В.М.Мишон Влияние урбанизации на эволюцию
гидрографической сети крупного города
183
Колонка студента
В. А.Алексенцев, К.В.Гармонов Сжигание твердого топлива в
циркулирующем кипящем слое
188
Информационный раздел
Т.В.Щукина Есть потенциал для роста и новых побед
197
Engineering systems
and constructions
Scientific and technical magazine
№1 (1) 2009
THE CONTENT
I.S.Surovtsev Engineering designing as a science and art
9
Fire and industrial safety
V.I.Zakopajlov Expertise of industrial safety of the factories
14
V.J.Manohin, I.A.Ivanov Main factors of fire risk of coating plants
17
N.V.Mozgovoj, E.A.Sushko Algorithm of construction of sequence
of events at industrial failures
23
Heat supply, ventilation, air conditioning, gas supply and illumination
M.N.Zherlykina, V.A.Aleksentsev Ventilanion plant with
accidental releases of chemicals
V.V.Gonchar, S.A.Grigoriev, P.V. Zhivalov Technical and
economic basis of sun energy application in hot water-supply
systems of buildings
I.I.Polosin, A.J.Glouchkov Calculated temperature estimate of
baffler surface under heating of uniflow "dark" pipe radiators
I.I.Polosin, D.V.Lobanov The necessity of introduction of changes
into the normative documents to define the parameters of
microclimate in the rooms of mental work
V.N.Shershnev The experimental research of air-blasts interaction
D.B.Kladov, D.N.Tutunov, I.N.Byrilich, A.F.Pihlap On the
question of the effectiveness of the study of heat exchangers
operating on the principle of condensation in a heat-generating
O.S.Tsukanova, N.A.Petrikeeva The problem of the fight with
noise. The history and main trend of the development of the
methods of the noise level reduction
H.Aldalis, М.Y.Panov, G.N.Martynenko Formation of
mathematical model of operative management by
functioning of systems of gas supply with use of the central circuit
of selection of travelling loading
O. A.Sotnikova, D. M.Chudinov, A.I.Kolosov Application
nonconventional renewed sources energy at the decision of
problems of power supply and ecological safety
I.S.Kuznetsov, R.N.Kuznetsov Choice technique an optimal gas
pipeline route based on cost maps of influenicng factors
I.S.Kuznetsov, R.N.Kuznetsov, A.A.Gorskih
The model of development of a method of determining optimal gas
pipeline route using genetic algorithms
S. I. Cherenkov, O. A. Sotnikova Substantiation of perspective
directions of decrease in intensity of corrosion of heat exchange
surfaces of the boilers of is warm generating installations of
systems of heat supply
27
34
42
46
51
60
67
75
80
87
94
99
Engineering systems
and constructions
Scientific and technical magazine
№1 (1) 2009
THE CONTENT
N.A.Petrikeeva, O.S.Tsukanova, D.A.Pismenny Procedure
justification heat of condensation the product of smoke gases of
heat- generating plants of heat supply
107
A.I.Kolosov, O.A.Sotnikova, G.N.Martynenko Research of
influence of conditions of operation on characteristics of durability of
pipelines of systems of a heat and gas supply
113
A.I.Kolosov, O.A. Sotnikova, D.M.Chudinov Liquidation of
consequences of failures on engineering systems of a heat and gas
supply
118
A.S.Babich, M.A.Kirnova, K.N.Sotnikova Development of algorithm
of optimization of expenditure of fuel by the warmth source
T.V. Shchukina Increase in a resource of the seasonal operation of
energetically active heat supply of buildings
М.Y.Panov , V.I.Sherbakov, H.Aldalis Methodological bases of
modelling of managment process by functioning hydraulics lifesupport systems of cities
D.M. Chudinov, K.N. Sotnikova, M.Y. Morozov, S. V. Chuikin
Working out of algorithm of a substantiation of structureof power
complex on the basis of renewed energy sources
125
131
136
147
M.A.Kirnova, O.A. Sotnikova Warmth accumulation in helios soil
systems heat supplies with the firm heat-sink material
155
I.S.Kuznetsov, R.N.Kuznetsov, A.A.Gorskih Variant engineering
applied to laying network routes
159
M.A.Kirnova, O.A. Sotnikova Numerical modelling of heat
exchange in the thermal accumulator with the porous matrix
I.S.Kuznetsov, R.N.Kuznetsov, A.A.Gorskih Forecasting the
evolution of gas distribution networks
164
171
Water supply, the water drain, building systems of protection of water
resources
M.Y. Panov, I. Y. Purusova, V. I Shcherbakov Mathematical model
of elevator pump station operating development
176
Ecological safety of building and municipal economy
N.V. Firsova, V.M. Mishon The influence of urbanisation on the
evolution of ydrographical network of the big city
183
Column of the student
V.A. Aleksentsev, K.V. Garmonov The burning of solid fuels in
circulation fluidized bed
188
Information section
T.V. Shchukina There is a potential for growth and new victories
197
Инженерное проектирование
как наука и искусство
Эмпириков привлекает
разнообразие мира,
теоретиков – его гармония.
В.Лефевр*
Engineering designing
as a science and art
Experimenters involves
A variety of the world,
Theorists – its harmony.
V.Lefevr*
Современные здания и сооружения буквально заполнены различными
инженерными системами, обеспечивающими
создание
необходимого
уровня комфортности. Поэтому исключительное значение при осуществлении строительных проектов приобретает научное обоснование как собственно проектирования инженерных
систем, так и прогнозирования безопасной эксплуатации объекта в любой
конкретной ситуации. Вопросы эти
чрезвычайно ответственны и включают
в себя согласованную работу ученых и
практиков высокой квалификации в
различных областях.
наконец, необходима их эксплуатация
должным образом. Если на каком-то из
этих уровней допущены просчеты, инженерные системы не смогут нормально функционировать, и в результате не удастся создать условий заданного комфорта или условий, требуемых технологическим регламентом.
При этом специалисту необходимо
глубоко знать не только основной
предмет своей специализации, но и
все смежные области инженерного
обеспечения зданий. Существенным
фактором в последние годы является и
соответствие инженерных систем и сооружений принятым экологическим
нормам и правилам, а также нормам
промышленной и пожарной безопасности.
Проектирование инженерных систем – это искусство. Искусство делать
жизнь человека комфортной, безопасной и беззаботной. Процесс проектирования связан с принятием множества творческих решений и напоминает создание музыки, которая может
и должна быть приятным и легким фоном нашей повседневной жизни.
Цель строительства здания или
сооружения состоит не в красивой архитектуре – а она должна быть красивой, не в оригинальных и надежных
строительных конструкциях – а они
должны быть оригинальными и надежными; цель строительства зданий в
том, чтобы создать в ограниченном
пространстве, то есть в помещениях,
микроклимат, комфортный и безопасныдля человека или требуемый для
технологического процесса.
Надежная работа инженерного
оборудования в зданиях и сооружениях возможна лишь в том случае,
если она обеспечена на трех уровнях:
инженерные системы здания должны
быть грамотно запроектированы, качественно смонтированы и налажены, и,
* В статье использованы материалы российских периодических изданий
9
комиться с работами гениев ученые
советуют по изложениям современников, так как время «обтесывает» гениальное открытие, придает ему новую
форму, даже меняет черты.
Окружающий нас мир неимоверно сложен.
Понимание мира означает его упрощающее представление. В донаучный
период, наблюдая грозу, человек объяснял ее действиями Зевса-громовержца. «Минимальная программа»
давалась религией. Начиная с эпохи
Возрождения минимальная программа
явлений природы создается наукой –
задача науки в этом и заключается. Как
писал Эйнштейн: «Цель теоретической
физики состоит в том, чтобы создать
систему понятий, основанную на возможно меньшем числе логически независимых гипотез, которая позволила
бы установить причинную взаимозависимость всего комплекса физических
явлений».
Попробуем разобраться в таком
вопросе: в чем же проявляется общность науки и искусства проектирования, и где та грань, которая их разделяет.
Термин «искусство» в приложении
к инженерной практике был, похоже,
введен еще В. И. Далем, который определяет искусство как «знанье, уменье, развитая навыком или учением
способность; наука, знание, прилагаемое к делу; ремесло, мастерство, требующие большого умения». В. И. Даль
приводит и виды искусства: военное;
искусство книгопечатания и токарное;
искусство плавания; изящные искусства. Из текста и контекста данных определений отчетливо видно, что проектирование инженерных систем и сооружений есть искусство, искусство не
простое, а направленное на комфорт,
безопасность и жизнеобеспечение человека. Этим, в частности, обусловлен
его гуманистический компонент.
Надо подчеркнуть, что ценность
любой теории, преодоленной дальнейшим развитием науки, исчезает,
точнее, она сохраняется для историков
науки, но не для ученых. Геоцентрическая теория Птолемея дала упрощенную программу сложных, загадочных
движений планет на небосводе, включив в нее так называемые эпициклы. В
тот период способность программы
предсказывать видимые маршруты
планет, солнечные и лунные затмения
была эстетически значимой. Следующим этапом минимизации стала гелиоцентрическая система Коперника,
не нуждающаяся в эпициклах. Эпициклы Птолемея перестали быть прекрасными после открытия Коперника.
Программа Птолемея перестала быть
минимальной, в то время как высокая
эстетическая ценность настоящих произведений искусства остается вечной.
Искусство - это грандиозное здание, отдельное же произведение - здание микроскопическое, но тоже завершенное. В науке же ни одно исследование не завершено, оно имеет смысл
и ценность в ряду предшественников и
последователей. Если науку уподобить
грандиозному зданию, то отдельные
исследования - это кирпич в его стене.
Поэтому искусство веками накапливает
ценности, отсеивает слабое, но хранит
великое, и оно сотни и тысячи лет волнует слушателей и зрителей. У науки
путь более прямой: мысли каждого исследователя, добытые им факты - это
кусочек пройденного пути. Нет дороги
без этого метра асфальта, но он пройден, дорога идет дальше, отсюда так
мал срок жизни научного произведения, что-то около 30-50 лет. Такова
судьба книг и работ гениальных физиков Ньютона, Максвелла, и даже совсем близкого к нам Эйнштейна. И зна-
Наука – это сочетание логического и интуитивного, Вагнера и Фауста
или Сальери и Моцарта. Логика без
10
интуиции не создает новой информации, но лишь выявляет информацию,
уже содержащуюся в исходных положениях. Можно «поверить алгеброй
гармонию», но нельзя эту гармонию
создать, то есть извлечь из окружающего мира. Без интуиции - нет творчества. И в науке, и в искусстве творчество означает создание новой информации. Этот процесс реализуется интуитивно и в том, и в другом случае.
Однако роль интуиции в искусстве остается определяющей, в то время как в
науке эта роль может иметь подчиненное значение, уступая первенство логике. Иными словами, науку создают и
Моцарт, и Сальери, но искусство –
только Моцарт.
испытать эстетические эмоции, любуясь произведением искусства или пейзажем.
Одно из главных побуждений к
занятию наукой, по словам Эйнштейна,
состоит в том, чтобы «каким-то адекватным способом создать в себе простую и ясную картину мира... Этим занимается художник, поэт, теоретизирующий философ и естествоиспытатель, каждый по-своему». Наука сближается с искусством, то есть с эстетикой, и высшее эстетическое значение
имеет «простая и ясная картина мира».
В последние двадцать лет две
проблемы, которые находятся постоянно в центре внимания ученых и
практиков строительной отрасли, ждут
своих решений простоты и ясности.
Это – энергосбережение и качество
микроклимата. По своей природе
(сущности) обе эти проблемы являются близнецами одной и той же матери – энергии, так как каждая из характеристик микроклимата помещения
является частью энергии, потребляемой системами климатизации здания.
Различие между наукой и искусством ярко демонстрируется в проблеме профессионализма. Любительская, дилетантская наука принципиально невозможна, здесь абсолютно
необходимы глубокие знания, подлинный профессионализм. С одной стороны - талант, а с другой – высокая
квалификация. Отсутствие профессионализма, отсутствие квалификации
приводит к появлению псевдонаучных,
антиэстетичных работ. В то же время
прекрасные произведения искусства
рождены в том числе и художниками,
не имевшими школы и знаний. Профессионализм в искусстве состоит
лишь в том, что художник талантлив и
живет искусством, все его помыслы сосредоточены в творчестве.
Проблема обеспечения качества
микроклимата является частью проблемы экологической безопасности
жилища. Сформулируем четыре основных, по нашему мнению, стратегических принципа, определяющих политику энергосбережения не только в настоящее время, но и на значительную
перспективу в будущем:
Важное отличие научной эстетики
от эстетики искусства состоит в том,
что для осознания красоты научной
работы необходимы знания, необходима надлежащая подготовка, то есть
определенный запас предварительной
информации. Чтобы понять красоту
уравнений Максвелла, надо знать явления, которые они описывают, и понимать смысл введенных понятий и
обозначений. Напротив, каждый может
▪ Общество прочувствовало в целом ряде кризисных ситуаций, что
энергоресурсы имеют критическое
значение не только для поддержания и
улучшения качества жизни, но также
для обеспечения независимости и
безопасности страны.
▪ Энергетическая политика XXI
века будет основана на применении
11
технологий, использующих нетрадиционные
возобновляемые
источники
энергии.
В конце XX и в начале XXI века
широкое распространение в мировой
строительной практике получили следующие
концепции
строительства
энергосберегающих зданий и сооружений:
•Энергоэффективные здания.
•Здания с низким энергопотреблением.
•Здания с ультранизким энергопотреблением.
•Здания с нулевым энергопотреблением.
•Пассивные здания.
•Здания высоких технологий.
•«Умные»
(интеллектуальные)
здания.
•Здания биоархитектуры.
•Sustainable Building (экологически
устойчивые здания).
▪ Приоритет при выборе энергосберегающих технологий имеют технические решения, одновременно способствующие улучшению микроклимата помещений.
▪ Тепловая и электрическая энергия и вода – это товар, который поставляется, продается, покупается и
который должен иметь все признаки
товарно-денежных отношений.
Первый принцип в комментариях
не нуждается. Он достаточно однозначно проявил себя в конфликтах в
Персидском заливе и в наших отношениях со странами СНГ и Западной Европы.
В мировой практике в развитых
странах строительство энергоэффективных зданий и сооружений является
обязательным требованием, предъявляемым к каждому проектируемому
объекту. Более того, в последние годы
широкое распространение получает
практика оценки (сертификации) проектов по эффективности использования энергии, снижению негативного
влияния на окружающую природную
среду и повышению качества среды
обитания человека, например, сертификат LEED (Leadership in Energy and
Environmental Design Building). Проект
здания или сооружения, получивший
«платиновый», «золотой» или «серебряный» сертификат LEED, как правило,
получает налоговые льготы и гранты.
Очевидно, что объекты, имеющие соответствующий сертификат LEED, более привлекательны для арендаторов
и стоят дороже при продаже потребителю. Утверждение о том, что инженерная практика за прошедшие пять
лет серьезно изменилась и усложнилась, прозвучит, вероятно, банально,
но то, что она очень серьезно усложнится в ближайшие пять лет, а глав-
Второй принцип подтверждает,
например, программа по борьбе с глобальными
изменениями
климата,
одобренная комиссией Европейского
Сообщества в 2008 году, предусматривающая увеличение доли использования возобновляемых источников энергии с 8,5 до 20 %.
Третий принцип не получил должного признания в настоящее время и
находит свою реализацию только в отдельных уникальных образцах искусства проектирования, таких, например,
как здание «Ворота Дюссельдорфа».
Четвертый принцип проявляет в
полной мере свою привлекательность
при энерго- и ресурсоснабжении зданий и сооружений в следующем факте:
сэкономленная энергия и ресурсы являются сэкономленными расходами.
Этот факт является понятным стимулом для инвесторов, которые инициируют строительство энергоэффективных зданий во многих странах мира.
12
ное, ужесточатся требования к функционированию инженерных систем,
должно соответствующим образом мобилизовывать ученых и специалистов
и готовить к новым и большим задачам.
нерного искусства, остальные 80 % еще на пути к нему.
В своей работе мы часто заимствуем решения из мировой копилки, однако, это не освобождает нас от ответственности за функциональный результат. Мировая практика предлагает
решения и указывает, как нужно делать, однако, не объясняет, почему так
нужно делать. Конечно, опыт – сын
ошибок трудных; однако, именно здесь
должен сработать весь тот информационный массив, который специалист
(ученый или практик) создал у себя в
голове, создал сам, активно прорабатывая профессиональные материалы
и постоянно размышляя о будущем
функционировании спроектированных
им систем. Подсчитано, что в среднем,
если проектировщик не очень спешит,
то в год он «расходует» около 1 млн
долларов инвестора, пока это расходование идет бесконфликтно. В контуре строительно-монтажных работ
элементы ответственности уже возникают; возможно, они придут и в проектную практику. Тогда всем нам, по
крайней мере, неравнодушному большинству, придется из области ремесла
переходить к искусству за счет привлечения и наработки новых знаний, изучения достижений мировой практики,
использования рекомендаций науки. И
мы будем просто вынуждены шире, а
может быть, и повсеместно, применять
методы математического моделирования (прогнозирования) тех эффектов,
которые создают предлагаемые нами
инженерные системы и сооружения.
Заметим, что сегодня от инженера требуется умение «продавать»
решения. Сейчас мало профессионально и глубоко знать предмет, необходимо понятно, доступно и аргументировано показывать его экономические и функциональные преимущества,
выявлять ту «пользу», которую подразумевает девелопер и владелец здания.
Возвращаясь к проектной практике, попробуем рассмотреть, в какие
же моменты она переходит в искусство, а когда остается рядовой работой.
Маловероятно считать студенческие годы годами основных свершений
в инженерном искусстве, более того, и
период в 5–7 лет после погружения в
профессиональную проектную практику – скорее, период подготовительный. Человек всю свою жизнь приобретает знания и формирует умения,
накапливает колоссальный информационный массив. Наступает момент,
когда кроме задач анализа он становится способен решать и задачи синтеза, и чем серьезнее его подготовка и
богаче опыт, тем эффективнее предлагаемые им решения. Забавно видеть,
как общество, усвоив предложения и
сроднившись с идеями, начинает воспринимать их как банальность; полагаю, что это признание вершины успеха. Утверждение «Земля круглая»
сегодня аксиоматично, а ведь был период, когда за него следовал костер.
Вероятно, и в проектной практике действует определенная модификация закона Парето: примерно 20 % проектировщиков действует в рамках инже-
И.С.Суровцев, ректор ВГАСУ
13
Пожарная и промышленная безопасность
УДК 614
ООО Инженерный Центр «Эксперт»
Исполнительный директор В.И. Закопайлов
Россия, г. Воронеж, тел 8(4732)78-89-91
e-mail: poctmaster@expert.vsi.ru
Open Company the Engineering Center
"Expert"
Executive director V.I.Zakopajlov
Russia, Voronezh, ph 8(4732) 78-89-91
e-mail: poctmaster@expert.vsi.ru
В.И. Закопайлов
ЭКСПЕРТИЗА ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЙ
Деятельность производственных объектов всегда сопряжена с риском аварий.
Минимизировать риски катастроф и защитить жизненно важные интересы личности и общества от
последствий аварий – основная задача экспертизы промышленной безопасности.
V.I.Zakopajlov
EXAMINATION OF INDUSTRIAL SAFETY OF THE ENTERPRISES
Activity of industrial objects is always interfaced to risk of failures. To minimise risks of
accidents and to protect the vital interests of the person and a society from consequences of failures – the
primary goal of examination of industrial safety.
Экспертиза промышленной безопасности проводится на промышленных объектах
различного типа: объектах нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности,
взрыво- и пожароопасных объектах, металлургических производствах, объектах
котлонадзора, химически опасных предприятиях, объектах магистрального трубопроводного
транспорта и некоторых других.
Решением Советского районного совета народных депутатов г. Воронежа от 26 ноября
1991 года было зарегистрировано товарищество с ограниченной ответственностью
внедренческий инженерно-технический центр по безопасной эксплуатации подъемных и
иных сооружений – ВИТЦ «Кран-сервис».
Свою деятельность центр начинал с технического диагностирования и экспертного
обслуживания подъемных сооружений с выдачей заключений о возможности и условиях их
дальнейшей эксплуатации. Первым директором ВИТЦ «Кран-сервис» был назначен
Закопайлов Владимир Иванович, работавший до этого инженером Госгортехнадзора РСФСР,
а техническую службу возглавил кандидат технических наук Церлюк Марк Давидович.
Первый и основной вопрос, который пришлось решать руководству центра – кадры. Ясно,
что молодые специалисты, только окончившие институт и не имеющие опыта работы не
могли решать экспертные задачи, стоявшие перед центром. Было принято решение искать
кадры на предприятиях, многие из которых тогда закрывались по различным причинам – изза нарушения межотраслевых связей, из-за потери связей с поставщиками, заказчиками и
т.д. Таким образом, проблема с кадрами была, в основном, решена, и предприятие начало
успешно функционировать.
Затем по постановлению Госгортехнадзора РСФСР функции по техническому
освидетельствованию котлов и сосудов, работающих под давлением, были переданы во
14
вновь созданные независимые экспертные центры. Перед руководством центра вновь стала
проблема поиска кадров, способных освоить и развить новое направление деятельности. Был
найден единственно правильный на тот момент выход – искать специалистов среди
инспекторов Госгортехнадзора, уходящих на заслуженный отдых, чтобы они смогли предать
свой опыт и знания молодым коллегам, подготовить себе смену.
В 1993 году на многих предприятиях возникла острая необходимость в
квалифицированных рабочих по эксплуатации подъемно-транспортного оборудования. И
при ВИТЦ «Кран-сервис» был создан учебный центр по подготовке стропальщиков,
машинистов мостовых и башенных кранов.
В связи с совершенствованием техники и трудового законодательства экспертиза и
техническая диагностика объектов котлонадзора и подъемных сооружений усложнялась. Для
выполнения квалифицированной экспертизы в
«Кран-сервисе» были созданы две
лаборатории: лаборатория неразрушающего контроля и электролаборатория. В марте 1997
года ВИТЦ «Кран-сервис» был переименован в инженерный центр технической экспертизы
и диагностики «Эксперт», который в 1998 году возглавил в качестве генерального директора
Полуказаков Виталий Борисович.
В это время эксперты центра производили работы на объектах Воронежской,
Липецкой, Тамбовской, Курской, Белгородской и Пензенской областей. Работы выполнялись
на таких индустриальных гигантах, как Новолипецкий металлургический комбинат,
Россошанский завод
химических удобрений, Оскольский электрометаллургический
комбинат и др. Так, например, на Оскольском электрометаллургическом комбинате силами
сотрудников
«Эксперта» был выполнен сложный ремонт уникального крана
грузоподъемностью 450 т с применением сварки. Этот опыт показал, что сотрудники
«Эксперта» обладают достаточно высокой квалификацией для выполнения
сложных и
ответственных ремонтных работ, при этом имеются все основания для создания
специальной группы, выполняющей ремонт подъемных сооружений с применением сварки, а
также установку и ремонт приборов безопасности на автомобильных кранах.
Весь предыдущий опыт показал, что ООО ИЦ «Эксперт» обладает хорошим
потенциалом в сфере выполнения экспертиз сложных промышленных объектов. В своей
деятельности специалисты центра руководствуются материалами и положениями [1].
Последняя лицензия центру «Эксперт» была выдана Федеральной службой по
экологическому, технологическому и атомному надзору 25 марта 2009 года.
Эта лицензия позволяет специалистам ООО ИЦ «Эксперт» осуществлять деятельность
по проведению экспертизы промышленной безопасности на объектах горнорудной
промышленности, металлургии, газового хозяйства, сосудов, работающих под давлением,
подъемно-транспортного оборудования и транспортирования опасных веществ. В настоящее
время специалисты «Эксперта» успешно осваивают новое направление – экспертизу зданий
и сооружений на опасных производствах и дымовых труб. Уже выполненные экспертизы
таких объектов были утверждены и приняты органами Ростехнадзора, и руководство
«Эксперта» принимает все меры для укрепления кадрового состава этого направления.
Все годы существования организации руководство всячески стремилось наладить связи
с учеными, работающими в отраслях, соответствующих направлениям работы «Эксперта». В
первые годы деятельности были налажены контакты с Воронежским государственным
архитектурно-строительным университетом. Активное участие в работе «Эксперта»
принимал кандидат технических наук, доцент Курносов Александр Тимофеевич.
Организация плодотворно сотрудничала с кафедрой сварки Воронежского государственного
технического университета (зав. кафедрой профессор Пешков Владимир Владимирович). С
2002 года «Эксперт» активно сотрудничает с кафедрой промышленной энергетики
Воронежской государственной технологической академии (заведующий кафедрой Шитов
Виктор Васильевич).
15
Безусловно, становление предприятия связано не только с развитием промышленности.
Оно стало возможным благодаря тесному взаимодействию с управлением Ростехнадзора, в
котором трудятся высококвалифицированные инспекторы, имеющие богатый опыт
практической работы. Возглавляет управление опытнейший практик и ученый, кандидат
технических наук Борис Петрович Алпатов. Именно ему принадлежит заслуга в обосновании
безусловной необходимости тесного контакта с наукой, для того, чтобы экспертиза и
диагностика опасных промышленных объектов всегда находились на должной высоте и
обеспечивали безопасность при эксплуатации
Однако особую ответственность налагает на специалистов «Эксперта» проведение
экспертизы в аварийных случаях. В качестве примера можно привести аварию стрелового
автомобильного крана, произошедшую 17 августа 2007 года в пос. Бугаевка
Коминтерновского района на строительстве таможенного терминала. При демонтаже старой
постройки разошлась правая задняя опора, кран упал. К счастью, водитель не пострадал.
Прибывшие на место аварии эксперты установили, что перегрузки крана не было, то есть
при подъеме груза разрушение опоры не должно было произойти. Было выполнено
тщательное исследование документации, осмотр места производства работ, а затем
произведен анализ сварных швов и характера разрушения опоры, для чего ее даже пришлось
вырезать и доставить в Воронеж. В результате кропотливой работы эксперты выявили
целый комплекс нарушений, допущенных при эксплуатации и изготовлении крана. Они в
совокупности и привели к аварии: производство работ без соответствующего проекта;
неработоспособность приборов безопасности; производственный дефект - некачественное
выполнение сварных швов.
Второй пример – в проектной документации бункерной эстакады (корпус 343Г) узла
сушки, хранения и отгрузки карбоната кальция на стадии предпусковой экспертизы
специалистом ООО ИЦ «Эксперт» Бахтиным В.Ф. был обнаружен дефект – неверное
конструктивное решение опорного узла шпренгельной балки, что могло привести к
разрушению узла. Эксплуатация узла была приостановлена; проектировщикам было
рекомендовано доработать опорный узел или изменить его конструктивную схему.
Выводы
В целом, анализ аварийных случаев показывает, что именно нарушения правил
эксплуатации и производственные дефекты являются основными причинами аварий.
Необходимо отметить, что к чести специалистов ООО ИЦ «Эксперт», за все время
существования организации не было случая, чтобы причиной инцидента была названа
некачественно выполненная экспертиза. В организации непрерывно ведется работа по
дальнейшему повышению уровня проведения экспертиз. В настоящее время собирается и
анализируется материал по выявлению наиболее часто встречающихся недостатков и
дефектов изделий и документации. Это позволит разработать специальные рекомендации
организациям, монтирующим и эксплуатирующим опасные производственные объекты, и
повысить безопасность их работы.
Библиографический список
1. Федеральный закон от 21.07.1997 N 116-ФЗ (ред. от 30.12.2008) «О промышленной
безопасности опасных производственных объектов» (принят ГД ФС РФ 20.06.1997).
The bibliographic list
1. The federal law from 7/21/1997 N 116-FL ( from 12/30/2008) « About industrial safety of
dangerous industrial objects » (it is accepted GD FC the Russian Federation of 6/20/1997).
16
Ключевые слова: промышленная безопасность, экспертиза зданий и сооружений.
Keywords: industrial safety, examination of buildings and constructions
УДК 614.72
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Ассистент кафедры пожарной и
промышленной безопасности
И. А. Иванова
Д-р техн. наук, проф. кафедры пожарной
и промышленной безопасности
В. Я. Манохин
Россия, г. Воронеж, тел. 8(4732)71-52-30
email: thuyvan@mail.ru
The Voronezh State University of
architecture and constructions
Assistant lecturer of fire and Industrial
department
I. A. Ivanova
D.Sc. in Engineering, Prof. of fire and
Industrial department
V. Y. Manohin
Russia, Voronezh, tel. 8(4732)71-52-30
email: thuyvan@mail.ru
В. Я. Манохин, И. А. Иванова
ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ПОЖАРООПАСНОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ
ЗАВОДОВ
В работе представлен комплексный анализ основных факторов пожароопасности
асфальтобетонных заводов. Анализ рисков показывает, что наиболее часто пожароопасная
обстановка имеет место при пуске и остановке асфальтосмесителей, при работе паровых котлов и
компрессоров. На основе вышеуказанного анализа разработаны организационные и технические
мероприятия, обеспечивающие безопасные условия работы на предприятиях отрасли.
V. Y. Manokhin, I.A. Ivanova
MAIN FACTORS OF FIRE RISK OF COATING PLANTS
Complex analisys of the main factors of coating plqants is given. Risk analysis shows that fire risk
situation takes place the most frequently at start-up and stoppage of asphalt-concrete mixers, at compressors
and steam boilers behavior. On the basis of this analysis organization and technological measures providing
safe working conditions at enterprises of industry are worked out.
Актуальность данной проблемы обусловлена требованиями Федеральной комплексной
целевой программой «Автомобильные дороги XXI века», которая предполагает значительное
увеличение объемов дорожно-строительных работ на период до 2020 года.
Прогноз потребления жидких углеводородных топлив и природного газа планирует
увеличение потребления мазута в 1,7 раза, угля – в 1,6 раза, природного газа – в 1,5 раза. Это
связано с тем, что на АБЗ России основной технологией приготовления асфальтобетона
является «горячий» процесс, включающий разогрев и просушивание исходных компонентов
[1].
Основные проблемы безопасности на АБЗ связаны с хранением и использованием
жидких углеводородных топлив (мазут, дизельное топливо, уголь), природного газа и
наличием сухой взрывоопасной пыли. При этом численность смесителей на всех АБЗ
превышает 2500 штук.
В связи с отменой СНиП 2.01.02-85* «Противопожарные нормы» и введением СНиП
21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений» опробованные на практике
17
средства и способы обеспечения противопожарных требований излагаются в
разрабатываемых в настоящее время сводах правил, в первую очередь в СП 21-101
«Обеспечение безопасности людей» и в СП 21-102 «Предотвращение распространения
пожара».
В этих нормах приведены противопожарные требования, подлежащие обязательному
соблюдению; в тех случаях, когда предполагается возможность отступления от какого-либо
требования, оно излагается с оговоркой «как правило» и с условиями, при которых
допускаются отступления.
На АБЗ помимо общих требований техники безопасности должны быть обеспечены
пожаробезопасные условия работы. В большинстве цехов завода по характеру производства
создается неблагоприятная санитарная обстановка. Так, в дробильно-сортировочном,
помольном, а также смесительном цехах воздух загрязняется пылью - мельчайшими
частицами, что создает опасность взрыва. Для создания хороших санитарных условий в этих
цехах устанавливают пыленепроницаемые кожухи в местах выделения пыли, применяют
закрытые транспортные средства (элеваторы, шнеки) и устанавливают отсасывающую
вентиляцию, удаляющую пыль как из этих мест, так и из рабочих помещений. Хорошие
санитарные условия и безопасность работы в битумном цехе обеспечиваются
двухступенчатой системой подогрева битума и недопущением использования
битумохранилнща без подогрева, когда битум вырубают кусками, загружают затем в
битумоплавильные котлы.
Значительное внимание необходимо уделить работе парокотельной и компрессорной
установок, которые обычно имеются на каждом асфальтобетонном заводе. Основная
опасность при работе паровых котлов и компрессоров - взрыв. Для обеспечения безопасной
работы этих устройств необходимо соблюдение правил Котлонадзора в отношении
периодической проверки их исправности, соблюдение установленного режима работы,
наличие манометров и предохранительных клапанов и надлежащего технического
обслуживания котлов и компрессоров.
При пуске и остановке асфальтобетонных смесителей и другого оборудования
необходимо выполнять следующие основные правила: перед пуском проверить наличие
обслуживающего персонала на своих местах; перед включением дать сигнал о пуске;
агрегаты включать в порядке, обратном ходу технологического процесса по приготовлению
смеси, т. е. при пуске асфальтобетонного смесителя сначала включить мешалку, затем
грохот, горячий элеватор, сушильный барабан и наконец холодный элеватор; при
прекращении технологического процесса выключать машины в обратном порядке; в
останавливаемой машине не должно оставаться материала; при зажигании форсунки и
регулировании ее горения форсунщик должен находиться сбоку во избежание ожогов, а
форсунка должна быть снабжена экраном, предохраняющим форсунщика от ожогов.
Асфальтобетонные смесители, битумоплавильни и энергетические установки
необходимо снабжать огнетушителями; рабочие должны получать установленную
спецодежду, а работающие из асфальтобетонном смесителе, камнедробильной и мельничной
установках, на транспортировании минерального порошка, кроме того, предохранительные
очки соответствующей конструкции и аспираторы. Все подъемные пути к смесителю,
битумоплавильные и т. п. надо содержать в исправности и ничем не загромождать.
С целью повышения пожаровзрывобезопасности при газосварочных и газорезочных
работах использовался огнепреградитель [2] и электромагнитный клапан для взрывоопасных
газов [3].
Наиболее частыми причинами возникновения пожаров в дорожном строительстве
являются: применение жидкого топлива (бензин, керосин, мазута) при разжигании печей;
неисправность отопительных приборов, печей дымоходов, электрических установок и
проводок; применение кустарных нагревательных электроприборов и предохранителей;
18
нарушение правил эксплуатации электрооборудования, неосторожное обращение с огнем,
высокая запыленность.
Высокоэкономичное сжигание мазута в условиях АБЗ является проблемной задачей,
так как используется при этом высоковязкие мазуты М100 и М200.
По ныне действующим нормам проектирования, сооружения и эксплуатации
мазутохранилищ предусматривается хранение мазута в обвалованных железобетонных
резервуарах при температуре 60-70 °С.
В условиях АБЗ эту температуру увеличивают приблизительно на 100 °С, с целью
снижения вязкости для лучшего транспортирования по топливо-падающей магистрали и
условий диспергации мазута.
Зависимость вязкости от температуры определяется уравнением Вальтера:
lg lg(γ ⋅ 10 −6 + 0.8) = А − В lg Т
где γ - кинематическая вязкость, м3/с; А, В – безразмерные коэффициенты; Т –
абсолютная температура, 0К.
При использовании систем электроподогрева необходимо учитывать коксуемость,
которая у мазутов М100 и М200 имеет достаточно высокие значения (11,67-18 %), что также
влияет на надежность работы топливоподающей системы. Необходимо при этом
контролировать плотность мазута.
При высокоэкономичном сжигании мазута с малыми избытками воздуха вязкость его
перед форсунками должна быть не более 1,5- 20 ВУ. Для поддержания такой вязкости
температура мазута марок 40, 100 и 200 должна быть 130, 140 и 153 0С, а учитывая некоторое
охлаждения мазута на участке от подогревателя должна быть 140, 155 и 165 0С.
Измерение плотности мазута необходимо для определения его массового расхода и для
текущего контроля качества сжигаемого топлива. В настоящее время в промышленности
применяются устройства для непрерывного контроля плотности жидкости - плотномеры
различных типов.
При
наличии системы
автоматического регулирования вязкости мазута
предпочтительнее уровень подогрева мазута контролировать не по его температуре, а по
вязкости, так как вследствие нестабильности состава мазута, поставляемого даже с
одного нефтезавода, при одной и той же температуре его вязкость может колебаться в
довольно значительных пределах.
Присутствие серы в тяжелых мазутах в значительной мере осложняет его подготовку и
особенно последующее сжигание.
Нестабильность мазутов проявляется в образовании в их массе агломератов, состоящих
в основном из карбоидов и карбенов,
появлении осадка твердых коксовых частиц,
увеличении концентрации асфальтосмолнстых веществ.
Однако активные соединения серы: Н2S, RSH и элементарная сера могут попасть в
мазут в процессе компаундирования или образоваться при подогреве его до сравнительно
высоких температур (200 °С и выше).
С точки зрения воспламенения и сгорания мазут в своем составе содержит наряду, с
легко воспламеняющейся, также трудно воспламеняющую часть органического материала,
при этом скорость выгорания обеих частей после их воспламенения весьма различна.
Необходимо при подогреве мазута учитывать температуры вспышки и воспламенения.
Температура вспышки мазута колеблется от 80 до 112 0С, а воспламенения – в среднем равна
500-600 0С.
Во избежание образования нежелательных отложений в трубках и арматуре и полной
их закупорки необходимо поддерживать постоянную температуру мазута, обеспечивающую
его текучесть.
Хотя нагрев мазута перед его распыливанием обычно не превышает 150 °С, уже при
этой температуре происходит превращение ряда наименее термостойких сераорганических
19
соединений. Высокотемпературные превращения без доступа кислорода сернистые
соединения претерпевают, находясь в глубинной части горящей капли мазута. В зависимости
от газовой среды, окружающей каплю мазута, эти процессы будут протекать в режиме
пиролиза ( α ≈ 0), газификации ( α =0,3~0,6) или конверсии (α < 1 в присутствии продуктов
диссоциации водяных паров).
Полное разрушение всех сераорганических соединений может быть достигнуто лишь в
случае безостановочной газификации мазута или при его сжигании. При газификации все
сернистые соединения разрушаются с образованием сероводорода и наряду с ним других
газообразных сернистых соединений; сероуглерода (СS2) и сероокиси углерода (СОS).
Нами апробированы с позиции эффективности сжигания и пожарной безопасности
режима подогрева различные типы форсунок и мазута, представленных в таблице.
Таблица
Тип форсунок
Механического и
паромеханического распыления
Механического распыления
ротационные
Воздушного распыления
низконапорные
Парового или воздушного
распыления высоконапорные
Марка мазута
Ф40
М100
М200
Температура подогрева мазута, °С
100
120
130
85
105
110
90
110
115
85
105
110
При работе на природном газе период пуска топки сушильного барабана является
наиболее взрывоопасным.
Особая необходимость в дублировании управлении насосами появляется при
разрывах мазутопроводов и возникновении очагов пожара в пределах котельного цеха.
Для ускорения необходимых оперативных отключений парогенераторы должны быть
оснащены быстродействующими отсекающими мазутными клапанами. Достаточно
надежным является отсекающий мазутный клапан с соленоидным приводом, разработанный
Башкирэнерго.
В крышке корпуса клапана размещены вал с уплотняющими втулками из фторопласта
и сочленения с захлопкой. На одном конце зала жестко закреплен рычаг с грузом. Для
обеспечения дистанционного управления на крышке установлен соленоидный привод с
замком, удерживающим захлопку в открытом положении. Клапан работает следующим
образом: при подаче напряжения на катушку соленоида или оттягивании сердечника
вручную защелка освобождает рычаг клапана, который под действием груза начинает
перемещать захлопку в сторону закрытия. Плотное прилегание захлопки к седлу создается
при одновременном действии груза и потока мазута. Клапан обеспечивает почти мгновенное
(не более 2 с) прекращение подачи мазута. Подготовка клапана к повторному действию заключается в открытии обводной линии у клапана с поднятием рычага для закрепления его
защелкой.
Наличие на АБЗ большого количества сухой мелкодисперсной пыли с влажностью
ϕ =18% является вторым фактором пожаро- и взрывоопасности.
Проведенные нами замеры на ДСУ-1 Новоусманского района показали значительную
запыленность в рабочей зоне оператора смесителя (400 мг/м3) и у грохота (740 мг/м3), что
также увеличивает пожароопасность.
20
По результатам анализа [4] поведенного нами тремя методами: (ситовым,
седиментационным и рентгеноспектральным) ее количество при d≤50 мкм достигает 30 % по
массе.
На рис. 1 представлена фотография этой пыли, полученная с помощью
рентгеноспектрального микроанализа на сканирующем анализаторе «Camscan – 84».
Рис. 1. Фотография утилизованной пыли
Элементный состав пыли характерен оксидами магния и титана (~1%), алюминия (79%), железа (3-4%), кремния (76-81%), что увеличивает пожаро- и взрывоопасность на АБЗ.
Дифференциальные кривые распределения частиц пыли показаны на рис. 2.
Концентрация взрывоопасных газов, паров и пыли в воздуховодах не должна
превышать 50 % нижнего предела взрываемости.
Проведенные разработки определили 3 группы мероприятий по пожаровзрывобезопасности для АБЗ:
Рис. 2. Дифференциальные кривые распределений: зависимость относительной средней массы частиц F (r) от
среднего радиуса частицы rср (пыль циклонов, фракция):
I-IV – время отбора пробы: I – май, II – июль; III, IV – сентябрь
1. Мероприятия, связанные с
высокоэффективному сжиганию:
процессами
подготовки
топлив
и
их
- дублирование управления топливными насосами в связи с разрывами
мазутопроводов и возникновением пожаров;
- оснащение быстродействующими отсекающими клапанами с соленоидным
приводом, разработанными Башкирэнерго;
- оснащение приборами контроля плотности мазута;
- ограничение температур подогрева мазута;
- электроподогрев битума, песка и щебня;
21
- профилактика систем топливоподачи и сжигания топлив.
2. Мероприятия по пылеподавлению и улавливанию пыли:
- соединение с атмосферой взрывных клапанов пылеочистных устройств,
применяемых для очистки воздуха от взрывоопасной пыли (горючей пыли и волокон,
нижний предел взрываемости которых 65 г/м3 и менее);
- установка для указанных пылеотделителей бункеров и устройств, допускающих
механизацию работ по удалению пыли из бункера и ее погрузке в транспортные средства;
- использование пылеочистительных систем высокой эффективности, например:
двухступенчатой системы очистки, в том числе первая ступень – группа циклонов, вторая –
пылеуловитель;
- герметизация емкостей для транспортирования, а также средств механизации
минерального порошка;
- обеспыливание песка и щебня в карьерах, щебеночных заводах, в местах перегрузки
материалов на АБЗ;
- установка труб и желобов с минимально допустимыми сечениями и углами наклона;
- использование аэронизации воздуха производственных помещений;
- повышение эффективности гидрообеспыливания за счет добавления реагентов,
улучшающих смачивание пылевых частиц.
3. Организационные мероприятия:
- контроль за соблюдением правил пуска и остановки топок смесителя;
- контроль работы приборов топливоподающей системы, фикисирующих разрежение
в газовоздушном тракте смесителя;
- контроль за средствами пожаротушения;
- контроль наличия планов тушения пожаров (ПТП) и карточек тушения пожаров
(КТП), схем эвакуации людей;
все
отопительно-вентиляционное
оборудование
(в том
числе
и
пылеулавливающие устройства), металлические
воздуховоды и трубопроводы,
предназначенные для помещений с производствами категорий А, Б, а также воздуховоды,
трубопроводы и установки, предназначенные для удаления взрывоопасных веществ от
местных отсосов, должны быть заземлены.
Выводы
1. Основными факторами пожаровзрывоопасности на АБЗ являются процессы
топливоподготовки, пуска и остановки смесителя, а также пылеотделения.
2. Анализируя факторы пожароопасности, мы пришли к выводу, что наиболее
значимым является соблюдение режимов подогрева мазута, обеспечивающих, с одной
стороны, пожаробезопасность, а с другой – высокую эффективность сжигания топлива.
3. На основе исследованных факторов подготовлены организационные и технические
мероприятия, повышающие надежность и пожарную безопасность АБЗ.
Библиографический список
1. Лукин В.Н. Воздействие автодорожного комплекса на окружающую среду:
состояние и прогноз / В.Н. Лукин, Ю.В. Трофименко // Дорожная экология XXI века: труды
международного научно-практического симпозиума / под ред. О.В. Скворцова. – Воронеж,
2000. – с. 132-140.
2. Манохин В. Я. Огнепреградитель. А. С. (19) SU (11) 1595536 A1 приорит. заявка
(21) 4441241/31-12 / В. Я. Манохин, В.В. Колотушкин. – 2 с.
22
3. Манохин В. Я. Электромагнитный клапан для взрывоопасных газов. А.С. №
1686243, приор. 4.01.89. / В. Я. Манохин, В.В. Колотушкин. – 2 с.
4. Иванова И.А. Оценка эффективности пылеулавливания асфальтобетонных заводов
(АБЗ) / И.А. Иванова, В.Я. Манохин // Труды 10-ой международной научно-практической
конференции «Высокие технологии в экологии» / Воронежское отделение Российской
экологической академии, 2007. – с. 67-74.
The bibliographic list
1. Lukin V.I., Trofimenko Y.V. Influence of road complex on environment: state and
prognosis // Road ecology of 21st century. Voronezh, 2000.
2. Manokhin V.Y., Kolotushkin V.V.. Fire route. A.S. 19) SU (11) 1595536 A1 application
(21) 4441241/31-12. 2 pp.
3. Manokhin V.Y., Kolotushkin V.V.. Elecromagnetic sub for flame risk gases A.S. №
1686243, application 4.01.89. 2 pp.
4. Ivanova I.A., Manokhin V.Y. Estimation of efficiency of dust catching of coating plants //
Peroceedings of 10th scientific and practical conference “High technologies in ecology”. Voronezh
department of Russian Ecological Academy, 2007.
Ключевые слова: пожароопасность, асфальтобетонный завод, риск, асфальтосмеситель, компрессор,
надежность, профилактика.
Keywords: fire risk, coating plant, risk, asphalt mixer, compressor, reliability, prevention.
УДК 628.83:66
Воронежский государственный
технический университет
Д-р техн. наук, проф. кафедры
промышленной экологии и безопасности
жизнедеятельности Н.В. Мозговой
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Аспирант кафедры теплогазоснабжения
Е.А. Сушко
Россия, г. Воронеж, тел 8(4732)71-53-21
e-mail: vgasupb@mail.ru
The Voronezh State University of Architecture
and Constructions
Dr.Sci.Tech in Engineering, prof. N.V.
Mozgovoj
Voronezh State University of Architecture
and Constructions
Postgraduate student
E.A.Sushko
Russia, Voronezh, ph 8(4732)71-53-21
e-mail: vgasupb@mail.ru
Н.В. Мозговой, Е.А. Сушко
АЛГОРИТМ ПОСТРОЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ СОБЫТИЙ ПРИ
ПРОМЫШЛЕННЫХ АВАРИЯХ
Возникновение и развитие крупных аварий, как правило, характеризуется комбинацией
случайных локальных событий, возникающих с различной частотой на разных стадиях аварии.
Для выявления причинно-следственных связей между этими событиями используют логикографические методы анализа «деревьев отказов и событий».
N.V. Mozgovoj, E.A.Sushko
ALGORITHM OF CONSTRUCTION OF SEQUENCE OF EVENTS AT INDUSTRIAL
FAILURES
23
Occurrence and development of major accidents, as a rule, is characterised by a combination of
the casual local events arising with various frequency at different stages of failure. For revealing of
relationships of cause and effect between these events use logiko-graphic methods of the analysis «trees
of refusals and with-lives».
Увеличение количества и энергоемкости используемых в промышленности опасных
веществ, усложнение технологий и режимов управления современными производствами
требуют разработки механизма получения обоснованных оценок и критериев безопасности
производств с выделением взрывопожароопасных веществ с учетом всей совокупности
социально-экономических факторов, в том числе вероятности и последствий возможных
аварий.
Требования о необходимости проведения анализа риска содержатся:
- в Положении о декларации безопасности промышленного объекта Российской
Федерации, утвержденном постановлением Правительства Российской Федерации от
01.07.95 № 675, а также в приказе МЧС России и Госгортехнадзора России от 04.04.95 №
222/59 «О порядке разработки декларации безопасности промышленного объекта
Российской Федерации»;
- в Правилах безопасности в нефтяной и газовой промышленности, утвержденных
Госгортехнадзором России в 1992 г.
Анализ риска является частью системного подхода к принятию политических решений,
процедур и практических мер в решении задач предупреждения или уменьшения опасности
промышленных аварий для жизни человека, заболеваний или травм, ущерба имуществу и
окружающей среде, называемого в нашей стране обеспечением промышленной
безопасности, а за рубежом – управлением риском.
Управление риском включает сбор и анализ информации о промышленной
безопасности, анализ риска (анализ опасности) и контроль (надзор) безопасности. Анализ
риска – центральное звено в обеспечении безопасности, базируется на собранной
информации и определяет меры по контролю безопасности промышленных объектов.
Процедура анализа риска – составная часть декларирования безопасности промышленного
объекта, экспертизы безопасности, экономического анализа безопасности по критериям
«стоимость-безопасность-выгода», страхования и других видов анализа и оценки состояния
безопасности промышленных объектов и регионов, на территории которых возможны
техногенные чрезвычайные ситуации.
Основные задачи анализа риска аварий на опасных производственных объектах
заключаются в предоставлении лицам, принимающим решения:
- объективной информации о состоянии промышленной безопасности объекта;
- сведений о наиболее опасных, «слабых» местах с точки зрения безопасности;
- обоснованных рекомендаций по уменьшению риска.
Анализ риска – эффективное средство, когда определены подходы к выявлению
опасностей и рисков, принимаются меры по выработке объективных решений о приемлемом
уровне риска, устанавливаются требования и рекомендации по регулированию безопасности.
Практика показывает, что возникновение и развитие крупных аварий, как правило,
характеризуется комбинацией случайных локальных событий, возникающих с различной
частотой на разных стадиях аварии (отказы оборудования, человеческие ошибки, внешние
воздействия, разрушение, выброс, пролив вещества, рассеяние веществ, воспламенение,
взрыв, интоксикация и т.д.). Для выявления причинно-следственных связей между этими
событиями используют логико-графические методы анализа «деревьев отказов и событий».
Анализ дерева событий (АДС, Event Tree Analysis - ЕТА) - алгоритм построения
последовательности событий, исходящих из основного события используется для анализа
развития аварийной ситуации. Частота каждого сценария развития аварийной ситуации
рассчитывается путем умножения частоты основного события на вероятность конечного
24
события (например, аварии с разгерметизацией аппарата с взрывопожароопасным веществом
в зависимости от условий могут развиваться как с воспламенением, так и без воспламенения
вещества).
Нами было исследовано и составлено «дерево событий» для количественного анализа
различных сценариев аварий в компрессорном цехе ОАО «Воронежсинтезкаучук» (см.
рисунок). Цифры рядом с наименованием события показывают условную вероятность
возникновения этого события. При этом вероятность возникновения инициирующего
события (разгерметизация компрессора и выброс толуола) принята равной 1. Значение
частоты возникновения отдельного события или сценария пересчитывается путем
умножения частоты возникновения инициирующего события на условную вероятность
развития аварии по конкретному сценарию.
Прекращение горения
(ликвидация пожара)
Факельное
горение струи
0,02
0,04
Тепловое воздействие
на соседнее оборудование
Истечение толуола с
мгновенным
воспламенением
0,02
0,05
Опасных последствий нет
Огненный шар
0,001
Тепловое воздействие
на соседнее оборудование
0,01
0,009
Прекращение горения
(ликвидация пожара)
Разгерметизация
компрессора и
выброс толуола
Воспламенение
пролива (пожар)
0,10
0,20
Тепловое воздействие
на соседнее оборудование
1,0
0,10
Образование
пролива
толуола
Воспламенение
парогазового
облака
0,45
Испарение и образование
вторичного парогазового
облака
0,10
Горение
парогазового облака
0,05
Взрыв
парогазового облака
0,05
0,25
Истечение толуола
без мгновенного
воспламенения
Рассеяние парогазового облака
0,15
0,95
Горение
парогазового облака
(пожар-вспышка)
Образование первичного
парогазового облака
0,50
Воспламенение
облака
0,08
0,10
Взрыв
парогазового облака
0,02
Рассеяние парогазового облака
без опасных последствий
0,40
Рис. Дерево событий» аварий в компрессорном цехе ОАО «Воронежсинтезкаучук»
25
Необходимо отметить, что риск является неизбежным сопутствующим фактором
промышленной деятельности. Риск фактически есть мера опасности. Цель управления
риском - предотвращение или уменьшение травматизма, разрушений материальных
объектов, потерь имущества и вредного воздействия на окружающую среду. Для управления
риском его необходимо проанализировать и оценить. Анализ риска служит полезным
средством, когда имеется намерение выявить существующие опасности, определить уровни
рисков выявленных нежелательных событий (по частоте и последствиям) и реализовать
меры по уменьшению риска в случае превышения его приемлемого уровня.
Выводы
Подводя итоги всего вышеизложенного, можно сделать следующие Выводы одними из
приоритетных направлений для создания нормируемых санитарно-гигиенических
параметров воздуха и условий пожаровзрывобезопасности технологического процесса в
помещениях насосных и компрессорных цехов заводов синтетического каучука и других
взрывопожароопасных производств, являются следующие:
- повышение степени герметичности технологических узлов и аппаратов необходимо
для достижения нормируемых параметров чистоты воздушной среды и снижения
скорости образования взрывоопасной газовоздушной смеси в производственных
помещениях, а также оно будет способствовать значительному сокращению
капитальных и эксплуатационных расходов на вентиляцию;
- использование максимально точных данных о распределении концентрации
взрывоопасного вещества в объеме помещения на этапе проектирования мест установки
газоанализаторов аварийной системы вентиляции [1];
- грамотное прогнозирование аварийной ситуации на этапах проектирования и
эксплуатации опасных производственных объектов.
Библиографический список
1. Эльтерман В.М. Вентиляция химических производств. – 3-е изд., перераб. – М.:
Химия, 1980. – 201c.
The bibliographic list
1. Elterman V.M.Ventilations of chemical manufactures. –М: Chemistry, 1980.- 201p.
Ключевые слова: промышленные аварии, анализ риска, технологические узлы и аппараты.
Keywords: industrial failures, the risk analysis, technological knots and devices
26
Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование
воздуха, газоснабжение и освещение
УДК. 697.921.47
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
К-т техн. наук, старший преподаватель
кафедры отопления и вентиляции
М.Н.Жерлыкина
Студент В.А. Алексенцев
Россия, г. Воронеж тел. 8(4732)71-28-92;
e- mail: marilen@voronezh.net
The Voronezh State University of architecture
and constructions
Cand. оf technical sciences, senior teacher
of a department of Heating and Ventilation
M.N.Zherlykina
Student V.A.Aleksentsev
Russia, Voronezh, ph. 8(4732)712892;
e-mail: marilen@voronezh.net
М. Н. Жерлыкина, В. А. Алексенцев
ВЕНТИЛЯЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПОМЕЩЕНИЯ ПРИ АВАРИЙНЫХ
ВЫБРОСАХ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Предложена аварийная вентиляция, обеспечивающая равномерное удаление воздуха из
всего объема помещения для исключения образования застойных зон и обеспечения
взрывобезопасности при выбросах химических веществ. Разработана аварийная вентиляция с
естественным притоком воздуха через отверстия с переменной аэродинамической
характеристикой при объемно-ориентированном расположении приточных и вытяжных
отверстий для обеспечения равномерности притока и удаления воздуха из всего объема
производственного помещения. Представлены эмпирические зависимости определения
параметров воздушной среды в объеме помещения при работе аварийной вентиляции,
обеспечивающих взрывобезопасность промышленных объектов.
M.N. Zherlykina, V.A. Aleksentsev
VENTILATION PLANT WITH ACCIDENTAL RELEASES OF CHEMICALS
An emergency ventilation to ensure an even removal of air from the entire premises to avoid
stagnant areas of education and ensuring explosion safety in the emission of chemicals. An emergency
ventilation to the natural inflow of air through the holes with variable aerodynamic characteristics in
the space-based location of inlet and exhaust openings to ensure the uniformity of the inflow and
removal of air from the entire production facility. We present empirical dependence of the
measurement of air in the room when the emergency ventilation to ensure explosion safety of
industrial facilities.
В производственных помещениях возникают аварийные ситуации с выбросом вредных
веществ различной степени опасности, при этом функции аварийной вентиляции
заключаются в следующем [1]:
1. Аварийная ситуация, при которой концентрация вредных веществ в
производственных помещениях повышается не более, чем на 1 порядок допустимого
превышения ПДК, и кратковременное пребывание людей в такой атмосфере допустимо.
Такая аварийная ситуация может возникнуть при нарушениях технологического
режима, которое возможно на химических заводах, приводят к увеличению выделения
27
вредных веществ, существенно повышающих их концентрации в производственных
помещениях. То есть, q ЕЕ <0,1.q НКП , где q ЕЕ − концентрация химических веществ в объеме
производственного помещения, мг/м3, q НКП −нижний концентрационный предел
распространения пламени по газовоздушным смесям, мг/м3.
Задачей аварийной вентиляции в этом случае является не допустить повешение
концентрации вредных веществ выше определённого уровня, которые назовём временно
допустимой концентрацией и сократить время пребывания людей в атмосфере с
повышенными концентрациями.
Аварийная вентиляция выполняет санитарно-гигиеническую функцию в помещении,
которую она вентилирует.
2. Аварийная ситуация, при которой без серьёзного разрушения оборудования и
коммуникаций в производственном помещении выделяются значительные количества
химических веществ. При этом могут создаться концентрации, превышающие предельнодопустимые и работающие должны будут применить средства индивидуальной защиты.
Поэтому задачей аварийной вентиляции является быстрейшее снижение концентраций после
аварий до предельно-допустимых.
Если выделяющиеся вредные вещества одновременно и взрывоопасны, то есть
q НКП > q ЕЕ >0,1. q НКП , то аварийная вентиляция должна способствовать снижению
концентраций до предела, при котором не возможен взрыв или пожар. При этом важно,
чтобы не только средняя концентрация, но и концентрация во всех точках объёма, в которых
возможна искрообразование или имеются нагретые поверхности, была бы ниже предельного
уровня.
Аварийная вентиляция выполняет санитарно-гигиеническую функцию и функцию
предотвращения пожара и взрыва в вентилируемом ею помещении.
3. Аварийная ситуация, при которой происходит разрушение оборудования или
коммуникаций без разрушения зданий, в большинстве случаев при таких авариях в
помещениях создаются взрывопожароопасные концентрации, то есть q ЕЕ < q НКП . Важно
предупредить возможность последствий аварий, которые могут возникнуть от взрыва или
пожара веществ, попавшего в воздух помещения.
Функцией аварийной вентиляции в этом случае является удаление из помещения
воздуха с высокими концентрациями взрывопожароопасных вредных веществ и выброс их в
верхние слои атмосферы. Это необходимо, чтобы исключить отравление людей, а также
аварии в соседних зданиях.
Аварийная вентиляция должна предотвратить последствия аварии и в самом
помещении, в котором уже произошла авария. Для этого аварийная вентиляция должна
создать в помещении потоки, которые относили бы воздух с пожаро- и взрывоопасными
концентрациями ВВ в сторону от возможных мест вспышки.
Согласно [1], аварийная вентиляция наиболее эффективна, когда удаляет вредные
вещества из зоны наибольших концентраций. Однако достижение этой цели осложняется
тем, что при аварийном выбросе химических веществ в производственном помещении
газоанализаторы, установленные на определенное значение концентрации, могут не
сработать. Вредные вещества при их утечке из технологического оборудования до
включения аварийной вентиляции распространяются в помещении из-за диффузии
загрязняющих веществ, из-за работы общеобменной механической вентиляции,
неорганизованного естественного притока и вытяжки при открытых окнах, фрамугах,
дверных проемах. Поэтому необходимо предусмотреть удаление воздуха из всего объема
производственного помещения при работе аварийной вентиляции.
Математическая зависимость кратности воздухообмена при работе аварийной
вентиляции от концентрации вредных веществ при допустимой их концентрации не более
28
нормируемого нижнего предела распространения пламени по газовоздушным смесям в
объеме помещения представлена в формуле:
M (t )
(1)
Kр =
,
а
t
V ⋅ ∑ ni (t )∫ q (t )dt
j =1
0
где M(t) – масса выбросов вредных веществ при выходе из строя технологического
оборудования, кг/ч; V – объём помещения, м3; n(t) – количество аппаратов (узлов),
отказавших за отрезок времени от t-(Δt/2) до t+(Δt/2); Δt – рассматриваемый отрезок
времени, ч; i – номер причины отказа; j – номер аппарата (узла), отказавшего за
промежуток времени от 0 до t; q(t ) – удельная концентрация вредного вещества, кг/(м3.ч),
q (t ) ≤ 10%q НКП .
Условия работы аварийной вентиляции, исключающие образования концентраций
выше 10% нижнего предела распространения пламени по газовоздушным смесям в объеме
помещения:
1 условие. Концентрация вредных веществ в аварийном выбросе, q ЕЕ , равна
максимальному значению, qmax, и должна определяться исходя из того, что:
(q рз < qвв ) = (qmax < 0.1 ⋅ qНКП ) ,
(2)
(0,1⋅ q НКП < qвв ) = (qmax < q рз ) ,
(3)
где q рз – концентрация вредного вещества, равная предельно-допустимому значению в
рабочей зоне, мг/м3;
2 условие. Концентрация вредных веществ в уходящем из производственного
помещения воздухе при работе аварийной вентиляции должна быть равна: при q рз < ,
qух=0,1. q НКП ; при q рз > q НКП , qух=qрз.
3 условие. Для того, чтобы концентрации вредных веществ в объеме
производственного помещения не превысила qрз, необходимо, чтобы: qвв ≤ G0 L , где G0 –
аварийный расход вредного вещества, кг/ч; L – расход воздуха, который необходимо
обеспечить в производственном помещении при аварийном выбросе вредных веществ,
м3/ч.
4 условие. Скорость воздушного потока в производственном помещении при работе
аварийной вентиляции должна быть более 0,2 м/с, то есть υх>0,2 м/с.
5 условие. Для обеспечения равномерного удаления воздуха из помещения площадь
всасывающих отверстий должна быть не более 50% площади воздуховода аварийной
вентиляции.
Схема аварийной вентиляции с удалением вредных веществ из всего объема
помещения представлена на рис.1.
Динамическое давление у приточного отверстия, оборудованного створкой, Рдин, Па,
при работе аварийной вентиляции определяется по формуле:
2
Рдин = 0,143 ⋅V ⋅ k ⋅υств
⋅ cos2 α ,
(4)
где α – угол раскрытия створки; 0,143 – экспериментальный коэффициент; υств –
скорость воздуха в приточном отверстии, м/с; k – экспериментальный коэффициент,
зависящий от способа закрепления створки в приточном отверстии (рис.2.) и от ее массы.
Значения коэффициента k представлены на рис. 3.
29
Рис. 1. Схема аварийной вентиляции с удалением вредных веществ из всего объема помещения:
1 –отверстия для естественного притока воздуха, оборудованные створками; 2 – технологическое
оборудование; 3 – воздухоприемные отверстия; 4 – воздуховоды аварийной вентиляции; 5 – устройство для
очистки воздуха; 6 – вентиляционный агрегат; 7 – труба выброса вредного вещества в атмосферу; 8 –
воздуховоды механической приточной общеобменной вентиляции; Нц – высота помещения, м, bц – ширина
помещения, м, lц – длина помещения, м
Конструктивное оформление створки в приточном отверстии представлено на рис.2
Рис. 2. Конструкция створки в приточном отверстии:
Нств – высота створки, мм; lств – длина створки, мм.
30
Рис. 3. График определения коэффициента k в зависимости от способа закрепления створки в приточном
отверстии:
Нств – высота створки, мм; Н СТВ1 – длина от оси створки до нижней кромки створки, м; Н СТВ 2 – длина
от оси створки до верхней кромки створки, м
Статическое давление в помещении, необходимое для открытия створки при работе
аварийной вентиляции, Рст, Па, определяется по формуле:
Рст =
mств ⋅ g
,
Fств
(5)
где mств – масса створки, кг; Fств – площадь створки, м2.
Значения статического давления в помещении, необходимого для раскрытия створки в
зависимости от ее массы, представлены на рис. 4.
Рис. 4. График определения статического давления в помещении, необходимого для раскрытия створки
различной массы
Для обеспечения равномерного поступления воздуха в производственное помещение
количество приточных отверстий по его высоте, nпов, и ширине, nпог, определяется по
формулам:
0,5 ⋅ Н ц
,
(6)
nпов =
0,33 ⋅ Н ц − Н ств
31
nпог =
bц
,
kср ⋅ d пр
(7)
где dпр – эквивалентный диаметр приточного отверстия, м; kср – экспериментальный
коэффициент, зависящий от угла раскрытия створки, равный: при угле раскрытия 45о – 12,53,
при 30о – 7,51, при 15о – 5,1.
Расстояние между центрами приточных отверстий по ширине, lср, м, и по высоте, Нрс,
м, помещения определяется по формулам:
(8)
lср = kср ⋅ d пр ,
Н рс = k хс ⋅ d пр ,
(9)
где kхс–экспериментальный коэффициент, зависящий от угла раскрытия приточного
отверстия, равный: при угле раскрытия 45о–25,1, при 30о–8,71, при 15о–2,73.
Общая площадь приточных отверстий, ΣFств, м2, определяется по формуле:
ΣFств =
К ра ⋅V
μ ств
⋅
ρ
ΔР
,
(10)
где μств − коэффициент расхода воздуха при раскрытии створки под определенным
углом; ΔР – разность давлений внутри и снаружи производственного помещения, кг/м2; ρ –
плотность воздуха, кг/м3.
При расчете аварийной вентиляции необходимо учитывать ограничения применения
схемы с естественным или частично механическим притоком воздуха в зависимости от
влияния на створку ветрового давления при нормальном технологическом режиме. Высота
раскрытия створки под действием ветра, hств, м, определяется по формуле:
(mвозд ⋅υ н )2
hств =
≤ 0,001,
(11)
2
2 ⋅ g ⋅ (mвозд + mств )
где mвозд – масса воздуха, давящая на створку при действии ветра, кг; υн – скорость
наружного воздуха, м/с.
Время работы аварийной вентиляции с естественным или частично механическим
притоком воздуха, в течение которого температура внутреннего воздуха tв>5оС, tав’, с, при
tIII<t’ав, определяется по формуле:
′ 3603 ⋅ (υ н − υств ) ⋅ lц
,
t ав =
(12)
б
5 − tн
где 3603 – расчетный коэффициент.
Обеспечение равномерного удаления воздуха возможно при заданном количестве
вытяжных отверстий, их площади и расстоянии между ними по высоте и ширине
помещения. Количество вытяжных отверстий по ширине, nщb, и по высоте, nщн, помещения
определяется по формулам:
bц
(13)
,
nщb =
k щ ⋅ d ав
где dав – диаметр воздуховодов аварийной вентиляции, м; kщ – экспериментальный
коэффициент, зависящий от угла раскрытия вытяжного отверстия, равный: при угле
раскрытия 45о – 12,51, при 30о – 7,52, при 15о – 5,12;
Н ц
(14)
n щН =
,
k хщ ⋅ d ав
где kхщ – экспериментальный коэффициент, зависящий от угла раскрытия вытяжного
отверстия, равный: при угле раскрытия 45о–25,3, при 30о–8,72, при 15о–2,71.
32
Расстояние между всасывающими отверстиями по ширине, lщр, м, и по высоте, Нрщ, м,
помещения определяется по формулам:
lщр = kщ ⋅ d ав ,
(15)
Н рщ = k хщ ⋅ d ав ,
(16)
Отношение площади щели воздухоприемных отверстий к площади воздуховода
определяется по формуле:
f
b
Нц
(17)
Кf = щ ⋅ ц ⋅
,
fв kщ ⋅ dав kхщ ⋅ dав
где fщ – площадь щели, м2; fв – площадь воздуховода аварийной вентиляции, м2.
Для обеспечения равномерности скорости воздуха по длине всасывающего
отверстия требуется соблюдение условий: если α1=15÷30, то Кf=1,2÷2,7; если α1=30÷45,
то Кf=4,1÷6,4, где α1 – угол раскрытия вытяжного отверстия.
Скорость воздуха на расстоянии х, м, от вытяжного отверстия, υх, м/с, определяется
по формуле:
υx = υав ⋅
⎛ х +1 ⎞ α1
2
⎟ ⋅ tg ,
⋅ arctg⎜⎜
⎟
2
х
−
1
π ⋅х
⎝
⎠
(18)
где υав – средняя скорость воздуха в воздуховоде, м/с, х −коэффициент, определяемый по
формуле:
х = х R,
(19)
где R – радиус воздуховода аварийной вентиляции, м.
Для определения скорости в центре вытяжного отверстия, υо, м/с, при
ориентировочных расчетах составлена номограмма и показана на рисунке 5.
bщ= 0,02 м.
Рис. 5. Номограмма для определения скорости воздуха во всасывающем отверстии щелевого
воздухоприемника, bщ – ширина щели, м.
Общая площадь щелей воздухоприемников определяется по формуле:
(1 + 0,01⋅ rрасч )⋅ L < 50% ⋅ f ,
(20)
Σf щ =
в
6,844 ⋅ υ0
где L – расход воздуха, м3/с; rрасч – экспериментальный коэффициент, rрасч=9,51; 6,844 –
расчетный коэффициент.
В результате сравнения затрат на электроэнергию и вентиляционное оборудование
определены условия для установления режима удаления вредных веществ из объема
помещения при наименьших энергетических и материальных затратах. С целью уменьшения
затрат на устройство аварийной вентиляции рекомендуется предусматривать: при Кра<201/ч –
33
схему вытяжной общеобменной вентиляции с естественным притоком; при 20<Кра<50 1/ч –
схему вытяжной общеобменной вентиляции с естественным и механическим притоком
(общеобменная приточная вентиляция включена); при Кра>50 1/ч – схему вытяжной
общеобменной вентиляции с механическим притоком.
Библиографический список
1. Эльтерман В. М. Вентиляция химических производств. – М.: Химия, 1980. – 197с.
2. Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции. – М.: Профиздат, 1965.
3. Бромлей М.Ф. Проектирование отопления и вентиляции / М.Ф. Бромлей, В.П.
Щеглов. – М.: Издательство литературы по строительству, 1965. – 260 с.
The bibliographic list
1. Elterman V. M. Ventilation for chemichal production. – M.:Chemistry, 1980. – 197p.
2. Baturin V.V. Fundamentals of industrial ventilation. – M.:Profisdat, 1965.
3. Bromley M.F. The design of heating and ventilation / M.F. Bromley, V.P. Sheglov. – M.:
Published literature on the construction, 1965. – 260p.
Ключевые слова: вентиляция, взрывоопасная концентрация, взрывобезопасность, равномерность,
приточное отверстие, створка, воздухоприемник
Keywords: ventilation, the concentration of explosive, explosion safety, uniformity, plenum opening, leaf,
vozduhopriemnik
УДК 696.4
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Канд. техн. наук, доц. кафедры
теплогазоснабжения В.В. Гончар
Инженер С.А.Григорьев
Асс. кафедры иностранных языков
П.В. Живалов
Россия, г. Воронеж тел. 8(4732)71-53-21;
e- mail: Vasilevich-37@mail.ru
The Voronezh State University of architecture
and constructions
Cand. Of technical sciences, senior lecturer of
the heat-gaz supply chair V.V.Gonchar
Engeneer S.A.Grigoriev
The Voronezh state University Teacher of the
English Language chair P.V. Zhivalov
Russia, Voronezh, ph. 8(4732)715321;
e-mail: Vasilevich-37@mail.ru
В. В. Гончар, С. А. Григорьев, П. В. Живалов
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ
Представлена установка солнечного водонагрева, расчётные зависимости по
определениютепловых
потоков
и
проведены
технико-экономические
расчёты
по
целесообразностииспользования солнечной энергии в системах горячего водоснабжения зданий
V.V. Gonchar, S.A. Grigoriev, P.V. Zhivalov
TECHNICAL AND ECONOMIC BASIS OF SUN ENERGY APPLICATION IN HOT
WATER-SUPPLY SYSTEMS OF BUILDINGS
34
Installation of solar water-heating, settlement dependences by definition of thermal streams are
submitted and made technical-economic calculations on expediency of use of a solar energy in systems
of hot water supply of buildings
На приготовление горячей воды для бытовых нужд в настоящее время расходуется
около 20 % энергии, потребляемой в жилищной и коммунальной сфере. Этот огромный
спрос на тепловую энергию удовлетворяется, главным образом, за счёт традиционных
источников: нефть, газ, твёрдое топливо и электроэнергия. Значительную часть этого спроса
можно удовлетворить за счёт применения устройств солнечного водоснабжения (СВН).
Использование солнечной энергии в системах теплоснабжения зданий является наиболее
перспективным решением, так как энергия солнца является экологически чистым
источником с неиссякаемым количеством.
1.
Установка для солнечного водоснабжения дома
Авторами [1] разработана установка для нагрева воды, поступающей в систему
горячего водоснабжения дома, за счёт улавливания солнечной энергии (рис. 1). Установка
состоит из плоских солнечных панелей (коллекторов) 1, размещенных на наружных стенах
южного фасада здания, ёмкостного водонагревателя 2, служащего одновременно баком
аккумулятором. Система горячего водоснабжения включает водоразборные краны 3,
полотенцесушители 4, циркуляционный насос горячей воды 5.
Рис.1. Схема установки солнечного водоснабжения:
1- солнечный коллектор; 2- емкостной водонагреватель; 3- водоразборные приборы;
4- полотенцесушители; 5- циркуляционный насос системы горячего водоснабжения;
6- отопительные приборы; 7- элеватор отопления; 8- циркуляционный насос солнечного коллектора; 9- регулятор температуры; 10- тепловая сеть
35
При попадании лучистой
энергии солнца на поверхность коллекторов 1 она
поглощается промежуточным теплоносителем, циркулирующим в замкнутой системе при
помощи насоса 8, который затем поступает в змеевиковую поверхность бака аккумулятора 2,
где нагревает воду, находящуюся в баке. Предусмотрена, также, подача воды из тепловой
сети 10 в змеевиковую поверхность аккумулятора для догрева воды, поступающей в систему
горячего водоснабжения дома. Подача сетевой воды в систему осуществляется в пасмурную
и дождливую погоду, когда солнечные панели не смогут нагреть воду до расчётной
температуры (55° С), т. е. сетевая вода служит доводчиком тепла в системе горячего
водоснабжения дома. Система отопления 6 здания снабжается теплоты из тепловой сети 10
через элеватор 7 по общепринятой схеме.
2. Устройство солнечного коллектора
Основным и самым дорогостоящим элементом установки СВН является солнечный
коллектор (рис. 2). Коллектор плоский. Боковые стороны корпуса 1 выполнены из
алюминиевого листа толщиной 1,3 мм. Теплоприёмником служит профилированный
алюминиевый лист 3. Покрытие листа- чёрная краска толщины 0,43 мм, выдерживающая
температуру до 200° С. Питающие и отводящие каналы 7 выполнены трапециидальной
формы шириной 25 мм. Теплоноситель (антифриз) движется по трубам 5 диаметром 1/2″.
Рис. 2. Устройство модуля солнечного коллектора:
1- корпус коллектора; 2- остекление; 3- панель теплоприемника; 4- тепловая
изоляция; 5- трубки с теплоносителем; 6- воздушный канал; 7- отводящий канал
Покрытием коллектора служит одинарное закаленное стекло 2 толщины 3 – 5 мм,
пропускная способность которого 80%. Воздушный промежуток 6 между теплоприёмником
и покрытием 25 – 30 мм. Тыльная тепловая изоляция 4 теплоприёмника- стекловолокно
толщиной 80 мм, плотностью 24 кг/м³, тепловым сопротивлением 10,4 Вт/(м·град).
Габаритные размеры модуля теплоприёмника: ширина 868 мм, длина 2135 мм, толщина
109,6 мм. Эффективная площадь поглощения солнечной энергии 1,7 м². Отношение полезной
площади теплоприёмника к общей закрытой поверхности- 0,884. Вес модуля- 55 кг в
заполненном состоянии. Способ крепления модуля - к концу рамы крепятся сплошные
угловые скобы. Отверстия в стенке здания просверливаются по месту монтажа.
36
Разработанная конструкция модуля может быть использована для установки на любую
поверхность: на боковую поверхность здания или на существующую крышу.
3.
Выбор промежуточного теплоносителя для солнечного коллектора
Выбор типа рабочего тела для промежуточного теплоносителя определяется климатом,
стоимостью, сохранением надёжности при длительной эксплуатации, совместимостью с
проектом здания. В качестве теплоносителя применяются в основном жидкости: вода или
водные растворы этиленгликоля, пропиленгликоля (антифриз) или масло. Вода гораздо
дешевле антифриза или масла. Но поскольку система горячего водоснабжения работает
круглогодично, то в зимний период вода замерзает. В разработанной установке в качестве
промежуточного теплоносителя применяется антифриз А – 65 со следующими параметрами:
температура кипения 115° С, температура замерзания -65° С, плотностью 1090 кг/м³,
удельная теплоёмкость С р =5,6 кДж/кг·° С. Давление в системе до 0,5 МПа.
4. Расчёт и выбор бака- аккумулятора
Согласно рекомендаций [2,3] вместимость бака - аккумулятора составляет 50 - 100 л/м²
поверхности солнечного коллектора, тогда
Vб = 100 ⋅ Fk = 100 ⋅ 60 = 6800 л = 6,8 м 3 .
Принимаем к установке цилиндрический бак ёмкостью 7,0 м³, так как он будет работать
под избыточным давлением.
5. Расчёт тепловых потоков системы горячего водоснабжения
Произведем расчёт тепловых потоков на горячее водоснабжение жилого 5 этажного
дома с числом жителей 100 человек для климатических условий города Воронежа.
Средние тепловые потоки на горячее водоснабжение дома в отопительный (зимний) и
неотопительный (летний) периоды года определяются по [2]:
1,2 ⋅ с ⋅ m ⋅ a(55 − t хз )
Qгвз .ср =
= 34900Вт = 0,035МВт ,
(1)
24 ⋅ 3,6
55 − t хл
55 − 15
Qгвл .ср = Qгвз .ср
β = 0,035
0,8 = 0,0224МВт ,
(2)
55 − t хз
55 − 5
где с=4,19 кДж/(кг·°С)- теплоемкость воды; m=100 человек- количество проживающих доме;
а=120 л/сутки- норма расхода горячей воды на 1 человека в сутки; t хз =5°С- расчётная
температура холодной водопроводной воды в зимний период; t хл =15°С- то же в летний
период; β =0,8- коэффициент, учитывающий снижение среднечасового расхода воды на
горячее водоснабжение в летний период по отношению к зимнему. Этот тепловой поток на
горячее водоснабжение должен быть обеспечен за счет лучистой энергии солнца и сетевой
воды, подаваемой из тепловой сети города.
6.Расчёт солнечного коллектора
К расчету принимается плоский солнечный коллектор, изображенный на рис.2. В
задачу расчета входит определение лучевоспринимающей поверхности панели коллектора.
Полезная энергия, Вт, отводимая из коллектора – это разность количеств солнечной энергии,
поглощенной панелью коллектора, и количеством энергии, теряемой в окружающую среду.
Уравнение для расчета имеет вид [3]:
.
(3)
Q k = Fk M [q p (τα ) − q тп (t вх − t о )]
Откуда
Fk =
Qk
35000
=
= 51,8 м 2
M q p (τα ) − q тп (t вх − t о ) 0,9[1100 ⋅ 0,8 ⋅ 0,9 − 0,75(30 − (− 26))]
[
]
37
,
(4)
где Qk =35000 Вт- тепловой поток на горячее водоснабжения зданий; F- площадь
панели коллектора, м²; М- коэффициент отвода тепла из коллектора; q p =1100 Вт/м²плотность потока суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора; τ =0,8пропускная способность прозрачных покрытий (стекла) по отношению к солнечному
излучению; α =0,9- поглощательная способность пластин коллектора; qтп =0,5 ÷ 0,75 Вт/
(м²·°С) коэффициент тепловых потерь коллектора; t вх =30 ° С температура антифриза на
входе в коллектор; t о =-26 ° С температура окружающей среды.
7.Технико – экономический расчёт системы горячего водоснабжения с использованием
СВН
Основные годовые затраты на систему СВН составят затраты, связанные с
приобретением элементов системы, включая модули коллектора, бака – аккумулятора,
регулятора температуры, трубопроводов, тепловую изоляцию и т. д., годовые издержки на
эксплуатацию системы, годовые затраты на годовое обслуживание системы.
Приведённые годовые затраты на систему СВН определяются по формуле [4]:
Зс = (К к Fк + К ба + К об )Рн + N э nэ + S обсл ,руб/год
(5)
где К к - капитальные затраты на единицу поверхности коллектора, руб/м²·год;
Fк - площадь коллектора, м²; К ба - капитальные затраты на бак- аккумулятор
(теплоноситель, резервуар, золяция), руб/год; К об - капитальные затраты на оборудование
(трубопроводы, регуляторы), руб/год; Рн - нормативный коэффициент эффективности
капитальных вложений; N э - годовая потребность в энергии на прокачку теплоносителя,
кВт·ч/год; nэ - стоимость единицы энергии, руб/кВт·ч; S обсл - годовые затраты на материал и
оплату рабочей силы для технического обслуживания системы СВН, руб/год.
Приведённые годовые затраты на дополнительную энергию от тепловой сети:
'
,руб/год
(6)
З д = К п ⋅ Р н + Qд ⋅ n д + N э' ⋅ n э + S обсл
где К п - стоимость подогревателя и соответствующего оборудования, руб/год; Qд годовой тепловой поток на систему горячего водоснабжения от тепловой сети, ГДж/ год; пд N э' -
стоимость тепловой энергии, руб/ГДж;
годовая потребность в энергии на
'
циркуляционный насос системы горячего водоснабжения, кВт·ч/год; S обсл
- годовые затраты
на материал оплату рабочей силы для технического обслуживания тепловой сети, руб/год.
Полные приведённые затраты
З = Зс + Зд , руб/год .
(7)
Затраты на техническое обслуживание, эксплуатационные издержки на прокачку
теплоносителя через коллектор не учитываются в виду их малой величины.
Тогда уравнение (10) примет вид:
З = (К к ⋅ Fк + К ба + К об )Рн + Qд ⋅ пд , руб/год
(8)
Если стоимость бака – аккумулятора соотнести непосредственно к площади коллектора,
то уравнение (7) примет вид:
(9)
З = (К к + К ба' )Fк + К об Р н + Qд ⋅ п д , руб/год
[
]
где К ба' =240 руб/м²- стоимость аккумулятора на единицу площади коллектора (исходя
из стоимости ёмкости бака – аккумулятора- 4 руб/кг и ёмкости аккумулятора, отнесённой к
единице площади коллектора- 60 кг/ м²); К об - стоимость дополнительных трубопроводов и
38
насосов системы горячего водоснабжения; Рн =0,28- нормативный коэффициент
эффективности капитальных вложений.
(10)
К об = К труб + К нас + К рег = 1312 ,5 + 2500 + 1000 = 4812 ,5; руб / год
где К труб =17,5 руб/п·м · 75 п·м=1312,5 руб- стоимость трубопроводов; К нас =2500 рубстоимость циркуляционного насоса; К рег = 1000 руб- стоимость регулятора температуры.
Подставляя полученные значения в уравнение (12) получим:
З = [(К к + 240)Fк + 4812,5]0,28 + Qд ⋅ пд , руб/год
(11)
Общий годовой поток на систему горячего водоснабжения дома состоит как суммарный
тепловой поток по месяцам:
(12)
Q гвм = 24 ⋅ п ом ⋅ Q гвср ,ГДж
где пом - число суток работы системы горячего водоснабжения в месяц.
Данные расчётов тепловых потоков на горячее водоснабжение по месяцам сведены в
таблицу 1.
Количество лучистой энергии, падающей на поверхность солнечного коллектора,
определяется по формуле [5]:
qр
Qк = Fк
sin (180 − h − s ) ,ГДж
(13)
sin (180 − h )
где q р =1100 Вт/ м²=3960 Дж/ м²- плотность солнечной радиации в плоскости
коллектора; h=55°- угол высоты солнца; s=90°- угол наклона коллектора к горизонту.
Результаты расчётов сводим в табл. 1.
Таблица 1
Месяц года
Расчётные тепловые потоки по месяцам
Нагрузка на горячее водоснабжение, ГДж
суммарная
за счёт СВН
от
тепловой
сети
Январь
Февраль
Март
Апрель
Май
Июнь
Июль
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Итого
2,0
1,8
2,0
1,9
2,0
1,9
2,0
2,0
1,9
2,0
1,9
2,0
23,4
0,3
0,4
1,4
1,9
2,0
1,9
2,0
2,0
1,9
1,4
1,4
0,6
17,2
1,7
1,4
0,6
0
0
0
0
0
0
0,6
0,5
1,4
6,2
Переменными параметрами в уравнении (11) являются стоимость коллектора и
стоимость дополнительной энергии от тепловой сети. Стоимость 1 м² модуля коллектора
состоит из стоимости 1 м² закалённого стекла (60 руб/м²), стоимости 1 м² профилированного
алюминиевого листа (120 руб/м²), стоимости 1 м² тепловой изоляции из стекловолокна (30
39
руб/м²). Тогда общая стоимость 1 м² модуля коллектора составит: К к =60+120+30=210
руб/м². Подставляя полученные значения в уравнение (11) получим:
З = [450 ⋅ Fк + 4812,5]0,28 + Qд ⋅ пд ,руб/год
(14)
Для проведения технико – экономических расчётов систем горячего водоснабжения
задаёмся тремя значениями поверхности нагрева коллектора К к =210, 230, 250 руб/м² и
стоимостью дополнительной энергии от теплосети пд =200, 225, 250 руб/ГДж. Расчёт
приведенных
годовых затрат на систему СВН приводим в табл. 2.
Таблица 2
Fк ,
м²
0
20
40
60
80
100
Qд ,
ГДж
88
19,04
10,08
3,92
2,24
0
Приведённые годовые затраты на СВН
Приведённые годовые затраты, руб/год
К к =210 руб/м²
К к =230 руб/м²
пд , руб/ГДж
пд , руб/ГДж
200
225
250
200
225
250
5600 6300 7050 5600 6300
7000
5460 5930 6410 5500 5980
6460
4750 4990 5240 4830 5080
5330
4600 4700 4800 4750 4840
4940
5350 5400 5460 5540 5590
5650
5980 5980 5980 6220 6220
6220
К к =250 руб/м²
пд , руб/ГДж
200
225
250
5600
6300
7000
5500
6030
6500
4930
5180
5430
4890
4990
5080
5730
5790
5840
6460
6460
6460
По результатам произведённых расчётов были построены графики зависимости
приведённых годовых затрат от площади солнечного коллектора,F,м2 и стоимости
дополнительной энергии от тепловой сети (рис 3).
Рис. 3. Зависимость приведенных годовых затрат, 3 руб/год, от площади солнечного коллектора, Fk м²,
стоимости тепловой энергии теплосети: А – 200 руб/ГДж; В – 225 руб/ГДж; С – 250 губ/ГДж (1, 2, 3 –
стоимость коллектора – 210 руб/м², 230 руб/м², 250 руб/м² )
40
и
Видно, что оптимальная площадь солнечного коллектора равна 60 м² при всех
значениях пд =200, 225, 250 руб/ГДж. Использование солнечных коллекторов в системах
горячего водоснабжения целесообразно при стоимости тепла от тепловой сети пд ≥ 150
руб/ГДж. При меньших значениях приведённые годовые затраты на систему СВН будут
больше, чем затраты на типовую систему горячего водоснабжения от тепловой сети.
Вывод
Таким образом, при площади одного модуля 1,7 м² общее количество модулей для дома
составит 60/1,7=35 штук. Они будут размещены на южном фронтоне здания.
Как показывают расчёты, применение СВН даёт экономию тепла до 60-70 %.
Разработанная установка СВН может быть рекомендована для внедрения в системах
теплоснабжения города.
Библиографический список
1. Гончар В.В. , Гончар Л.В. Метод расчёта параметров установки солнечного
водоснабжения жилого дома // Вестник ВГАСУ, - 2003, -Вып. 1,-с. 49-51.
2. СНиП 2.04.07-86. Тепловые сети. Нормы проектирования. – М.; СИ, - 57с.
3. Bruce Anderson. Solar energy: fundamentals in building design,. 1982, – 375pp.
4. Y.G. Ucveigh. Sun power an introenergy. 1981,- 216 pp.
5. W .A. Beckman, S.A. Klein, J. A. Duffie . Solar heating design by the f-chart method,
New York, 1982,- 80pp.
The bibliographic list
1. Gonchar V.V. , Gonchar L.V. Parameters calculation method of solar water supply
installation of a living house// Vestnik VGASU, - 2003, -Issue 1, - pp. 49-51
2. SNiP 2.04.07-86. Heating systems. Design statdards.- M., SI., - 57p.
3. Bruce Anderson. Solar energy: fundamentals in building design. 1982. – 375pp.
4. Y.G. Ucveigh. Sun power an introenergy. 1981,- 216 pp.
5. W.A. Beckman, S.A. Klein, J. A, Duffie . Solar heating design by the f-chart method. New
York, 1982,- 80pp.
Ключевые слова: солнечный водонагреватель, горячее водоснабжение, установка, расчётные
зависимости, технико-экономические расчёты
Keywords: solar water heater, hot water supply, installation, calculation dependencies, technical-economic
calculations.
41
УДК 628.83
Воронежский государственный архитектурностроительный университет
Д-р техн. наук, проф. кафедры отопления и
вентиляции И.И. Полосин
Ассистент кафедры отопления и вентиляции
А.Ю. Глушков
Россия, г. Воронеж, тел. 8(4732)71-53-21;
e-mail: vgasupb@mail.ru
The Voronezh State University of Architecture and
Constructions
D. Sc. In Engineering, Prof. of Heating and
Ventilation Department I.I. Polosin
Assistant lecturer of Heating and Ventilation
Department A.J. Glouchkov
Russia, Voronezh, tel. 8(4732)71-53-21
e-mail: vgasupb@mail.ru
И.И. Полосин, А.Ю. Глушков
РАСЧЁТНАЯ ОЦЕНКА ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОТРАЖАТЕЛЯ ПРИ
ОТОПЛЕНИИ ПРЯМОТОЧНЫМИ "ТЕМНЫМИ" ТРУБНЫМИ ИЗЛУЧАТЕЛЯМИ
Рассматриваются положения методики расчета
излучающими и лучевоспринимающими поверхностями.
лучистого
теплообмена
между
I.I. Polosin, A.J. Glouchkov
CALCULATED TEMPERATURE ESTIMATE OF BAFFLER SURFACE UNDER
HEATING OF UNIFLOW "DARK" PIPE RADIATORS
Being reviewed are the theses of calculation principles of radian heat exchange between radiate
and ray-absorb surfaces.
В последние годы для отопления объектов большого объёма успешно применяются
"тёмные" трубные излучатели. Преимущества лучистого обогрева с применением газовых
инфракрасных излучателей по сравнению с конвективным отоплением заключаются в
следующем [1, 2]:
1. Значительное сокращение потерь теплоты из-за отсутствия наружных тепловых сетей;
2. Сокращение сроков и трудоёмкости монтажа (около 4-5 человеко-смен на 1000 м2
помещения);
3. Малая инерционность системы отопления, позволяющая осуществлять программный
отпуск теплоты и производить быстрый натоп помещения;
4. Обеспечение требуемого теплового режима, как во всем помещении, так и в отдельных его
зонах при меньшей температуре воздуха (на 3-4°С), что снижает теплопотери здания и
расход теплоты на вентиляцию;
5. Незначительный градиент температуры воздуха по высоте помещения (не более 0,1°С/м),
что уменьшает тепловые потери в верхней зоне;
6. Возможность гибкого автоматического регулирования теплового режима в помещении.
При проектировании системы отопления трубными излучателями возникает
необходимость
расчёта
лучистого
теплообмена
между
излучающими
и
лучевоспринимающими поверхностями. Такой расчёт возможен, если известны, наряду с
другими параметрами, температуры поверхностей тел, участвующих в теплообмене. Это
вызывает необходимость расчётной оценки температуры поверхности отражателя.
Схема обогрева помещения прямоточным излучателем с отражателем представлена на
рисунке. Излучающая труба наружным диаметром d, поверхностью F1 участвует в лучистом
теплообмене с лучевоспринимающей поверхностью отапливаемого помещения, на которой
находятся люди и оборудование, а также с поверхностью F2 отражателя. Внутренняя
42
поверхность отражателя F2 участвует в лучистом теплообмене с поверхностью излучателя F1
и лучевоспринимающей поверхностью помещения. Кроме того, поскольку поверхность F2
вогнутая, она излучает "сама на себя".
Рис. Система поверхностей, участвующих в лучистом теплообмене
при нагреве прямоточным трубным излучателем с отражателем
Для анализа лучистого теплообмена между поверхностями F1, F2 и реальной
поверхностью отапливаемого помещения введем условную (расчётную) замыкающую
плоскую поверхность F3, ширина которой равна а. Это возможно, т.к. весь лучистый поток от
поверхностей F1 и F2 на реальную поверхность помещения "проходит" через эту условную
замыкающую поверхность F3.
Обозначим температуры поверхностей соответственно: излучателя Т1, отражателя Т2,
условной замыкающей поверхности Т3, равной температуре реальной лучевоспринимающей
поверхности помещения. В рассматриваемой системе поверхностей (рисунок) Т1>Т2>Т3.
Для вывода формулы по расчёту Т2 - температуры поверхности отражателя при
известных значениях температур Т1 и Т3 примем следующие допущения:
•
•
•
поверхности F1, F2, F3 изотермические и неограниченно протяженные в направлении,
перпендикулярном плоскости рисунка. Это позволяет не учитывать перенос лучистой
энергии в указанном направлении;
поверхности F1, F2, F3 серые; излучение их диффузное и подчиняется закону
Ламберта;
поверхности F1, F2, F3 разделены лучепрозрачной средой.
С учётом принятых допущений мощность результирующего потока излучения Q, Вт,
для любых двух поверхностей, участвующих в лучистом теплообмене, определяется по
известной зависимости [3]:
4
Qi , j
4
⎛T
⎞
ϕ i , j Fi C o ⎛⎜ Ti 100 ⎞⎟ − ϕ j ,i F j C o ⎜ j 100 ⎟
⎝
⎠
⎝
⎠ ,
=
⎛ 1
⎞
⎛ 1
⎞
− 1⎟
1 + ϕ i , j ⎜⎜ − 1⎟⎟ + ϕ j ,i ⎜
⎜A
⎟
⎝ Ai
⎠
⎝ j
⎠
43
(1)
где
ϕ i , j , ϕ j ,i - угловые коэффициенты собственного излучения соответствующих
поверхностей; Fi, Fj, Тi, Тj, Аi, Аj - площади (м2), температуры (К) и коэффициенты
поглощения
поверхностей
тел,
участвующих
в
лучистом
теплообмене;
С0 = 5,67 Вт/(м2К4) - коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.
Для дальнейшего анализа формулу (1) представим в виде:
(
)
Qij = C ijприв ⋅ ϕ ij ⋅ Fi ⋅ Ti 4 − T j4 ,
где C
прив
ij
(2)
- приведенный коэффициент излучения системы двух поверхностей Fi, Fj.
Из формулы (1) следует:
Co
Сi, j =
.
⎡
⎤
⎛
⎞
⎛ 1
⎞
1
(3)
100 ⋅ ⎢1 + ϕ i , j ⎜⎜ − 1⎟⎟ + ϕ j ,i ⎜
− 1⎟ ⎥
⎜
⎟
⎝ Ai
⎠
⎝ Aj
⎠⎥⎦
⎣⎢
Численные значения ϕ i , j , ϕ j ,i определяются на основании известных формул для
расчёта угловых коэффициентов системы двух поверхностей, участвующих в лучистом
теплообмене и свойств лучистых потоков.
Используя (2), (3) можно записать следующие формулы для определения мощности
потоков результирующего излучения в системе поверхностей F1, F2, F3:
(
⋅ F (T
⋅ F (T
)
),
).
Q13 = C13прив ⋅ ϕ13 ⋅ F1 T14 − T34 ,
(4)
Q12 = C12прив ⋅ ϕ12
(5)
прив
Q23 = C 23
⋅ ϕ 23
1
4
1
− T24
2
4
2
− T34
(6)
Для дальнейшего анализа принимаем, что известны температуры излучателя Т1 и
лучевоспринимающей поверхности Т3 (необходимо заметить, что определение численного
значения Т1 является предметом специальных исследований и здесь не рассматривается).
Температуру отражателя Т2 определяем для двух вариантов.
1. Для определения температуры отражателя Т2 принимаем, что теплота, передаваемая
излучением на внутреннюю поверхность отражателя, полностью излучается им на
поверхность F3, т.е. Q12=Q23. Такое допущение возможно, если отражатель выполнен из
листового алюминия или другого материала с малой степенью черноты (порядка 0,1).
2. При определении температуры Т2 учитываем тепловые потери Q2 через стенки
отражателя, имеющие место в реальных условиях:
(7)
Q12 - Q23 = Q2.
Из уравнения (7) следует Q23 = Q12(1 - К), (8) где К=Q2/Q12 - коэффициент, учитывающий
потери теплоты через стенки отражателя. Предельные значения К равны 0-1. Значение К=0
соответствует случаю, когда Q12=Q23.
Приравнивая (5) и (6) с учётом (8) и решая относительно Т2 получаем расчётную
температуру поверхности отражателя при отоплении помещений прямоточными трубными
излучателями
T2 = 100 ⋅ 4
(1 − K )C пр12ϕ12 F1T14 + C пр23ϕ 23 F2T34
(1 − K )C пр12ϕ12 F1 + C пр23ϕ 23 F2
.
(9)
Проведена расчётная оценка численных значений Т2 в системе поверхностей F1, F2, F3
(рис. 1) при исходных данных Т1=700 К, Т3=290 К, А1=0,8, А2=0,1, А3=0,9, d=0,1 м, Н=0,18 м.
Численные значения К, а, h, варьируются (см. табл.). Результаты расчётов Т2, К, для обоих
вариантов (К=0, 0<К<1) приведены в таблице.
44
Таблица
Расчётные значения температур поверхности отражателя Т2
Вариант
1
2
3
4
5
6
7
Параметры излучателя
, град.
a, м h, м
0,1 0,05
90
0,1 0,13
90
0,5 0,05
90
0,5 0,13
90
0,5 0,05
27
0,5 0,13
42
0,5 0,13
90
0
619,47
615,28
575,00
562,20
580,60
569,16
537,80
0,2
605,66
601,04
558,24
544,29
563,66
551,56
519,16
Коэффициент К
0,4
0,6
585,90 554,91
580,79 549,22
534,65 500,74
520,38 486,17
540,52 506,56
527,88 493,70
494,87 461,16
0,8
497,22
491,31
443,73
430,43
449,16
437,24
408,52
1,0
290,00
290,00
290,00
290,00
290,00
290,00
290,00
Примечание: в варианте 7 принято А2=0,8; в варианте 5 - Н=0,1 м.
Выводы
•
•
•
•
•
•
при увеличении высоты h установки трубного излучателя в отражателе от 0,05 до 0,13
м при любой ширине отражателя а в нижней плоскости незначительно уменьшается
расчётное значение температуры Т2;
увеличение а от 0,1 до 0,5 м приводит к уменьшению температуры Т2;
уменьшение угла наклона боковых стенок отражателя от =90° до =42° и =27°
вызывает незначительное увеличение температуры Т2;
при К=0 (отсутствие тепловых потерь через стенки отражателя) температура
внутренней поверхности отражателя меньше температуры поверхности трубного
излучателя приблизительно на 80-160°С, (в вариантах 1 и 7), а по своему
абсолютному значению Т2 ближе к температуре трубного излучателя Т1, чем к
температуре лучевоспринимающей поверхности Т3;
изменение температуры Т2 зависит от величины К - доли тепловых потерь через
стенки отражателя. При малых значениях К наблюдается незначительное изменение
Т2 по сравнению со значением Т2 при К=0, при больших К - более существенное. Так,
при изменении К от 0 до 0,4 Т2 уменьшается приблизительно на 5,5-9% (меньшее
значение в варианте 1, большее - в варианте 7); при увеличении К до 0,8 Т2
уменьшается соответственно на 20-24%;
при К=1 температура внутренней поверхности отражателя во всех вариантах
принимает значение Т3.
Таким образом, на основании проведенного анализа и с учётом перспектив развития
численных моделей можно констатировать:
•
•
в том случае, если не известны тепловые потери через стенку отражателя, значение
температуры Т2 на его внутренней поверхности целесообразнее оценивать в первом
приближении по формуле (9), принимая К=0;
значение Т2 позволяет производить расчёт соответствующих мощностей теплового
потока по формулам (4-6).
Библиографический список
1. Идрисов А.З., Наумов А.Л., Шилькрот Е.О. VI съезда АВОК. - Ч.1. - СПб, 1998.
2. Тютюнников А.И., Мосягин В.Ю. АВОК - 2001. - №3. - С. 29-32.
45
3. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. - М.: "Мир", 1975. - 934 с
4. Богословский В.Н. Теплообмен в помещении при лучистом отоплении. – М.:
Госстройиздат, 1958, с. 13-26.
5. Родин А.К. Газовое лучистое отопление. – Л.: Недра, 1987, 191 с.
The bibliographic list
1. Idrisov A.Z., Naumov A.L., Chilkrot E.O. VI conference AVOK. - P.1. - SPb, 1998.
2. Tiutiunnikov A.I., Mosiagin V.J. АVОK - 2001. - №3. - p. 29-32.
3. Zigel R., Hauell D. Inside heat exchange radiate. - М.: «Mir», 1975. – 934 p.
4. Bogoslovski V.N. Inside heat exchange under radiant heating. – M.: Gosstroiizdat, 1958, p.
13-26.
5. Rodin A.K. Gas radiant heating. – L.: Nedra, 1987, 191 p.
Ключевые слова: лучистый теплообмен, трубные излучатели
Keywords: radian heat exchange, pipe radiators
УДК 628.83
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Д-р техн. наук, проф. кафедры отопления и
вентиляции И.И. Полосин
Ассистент кафедры отопления и
вентиляции Д.В. Лобанов
Россия, г.Воронеж, тел. +7(4732) 71-28-92
The Voronezh State University of architecture
and constructions
D. SC. In Engineering, Prof. of Нeating and
Ventilation Department I.I. Polosin
Assistant lecturer of Нeating and Ventilation
Department D.V. Lobanov
Russia, Voronezh, tel. +7(4732)71-28-92
И.И. Полосин, Д.В. Лобанов
О НЕОБХОДИМОСТИ ВНЕСЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ В НОРМАТИВНЫЕ
ДОКУМЕНТЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
МИКРОКЛИМАТА В ПОМЕЩЕНИЯХ УМСТВЕННОГО ТРУДА
Рассматривается вопрос о необходимости внесения изменений в нормативные документы
по определению параметров микроклимата в помещениях умственного труда, в связи с
несогласованностью существующих стандартов.
I.I. Polosin, D.V. Lobanov
THE NECESSITY OF INTRODUCTION OF CHANGES INTO THE
NORMATIVE DOCUMENTS TO DEFINE THE PARAMETERS OF
MICROCLIMATE IN THE ROOMS OF MENTAL WORK
The paper deals with the question of necessity of introduction of changes into the normative
documents to define the parameters of microclimate in the rooms of mental work, in view of
inconsistence of legacy standards.
Здоровье и работоспособность человека в значительной степени определяются
условиями микроклимата и воздушной среды в жилых и общественных зданиях, где люди
проводят большую часть своей жизни. За рубежом исследования теплоощущений легли в
46
основу большого числа национальных и международных стандартов на тепловой
микроклимат и параметры воздушной среды [1,2]. В последние годы в России применяют
несколько стандартов о нормировании внутренних параметров микроклимата в зданиях
различного назначения.
Для жилых и общественных зданий имеется ГОСТ 30494-96, где расчётные параметры
микроклимата нормируются в зависимости от функционального назначения помещения,
среди которых стандартом выделяются жилые, детские дошкольные учреждения и 6
категорий помещений общественных зданий, отличающихся интенсивностью деятельности,
продолжительностью пребывания в них людей.
Для промышленных зданий параметры внутреннего воздуха нормируются ГОСТ
12.1.005-88. Значения параметров воздуха в нём заданы в зависимости от энергозатрат
человека (для различных категорий работ) для тёплого и холодного периода года на
оптимально и допустимом уровнях. Эти же значения приведены и в СНиП 41-01-2003, а
также в СанПин 2.2.4.548-96.
Согласно нормативным документам, системы отопления, вентиляции и
кондиционирования воздуха (СОВК) предназначены для создания и поддержания теплового
комфорта и приемлемого качества воздуха в обслуживаемой зоне помещений.
Проектирование, монтаж и эксплуатация этих систем должны исключить любое негативное
воздействие на здоровье людей и состояние окружающей среды. Однако многочисленные
исследования работы систем кондиционирования в реальных условиях в Европе, Азии и
Америке показали, что имеется значительное количество людей, неудовлетворённых
микроклиматом в помещении, несмотря на то, что в них соблюдаются требования
существующих стандартов и норм [3,4].
В соответствии с ГОСТ 12.1.005-88, допустимые величины параметров микроклимата
устанавливаются в случаях, когда по технологическим требованиям, техническим и
экономически обоснованным причинам не могут быть обеспечены оптимальные параметры.
Что касается офисных помещений (доклад П. Оле Фангера на 5-й международной
конференции Cold Climate HVAC), то, как показывает практика, улучшение качества воздуха
в них резко снижает издержки, связанные с невыходом на работу по болезни и лечением.
Еще более важным следствием повышения качества воздуха является прямое влияние на
производительность труда [4,5].
Действительные потери, связанные с понижением производительности труда из-за
посредственного качества воздуха, часто превышают энергетические затраты, капитальные
затраты и затраты на обслуживание здания. При расчёте экономической эффективности
работы систем кондиционирования микроклимата (СКМ) необходимо учитывать
производительность труда в течение всего жизненного цикла здания. Часто этот фактор
является доминирующим по сравнению со всеми другими затратами, связанными со
строительством и обслуживанием здания.
При учете интенсивности труда, исходя из общих энергозатрат организма, все виды
работ делятся на три категории: легкие, средней тяжести и тяжелые (согласно ГОСТ
12.1.005-88, СанПин 2.2.4.548-96).
В производственных помещениях, в которых работа с использованием ПЭВМ является
основной (диспетчерские, операторские, расчетные, кабины и посты управления, залы
вычислительной техники и др.) и связана с нервно-эмоциональным напряжением, согласно
ГОСТ 12.1.005-88, СанПин 2.2.4.548-96, СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03, необходимо обеспечивать
оптимальные параметры микроклимата для категории работ 1а и 1б в соответствии с
действующими санитарно-эпидемиологическими нормативами микроклимата производственных помещений.
Сравним нормируемые показатели микроклимата для работников умственного труда,
приведенные в различных нормативных документах.
47
Параметры микроклимата, рекомендуемые ГОСТ 12.1.005-88, СанПин 2.2.4.548-96 для
категорий работ 1а и 1б одинаковые.
ГОСТ 30494-96 устанавливает параметры микроклимата обслуживаемой зоны
помещений жилых, общественных, административных и бытовых зданий и не
распространяется на показатели микроклимата рабочей зоны производственных помещений.
В то же время из него следует, что помещения, в которых люди заняты умственным трудом,
учебой относятся ко 2-й категории. Нормируемые параметры микроклимата приводятся без
учета категории выполняемой работы.
Рассмотрим области рекомендуемых нормируемых показателей микроклимата на
рабочих местах в холодный и теплый периоды года с помощью I-d диаграммы (рис.1, рис.2)
Рис.1. Рекомендуемые нормируемые показатели микроклимата на рабочих местах в холодный период года
Рис.2 Рекомендуемые нормируемые показатели микроклимата на рабочих местах в теплый период года
Условные обозначения:
- область оптимальных параметров микроклимата для помещений
2-ой категории (по ГОСТ 30494-96).
- область оптимальных параметров микроклимата для категории
работ Iа (ГОСТ 12.1.005-88, СанПин 2.2.4.548-96).
- область оптимальных параметров микроклимата для категории
работ Iб (ГОСТ 12.1.005-88, СанПин 2.2.4.548-96 ).
48
Из рис.1 видно, что области параметров микроклимата, рекомендуемые ГОСТ 30494-96
и ГОСТ 12.1.005-88, СанПин 2.2.4.548-96 в холодный период года, не пересекаются.
Из рис.2 видно, что области параметров микроклимата, рекомендуемые ГОСТ 30494-96
и ГОСТ 12.1.005-88, СанПин 2.2.4.548-96 в теплый период года, пересекаются частично.
СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 "Гигиенические требования к персональным электронновычислительным машинам и организации работы" приводит следующие нормируемые
показатели микроклимата (таблица).
Таблица
Оптимальные параметры микроклимата во всех типах учебных и
дошкольных помещений с использованием ПЭВМ
Температура,
град. С
Относительная
влажность, %
Абсолютная влажность,
г/м3
19
20
21
62
58
55
10
10
10
Скорость движения
воздуха,
м/с
< 0,1
< 0,1
< 0,1
Итак, очевидна несогласованность норм.
Необходимо отметить следующее: во всех стандартах умственный (интеллектуальный)
труд относят к категории работ 1а и 1б. На самом деле умственный труд нельзя сравнивать с
физическим. Различия связаны с количественным соотношением участия в каждом из них
информационного и двигательного компонентов.
Рассмотрим основные положения физиологии труда. Различают нервно-психическую и
физическую нагрузки. В зависимости от характера нагрузки выполняемая работа может быть
физической или умственной. В свою очередь физическая работа может быть динамической
или статической. Динамическая работа выполняется тогда, когда в физическом смысле
происходит преодоление сопротивления на определенном расстоянии. В этом случае
(например, при езде на велосипеде, подъеме в гору или на лестницу) работа может быть
выражена в физических единицах (Вт=Дж/с=Нм/с). Статическая работа производится при
изометрическом мышечном сокращении. Так как при этом не преодолевается никакое
расстояние, в физическом смысле это не работа; тем не менее организм реагирует на
нагрузку физиологическим напряжением. Проделанная работа в этом случае измеряется как
произведение силы и времени.
Умственная работа включает мыслительный и эмоциональный компоненты.
Мыслительный компонент преобладает, когда работа требует в первую очередь
использования интеллектуальных способностей: примерами могут служить задачи,
требующие обдумывания и концентрации внимания либо обнаружения и обработки
сигналов. Умственная работа, в которой преобладают эмоциональные компоненты, связана с
конкретными реакциями вегетативной нервной системы и выражается в настроении человека
(ощущениях радости, гнева, печали).
Интеллектуальная деятельность с позиций физиологии отличается большим мозговым
напряжением, обусловленным концентрацией внимания на ограниченном круге явлений или
объектов. В силу этого возбудительный процесс в центральной нервной системе (ЦНС)
сосредоточен в сравнительно небольшой области нервных центров, что обуславливает их
быстрое утомление. Поэтому отличительными чертами умственного труда принято считать
высокое напряжение ЦНС и органов чувств при ограниченной двигательной активности.
Каковы же энерготраты при умственном труде? По различным данным они составляют
от 1 до 1,4 met (1 met=58,2 Вт/м2). На наш взгляд требуется уточнение данных, т. к.
появилась возможность оценить энерготраты головного мозга с использованием
современного оборудования и технологий [6].
49
Согласно СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03, виды трудовой деятельности
на ПЭВМ
разделяются на 3 группы: группа А - работа по считыванию информации с экрана
видеодисплейного терминала с предварительным запросом; группа Б - работа по вводу
информации; группа В - творческая работа в режиме диалога с ПЭВМ. Для видов трудовой
деятельности устанавливается 3 категории тяжести и напряженности работы с ПЭВМ,
которые определяются: для группы А - по суммарному числу считываемых знаков за
рабочую смену, но не более 60 000 знаков за смену; для группы Б - по суммарному числу
считываемых или вводимых знаков за рабочую смену, но не более 40 000 знаков за смену;
для группы В - по суммарному времени непосредственной работы с ПЭВМ за рабочую
смену, но не более 6 ч за смену.
Существует методика определения оценки напряженности интеллектуального
труда [7].
Выводы
На наш взгляд, требуется более глубокое исследование характера умственных видов
работ, создание соответствующих категорий тяжести и напряженности трудового процесса
и, самое главное, корректировка
норм оптимальных параметров микроклимата в
помещениях интеллектуального труда.
Напряженная работа, в принципе, всегда содержит элементы дискомфорта, связанные с
комплексным воздействием на человека целого ряда факторов: климатических, социальных,
общественных и т.д. Речь может идти только о том, чтобы для повышения высокой
работоспособности людей максимально скомпенсировать факторы, вызывающие
дискомфорт в процессе труда путем внедрения ряда нормативно узаконенных мероприятий,
в том числе:
- технических – применение локальных (индивидуальных) систем кондиционирования
микроклимата с применением эффективных поглотителей вредных выделений, местных
систем нагрева и охлаждения, динамического воздухораспределения и т.д.;
- организационных – применение моральных и материальных символов высокопроизводительного труда;
- социальных – мероприятия по социальной защите работающих
Таким образом, задача наших дальнейших исследований – обосновать необходимость и
эффективность этих мероприятий, разработать рекомендации по дополнительному
нормированию параметров микроклимата в помещениях умственного труда и исследовать
высокоэффективные средства их обеспечения.
Библиографический список
1. Международный стандарт. Умеренные климатические условия. Определение
индексов ПМВ и ППД и специфика условий теплового комфорта. Второе издание.
2. Справочник основных правил, 1993;
3. Фангер О.П. Качество внутреннего воздуха в XXI веке: в поисках совершенства /
Фангер О.П. // AВОК. - 2000. - №2. – С. 14-21
4. Фангер О.П. Качество внутреннего воздуха в XXI веке: влияние на комфорт,
производительность и здоровье людей / Фангер О.П. // AВОК. - 2003. - №4. – С. 12-21
5. Бернер А. Качество воздуха повышает производительность / Бернер А. // AВОК. –
2000 - №5. – С. 12-19
6. Фокин В.Ф. Энергетическая физиология мозга / Пономарева Н.В. - М.: Изд-во
Антидор, 2003. - 288 с.
50
7. Р.2.2.2006-05 Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и
трудового процесса. Критерии и классификация условий труда. – М.: Изд-во стандартов,
2005. – 138 с.
The bibliographic list
1. International standard. Moderate thermal environments - Determination of the PMV and
PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort. ISO 7730. Second edition.
1994-12-15;
2. ASHRAE Handbook of Fundamentals, 1993;
3. Fanger O.P. Quality of the inner air in the XXI century: in search of perfection. /Fanger
O.P.//ABOK. - 2000. - №2. – P. 14-21
4. Fanger O.P. Quality of the inner air in the XXI century: the influence on the comfort,
productivity and people’s health. /Fanger O.P.//ABOK. - 2003. - №4. – P. 12-21
5. Berner A. The quality of air increases the productivity. / Berner А. // AВОК. – 2000 №5. – P. 12-19
6. Fokin V.F. Power physiology of brain / Ponomareva N.V. - M.: Antidor` edition, 2003. 288 p.
7. Р.2.2.2006-05 Instruction to the sanitary mark of the factors of the workspace and the
working process. Criteria and classification of the conditions of work. M.: Standards` edition,
2005. -138 p.
Ключевые слова: умственный труд, параметры микроклимата, физиология труда, энерготраты
головного мозга
Key words: mental work, parameters of microclimate, physiology of labour, expenditure of cerebrum
УДК 697.992.001.24
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Канд.техн.наук, проф. кафедры отопления и
вентиляции В.Н. Шершнёв
Россия г. Воронеж, тел. 8(4732)71-28-92
The Voronezh State University of architecture
and constructions
Cand. Sci. Tech the professor of faculty heating
and ventilation V.N Shershnev
Russia, Voronezh, ph. 8(4732)71-28-92
В.Н.Шершнёв
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТРУЙ
В статье приодятся результаты моделирования взаимодействия струйных течений на двух
гидравлических (объёмном и плоском) и аэродинамическом стендах
V.N. Shershnev
ТHE EXPERIMENTAL RESEARCH OF AIR-BLASTS INTERACTION
The article deals with results of modeling of air-blasts interaction on hydraulic (volumetric and
plain) and aerodynamic test benches
51
Знание закономерностей циркуляции воздушных потоков с учетом взаимовлияния
приточных струй и тепловых потоков необходимо для рациональной организации
воздухообмена в помещении путем управления этими потоками [1].
При определенных сочетаниях начальных параметров приточных струй и
конвективных потоков возможен вариант, когда энергия приточных струй, выпускаемых
сверху, недостаточна для преодоления энергии встречных конвективных потоков и
поступления в рабочую зону помещения. В этом случае в рабочей зоне будет создаваться и
сохраняться слой нагретого воздуха, особенно устойчивый при удалении воздуха из нижней
зоны помещения.
В настоящей статье приведены результаты моделирования на гидравлическом стенде
(рис.1) взаимодействия плоской приточной струи и конвективного потока от линейного
источника, направленных навстречу друг другу.
Рис. 1 Схема гидравлического стенда
Выходное сечение приточного плоского насадка (3) имело размеры 2Ах2В =
0.208х0.001м. В качестве линейного конвективного источника (4) применялась керамическая
трубка диаметром 0.004 м и длиной 0.2 м, на которую была намотана нихромовая нить
диаметром 0.0004 м. Мощность теплового источника менялась в пределах 0.06 1.46 кВт.
В процессе моделирования менялись начальные импульсы струй, расстояние между
приточным насадком и источником. Для визуализации процесса взаимодействия к
поверхности конвективного источника подводился красящий раствор, что позволяло
оценить циркуляцию потоков в модели. «Картины» взаимодействия фотографировались и
зарисовывались.
При моделировании расстояние между линейным источником и приточной струей
изменялось в пределах от 0.1 до 0.2 м. Для определения «места встречи»
взаимодействующих струй и конвективного потока, отсчитываемого от поверхности
источника, на передней стенке была закреплена рамка с сеткой, имеющей деления с шагом,
равным 0.01м.
Экспериментальный стенд состоял из гидравлической модели помещения (1)
размерами 0,4 0.22 0.3 м, систем подачи и регулирования уровня жидкости (2), питания и
регулирования мощности линейного конвективного источника (5).
На рис. 2 представлена одна из серий экспериментального изучения процессов
взаимодействия при фиксированном расстоянии между струей и источником, постоянной
скорости истечения из приточного насадка и переменной мощности линейного источника.
52
В данной серии экспериментов расстояние между источником и струей составляло 0.2 м,
скорость приточной струи 0.105 м/с, мощность источника 100, 360, 820, 14600 Вт.
Рис. 2 Процесс взаимодействия плоской приточной струи (верхней) и линейного конвективного потока
(нижнего)
Теоретически «место встречи» в процессе взаимодействия приточной струи и
конвективного линейного источника определялось из соотношения:
(1)
Подставляя значение скорости движения воздуха на оси плоской струи Uz и скорости
конвективного потока над линейным источником wz согласно зависимостям, принятым по
работе [2], интегрируя (1), получим:
(2)
где
расстояние между приточным насадком и линейным источником, м;
координата «места встречи», отсчитанная от поверхности линейного источника, м;
2B – ширина приточного отверстия, м; с = 0,082 – экспериментальная
постоянная.
На рис.3 представлено сравнение опытных данных с кривой, построенной по
зависимости (2).
Рис. 3 Сравнение значений ординаты «места встречи», полученных экспериментально и по зависимости (2)
Удовлетворительное
конвективного потока при
< 5%.
совпадение
данных
53
наблюдается в области развитого
Относительная погрешность
Анализ фотографий и зарисовок процесса взаимодействия выявил три характерных
схемы циркуляции потоков в модели в зависимости от величины импульсов
взаимодействующих струй и конвективного источника.
Аналогичные результаты получены в работе [3] при исследовании встречного
движения осесимметричных струй и потока от круглого конвективного источника на
воздушной модели.
Результаты исследования взаимодействия конвективных источников и приточных
струй при встречном течении позволят обоснованно определять воздухообмен и управлять
схемой циркуляции воздуха в помещении.
Исследование процессов взаимодействия двух встречных плоских полуограниченных
струй проводилось на гидравлическом стенде, схема которого представлена на рис. 4
Стенд включал в себя: гидравлический лоток (1) с зеркалом воды размерами 2,2 1,6 м;
приточные насадки (2) с размерами выходного сечения 0,03 0,001 м; систему подачи (3) и
слива (4) воды; ротаметры РС-5 (5) для замера расходов воды, поступающей через насадки;
пластину (6), имитирующую поверхность, на которую настилаются приточные струи.
Расстояние между плоскостями приточных насадков в процессе исследования составляло 0,5
и 0,6м и было выбрано из условий оптимального кадрирования при фотографировании
картины взаимодействия.
Метод визуализации в данном случае заключается в том, что в струи в плоскости
приточных отверстий вводились «метки» диаметром 0,001м, которые перемещались при
распространении струй и делали процесс видимым. При фотографировании были получены
качественные картины процесса взаимодействия. Методика количественных оценок при
визуализации различных процессов в гидролотке с помощью «меток» приведена в работе [4].
Рис. 4 Схема экспериментального стенда
При фотосъемке процессов струйных течений (визуализация с помощью «меток») на
фотоснимках прослеживаются направления течения по траекториям меток.
В процессе экспериментов изменялось соотношение импульсов струй таким образом,
чтобы был охвачен весь возможный диапазон оценки «места встречи» и направления
результирующей струи.
Картины взаимодействия встречных плоских полуограниченных струй, полученных на
гидравлическом стенде, показаны на рис.5. На фотографиях представлены три наиболее
характерных случая:
.
На рис.5 приведены также качественные картины взаимодействия плоских
полуограниченных струй при условии ограничения их с боковых сторон (имитация краевого
эффекта стен). Качественная картина в этом случае, при условии
(или
)
характерна наличием эффекта «налипания» результирующей струи на стену и образования
зоны циркуляции.
54
Установлено, что «место встречи» двух встречных плоских полуограниченных струй, а
следовательно, и направление результирующей струи зависят от соотношения импульсов
взаимодействующих струй [5]. Соотношение импульсов в случае истечения из одинаковых
насадков может быть заменено соотношением начальных скоростей
где
- скорость истечения соответственно из первого (левого) и второго (правого) насадков.
Расстояние между насадками обозначим через а. Координату «места встречи» струй,
отсчитанную от среза первого насадка, обозначим через .
На рис.6 представлено сравнение экспериментальных и теоретических значений
координаты «места встречи» (
) в зависимости от соотношения начальных
скоростей взаимодействующих струй (λ).
Рис. 5. Фотографии визуализации процесса взаимодействия встречных плоских полуограниченных струй
различного импульса
На рис.7 представлено сопоставление теоретических и опытных результатов по
определению угла отклонения результирующей струи от плоскости взаимодействия двух
встречных плоских полуограниченных струй.
Количественная оценка процесса взаимодействия проводилась аналогично работе [4].
Обработка результатов исследования показала удовлетворительное совпадение
экспериментальных и аналитических зависимостей.
Исследование процессов взаимодействия встречных симметричных струй проводилось
на специальном аэродинамическом стенде.
Схема стенда представлена на рис.8. Она включает в себя радиальные вентиляторы Ц
4-70 № 3.2 (1); шиберы (2) для регулирования расходов приточного воздуха; камеры
статического давления (3), в которых установлены два ряда выравнивающих сеток;
профилированные приточные сопла (4) диметром 0.02 м.
55
Рис. 6. Относительная координата «места встречи» двух встречных плоских полуограниченных струй
Рис. 7. Угол направления результирующей струи после взаимодействия двух встречных плоских
полуограниченных струй
Для визуализации при помощи дыма процесса взаимодействия струй между центрами
приточных сопел была натянута нихромовая нить диаметром 0,004 м (5), на поверхность
которой наносился слой машинного масла, а к ее концам подводилось напряжение,
регулируемое при помощи автотрансформатора (6). При нагревании проволоки масло
начинало гореть и интенсивно дымить. Под действием воздушных струй, вытекающих
одновременно из приточных сопел, дым сдувался к «месту встречи» и растекался в
направлении движения результирующей струи.
Рис. 8. Схема экспериментального стенда
В процессе исследования рассматривались характерные случаи:
- импульсы приточных струй равны:
- импульсы неодинаковы :
или
.
Визуализация процессов взаимодействия осесимметричных струй осуществлялась также при
помощи нитей. Две тончайшие нити из искусственного волокна, длина которых составляла
1,2 м (при расстоянии между приточными соплами 2 м) закреплялись одним концом в центре
56
сопел. Витая в воздушных потоках, создаваемых встречными струями, нити показывали
траектории струй. А свободные концы нитей - направление результирующей струе. По
характеру изгиба нитей можно судить о «месте встречи» струй. При закреплении между
центрами приточных сопел одной нити, длина которой в 1,5 раза превышала расстояние
между соплами, прогиб нити в направлении результирующей струи показывал «место
встречи».
Качественные картины взаимодействия струй, полученные на стенде, представлены на
рис.9,10.
Количественная оценка процессов взаимодействия, измерение величин и направление
вектора скорости в трехмерном воздушном потоке осуществлялись при помощи 5-ти
канального шарового зонда. Конструкция зонда и методика работы с ним изложена в работе
[6]. Так как при исследовании взаимодействия применялись круглые сопла, то и струйные
течения были осесимметричными. Поэтому при определении направления и величины
скорости во взаимодействующих струях достаточно было проводить измерения в одной из
плоскостей, проходящих через ось взаимодействия. Перемещение шарового зонда
осуществлялось в двух взаимно перпендикулярных направлениях с шагом в 1мм с помощью
координатника.
Рис.9. Фотографии визуализации взаимодействия струй с помощью нитей
Рис.10. Фотографии визуализации взаимодействия струй задымлением
Положение «места встречи» предварительно оценивалось теоретически, а затем
исследовалась вся зона возможного расположения «места встречи» с построением профиля
скоростей взаимодействующих струй. На рис.11 приведен один из примеров построения
профилей скоростей двух взаимодействующих струй.
Если при рассмотрении рис.11 объединить точки, в которых направление мгновенных
скоростей в эпюрах меняются на противоположные, то полученный контур можно
представить как «ядро» (факел) 1-ой струи, а вторая из взаимодействующих струй как бы
57
обтекает первую (накрывает пеленой), рис.12. При этом на «границах контура» первой струи
происходит обмен воздушных масс с результирующей струей.
Рис. 11. Поле скоростей при взаимодействии двух встречных осесимметричных струй
Рис.12. Характер формирования линий тока во встречных струях
Установлено, что «место встречи» двух встречных соосных струй и направление
результирующей струи зависят от соотношения импульсов взаимодействующих струй [5].
Соотношение импульсов λ в случае истечения из одинаковых насадков может быть заменено
соотношением начальных скоростей
, где
скорость истечения
соответственно из первого (левого) и второго (правого) насадков.
Расстояние между насадками обозначим через а. Координату «места встречи» струй,
отсчитанную от среза первого насадка, обозначим через .
На рис.13 представлено сравнение экспериментальных и теоретических значений
координаты «места встречи» струй (
в зависимости от соотношения начальных
скоростей взаимодействующих струй ( .
Рис. 13. Относительная координата «места встречи» двух вcтречных соосных осесимметричных струй
Направление результирующей струи определяется углом отклонения результирующей
струи от общей оси взаимодействия направленных навстречу друг другу струй. При
истечении из насадков, имеющих одинаковые геометрические и аэродинамические
58
характеристики, направление
отклонения
результирующей струи определяется косинусом угла
.
Библиографический список
1. Гримитлин, М.И. Распределение воздуха в помещениях / М.И. Гримитлин – СПб.:
Изд-во НПП «Экоюрос – Венто», 1994. – 316 с.
2. Шепелев, И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении / И.А. Шепелев –
М.: Стройиздат, 1978. – 144 с.
3. Позин, Г.М. Соотношение энергий взаимодействующих приточных и конвективных
струй как характеристика схем циркуляции воздуха в помещении / Г.М. Позин, В.И. Буянов
– М.: ВНИИОТ ВЦСПС, 1989. с 36 – 39.
4. Поляков, В.В. Исследования газообразных веществ в зоне аэродинамического следа
здания / В.В. Поляков – М.: 1971.
5. Шершнев, В.Н. Взаимодействие воздушных струй, направленных навстречу друг
другу. Новое в воздухораспределении / В.Н. Шершнев, Е.М. Черных, Н.А. Гельман – М.:
МДНТП, 1983. с 16 – 21.
6. Повх, И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении / И.Л. Повх – Л.:
Машиностроение, 1983. с 16 – 21.
The bibliographic list
1. Grimitlin, M.I. The air distribution in apartments /M/I/ Grimitlin – Spg.: Publishing house
NPP ‘Ekoeuros-Vento’, 1994.-316p.
2. Shepelev, I.A.The aerodynamics og air streams in apartments/ I.A. Shepelev – M.:
Stroizdat, 1978.-144p.
3. Pozin, G.M. The ratio of energy of interactive inlet and convective streams as the
description of air circulation schemes in apartments/ G.M. Pozin, V.I. Buyanov – M.: VNIOT
VCSPS. 1989.-S. 36-39.
4. Polyakov, V.V. The research of gaseous matters in aerodynamic track of building zone/
V.V. Polyakov – M.: 1971
5. Shershnev, V.N. The interaction of air-blasts that direct towards each otheкю New in air
distribution/ V.N. Shershnev, E.M. Chernyh, N.A. Guelmann – M.:MNDTP, 1983. S. 16-21.
6. Povkh, I.L. The aerodynamic experiment in mechanical engineering/ I.L. Povkh – L.:
Mechanical engineering, 1983.S. 16-21
Ключевые cлова: экспериментальный
исследования.
стенд, струнные течения, взаимодействие, результаты
Key words: experimental test bench, air-blasts, interaction, results of modeling
59
УДК 66:628.5
Kursk State Technical University
C.E.S., the senior lecturer of Mathematics
Department
D.N. Tutunov
C.E.S., the associate professor of Mathematics
Department
I.N. Byrilich
The senior teacher of Mathematics Department
A.F. Pihlap
Graduate student of Heat and Gas Supply
And Ventilation Department D.B. Kladov
Russia, Kursk, tel. +7(4712)52-38-14
e-mail: tgv-kstu6@yandex.ru
Курский государственный технический
университет
Канд. техн. наук, ст. преподаватель
кафедры высшей математики
Д.Н. Тютюнов
Канд. техн. наук, доцент кафедры
высшей математикиИ.Н. Бурилич
Ст. преподаватель кафедры высшей
математики А.Ф. Пихлап
Аспирант кафедры теплогазоснабжение и
вентиляция Д.Б. Кладов
Россия, г. Курск, тел. +7(4712)52-38-14
e-mail: tgv-kstu6@yandex.ru
Д.Б. Кладов, Д.Н. Тютюнов, И.Н. Бурилич, А.Ф. Пихлап
К ВОПРОСУ ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ
КОНДЕНСАЦИОННЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ В
ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩЕЙ СРЕДЕ
Проведено исследование теплообмена в канальном стеклопакетном теплообменнике при
утилизации теплоты коррозионноактивных вентиляционных выбросов с учётом конденсации
водяных паров на теплообменных поверхностях на экспериментальном стенде. Получено, что
скорость теплообмена при продольном обтекании вертикальных стеклянных поверхностей,
нагреваемых воздушной средой и охлаждаемых паровоздушной средой на 15-20% меньше, чем
скорость теплообмена при охлаждении воздушной среды.
D.B. Kladov, D.N. Tutunov, I.N. Byrilich, A.F. Pihlap
ON THE QUESTION OF THE EFFECTIVENESS OF THE STUDY OF HEAT
EXCHANGERS OPERATING ON THE PRINCIPLE OF CONDENSATION IN
A HEAT-GENERATING
A study of heat transfer in heat exchanger channel, made of glass packages in the utilization of heat
vent emissions, active against corrosion, taking into account the condensation of water vapor in the heat
surfaces to stand trial. It is shown that the rate of heat transfer for the longitudinal flow of vertical glass
surfaces, heated and air-cooled environment from a mixture of steam and air at 15-20% less than the rate
of heat transfer in the cooling air.
Проблема утилизации теплоты в современных системах энергосбережения приобретает
всё большее значение. Особый интерес вызывают рекуперативные многосредные аппараты,
устойчивые к коррозийному воздействию очищаемых сред. Наибольшее распространение
получили теплообменники с однородными элементами, разделяющими каналы круглого и
прямоугольного сечения стеклоблочной конструкции [1].
I. Исследуем характер теплообмена в одном элементе стеклоблочного аппарата при
конденсации пара из паровоздушной смеси с помощью системы дифференциальных
уравнений теплового баланса. Процесс теплообмена будем рассматривать как явление
переноса теплового потока Q, направленного по нормали к теплообменной плоской
прямоугольной стенке от оси греющего канала к наружной стенке. Полагаем, что
теплообменник работает по противоточной схеме, в которой в качестве греющей среды
выступает паровоздушная смесь, обтекающая внутреннюю часть элемента, а в качестве
60
охлаждающей среды выступает холодный воздух, поступающий в противотоке к греющему
носителю вдоль внешней поверхности элемента.
Основными параметрами, характеризующими процесс теплообмена являются
следующие: температура паровоздушной смеси и нагреваемой сред Т1, Т2 соответственно;
температура стенки, омываемая греющей и нагреваемой средой, температура насыщения
нагретого пара ТС1, ТС2, ТН соответственно; удельная теплоёмкость, нагреваемой среды и
стеклянной стенки С1, С2, СС1 соответственно; расход паровоздушной смеси и нагреваемой
сред G1, G2 соответственно; масса паровоздушной смеси, нагреваемой среды и стеклянной
стенки m1, m2, mc1 соответственно; коэффициент теплоотдачи от поверхности стеклянной
стенки омываемой паровоздушной смесью и нагреваемой средой α1, α2 соответственно;
площадь теплоотдающей поверхности, омываемой паровоздушной смесью и нагреваемой
средой f1, f2 соответственно (рис. 1); τ, ℓ - длина теплообменного элемента стеклоблочного
теплообменника в рассматриваемом сечении ℓ - максимальная длина теплообменного
элемента, τ – время.
Отметим, что параметры с индексом 1 соответствуют греющей среде, а с индексом 2 –
нагреваемой среде.
1
0 T1, G1, с1, m1
f2, α2, Tс2
2
f1, α1, Tс1
Q
T2, G2, с2, m2
l
х
сс1, тс1
Рис. 1. Схема теплообменного элемента стеклоблочного нагревателя
Рассмотрим условие теплого баланса в многосредном теплообменном элементе с
помощью системы дифференциальных уравнений в частных производных [1].
Важно отметить, что процесс теплообмена осуществляется за счёт распространения
теплового потока Q по нормали к поверхности теплообменника (стенки) от оси греющего
канала к оси нагреваемого канала
λ
∂T
∂T
c1G1l 1 + c1 m1 1 = −α1 f 1 (T1 − Tc1 ) − Ж (Т Н − Т С1 )f1 ;
∂τ
δЖ
∂x
∂Tc1
(1)
= α1 f 1 (T1 − Tc1 ) − α 2 f 2 (Tc2 − T2 );
∂τ
∂T
∂T
c 2 G2 l 2 + c 2 m2 2 = α 2 f 2 (Tc2 − T2 ).
∂x
∂τ
λ Ж f1
(Т Н − Т С1 ) = Q КОНД ,
(2)
δЖ
где Qконд – теплота фазового перехода пара в жидкость; λж – коэффициент теплопроводности
конденсата на боковой стенке теплообменника, Вт/(м·К); δж – толщина плёнки конденсата на
поверхности боковой вертикальной стенки теплообменника, м; ТН – температура
насыщенного пара на поверхности плёнки конденсата, К.
Начальные условия по температурам для всех каналов стенки при τ = 0, Т1 = Т10, Т2 =
Т20.
cc1 mc1
61
Граничные условия в соответствии с противоточной схемой теплообменного элемента
стеклоблочного воздухонагревателя можно представить в виде:
при ~
x = 0, T1 = T1вх , Т 2 = T2вых ;
(3)
при ~
x = l, T = T , T = T .
1
1вых
2
2 вх
Особый интерес вызывает стационарный режим работы многосредных аппаратов,
соответствующий условию стабилизации температур в произвольном нормальном сечении
теплообменника ~
х . Это условие определяется ограниченными:
∂Т 1 ∂Т с1 ∂Т 2
(4)
=
=
=0 .
∂τ
∂τ
∂τ
С учётом (4) система (1) примет вид:
∂T
λ f
c1G1l ~1 = −α1 f1 (T1 − Tc1 ) − Ж 1 (TН − TC1 );
∂x
δЖ
α1 f1 (T1 − TC1 ) − α 2 f 2 (TC2 − T2 ) = 0;
c 2 G2
(5)
∂T2
= α 2 f 2 (TC2 − T2 ), 0 ≤ ~
x ≤ l.
~
∂x
λ
Ж
где f 1 =f 2 =f, k 1 =α1 f, k 2 =α 2 f,k 3 = δ Ж f 1 .
Рассмотрим 1-ое уравнение системы (5):
∂T
(6)
с1G1 ~1 = −[k1 (Tc1 − T1 )] − [k 3 (TH − Tc1 )] .
∂х
х от входа
В нормальном сечении теплообменного элемента на расстоянии ~
нагревающего канала (выхода нагреваемого канала), получим:
(7)
− [k1 (Tc1 − T1 ) + k 3 (TH − Tc1 )] = −Q1
где Q1 = const.
Подставляем (7) в (5), имеем:
∂T
с1G1 ~1 = −Q1 .
(8)
∂х
Допуская, что для сечения х температуры Т1 и Т1С постоянны, переходим к
обыкновенным производным:
dT
(9)
с1G1 ~1 = −Q1 .
dх
Разделив переменные Т1 и х , проинтегрируем полученное дифференциальное
уравнение:
TН
~
х
(10)
с1G1 ∫ dT1 = −Q1 ∫ d~
х,
0
Т1ВХ
T1 − T1ВХ =
Q
1
х=− 1 ~
х,
[−Q1 ]~
c1G1
c1G1
(11)
Q1
Отметим, что c 1 G1 =const .
Из уравнения (11) следует:
T1 = T1вх −
62
Q1 ~
х .
c1G1
(12)
х,
Полагаем, что тепловые потери через стенку пренебрежительно малы в сечении ~
тогда 2-ое уравнение системы (5), примет вид:
∂T
сС1 mC1 C1 = 0 ,
(13)
∂τ
х = const, см. (4).
что приводит к очевидному равенству TC1 = const при ~
Рассуждая аналогично, в 3-ем уравнении системы (5) получим:
Q
T2 = T2 вых − 2 ~
х,
(14)
c 2 G2
Q2
Причём c 2 G 2 =const и Q1 = Q2 = Q = const.
В работе [1] было установлено, что обеспечение эффективной работы теплообменника
необходимо выполнение условия Т2ВЫХ ≥ Т1ВЫХ. Это условие позволило установить
оптимальную длину теплообменного элемента ℓопт:
Т 1ВХ − Т 2 ВХ
ℓ ОПТ ≤
.
(15)
Q((c1G1 )−1 + (c2 G2 )−1 )
Предложенная методика расчёта конечных температур теплообменивающихся сред
была подтверждена данными эксперимента, проводимого на экспериментальной установке,
рис. 2. Результаты эксперимента приведены на рис. 3 – 6.
Отметим, что армированные стеклянные стенки имеют поверхность с шероховатостью
0,03 мм.
Сравнительный анализ значений конечных температур нагревающей и нагреваемой
сред. Полученных экспериментально и теоретически, даёт расхождение, не превышающее
значений объёмного расхода греющей среды (сухого воздуха) на 7,5 %.
Рис. 2 Схема экспериментальной установки:
1 – канальный теплообменный элемент; 2 – калорифер; 3 – парообразователь; 4 – вентилятор; 5, 6, 15 –
переходники; 7 – отвод; 8, 16 – отводы с патрубками; 9, 10, 12 – гофрированный воздуховод; 11 – шиберы; 13 –
воздуховод; 14, 17 – разделительный короб; 18 - термометры; ГС – греющая воздушная среда; НС –
нагреваемая воздушная среда.
63
Рис. 3. Изменение температуры рабочих сред по
длине теплообменного элемента в стационарном
режиме при различных значениях объёмного рас
хода греющей среды (сухой воздух):
Рис. 4. Изменение температуры рабочих сред по
длине теплообменного элемента в стационарном
режиме при различных значениях объёмного
расхода греющей среды (влажный воздух):
плоские стёкла (скорость 7,5 м3/с)
плоские стёкла (скорость 9,0 м3/с)
плоские стёкла (скорость 10,5 м3/с)
плоские стёкла (скорость 7,5 м3/с)
плоские стёкла (скорость 9,0 м3/с)
плоские стёкла (скорость 10,5 м3/с)
Рис. 5. Изменение температуры рабочих сред по
длине теплообменного элемента в стационарном
режиме при различных значениях объёмного рас хода
греющей среды (сухой воздух):
Рис. 6. Изменение температуры рабочих сред по
длине теплообменного элемента в стационарном
режиме при различных значениях объёмного рас хода
греющей
среды
(влажный
воздух):
армированные стёкла (скорость 7.5 м3/с)
армированные стёкла (скорость 9,0 м3/с)
армированные стёкла (скорость 10,5 м3/с)
армированные стёкла (скорость 7,5 м3/с)
армированные стёкла (скорость 9.0 м3/с)
армированные стёкла (скорость 10,5 м3/с)
II. В предлагаемой установке в качестве теплонесущей среды применяется
паровоздушная смесь, содержащая насыщенный пар. Прохождение смеси вдоль канала
64
теплообменного элемента приводит к конденсации насыщенного пара в виде устойчивой
плёнки на поверхности вертикальной стенки теплообменника, которая смачивает его
поверхность. Толщина плёнки δж меняется в зависимости от длины ~
х теплообменного
элемента [2].
Предполагаем, что движение плёнки при турбулентном движении парогазовой смеси
носит ламинарный характер, переносом тепла конвекцией и теплопроводностью вдоль
плёнки пренебрегаем. Будем учитывать, что силы инерции, возникающие в плёнке
конденсата гораздо меньше сил мощности и тяжести, трение на границе паровой и жидкой
фаз практически равно нулю, температура внешней поверхности плёнки конденсата
постоянна в данном сечении ~
х и равна температуре насыщения tн, силы поверхностного
натяжения не влияют на характер её течения, физические параметры конденсата не зависит
от температуры, плотность пара пренебрежимо мала в уравнении с плотностью конденсата.
Согласно [3] толщина плёнки конденсата δ определяется формулой Нуссельта:
х
4λ μ (t − t С )~
,
(16)
δ Ж = 4 :Ж Ж 2 Н
rρ Ж g
где tн, tс1 – соответственно температура насыщения плёнки конденсата (точка росы),
температура внутренней стенки теплообменника (tc=tc1), оC; g ≈ 9,81 – ускорение силы
тяжести, м/с2; λж –коэффициент теплопроводности плёнки конденсата, Вт/(кг·град); ρж –
плотность плёнки конденсата, кг/м3; μж – коэффициент динамической вязкости плёнки
конденсата, Н·с/м2; r – удельная теплота фазового перехода, Дж/кг.
r
〉5 , 1<Рr≤500, можно считать, что
Учитывая, что выполняются условия к =
c РЖ (t H − t c )
формула (16) справедлива для данного эксперимента, где срж – теплоёмкость плёнки
конденсата, Дж/град.
Из формулы (16) следует, что толщина плёнки конденсата колеблется в пределах
(0,6÷0,9)·10-6м, что значительно увеличивает термосопротивление стенок в сравнении с
обдувом стенок сухим воздухом.
Другим немаловажным фактором, снижающим коэффициент теплопередачи α, является
шероховатость внутренней обтекаемой поверхности теплообменника, которая также снижает
эффективность теплопередачи [3].
Это повлекло за собой снижение критерия Nu на 15-20 % по сравнению со значениями
этого критерия для сухого теплоносителя
Отметим, что критериальное уравнение Нуссельта примет вид:
0,8
0,43
Nu=c пр Re Pr ε l ,
(17)
где спр – коэффициент пропорциональности для шероховатой поверхности, обдуваемой
паровоздушной смесью, который изменяется в пределах от 0,0323 до 0,0337; εl –
поправочный коэффициент на изменение коэффициента теплоотдачи в начальном
термическом участке.
Учитывая, что отношение длины канал ℓ к эквивалентному диаметру канала dэ равно
ℓ
= 7,2≤ 15
dЭ
и турбулентный характер течения паровоздушной смеси от начала канала,
можем применить формулу:
~
х −0,12
ε ℓ = 1,38(
)
,
dЭ
(18)
где х - расстояние от начала канала до производного нормального сечения, м2.
III. Процесс конденсации влаги влияет на величину влагосодержания паровоздушной
смеси в теплообменнике. Кроме того, этот показатель зависит от геометрических параметров
рабочей камеры теплообменника (рис. 7, 8).
65
Рис.7 Измерение относительной влажности
парогазовой смеси по длине теплообменника для
плоских стеклянных стенок:
Рис.8 Измерение относительной влажности
парогазовой смеси по длине теплообменника для
шероховатых армированных стеклянных стенок:
плоские стёкла (скорость 7,5 м3/с);
плоские стёкла (скорость 9,0 м3/с);
плоские стёкла (скорость 10,5 м3/с);
армированные стёкла (скорость 7,5 м3/с);
армированные стёкла (скорость 9,0 м3/с);
армированные стёкла (скорость 10,5 м3/с);
В эксперименте установлено:
а) относительная влажность φ парогазовой смеси в теплообменнике падает по длине
канала за счёт увеличения её охлаждения встречным потоком нагреваемого сухого воздуха
вдоль, подаваемых вдоль наружных стенок камеры;
б) увеличение скорости нагреваемой паровоздушной смеси приводит к более
интенсивному уменьшению относительной влажности вдоль стенки канала , что объясняется
большой интенсивностью отъёма влаги с ростом скорости потока;
в) геометрические параметры рабочей камеры (шероховатость, армированность)
приводят к заметному уменьшению относительной влажности φ вдоль стенок за счёт более
интенсивной конденсации влаги на шероховатой и более теплоёмкой поверхности.
1. Сравнение результатов опытов по продольному обдуванию вертикальных
стеклянных поверхностей при нагревании воздушной или паровоздушной средами с
охлаждающим воздушным противотоком показывает, что охлаждение паровоздушной
средой значение критерия Нуссельта получат на 15-20 % меньше по отношению к значению
этого критерия при охлаждении воздушной среды.
2. Появление плёнки конденсата снижает эффективность теплообмена за счёт
повышения термического сопротивления стенок теплообменника.
3. Относительная влажность паровоздушной смеси уменьшается вдоль стенок
теплообменника за счёт: встречного воздушного охлаждающего противотока сухого воздуха,
увеличения скорости подачи паровоздушной смеси и геометрических параметров канала
(шероховатость и армированность).
Библиографический список
1. Кобелев Н.С., Ежов В.С., Семичева Н.Е., Тютюнов Д.Н., Бойцова Е.А. Теплообмен в
многоканальном стеклоблочном теплообменнике /Н.С. Кобелев// Известия КурскГТУ. –
2008. – №1. – с.44-49
2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 2001. –
439с.
66
3. Ежов В.С., Семичева Н.Е. Исследование теплообмена в коррозионностойком
воздухоподогревателе /В.С. Ежов// Электрические станции. – 2008. – №2. – с.41-45
The bibliographic list
1. Kobelev N.C., Yezhov V.S., Semicheva N.E., Tutunov D.N., Bojtsova E.A. Heat-exchange
in the multichannel has flown down block heat-exchanger /N.C. Kobelev// Izvestija KurskSTU. –
2008. – №1 – P. 44-49.
2. Isachenko V. P., Osipov V. A., Sukomel A.S. Heat transfer. М: Energy, 2001. – 439pp.
3. Yezhov V. S., Semicheva N.E. Research of heat exchange in corrozionsteady airwarm /
V.S.Yezhov//Power plants. – 2008. – №2. – P. 41-45.
Ключевые слова: стеклопакетный воздухоподогреватель, теплота конденсации, водяные пары,
утилизация, вентиляция, выбросы, теплообмен
Key words: heat exchanger of the glass package, the heat of condensation, water vapor, recycling, ventilation,
emissions, heat
УДК 621.01
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Канд. техн. наук, ст. преподаватель
кафедры теплогазоснабжения
Н.А.Петрикеева
Аспирант кафедры теплогазоснабжения
О.СЦуканова
Россия, г. Воронеж, тел. 8(4732)71-53-21
e-mail: Olgavbelom1@rambler.ru
The Voronezh State University of Architecture
and constructions
Cand. Tehn. Sci, the senior lecturer of faculty
of a heat and gas supply N.A.Petriceeva
Graduate student of the Chair heat and gas
supply O.S.Tsukanova
Russia, Voronezh, Ph. 8(4732)71-53-21
e-mail: Olgavbelom1@rambler.ru
О.С. Цуканова, Н.А.Петрикеева
ПРОБЛЕМА БОРЬБЫ С ШУМОМ.
ИСТОРИЯ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ
СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ШУМА
В статье обосновывается актуальность проблемы шумового загрязнения окружающей
среды, приводятся эпизоды из истории развития данной проблематики. Приведена статистика
достигнутого снижения уровня шума для некоторых видов промышленных установок. Освещены
аспекты воздействия шума на человека, перечислены основные европейские законодательные
акты в области борьбы с шумом, некоторые достижения современной науки и техники в снижении
шумового воздействия. Вопрос рассмотрен применительно к производственным помещениям с
точки зрения инженерной и архитектурной акустики.
O.S. Tsukanova, N.A.Petrikeeva
THE PROBLEM OF THE FIGHT WITH NOISE.
THE HISTORY AND MAIN TREND OF THE DEVELOPMENT OF THE
METHODS OF THE NOISE LEVEL REDUCTION
In article is motivated urgency of the problem of the noise contamination surrounding ambiences,
happen to the episodes from history of the development given problem-teaks. The Broughted statistics of
the reached reduction noise level for some type of the industrial installation. The Lit aspects of the
67
influence of the noise on forehead-age, are enumerated main european legislative acts in the field of fights
with noise, some achievements of the modern science and technology in reduction shu-мового of the
influence. The Question is considered with reference to to production on-мещениям with standpoint
engineering and architectral acoustics.
Немецкий акустик проф. М. Хекл заметил, что технологии, основной тенденцией
которых было «больше, быстрее, выше», на современном этапе сменились новыми,
тенденция которых «лучше, безопаснее, тише». Это выражение относится и к шумовому
загрязнению окружающей среды. Актуальность этой проблемы лишь возрастает от века к
веку. Растет индустриализация цивилизации, появляются все новые и новые технологии и
отрасли деятельности человека, что ведет к покорению новых научных и технических
вершин, но и влечет за собой новые проблемы.
Акустическое загрязнение является одной из глобальных проблем современной
экологии, наряду с парниковым эффектом, разрушением озонового слоя, загрязнением воды
и атмосферы, накоплением радиоактивных отходов и др.
Есть мнение, что более 30% всех болезней у жителей городов связаны с длительным
воздействием повышенного шума: утомление, повышение кровяного давления, язва желудка,
ухудшение памяти, нервно-психические заболевания. Сильный шум может также приводить
к агрессивности, ослаблению слуха и снижению производительности труда.
Широкое внедрение в промышленность новых интенсивных технологий, мощного и
высокоскоростного оборудования, использование многочисленных и быстроходных средств
наземного, воздушного и водного транспорта, применение разнообразных бытовых приборов
- все это привело к тому, что человек на работе, в быту, на отдыхе, при передвижении
подвергается многократному воздействию вредного шума.
Можно говорить о трех аспектах воздействия шума на человека: социальном,
медицинском и экономическом.
Заболевания, связанные с воздействием шума и вибрации, занимают первые места
среди всех профессиональных болезней. В России их доля составляет более чем 35% общего
числа профзаболеваний [1]. При уровнях шума свыше 80 дБА каждое увеличение его на 1-2
дБА вызывает снижение производительности труда не менее чем на 1%. К сожалению, на
сегодняшний день машины и оборудование, соответствующие санитарным требованиям по
шуму, крайне дороги. Снижение шума на один децибел обеспечивает повышение стоимости
продаваемого изделия на 1%.
Средства, выделяемые на все мероприятия по борьбе с шумом, только для стран ЕС
составляли в конце ХХ в., по очень скромным оценкам, 38-40 млрд. евро в год, или почти 1%
ВВП [1]. Эти работы дали свои результаты. По данным табл. 1 видно, что для многих машин,
установок, транспортных средств, агрегатов за прошедшие 45-50 лет уровень шума снижен
на 15-30 ДБА, что очень эффективно.
Отметим также впечатляющие результаты, полученные и на многих производственных
предприятиях. В табл. 2 приведены уровни шума для нескольких рабочих мест на одном из
современных заводов в недалеком прошлом и в настоящее время. Видно, что лишь за одно
двадцатилетие достигнуто снижение шума на этих местах на 15—20 дБА.
В странах ЕС действует практика принятия директив Европейского парламента,
которые направлены на соблюдение единых требований, норм, измерительных процедур в
области борьбы с шумом.
Например:
- директива 2003/10/ЕС «О требованиях по безопасности и охране здоровья рабочих
под действием шума»;
- Директива 2002/49/ЕС «Об оценке шума в окружающей среде»;
- Директива 2002/30/ЕС «О правилах и процедурах оценки шума в аэропортах» и др.
68
Таблица 1
Снижение шума во второй половине ХХ в.
Уровень звука, дБА
1950-е —
начало 2000 г.
начало 1960-х г.
80—85
45—50
55—70
30—35
60—70
40—50
90—95
72—75
95—105
80—85
95—100
75—80
95—100
80—85
95—100
65—75
95—115
80—85
Объект
Кондиционеры
Холодильники
Лифты (внутри)
Легковые автомобили (в салоне)
Строительные машины
Тракторы (в кабине)
Реактивные самолеты (в салоне)
Передвижные компрессорные станции
Машинные отделения дизельных
теплоходов
Тяжелые машины для ремонта ж.-д.
пути
Деревообрабатывающие станки
105—115
80—85
95—100
85—90
Таблица 2
Снижение шума на рабочих местах
Некоторые виды
промышленных установок
Дозатор малый
Дозатор большой
Моечная машина
Наполнитель
Наклейка этикеток
Разборка тары
Сборка тары
20 лет назад
89–98
93–103
94–102
96–101
93–99
91–98
89–96
Уровень звука, дБА
10 лет назад
В настоящее время
82–85
80–85
81–85
80–83
83–87
82–85
85–88
83–87
85–88
82–85
83–87
79—82
81–85
79—81
Все эти достижения позволили снизить темпы шумового загрязнения. Но в то же время
еще немало машин, установок, транспортных средств, шум которых остается на прежнем
уровне. Кроме того, число источников шума неуклонно растет. Наступление шума
замедлилось, но проблема борьбы с ним по-прежнему актуальна.
В условиях рыночных отношений каждый производитель продукции, создающей шум,
должен принимать эффективные меры для его снижения в соответствии с действующими
нормами. Этот особенно актуально в связи со стремлением нашей страны во всемирную
торговую организацию, что требует приведения качества наших товаров и услуг по
различным параметрам до уровня европейских аналогов. Данные требования касаются, в том
числе, и шумозащиты, показатели которой должны соответствовать требованиям защиты
окружающей среды и обеспечивать безопасность рабочих.
Человек страдает от повышенного уровня шума повседневно и повсеместно, но
особенно опасно воздействие сильного шума в течении продолжительного времени. В
первую очередь это касается обслуживающего персонала промышленных предприятий.
Наблюдаемая интенсивность шума в децибелах от различных источников приведена в
таблице 3 [2].
Одним из интенсивных источников шума являются системы вентиляции и
кондиционирования воздуха, широко применяемые для создания комфортных
климатических условий на производстве и в быту. Шум этих систем обусловлен главным
образом входящими в их состав вентиляторами. Борьба с шумом вентиляторов в различных
отраслях промышленности приобрела в настоящее время большое значение. Жесткие
69
допустимые нормы уровней шума в производственных, общественно-бытовых и жилых
помещениях требуют не только создания малошумных установок вентиляции и
кондиционирования воздуха, но и модернизации действующих установок с целью снижения
их шума
Таблица 3
Наблюдаемая интенсивность шума в децибелах от различных источников
Наименование источника
Порог болевого ощущения
Котельные работы, склепка
Мотор и пропеллер аэроплана на расстоянии 6 м
Самый громкий автомобильный гудок
Самый громкий уличный шум
Обычный автомобильный гудок
Автотранспорт, шумное собрание
Оживленный разговор
Порог слухового ощущения
Число
децибелов
130
120
110
100
80
72
65
60
0
В ряде отраслей промышленности (в судостроении, авиации и т.п.) разработаны
высокоэффективные методы и средства борьбы с шумом в источнике его возникновения, в
проточных частях вентиляторов, а также созданы малогабаритные глушители,
обеспечивающие в широком диапазоне звуковых частот значительное снижение уровней
шума. Методы расчета, разработанные для транспорта, с успехом могут быть использованы в
производстве и в быту.
Общими требованиями, предъявляемыми в настоящее время к вентиляторам, являются
высокая надежность, экономичность, низкая стоимость и невысокие уровни шума[3].
Должное внимание начинают уделять архитектурной акустике. Последние тридцать лет
характеризуются не только исключительным развитием научной и технической стороны
этого предмета, но также и значительным ростом приложения практических достижений
архитектурной акустики при постройке различного рода зданий.
Всем известно, что и архитекторы и строители с большим беспокойством ждут
акустического результата постройки аудиторий.
Опыты и исследования, проводимые учеными, работающими в области инженерной
акустики, были, в основном, направлены на сооружение помещений с наилучшей
слышимостью оратора аудиторией. Во многих закрытых аудиториях применялись
резонаторы, главным образом параболической формы, с целью направить достаточное
количество звуковой энергии по направлению к наиболее отдаленным слушателям.
Известным американским физиком Джозефом Генри были сделаны выводы, о том, что
длительность отдельного звука и стремление к смешиванию при восприятии будет зависеть
от размера помещения, от силы звука или интенсивности импульса, от расположения
отражающих поверхностей и от природы материала отражающих поверхностей [4].
Звуковым колебаниям, как и любой другой волне, присущи явления интерференции и
дифракции. Человек ежеминутно подвергается одновременному воздействию множества,
наложенных друг на друга звуков.
При одновременном действии двух простых тонов равной силы и высоты от различных
источников существенное значение имеет длина пути звуковых лучей. Если разница
расстояний источников звука от наблюдателя равна четному числу полуволн, то сжатые слои
одной системы волн должны совпадать с такими же слоями другой системы; энергия сжатия
и разрежения воздуха суммируется и вызывает усиление звука. Если указанная разница
составляет нечетное число полуволн, то сжатые слои одной системы совпадают с
разреженными другой, ординаты равнодействующей кривой колебаний как разность
составляющих становятся равны нулю, звук погашается. В промежуточных условиях
70
результативная сила звука колеблется между вышеуказанными пределами, приближаясь к
тому или другому в зависимости от разницы в длине звуковых лучей.
Явление интерференции получает иную форму при совокупности звуков различной
высоты, т.е. при различной длине составляющих волн. Число периодов сложного звука равно
разности чисел периодов составляющих тонов [2].
Число периодов сложного звука ограничено и может быть ощутимо для слуха, из-за
наличия в каждом периоде своего максимума и минимума силы звука. Это явление
называется дрожанием, а моменты усиления звука — биениями. Вибрация же есть не что
иное, как биение с числом периодов менее шести в секунду.
Таким образом, большое влияние на результирующую звуковых волн в той или иной
области пространства влияет расположение источников звуковых волн относительно друг
друга и точек восприятия.
Важное влияние на конечную картину звукораспределения оказывает и дифракция
волн, которая выражается в огибании ими препятствий. Данное явление необходимо
учитывать при проектировании шумозащиты помещений со множеством источников звука.
Так, прохождение звука через отверстия меньше, чем через щели при их одинаковой
площади (рис. 1, б и г), а длина звуковой тени lт зависит от соотношения длины звуковой
волны и размеров отверстия.
а)
б)
в)
г)
Рис. 1. Дифракция звуковых волн на препятствиях, щелях и отверстиях различных размеров.
Полезный акустический эффект может быть достигнут применением различного рода
вогнутостей и выпуклостей ограждающих поверхностей помещения, т.к. с их помощью
представляется возможным направлять звуковые волны в нужном направлении, отражать,
рассеивать в окружающее пространство или передавать звуковую энергию без потерь.
Любое отражение увеличивает силу звука. Отражения от выпуклых поверхностей тем
сильнее увеличивают звукорассеяние, чем меньше радиус кривизны поверхности. Вогнутые
поверхности при отражении могут сокращать, сохранять и увеличивать звукорассеивание по
сравнению с плоской поверхностью в зависимости от относительного расположения
источника звука от центра кривизны поверхности.
Если источник звука отстоит от поверхности менее половины ее радиуса, отраженные
лучи получают расходящиеся направления, причем углы между ними менее углов,
71
образуемых падающими лучами. Фокусы отсутствуют; рассеивание энергии сокращается по
сравнению с плоской поверхностью (Рис. 2, а).
При удалении источника на половину радиуса отраженные лучи приобретают
приближенно параллельные направления (Рис. 2, б). Точная параллельность достигается при
отражении от параболической поверхности. Этот случай отвечает передаче отраженной
энергии почти без потери, с расположением фокуса отраженных лучей на бесконечном
удалении от поверхности.
При перемещении источника от половины радиуса до центра кривизны отраженные
лучи пересекаются, причем фокусы отраженных лучей быстро приближаются из
неопределенно большого удаления к этому же центру кривизны. Район концентрации
энергии простирается от поверхности на удвоенное удаление фокуса отраженных лучей (Рис.
2, в).
Если источник совпадает с центром кривизны, то направления отраженных лучей
совпадают с падающими, и фокус их располагается в том же центре. Район концентрации
ограничивается удвоенным радиусом; падение силы звука происходит по закону свободного
распространения, сила возрастает за счет отраженной энергии (Рис. 2, г).
Наконец, при перемещении источника звука далее центра кривизны отраженные лучи
пересекаются в пределах от центра кривизны до половины радиуса или главного фокуса
кривой, с которым совпадают при удалении источника на бесконечное расстояние. Район
концентрации колеблется при этом в пределах от удвоенного до одиночного радиуса
кривизны. Отражения вызывают усиленное рассеивание энергии, как при выпуклых
поверхностях (Рис. 2, д).
а)
б)
в)
г)
д)
Рис. 2. Различные случаи отражения от вогнутой поверхности
72
Зависимость между расположением источника звука и фокуса отраженных лучей x
может быть представлена, как:
x=dr/(2d-r)
где r - радиус кривизны; d – расстояние от источника звука до поверхности.
В настоящее время архитектурная акустика получает всеобщее признание как
необходимая отрасль архитектуры и привлекает внимание многих архитекторов и научноисследовательских лабораторий. Акустические проблемы помещения в основном могут быть
разрешены до стройки. Задача состоит, во-первых, в достаточном уменьшении шума, и вовторых, в конструировании помещения.
Наработки ученых в этой области, по нашему мнению, имеет смысл применить в
обратном направлении, т.е. в научной работе мы предлагаем еще на этапе проектирования не
лекционных и музыкальных аудиторий, а производственных помещений учесть возможность
возникновения негативного действия звуковых волн и постараться снизить вредное их
воздействие на организм человека. Инструментом для достижения этой цели вполне могут
стать знания и накопленный опыт исследователей в области инженерной и архитектурной
акустики.
Сегодня инженеры и проектировщики обладают значительным объемом средств
нейтрализации негативного воздействия звукового давления. Большой прогресс достигнут в
разработке и производстве самых разнообразных конструкций шумовиброзащиты:
виброизоляторов, акустических экранов, звукоизолирующих капотов и кабин, элементов
звукопоглощающих и звукоизолирующих конструкций.
Для защиты населения от вредного звукового воздействия, исходящего от
железнодорожных и автомобильных магистралей, строительных площадок, промышленного
оборудования и других источников шума используются ограждения – шумовые экраны.
Акустические панели по своему функциональному назначению подразделяются на:
- шумопоглощающие непрозрачные;
- шумоотражающие светопрозрачные.
Комбинированные шумозащитные экраны чаще всего устанавливают на автодорогах,
снижая утомляемость водителей.
В качестве акустических экранов сегодня применяются стеклофибробетонные панели,
стекло акриловое листовое полиметилметакрилат (ПММА) и др. Хорошими
звукоизоляционными свойствами обладают теплоизоляционные плиты из минеральной ваты
на синтетическом связующем.
Перспективным является применение активных средств борьбы с шумом, позволяющих
решать целый ряд научных и технических задач, таких, как создание безэховых и
экранирующих камер или площадок, обеспечение маскировки отражающих или излучающих
объектов, снижение уровня шума в кабинах и салонах самолетов, вертолетов, автомобилей и
тракторов, снижение внешней шумности транспортных средств, звуко- и виброизоляция
силовых энергетических установок, снижение механических колебаний и вибраций
производственного оборудования с целью уменьшения механического износа деталей и др.
Достоинством этих средств является их эффективная работа в низкочастотном диапазоне,
где пассивные средства шумозащиты действуют слабо, а также возможность управлять
спектром шума в точке наблюдения. Первой публикацией на тему активного гашения можно
считать американский патент Луэрга, выданный в 1933 г. Строгое же решение задачи
активного гашения волновых полей впервые было дано в конце 60-х – начале 70-х годов в
работах
Г.Д. Малюжинца, М.В. Федорюка, М. Жесселя. Эти работы положили начало новому
направлению в развитии методов активной компенсации.
Сегодня различные производства являются источником повышенного уровня шума.
Например, наблюдаемая интенсивность шума при котельных работах и склепке (табл. 4)
73
составляет 120 дБА, тогда, как порог болевого ощущения человеческих органов слуха –130
дБА [2]. Подобные многочисленные проблемы, по нашему мнению, невозможно решить
лишь применением индивидуальных средств защиты. Необходимо грамотно проектировать
обстановку помещения, по возможности варьируя компановку оборудования, применяя
имеющиеся на сегодняшний день шумопоглащающие и шумоотражающие материалы,
используя ограждающие конструкции здания. Большие перспективы у комбинированных
активно-пассивных систем шумоглушения. Применяя арсенал описанных выше методов и
средств, мы предполагаем оценивать будущую акустическую ситуацию в помещении,
предлагать оптимальный с экономической, технологической и санитарно-гигиенической
точек зрения вариант расположения источников шума и наиболее применимых способов
борьбы с шумовым загрязнением.
Выводы
Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что актуальность проблемы шумового
загрязнения окружающей среды со временем только возрастает. Современные технологии
расширяют разнообразие средств шумозащиты, однако они ставят и новые проблемы в связи
с появлением новых источников шума. В статье приведена история борьбы с шумами,
фрагменты развития акустической науки. Рассматриваются различные направления
снижения шума при проектировании зданий и сооружений.
Библиографический список
1. Иванов Н.И. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом: учебник.–
М.: Университетская книга, Логос, 2008.–424 с.
2. Беляев С.В. Акустика помещений. Изд. 3-е. – М.: Издательство ЛКИ, 2008. – 136 с.
3. Хорошев Г.А. Борьба с шумом вентиляторов/ Г.А. Хорошев, Ю.И. Петров, Н.Ф.
Егоров. – М.: Энергоиздат, 1981. –144 с., ил.
4. Кнудсен Верн Оливер. Архитектурная акустика: Пер. с англ./ Под ред. Е.А.
Копиловича, Л.Д. Брызжева. Изд. 4-е. –М.: Издательство ЛКИ, 2007. – 520 с.
The bibliographic list
1. Ivanov N.I. The Engineering acoustics. Theory and practice of the fight with noise:
uchebnik.- M.: University book, Logos, 2008.-424 s.
2. Belyaev S.V. The Acoustics of the premiseses. Izd. 3-e. - M.: Publishers LKI, 2008. -136 s.
3. Horoshev G.A. The Fight with noise ventilator/ G.A. Having Got prettier, YU.I. Petrov,
N.F. Ego-rov. - M.: Energoizdat, 1981. -144 s., silt.
4. Knudsen Verne Oliver. The Architectral acoustics: Per. with engl./ Under ред. E.A.
Copilovichia, L.D. Bryzzheva. Izd. 4-e. -M.: Publishers LKI, 2007. - 520 s.
Ключевые слова: борьба с шумом, акустика, промышленность, шумозащита.
Кeywords: fight with noise, acoustics, industry, рrotection from noise.
74
УДК 697:621.644:004
Воронежский государственный
архитектурно-строительный
университет
Aспирант кафедры теплогазоснабжения Х. Алдалис,
Д-р техн. наук, проф. кафедры
теплогазоснабжения М.Я. Панов,
Канд.техн.наук,доц. кафедры
теплогазоснабжения Г.Н. Мартыненко
Россия, г.Воронеж, тел. +8(4732)71-53-21;
The Voronezh State University of Architecture
and constructions
The post-graduate of the Chair
Heat, Gas Supply H.Aldalis,
Dr.Tech, Sci, professor of the Chair
Heat, Gas Supply М.Ya.Panov,
Cand. Tech. sci. docent of the Chair Heat, Gas
Supply G.N.Martynenko.
Russia, Voronezh, ph. +7(4732)71-53-21;
Х. Алдалис, М.Я. Панов, Г.Н. Мартыненко
ФОРМИРОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОПЕРАТИВНОГО
УПРАВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕМ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЗЛОВОЙ СХЕМЫ ОТБОРА ПУТЕВОЙ НАГРУЗКИ
Предложена математическая модель оперативного управления системами газоснабжения различного
давления с использованием узловой схемы отбора путевой нагрузки потребителями.
H.Aldalis, М.Y. Panov, G.N.Martynenko
FORMATION OF MATHEMATICAL MODEL OF OPERATIVE MANAGEMENT BY
FUNCTIONING OF SYSTEMS OF GAS SUPPLY WITH USE OF THE CENTRAL
CIRCUIT OF SELECTION OF TRAVELLING LOADING
The mathematical model of operative management by systems of gas supply of various pressure with use of the
central circuit of selection of travelling loading by consumers is offered.
Существующая система газоснабжения городов и населенных пунктов с точки зрения
управления газопотоками отличается плохой предсказуемостью, низкой эффективностью,
стохастическим характером газопотребления. Это обусловлено тем, что система управления
вынуждена воздействовать на путевые и транзитные составляющие расчетного расхода.
Вместе с темисполнение заданного режима газопотребления может быть достигнуто
воздействием только на путевые и узловые отборы к потребителям и нет необходимости
управлять транзитными газопотоками.
При подключении отопительной нагрузки в холодные периоды года возникает
необходимость в повышении рабочего давления после регуляторных пунктов (ГРП, ГРУ),
что и является примитивной формой процесса управления. Иными словами управление
строится не на моделировании технологического процесса функционирования системы, а на
опыте и интуиции обслуживающего персонала. Ограниченное число ГРП, ГРУ в сравнении с
практически неограниченным множеством бытовых и мелких коммунальных потребителей
приводит к утрате индивидуальности управления.
Целью работы является разработка рациональной схемы и математической модели
оперативного управления функционированием систем газоснабжения всех ступеней
давления, построенной на принципе обратной связи между заданным режимом
газопотребления и исполнительными органами системы управления. К последним относятся
управляемые из компьютерного центра дроссельные элементы (УД).
75
Отметим, что предлагаемая система управления, рис.1, относится к кибернетическим
системам, поскольку управляющий сигнал вырабатывается математическим моделированием
в компьютерном центре управления, функционирующим в составе АСУ ТП. При этом
стуктура отбора газа к отдельным потребителям или группе потребителей строится не на
путевых, а на узловых отборах газопотоков (например, поз.8, рис.1) и индивидуальным
управлением этими газопотоками с помощью УД. Отбор от узла распределительной уличной
сети проходит через короткий технологический трубопровод (поз. 8-Т, рис.1) с
установленным на нем УД и далее через фиктивный участок (поз. Т-25,рис.1) к
потребителям. Множество реальных участков абонентских подсистем (АП), запитываемых
от энергоузлов (поз.Т, рис.1) эквивалентируется на основе фундаментальных и частных
условий энергетического эквивалентирования (ЭЭ) [1] одним фиктивным участком
(например, Т-25, рис.1), а “висящие” узлы, инцидентные фиктивным участкам (например,
поз.25 рис.1), отождествляются с потребителем (группой потребителей).
36
2
1
Т
Т
23
24
25
26
Т
Т
Т
Т
4
6
8
9
37
38
ГРП
27
Т
3
ГРП
39
7
Т
11
Т
10
Т
Т
12
43
40
Т
44
13
28
Т
14
35
Т
22
5
Т
21
41
34
Т
15
18
Т
42
20
Т
19
Т
16
17
Т
Т
33
32
29
Т
30
31
Рис.1. Бинарный структурный граф системы газоснабжения низкого давления
- фиктивный участок;
- технологический трубопровод с управляемым дросселем
Подобная схема отбора и управления газопотоками, идущими к потребителям,
позволяет добиваться исполнения задаваемого пользователем прогноза режима
газопотребления. В составе математической модели это достигается формированием
обратной связи между заданным режимом потребления и гидравлической настройкой УД.
Математическая модель оперативного управления функционированием строится на
основе модели возмущенного состояния [1] и методе наименьших квадратов, формирующих
в итоге механизм исполнения заданного режима газопотребления. Ниже приведена
76
означенная математическая модель (нелинейная) для стационарного случая независимости
расходов газопотоков от времени при заданном пользователем параметрическом прогнозе
режима газопотребления в функции времени суток t Такая форма задания Qi fz = Qi (t )
возможна, при условии достаточно малой величины ( dQi fz / dt ):
∑∑ sgn S Qα = ∑ ΔP , i=1, 2,….,ε; j=1, 2,….,p ;
(1)
∑∑ sgn S Qα = 0 , i=1, 2,….,ν; j=1, 2,….,r ;
(2)
ij
j
ij
j
i
j
ij
j
∑∑ sgn (Q
ij
j
ij
i
± q j ) = Q jf (t ) , i=1, 2,….,λ ; j=1, 2,….,m;
(3)
i
∑ ([Q
fz
1
] [
]
(t ) − Q1f (t ) − Q jfz+1 (t ) − Q jf+1 (t ) ) = 0 , j=1, 2,….; mH − 1 ,
(4)
j
где ε, ν – число участков в составе независимой цепи j и контура j соответственно; р, rчисло независимых цепей, цикломатическое число соответственно; λ – число участков,
инцидентных узлу j, m – число узлов с неизвестным потенциалом; sgn - оператор
присвоения знака; Qij , S ij - расчетный расход, коэффициент гидравлического сопротивления
участка i в составе цепи j или контура j соответственно; qj – фиксированный отбор (приток) от
узла j: (+)- в случае источника (ГРП, ГРУ, ГРС), (-)- в случае потребителя; Q jf (t ) - расход
через фиктивный участок j (отождествляемый с потребителем или группой потребителей) на
времени t, согласно компьютерной версии; Q jfz (t ) - то же, но задаваемый пользователем на
времени t в составе режима газопотребления; mH- число узлов с фиксированным
потенциалом в составе АП.
Перепад давления по цепи j:
ΔPj = ( PjN − PjK ) - системы низкого давления;
ΔPj = ( PjN2 − PjK2 ) - системы среднего (высокого) давления;
где PjN , PjK - абсолютное (заданное) давление в начальном и конечном узлах цепи j.
Здесь (1)- система нелинейных (алгебраических) уравнений для р независимых цепей, не
образующих между собой любых контуров
P=g-1,
(5)
где g=( mH+℮) – полное число узлов системы с заданным потенциалом; ℮ - число узлов
питания с присоединенными источниками; (2) – система нелинейных (алгебраических)
контурных уравнений для r независимых контуров; (3) – система узловых балансовых
уравнений для узлов с незаданным потенциалом; (4) – система нормальных уравнений,
формирующих механизм обратной связи между режимом газопотребления на времени t и
потокораспределением; α=1,75 – системы низкого давления; α=2,0 – системы среднего
(высокого) давления.
Линейная система нормальных уравнений (4) строится на основе метода наименьших
квадратов, лежащего в основе целевой функции
⎡
⎤
2
(6)
F = ∑ Q jfz (t ) − Q jf (t ) + λ ⎢ ∑ Q jfz (t ) − ∑ Q jf (t )⎥ ,
j∈ J η
j∈ J H
⎣⎢ j∈J π
⎦⎥
[
]
77
где λ- неопределенный множитель Лагранжа;
J H , J π , J η - множество узлов в составе АП с фиксированным потенциалом, множество
узлов питания (источников) системы, множество узлов-стоков (потребителей)
соответственно.
Вторая группа слагаемых (6), определяемая как система функциональных ограничений,
отражает баланс расходов, входящих и выходящих из системы газопотоков. Условие
минимума (6):
[
]
∂F
= 2 ∑ Q jfz (t ) − Q jf (t ) + λ = 0 .
∂Q jfz (t )
j∈ J H
(7)
После исключения λ получаем одну из версий системы нормальных уравнений (4). Эта
система «привязывает» расходы в составе прогноза газопотребления к одноименным
расходам фиктивных участков согласно компьютерной версии, позволяя добиваться высокой
точности исполнения прогноза. Сам по себе прогноз может быть неточным и даже
ошибочным, учитывая множество неучтенных факторов, стохастичность режима
потребления [2], но система (1)-(4) позволяет добиваться достаточно точного исполнения
даже ошибочного прогноза.
Для системы газоснабжения низкого давления, рис.1, проведем вычислительный
эксперимент по моделированию с помощью (1)-(4) исполнения заданного прогноза
газопотребления на времени t. Результаты представлены дроссельными характеристиками на
рис.2, которые иллюстрируют высокую точность исполнения прогноза, составляющую около
2%.
Q, м?/ч
350
300
1 2
3
250
200
6
5
4
150
7
100
8
S
0,08
50
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
Рис.2. Дроссельные характеристики управляемых из компьютерного
центра дросселей(сх. сети, рис.1.)
1-(11-T); 2-(4-T); 3-(19-T); 4-(7-T); 5-(13-T); 6-(1-T); 7-(6-T); 8-(9-T)
Кроме того, единожды построенные для отдельно взятой системы, характеристики
позволяют определить возможность реализации текущего режима газопотребления,
задаваемого пользователем.
78
Q, м³/ч
400
9
350
10
300
250
11
200
12
150
13
100
14
15
50
S
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Рис.3. Дроссельные характеристики управляемых из компьютерного
центра дросселей(сх. сети, рис.1.)
9-(3-T); 10-(12-T); 11-(8-T); 12-(17-T); 13-(22-T); 14-(15-T); 15-(16-T)
Q, м³/ч
330
16
310
290
17
270
18
250
230
210
19
190
20
170
21
150
S
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
Рис.4. Дроссельные характеристики управляемых из компьютерного
центра дросселей(сх. сети, рис.1.)
16-(5-Т); 17-(18-T); 18-(14-T); 19-(21-T); 20-(20-T); 21-(2-T)
79
0,06
Выводы
Результаты моделирования подтверждают работоспособность и эффективность
математической модели оперативного управления функционированием городских систем
газоснабжения и узловой схемы отбора путевой нагрузки к потребителям.
Библиографический список
1. Панов М.Я. Моделирование возмущенного состояния гидравлических систем
сложной конфигурации на основе принципов энергетического эквивалентирования /
М.Я.Панов, В.И.Щербаков, И.С.Квасов// Изв. РАН. Энергетика.-2002.-№6, с.130-137.
2. Евдокимов А.Г. Потокораспределение в инженерных сетях / А.Г. Евдокимов, В.В.
Дубровский, А.Д. Тевящев. - М.:Стройиздат, 1979 – 199 с.
The bibliographic list
1. Panov M.Ya. Modelling a disturbed condition of hydraulic systems of complex
configurations on the basis of power equivalence principles / M.Ya.Panov, V.I.Shcherbakov,
I.S.Kvasov // News. The Russian Academy of Science. Energetics.-2002.-№ 6, 130-137 p.p.
2.
Evdokimov A.G. flow distribution in engineering networks / A.G.Evdokimov,
V.V.Dubrovsky, A.D.Tevjashchev. – Moscow .: construction edition, 1979 - 199 p.p.
Ключевые слова: математическая модель, система газоснабжение, оперативное управлении, режим
потребление, исполнении прогноза, управляемые дроссели .
Key words: mathematical model, gas supply system, operative managing, a consumption regime, controlled
throttles.
УДК 697.7:504
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Д-р техн. наук, проф. кафедры
теплогазоснабжения О.А.Сотникова
Канд. техн. наук, доцент кафедры
теплогазоснабжения Д.М. Чудинов
Канд. техн. наук, доцент кафедры
теплогазоснабжения А.И. Колосов
Россия, Воронеж, тел. 8(4732)71-53-21
Voronezh State University of Architecture and
Civil Engineering
Dr. Sci. Tech, mhe professor of Heat and Gas
Supply Department
Ph. D. in Engineering, Assoc. Prof. of Heat and
Gas Supply Department D.M. Chudinov
Ph. D. in Engineering, Assoc. Prof. of Heat and
Gas Supply Department A.I. Kolosov
Russia, Voronezh, tel. 8(4732)71-53-21
О.А. Сотникова, Д.М. Чудинов, А.И. Колосов
ПРИМЕНЕНИЕ
НЕТРАДИЦИОННЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
ЭНЕРГИИ ПРИ РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
В данной статье идёт речь об основных принципах проектирования
энергоэффективных зданий, проблемах энергоснабжения территорий РФ и способах их
решения с помощью нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
O. A. Sotnikova, D. M. Chudinov, A.I. Kolosov
80
APPLICATION
NONCONVENTIONAL RENEWED SOURCES
ENERGY AT THE DECISION OF PROBLEMS OF POWER SUPPLY
AND ECOLOGICAL SAFETY
In given article there is a speech about main principles of designing of energetically
effective buildings, problems of power supply of territories of the Russian Federation and ways of
their decision with the help nonconventional renewed Energy sources.
Цель проектирования и строительства энергоэффективных зданий состоит в более
эффективном использовании энергоресурсов, затрачиваемых на энергоснабжение здания,
путём применения инновационных решений, которые осуществимы технически, обоснованы
экономически, а также приемлемы с экологической и социальной точек зрения и не
изменяют привычного образа жизни.
Наибольший эффект повышения энергетической эффективности здания достигается,
если задача решается комплексно всеми доступными средствами. При этом можно выделить
два основных направления:
- сокращение энергозатрат на термоизоляцию путём применения улучшенных
технических решений в проектируемом здании;
- использование в тепловом балансе здания нетрадиционных возобновляемых
источников энергии (НВИЭ), в силовом поле которых оно находится.
На рис. 1 показана упрощённая схема теплового баланса помещения, а на рис. 2
соответствующий ей граф, в котором каждому элементу помещения как единой
теплоэнергетической системы соответствует вершина графа, а связи между элементами
помещения или с внешними элементами – дуга графа. Граф включает одну наружную стену,
одну внутреннюю стену и одно заполнение светового проёма. Соединение смежных вершин
графа не одной, а двумя одинаково направленными дугами отражает наличие двух связей,
осуществляемых при помощи разных способов передачи энергии. Связи 2, 4, 6, 8
характеризуют передачу тепла конвекцией между внутренней поверхностью ограждения, а
также поверхностью оборудования и внутренним воздухом. Связи 3, 4, 5, 7 характеризуют
потоки тепла за счёт фильтрации через ограждения. Связи 9-14 характеризуют лучистый
теплообмен между внутренними поверхностями ограждений, а также внутренних
поверхностей с оборудованием.
Рис. 1. Схема теплового баланса здания: 1 –
теплопотери или теплопоступления через
ограждающие конструкции; 2 – тепловыделения от
отопительных приборов; 3 – теплопоступления от
технологического оборудования; 4 – теплопотери
или теплопоступления через заполнение светового
проёма; 5 –теплопотери за счёт воздухообмена
Рис. 2. Граф теплового баланса помещения: І наружные ограждения; ІІ – внутренние ограждения;
ІІІ – заполнение светового проёма; ІV – внутренний
воздух; V – вентиляция; VІ – внутреннее
оборудование
81
Связь 16 характеризует конвективное тепло, непосредственно передаваемое воздуху
помещения. Связи 1, 8, 15, 17 – внешние связи между элементом помещения и внешним
элементом.
Схема теплового баланса может быть задана в виде матрицы соединений вершин графа.
Единицы в первом столбце матрицы таблицы дают логический признак «k»-го элемента
помещения как единой энергетической системы, из которой исходит (знак плюс) или в
который входит (знак минус) данная связь. При этом строка, соответствующая связи между
элементами помещения (внутренняя связь) всегда имеет в правой части два ненулевых члена
+1 и
-1, а строка, соответствующая связи элемента помещения с внешним элементом
(климатическими воздействиями), имеет один не нулевой член: +1 для исходящих и -1 для
входящих внешних связей. Матрица отображает топологическую структуру графа теплового
баланса помещения.
Общее для всех видов энергоэффективных зданий сокращение собственных
энергозатрат удовлетворяется на основе единых технических средств, которые сводятся к
следующим требованиям
Структурная матрица связей для графа,
изображённого на рисунке 2
Но
мер
свя
зи
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Признак наличия связи для
элементов помещения
І
ІІ
ІІІ ІV
V
VІ
-1
±1
±1
±1
±1
±1
±1
m1
m1
±1
m1
±1
±1
-1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
±1
±1
±1
-1
m1
±1
±1
±1
-1
m1
На стадии проектирования:
- изучение местных природно-климатических факторов района строительства с
энергетической точки зрения. Привязка проектируемого здания на площадке, которая из
числа равновозможных имеет наиболее благоприятные условия, т.е. в максимальной степени
нейтрализуют негативные факторы внешней среды;
- проведение специальных мероприятий по искусственной нейтрализации
неблагоприятных природных воздействий путём целенаправленной организации рельефа и
выполнение других ландшафтных мероприятий;
82
- размещение нескольких объектов с целью оптимизации энергетического баланса
одного или всех объектов, образующих группу, путём защиты одного объекта другим или
взаимного перераспределения внешней или внутренней энергии.
На стадии архитектурного проектирования здания:
- целенаправленный выбор формы и ориентации здания или его части с целью
повышения энергетической эффективности с учётом свойств энергетического поля НВИЭ,
взаимодействующих со зданием;
- введение конструктивных внешних элементов, обеспечивающих дополнительный
приток к зданию энергии возобновляемого источника;
- сочетание и комбинирование различных приёмов.
Рассмотрим прямоугольное в плане здание. Введём обозначения: Fo – общая полезная
площадь здания, м2; a – длина здания, м; b – ширина здания, м; H - высота этажа, м; Z –
число этажей; Fn – общая полезная площадь на одном этаже, м2. Кроме того, будем считать,
что площади наружных вертикальных ограждающих конструкций со стороной «а» равны
F1=F3=aZH; соответственно со стороной «b» равны F2=F4=bZH; тогда площади покрытия и
перекрытия F5=F6=ab. Пусть коэффициент остекления наружного ограждения i – ориентации
будет Рi, тогда уравнение теплового баланса может быть записано как:
6
5
i =1
i =1
∑qEnc,i (1− Pi )FEnc,i + ∑qw,i Pi Fw,i + QF = Q ,
(1)
где qEnc,i – удельные тепловые потоки через наружные ограждающие конструкции,
Вт/м (i = 1, 2, 3, 4 относится к стенам, i = 5 – к покрытию, i = 6 – к перекрытию); FEnc,i площадь наружных стен, покрытия и перекрытия, м2; qw,i – удельные тепловые потоки через
заполнения световых проёмов, Вт/м2; F w,i – площадь заполнения светового проёма, м2; QF –
теплопотери за счёт механической или естественной вентиляции, Вт.
Для перекрытия Р6 = 0. Правую и левую части последнего уравнения разделим на Fo:
Q
aHZ
= ∑[qEnc,i (1− Pi ) + qw,i ]
+
Fo i=1,3
abZ
2
+ ∑[qEnc,i (1− Pi ) + qw,i Pi ]
i =2,4
bHZ
+
abZ
.
(2)
ab
1
+ QF
abZ
Fo
Обозначим qFo = Q/Fo – удельная тепловая характеристика здания, Вт/м2.
Оптимальные значения аopt и bopt обеспечивающие при заданной общей полезной
площади здания минимальные затраты энергии на его отопление или охлаждение,
определяются минимизацией удельной тепловой характеристики здания как функции
переменных а и b. Выполнив соответствующие вычисления, получим:
+[qEnc,5 (1− P5 ) + qw,5 P5 + qEnc,6 ]
⎧
2
⎨∑[qEnc,i (1−Pi ) +qw,iPi ] }
⎩i=2,4
.
aopt=3
qEnc,5(1−P5) +qw,5P5 +qEnc,6 ∑[qEnc,i (1−Pi ) +qw,iPi ]
HFo
(3)
i=1,3
⎧
2
⎨∑[qEnc,i (1−Pi ) +qw,iPi ] }
⎩i=1,3
.
bopt=3
qEnc,5(1−P5) +qw,5P5 +qEnc,6 ∑[qEnc,i (1−Pi ) +qw,iPi ]
HFo
i=2,4
На стадии конструктивной разработки здания.
83
(4)
При проектировании здания необходимо обеспечить повышение сопротивления
теплопередаче из внутренних помещений наружу и одновременно предусмотреть
поступление солнечной энергии в помещения, например, через окна, выходящие на юг.
Летом в условиях избыточного теплопоступлений предусматривается противоположная цель
– обеспечение повышенной солнцезащиты, например, путём применения затеняющих
устройств, и отвода теплоты из помещений.
Для достижения этих целей используются следующие основные принципы, с помощью
которых регулируются все процессы теплообмена в здании:
- сведение до минимума теплопередачи наружу здания (зимой, в некоторых случаях
летом). Этот принцип осуществляется посредством теплоизоляции. Чем теплоизоляция
лучше, тем меньшее влияние оказывают низкие температуры на внутренний микроклимат.
Вместе с тем в жаркое время года ограждения с хорошими теплозащитными качествами
предохраняют помещения от перегрева;
- обеспечение поступления солнечной энергии (зимой). Зимой можно получить
большое количество теплоты от солнца, используя окна на внутренней стороне здания,
оранжереи и другие устройства пассивной солнечной системы, предназначенные для
получения, накопления и передачи солнечной теплоты путём естественного поступления
энергии без применения насосов и вентиляторов;
- снижение до минимума фильтрации воздуха (зимой). Зимние ветры увеличивают
теплопотери здания вследствие «омывания» теплоты через наружные ограждения, а также
из-за возрастания потерь путём эксфильтрации. Снизить такое воздействие ветра можно за
счёт выбора рациональной формы здания и его расположения по отношению к ветру;
- снижение поступления солнечной энергии (летом). Для обеспечения теплового
комфорта летом следует уменьшить возможность перегрева здания путём экранирования его
от солнца или же свести к минимуму поверхности здания, подвергшееся непосредственному
действию солнечных лучей;
- обеспечение естественной вентиляции (летом). Охлаждение помещений без
принудительной вентиляции может производиться двумя способами: сквозным
проветриванием и вытяжкой, основанной на принципе термосифона, которая осуществляется
подъёмом нагретого воздуха даже при отсутствии ветра;
- обеспечение охлаждения испарением (летом). Естественное охлаждение помещений
здания может быть достигнуто испарением влаги в потоке воздуха, поступающего в
помещения, например, при орошении кровли. Эти простые способы наиболее эффективны в
условиях жаркого климата;
- обеспечение радиационного охлаждения (летом). Здание может хорошо отдавать
теплоту, если температура его наружной поверхности выше окружающей, особенно ночью.
Днём температура поверхности здания определяется поглощением солнечной тепловой
энергии и способностью сохранять её, что, в свою очередь, зависти от излучательной
способности ограждения.
Россия занимает 10% общей территории суши земного шара, её население составляет
2,5% населения Земли. При этом на её территории сосредоточено около 45% разведанных
мировых запасов газа, 8% нефти, 23% угля. Россия - одна из немногих стран, способных
полностью обеспечить себя всеми видами органического топлива и экспортировать нефть и
газ в значительных количествах.
Однако существует, по крайней мере, три крупные неотложные проблемы, в решении
которых нетрадиционная возобновляемая энергетика может сыграть важную роль.
Первостепенная потребность – это энергообеспечение северных и других
труднодоступных районов, не подключённых к общим сетям, завоз нефтепродуктов и
топлива в эти районы превратился в тяжёлую проблему. Зачастую встаёт вопрос об
84
аварийной эвакуации населения из северных районов, с таким трудом освоенных
предшествующими поколениями.
Между тем, имеется техническая и экономическая возможность в течение пяти лет
обеспечить от 20 до 50% энергопотребления северных и других труднодоступных
территорий с помощью использования местных нетрадиционных возобновляемых
источников энергии, главным образом, энергии ветра, малых и микроГЭС и биомассы.
Вторая настоятельная потребность – необходимость улучшения экологической
обстановки в местах массового отдыха населения, что может быть достигнуто путём
широкого внедрения оборудования нетрадиционной возобновляемой энергетики (солнечных
коллекторов, тепловых насосов, ветроустановок и тп.).
Третья неотложная потребность – это необходимость увеличения генерирующей
мощности в энергодефицитных энергосистемах, при одновременном сокращении
потребности в привозном топливе, и снижении количества ограничительных отключений
потребителей и объёма вредных выбросов.
Анализ российского энергетического рынка показывает, что потребление энергии в
России (тепловой и электрической) на сегодняшний день составляет около 1 млрд. тонн
условного топлива в год, из них невозобновляемые источники составляют 97,9% (нефть, газ
и пр.), при переработке которых образуются окислы вредных веществ (NOx, СО2, СН),
нанося невосполнимый ущерб окружающей среде. Так известно, что при прямом сжигании
органического топлива в количестве 1 тонны условного топлива вредные выбросы
составляют около 25 кг, что в пересчёте на тепловую энергию соответствует 8,9 кг на 1 Гкал
теплоты. Несложные расчёты показывают, что в масштабах всей страны загрязнение
окружающей среды принимает угрожающие размеры, а именно, количество вредных
выбросов в атмосферу составляет 24 миллиона тонн в год.
Важной чертой существующей энергетической системы России является её высокая
централизация.
Около 90% общего количества электроэнергии производится крупными (в диапазоне
нескольких гигаватт) электростанциями на органическом топливе, гидравлическими и
автономными, которые выдают электроэнергию в разветвлённую электрическую сеть,
образованную мощными высоковольтными линиями электропередачи. Практически все
города и деревни присоединены к электрическим сетям, так что около 87% населения страны
получает электроэнергию централизовано.
Теплоснабжающая система в России также высоко централизована. В больших городах
теплоснабжение и горячее водоснабжение осуществляется от ТЭЦ, работающих на
органическом топливе, или от квартальных котельных. Для транспортировки тепловой
энергии к потребителю используются теплотрассы. Стоимость строительства и эксплуатации
затраты на их содержание очень велики, а эффективность – не превышает 55-60%, особенно
в старых застройках. Существуют также проблема замены и реконструкции морально
устаревших малых угольных котельных, эффективность которых не превышает 40-45%. С
каждым годом проблема теплоснабжения становится всё более актуальной, наблюдается
значительное увеличение затрат на поддержание теплосетей и котельных в рабочем
состоянии. Создалась ситуация, в которой материальных ресурсов на восстановление
исторически сложившейся системы теплоснабжения просто не хватает, вследствие чего
можно прогнозировать рост аварийных ситуаций на теплотрассах и массовые перебои в
теплоснабжении.
Однако большая часть обширной территории России с малой плотностью населения
ещё не присоединена к централизованным энергетическим системам.
Более 70% территории России находится в зоне децентрализованного энергоснабжения
и испытывает постоянно нарастающие в условиях рыночных отношений и финансовых
дефицитов трудности с поставками электроэнергии и теплоты.
85
Энергоснабжение таких районов страны становится трудноразрешимой задачей,
поскольку стоимость получаемых со стороны энергоресурсов приближается в ряде районов к
объёму местных бюджетов.
Многие из этих проблем могут быть решены с помощью нетрадиционно
возобновляемых источников энергии, потенциал которых в России чрезвычайно велик.
Состояние возобновляемой энергетики в мире говорит о том, что этой проблемой
интенсивно и успешно занимаются Правительства как богатых развитых стран (США,
Германии, Дании, Голландии и Греции), так и стран, которые принято называть
развивающимися, например, Индия, Китай. И, наконец, проблемой занялось Мировое
сообщество в целом, когда Генеральная Ассамблея ООН в конце 1998 года одобрила
подготовленную и представленную ЮНЕСКО Всемирную Солнечную Программу на 19962005 годы.
Интерес к широкому использованию нетрадиционных и возобновляемых источников
энергии возник относительно недавно, в первой половине 1970-х годов. Основным толчком
для него явился развивающийся внезапно в 1973 году нефтяной (энергетический) кризис. К
этому моменту именно нефть стала монополистом в сфере топливоснабжения большинства
развитых стран, не оставив буквально никаких шансов для равноценного развития других
отраслей топливной промышленности. Глубоко вошла в состояние кризиса добыча угля,
традиционно была невелика и роль газа. Резкий подъём цен на нефть нанёс большой
единовременный урон развитию энергетического хозяйства всего мира, но в тоже время
позволил взглянуть на вопрос формирования энергетической политики более многопланово,
обозначил возможность апробирования различных вариантов его развития, заставил
задуматься об альтернативах, наконец, привлёк внимание к решению целого ряда проблем,
лишь косвенно связанных с развитием энергетики.
Одним из путей решения чётко определившихся проблем в энергетике того времени
стало использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. В условиях
свободной рыночной экономики этот процесс не был четко регламентирован. Поэтому в тот
момент они не нашли широкого применения, а затем, когда выход из сложившейся ситуации
был найден более эффективным и дешёвым способом (внедрение энергосбережения,
использование дешёвого угля открытой добычи и природного газа, падение с середины 1980х годов мировых цен на нефть), снова ушли в тень.
На самом деле ныне НВИЭ первоначально (на заре человеческой цивилизации) были
даже основными. Со временем, не выдержав конкуренции с новыми типами
преобразователей энергии (обладающими большой мощностью, использующие главным
образом высококалорийное топливо – сначала уголь, а позже нефть и природный газ), они
потеряли своё былое значение, став нетрадиционными. Однако опыт их использования в
период их энергетического кризиса позволяет по-новому взглянуть на их особенности
(преимущества и недостатки) уже на современном техническом уровне.
К НВИЭ относится энергия солнца, ветра, геотермальных источников, рек, приливов
отливов, морских течений и волн, биомассы, космоса и некоторых других источников.
Необходимость вовлечения в топливно-энергетический баланс нетрадиционных
возобновляемых источников энергии предопределена, во-первых, всем ходом развития
мировой цивилизации, связанного со всё более усугубляющимся экологическим
воздействием на природную среду и истощением традиционных природных ресурсов
органического топлива, во-вторых, традиционные источники и вырабатываемая ими энергия
имеют устойчивую тенденцию удорожания, становятся дефицитными, а возобновляемые –
кроме снижения воздействия на экологическую среду обитания, в силу технического
прогресса имеют реальную перспективу быть экономически конкурентоспособными, втретьих, богатейшими ресурсами возобновляемых источников энергии: солнечной, ветровой,
тепла земли и др., в-четвёртых, дефицитом собственных источников энергии.
86
Библиографический список
1. Ю. А. Табунщиков, М. М. Бродач, Н. В. Шилкин. Энергоэффективные здания. – М.:
АВОК-ПРЕСС, 2003. – 200 с.
2. Ю. А. Табунщиков, М. М. Бродач. Математическое моделирование и оптимизация
тепловой эффективности зданий. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2002. – 250 с.
The bibliographic list
1. J.A.Tabunshchikov, M. M. Brodach, N. V. Shilkin Energetically effective buildings. - М.:
ABOK-PRESS, 2003. - 200 s.
2. J.A.Tabunshchikov, M. M. Brodach. Mathematical modelling and optimization of thermal
efficiency of buildings. - M.: ABOK-PRESS, 2002. - 250 s.
Ключевые слова: энергоснабжение, возобновляемых источников энергии, экологическая безопасность.
Keywords: the power supply, the renewed energy sources, ecological safety.
УДК 697.245
Воронежский государственный
архитектурно - строительный университет
Д-р техн. наук, профессор, заведующий
кафедрой теплогазоснабжения
В.Н.Мелькумов
Канд. техн. наук, ст. преп. И.С. Кузнецов
инженер Р.H.Кузнецов
Россия, г.Воронеж, тел. 8(4732)71-53-21
e-mail: ilya.kuznetsov@gmail.com
The Voronezh State University of Architecture
and Construction
Dr.Sci.Tech., professor, head of department of
heat and gas supply V.N.Melkumov
Cand.Tech.Sci., senior lecturer I.S.Kuznetsov
engineer R.N. Kuznetsov
Russia, Voronezh, ph. 8 (4732) 71-53-21
e-mail: ilya.kuznetsov@gmail.com
В.Н.Мелькумов, И.С.Кузнецов, Р.Н.Кузнецов
МЕТОДИКА ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОГО МАРШРУТА ТРАССЫ ГАЗОПРОВОДА
НА ОСНОВЕ КАРТ СТОИМОСТИ ВЛИЯЮЩИХ ФАКТОРОВ
Рассмотрена математическая постановка задачи выбора оптимального маршрута
трассы газопровода с использованием многокритериальной оптимизации. Предложены
методы поиска оптимального маршрута трассы с использованием весовых коэффициентов
карт стоимости. Решена задача взвешивания поверхностей стоимости с использованием
экспертных и адаптивных методов.
V.N.Melkumov, I.S.Kuznetsov, R.N.Kuznetsov
CHOICE TECHNIQUE AN OPTIMAL GAS PIPELINE ROUTE BASED ON COST MAPS
OF INFLUENICNG FACTORS
A mathematical definition of a problem of selection of optimal route of gas pipeline
layout using multicriterion optimization has been considered. Methods of optimal route selection
using weight factors of cost maps have been proposed. A problem of weighting of cost surfaces
using expert methods and data driven methods has been solved.
Выбор маршрута газопровода представляет собой выбор оптимизированного по тем
или иным критериям соединения между двумя или более точками. Оптимизация маршрута
производится как итеративный процесс, в ходе которого взвешиваются и балансируются
87
различные факторы влияния, которые вызывают отклонение маршрута газопровода от
изначально выбранной линии прокладки [1]. Факторами, влияющими на маршрут прокладки
газопровода, являются перепады высот, доступность, дороги, окружающая среда, природные,
геологические и другие критерии.
Целью оптимизации маршрута прокладки газопровода является нахождение пути с
наименьшей стоимостью по итоговой поверхности стоимости. Целевая функция имеет вид:
С = ∑∑ w jV ij ,
i
(1)
j
где wj – весовой коэффициент j-й карты факторов;
Vij – значение i-го пространственного элемента на j-й карте влияющих факторов;
i принимает значения индексов пространственных элементов, из которых состоит маршрут.
Для построения итоговой поверхности стоимости, на базе которой будет
производиться расчет маршрута прокладки, необходимо определить факторы, влияющие на
маршрут прокладки и установить весовые коэффициенты факторов wj, которые определяют
степень влияния каждого фактора на маршрут. Нахождение оптимального соотношения
весовых коэффициентов факторов может сильно влиять на расчет итоговой поверхности
стоимости и конечный маршрут прокладки газопровода. Используя данные о влияющих
факторах, для каждого из них строится поверхность стоимости (см. рис. 1).
Рис 1. Карты стоимости, соответствующие факторам различных типов
Примерами точечных данных, на базе которых строятся поверхности стоимости,
могут служить инженерные сооружения, выходы скальных пород; примерами векторных
данных – дороги и реки; примерами данных, задаваемых зонами – населенные пункты,
заболоченная местность, коррозионная способность грунтов.
Кроме весовых коэффициентов факторов влияния, на создание итоговой поверхности
стоимости влияет и то, каким способом карты стоимости, соответствующие факторам
влияния, будут интегрированы в итоговую карту стоимости.
Определение весовых коэффициентов эмпирическим способом неэффективно, так как
один человек не может объективно оценить относительную важность влияющих факторов.
Для определения весовых коэффициентов предлагается использовать комбинацию данных,
полученных на базе методов, основывающихся на общих знаниях, и методов,
основывающихся на имеющихся данных. В качестве метода, основывающегося на общих
знаниях, предлагается использовать метод экспертных оценок. При применении метода
88
экспертных оценок оценка важности факторов подразделяется на две категории
параметризации: калибровку и взвешивание.
При калибровке происходит создание шкалы значений для оценки каждой карты
стоимости, соответствующей влияющему фактору. Для калибровки предлагается
использовать метод Дельфы [2]. Субъектами этого метода являются группы экспертов и
организационная группа. Метод по сути своей итеративен; оценка происходит не менее чем
за 3 этапа:
1. Участники высказывают свои мнения по поводу калибровки конкретных карт
факторов влияния;
2. Участники заполняют опросный лист, в котором предлагается оценить критерии;
3. Участники заново оценивают критерии, основываясь на статистическом резюме
опросных листов. Обсуждаются нетипичные мнения, ищется консенсус.
Для метода Дельфы ключевым моментом является составление опросного листа. Для
карт с непрерывными значениями экспертов просят указать диапазоны значений величин
элементов карты, соответствующие каждому из значений шкалы. Для карт с дискретными
значениями каждому из возможных значений карты присваивается значение из оценочной
шкалы. Одно и то же значение оценочной шкалы может быть присвоено различным
значениям карты, однако обязательно должны быть присвоены минимальное и максимальное
значения шкалы. И в случае непрерывной карты, и в случае дискретной карты, для каждого
вопроса рассчитываются медиана, среднее значение и стандартное отклонение.
Рассчитанные величины используются для оценки группового консенсуса и для определения
курса последующей дискуссии.
Взвешивание карт факторов предлагается производить с помощью метода
аналитической иерархии, который является системным методом сравнения критериев для
принятия решений. При этом производится резюмирование парных сравнений
относительной важности карт критериев. Результатом является набор весовых
коэффициентов для карт факторов, влияющих на прокладку газопровода.
В примере сравниваются четыре карты факторов влияния. При этом производятся
пять прямых сравнений. Эксперты независимо друг от друга выстраивают утверждения в
порядке истинности, а затем приписывают каждому утверждению относительный уровень
важности. За минимальное значением важности принимается 1, а за максимальное значение
– 9. Полученные данные построчно вносятся в матрицу важности. После заполнения
матрицы важности рассчитываются веса карт факторов (см. рис. 2).
Рис 2. Попарное сравнение факторов в методе аналитической иерархии для нахождения их весовых
коэффициентов
Веса карт факторов находятся посредством нормализации значений матрицы путем
деления каждого элемента матрицы на сумму значений столбца, в который входит этот
элемент. Относительные весовые коэффициенты получаются из построчной суммы
89
нормализованных ответов. Полученные коэффициенты делятся на наименьший из них для
получения шкалы. Относительные весовые коэффициенты для групп участников приводятся
к общей шкале и затем усредняются.
В качестве метода, основанного на анализе имеющихся данных, предлагается
использовать метод, использующий логарифмическую форму байесовской модели
вероятностей. Он применяется при расчете весовых коэффициентов карт влияния различных
факторов и при последующем создании апостериорных карт вероятностей. Суть метода в
том, что его обучение производится на основе уже спроектированного или построенного
газопровода. Путем нахождения корреляции между картами влияющих факторов и
имеющейся трассой прокладки газопровода находятся весовые коэффициенты, отражающие
относительную значимость каждой из карт влияющих факторов.
Если фактор с индексом i влияет на маршрут прокладки газопровода, то вероятность
прокладки газопровода с учетом этого фактора может быть выражена условной
вероятностью:
P( D | Bi ) =
P( D ∩ Bi )
P( Bi ∩ D)
= P( D)
,
P( Bi )
P( Bi )
(2)
где D – существующий газопровод; Bi – зона влияния i-го фактора.
Обратно:
P( D | B i ) = P( D)
P( B i ∩ D)
,
P( Bi )
где D – существующий газопровод;
Используя:
O( A) =
Bi
(3)
– дополнительная зона i-го фактора.
P ( A)
.
1 − P( A)
(4)
Получаем:
O( D | Bi ) = O( D)
P( Bi | D)
P( Bi | D)
(5)
и
O( D | B i ) = O( D)
P( B i | D)
.
P( B i | D)
(6)
Применяя натуральный логарифм к обеим частям уравнений (5) и (6), получаем:
ln(O( D | Bi )) = ln(O( D)) + W +
(7)
ln(O( D | Bi )) = ln(O( D)) + W − ,
(8)
и
где
⎛ P ( Bi | D ) ⎞
⎟,
W + = ln⎜⎜
⎟
P
(
B
|
D
)
i
⎝
⎠
⎛ P ( Bi | D ) ⎞
⎟.
W − = ln⎜⎜
⎟
P
(
B
|
D
)
i
⎝
⎠
(9)
(10)
W+ и W- - положительный и отрицательный весовые коэффициенты соответственно.
Для создания карт вероятностей необходимо рассчитать эти параметры для каждого
пространственного элемента выходной карты.
90
Соотношение
P( Bi | D)
P ( Bi | D )
- параметр необходимости, а соотношение
P( Bi | D)
P( B i | D)
параметр достаточности. Суть значений параметров необходимости и достаточности –
соответствие существующего газопровода и эффективных и дополнительных зон факторов,
влияющих на прокладку газопровода.
В итоге определяется величина зависимости:
C =| W + − W − |
(11)
Величина С показывает корреляцию между каждым критерием, влияющим на прокладку
газопровода, и существующим газопроводом. Впоследствии на базе нее рассчитываются
весовые коэффициенты карт факторов. При применении предложенного метода необходимо
учитывать то, что рассматриваемые факторы, влияющие на прокладку газопровода, должны
быть независимыми.
Для интеграции пространственных данных и карт факторов могут быть использованы
различные модели. Рассмотрим некоторые из них:
1. Булева модель.
В булевой модели входные карты интегрируются с использованием логических
операторов, таких как И, ИЛИ, исключающее ИЛИ и НЕТ. Несмотря на то, что булевы
операторы являются простыми и исключительно быстрыми при исполнении, для этой
модели характерен ряд проблем. Так как все входные карты факторов имеют один и тот же
вес, нет возможности ввести разные приоритеты для разных точек на карте. Эта модель
может применяться для карт ограничений, для которых характерно строгое задание
проходимости местности, однако для карт факторов влияния с различными весовыми
коэффициентами она неприменима.
2. Взвешенная модель
В этой модели карты факторов интегрируются с использованием следующего уравнения:
∑V w
=
∑w
ij
Vj
i
i
,
(12)
i
i
где wi – весовой коэффициент i-й карты факторов;
Vij – значение j-го пространственного элемента на i-й карте влияющих факторов;
Vj – итоговое значение j-го пространственного элемента на выходной карте.
При сравнении взвешенной и булевой моделей, несложно отметить, что взвешенная
модель обладает большей гибкостью и имеет возможность учитывать весовые
коэффициенты карт влияющих факторов и величину каждого пространственного элемента на
этих картах. С учетом указанных характеристик, эта модель использовалась при сравнении и
оценке моделей интеграции при расчете поверхности стоимости.
3. Модель с использованием нечеткой логики.
В модели с использованием нечеткой логики для интеграции карт факторов составляется
нечеткая карта. Значение каждого элемента нечеткой карты включает в себя относительную
значимость факторов и значения пространственных элементов карт факторов. Значение
элемента нечеткой карты представляют собой величину принадлежности к нечеткому
множеству [3]. Величина принадлежности к нечеткому множеству должна лежать в
диапазоне от 0 до 1. Однако на величину принадлежности не накладывается более никаких
ограничений. Эти величины обозначают степень принадлежности к множеству на базе
субъективных суждений; т.е. каждая величина представляет собой пригодность
пространственного элемента для прокладки газопровода, определенную на базе выбранных
критериев.
91
Для интеграции карт факторов применяются операции, такие как нечеткое И,
нечеткое ИЛИ, нечеткое произведение, нечеткая сумма и нечеткая γ.
Нечеткое И подобно обычным операциям в классической теории множеств:
μ A∩ B ( x) = min(μ A ( x), μ B ( x))
(13)
Операция нечеткого И выделяет минимальное значение в одном узле выходной карты
и создает карту консервативной оценки эффективных критериев. Эта операция используется,
когда существуют два или более факторов, которые могут помочь в решении задачи. Однако
эта операция обладает недостатками, такими как невозможность использования всех
эффективных факторов.
Нечеткое ИЛИ также подобно обычным операциям в классической теории множеств.
μ A∪ B ( x) = max(μ A ( x), μ B ( x))
(14)
Нечеткая операция ИЛИ выделяет максимальное значение в одном узле выходной
карты, формируя тем самым оптимистичную карту оценки эффективных критериев.
Нечеткий оператор ИЛИ используется, когда имеется достаточное количество
положительных факторов в рассматриваемой области.
При использовании нечеткой операции ИЛИ, так же как и при использовании
нечеткой операции И, в определении итоговой величины используется только один из
влияющих факторов, что неприемлемо.
Оператор нечеткого произведения умножает значения принадлежности карт
влияющих факторов и представляет значения на выходной карте. Таким образом, он имеет
уменьшающееся влияние на результаты и используется, когда входные карты факторов
ослабляют влияние друг друга.
n
μ = ∏ μi ,
(15)
i =1
где μ - значение элемента выходной карты;
μi - вес i-й карты факторов.
При использовании операции нечеткой суммы значения членства стремятся к 1, а
эффект влияния карт факторов друг на друга увеличивается. Благодаря этим свойствам, этот
оператор использовался при интеграции карт влияющих факторов и сравнивался с другими
нечеткими операторами.
n
μ = 1 − ∏ (1 − μ i ) ,
(16)
i =1
Нечеткая
произведения:
γ
определяется
n
⎛
⎞
μ = ⎜⎜1 − ∏ (1 − μ i ) ⎟⎟
⎝ i =1
⎠
γ
как
произведение
нечеткой
суммы
и
нечеткого
1− γ
⎛ n
⎞
⎜⎜ ∏ μ i ⎟⎟
⎝ i =1 ⎠
(17)
В уравнении (17) значение γ ограничено интервалом [0..1]. Определение подходящего
значения γ создает выходную карту, отражающую совокупность увеличивающих и
уменьшающих тенденций в операциях нечеткой суммы и нечеткого произведения. Варьируя
значения параметра γ в (17) и используя уравнения (15) и (16), можно добиться высокой
гибкости при интегрировании карт стоимости и учитывать индивидуальные особенности
влияющих факторов.
Как правило, методы, основанные на анализе данных, имеют меньшую погрешность,
чем методы экспертных оценок. Однако, поскольку обучение модели происходит на базе уже
существующего газопровода, возможно повторение ошибок, если таковые были допущены
при проектировании.
92
С помощью предложенных моделей взвешивания и интеграции из карт стоимости
влияющих факторов строится итоговая поверхность стоимости. По полученной поверхности
стоимости производится поиск оптимального маршрута прокладки газопровода. Для
нахождения оптимального маршрута применялся алгоритм Дейкстры [4]. Поскольку
поверхность стоимости рассчитывалась в дискретном виде, для использования этого
алгоритма была определена связность ячеек сетки в виде шаблона «ферзя», что позволяет
минимизировать целевую функцию.
В работе впервые осуществлено обобщение математической постановки задачи
выбора оптимальной трассы прокладки газопровода на основе многокритериальной
оптимизации. Разработаны методы, обеспечивающие необходимую детальность и точность
выбора оптимальной трассы при существенной неоднородности влияющих факторов.
Решена задача взвешивания поверхностей стоимости с использованием экспертных и
адаптивных методов. Использование современных математических методов позволило
решить задачу оптимизации трассы прокладки газопровода при ограниченных ресурсах.
Библиографический список
1. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы (проектирование и
строительство) /П.П. Бородавкин – М.: Недра, 1982.-384с.
2. Белешев С.Д. Математико-статистические методы экспертных оценок. – 2-е изд.,
перераб. и доп./С.Д. Белешев, Ф.Г. Гурвич – М.: Статистика, 1980.-263с.
3. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта/А.Н.
Аверкин, И.З. Батыршин, А.Ф. Блишун. Под ред. Д.А. Поспелова – М.: Наука, Гл. ред. физ.мат. лит., 1986.-312с.
4. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход./Н. Кристофидес –
М.:Мир, 1978.-432с.
The bibliographic list
1. Borodavkin P.P. Subterranean trunk pipelines (design and construction)/P.P. Borodavkin –
M.: Nedra, 1982.-384p.
2. Beleshev S.D. Mathematic and statistic methods of expert judgements. – 2nd edition,
revised and corrected /S.D. Beleshev, F.G. Gurvich – M.: Statistica, 1980.-263p.
3. Fuzzy sets in management and artificial intelligence models/A.N. Averkin, I.Z. Batyrshin,
A.F. Blishun. Edited by D.A. Pospelov – M.: Nauka, Gl. red. fiz.-mat. lit., 1986.-312p.
4. Christofides N. Graph theory - an Algorithmic Approach./N. Christofides – M.:Mir, 1978.432p.
Ключевые слова: трассы газопроводов, оптимальный маршрут прокладки
Keywords: gas pipeline layout, optimal route
93
УДК 697.245
The Voronezh State University of Architecture
and Construction
Dr.Sci.Tech., professor, head of department of
heat and gas supply V.N.Melkumov
Cand.Tech.Sci., senior lecturer I.S.Kuznetsov
engineer R.N. Kuznetsov
engineer A.A.Gorskih
Russia, Voronezh, ph. 8 (4732) 71-53-21
e-mail: ilya.kuznetsov@gmail.com
Воронежский государственный
архитектурно - строительный университет
Д-р техн. наук, профессор, заведующий
кафедрой теплогазоснабжения
В.Н.Мелькумов
Канд. техн. наук, ст. преп. И.С. Кузнецов
инженер Р.H.Кузнецов
инженер А.А. Горских,
Россия, г.Воронеж, тел. 8(4732)71-53-21
e-mail: ilya.kuznetsov@gmail.com
В.Н.Мелькумов, И.С. Кузнецов, Р.H.Кузнецов, А.А. Горских,
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ОПТИМИЗАЦИ И ТРАССИРОВКИ ТРУБОПРОВОДОВ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕНЕТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ
Разработан новый метод выбора оптимального маршрута прокладки газопровода на основе
теории генетических алгоритмов. Использование полученного метода позволяет выполнять
вариантное проектирование и обосновывать минимальный по стоимости маршрут прокладки
газопровода.
V.N.Melkumov, I.S.Kuznetsov, R.N.Kuznetsov, A.A.Gorskih
THE MODEL OF DEVELOPMENT OF A METHOD OF DETERMINING OPTIMAL GAS
PIPELINE ROUTE USING GENETIC ALGORITHMS
A new method of selection of optimal gas pipeline route using genetic algorithms has been
developed. Usage of derived method allows using variant engineering and justifying minimal cost gas
pipeline route.
Газоснабжение оказывает значительное влияние на развитие экономики регионов
Российской Федерации. Вместе с тем следует отметить, что стоимость прокладки
газопроводов непрерывно растет. В связи с этим все более существенное значение
приобретает разработка методов нахождения маршрутов прокладки газопроводов с
минимальной стоимостью.
Существующие в настоящее время способы оптимизации трасс прокладки
газопроводов методом кратных маршрутов ориентированы на работу с магистральными
газопроводами [1]. Вместе с тем для решения оптимизационных задач на графах в последнее
время получает все большее применение теория генетических алгоритмов [2].
Выбор маршрута газопровода представляет собой выбор оптимизированного по тем
или иным критериям соединения между двумя или более точками. Оптимизация маршрута
производится как итеративный процесс, в ходе которого взвешиваются и балансируются
различные факторы влияния, которые вызывают отклонение маршрута газопровода от
изначально выбранной линии прокладки [1]. Факторами, влияющими на маршрут прокладки
газопровода, являются перепады высот, доступность, дороги, окружающая среда, природные,
геологические и другие факторы.
Целью оптимизации маршрута прокладки газопровода является построение
поверхности стоимости и последующее нахождение пути с наименьшей стоимостью по
полученной поверхности. Целевая функция имеет вид:
94
С = ∑∑ w jVij
i
,
(1)
j
где wj – весовой коэффициент j-й карты факторов; Vij – значение i-го пространственного
элемента на j-й карте влияющих факторов; i принимает значения индексов
пространственных элементов, из которых состоит маршрут.
Поиск оптимальной трассы прокладки газопровода основывается на предположении о
достоверности и достаточности предоставленных исходных данных. Глубина проработки
исходных данных определяет точность прокладки трассы газопровода, однако временные и
финансовые затраты на проведение необходимых исследований приводят к тому, что не
всегда имеется возможность проработать данные в достаточной степени. Кроме того, при
поиске оптимального маршрута прокладки газопровода сложно с необходимой точностью
учесть все факторы, которые влияют на выбор маршрута [5]. Факторы могут иметь слишком
малую зону влияния или быть трудно формализуемыми. Поэтому после построения
поверхности стоимости и последующей обратной трассировки оптимального маршрута
газопровода могут последовать корректировки, производимые в ручном режиме. Для
удобства корректировки при трассировке маршрута следует предусмотреть расчет
дополнительных маршрутов прокладки газопровода, близких к оптимальным. Таким
образом, принятие решения при планировании прокладки газопровода зависит не только от
глобального оптимального решения, но и от предоставления целесообразных
альтернативных маршрутов, один из которых выбирается проектировщиками в ручном
режиме. Для нахождения альтернативных маршрутов предлагается использовать
генетические алгоритмы [2], являющиеся подмножеством эволюционных алгоритмов.
Рассмотрим функциональную структуру предлагаемого алгоритма поиска оптимальных
маршрутов прокладки газопровода более подробно:
1. Выбор представления данных
Каждый из векторов, представляющих возможное решение, представляет собой
последовательность целых неотрицательных чисел, каждое из которых является номером
ячейки, через которую проходит маршрут прокладки газопровода. Карта состоит из ячеек
прямоугольной формы, каждой из которых соответствует стоимость ее прохождения при
прокладке маршрута. Стоимость прохождения ячейки учитывает совокупность влияющих
факторов [4]. Номер соответствует координатам ячейки на растровой поверхности карты.
При этом длина вектора зависит от количества точек в пространстве поиска. Каждое
допустимое решение состоит из цепочки ячеек от начальной до конечной. Не допускается
дублирование номеров ячеек в пределах одного вектора решения, так как это может
привести к зацикливанию маршрута.
2. Выбор исходного набора потенциальных решений
Формирование исходного набора заключается в случайном выборе заданного количества
векторов. Исходный набор потенциальных решений формировался с помощью
эвристического алгоритма, который создавал потенциальные решения с учетом поверхности
стоимости.
3. Оценка эффективности каждого найденного решения
Оценка эффективности решений состоит в расчете функции оптимальности для каждого
потенциального решения. Для решения оптимизационной задачи требуется нахождения
максимума этой функции. В качестве функции оптимальности использовалась следующая
функция:
f(x)=
1
→ max ,
∑ Cнi
(2)
i
95
i
где i - номера ячеек маршрута; Cн - накопленная стоимость ячейки с номером i.
4. Критерий остановки
В качестве критерия остановки использовалась комбинация из ограничения на
максимальное время выполнения алгоритма и критерия схождения полученных решений.
5. Метод отбора
Отбор решений заключается в выборе векторов, которые будут участвовать в
последующей обработке с целью использования их на следующей итерации. В соответствии
с
вероятностями,
пропорциональными
относительной
эффективности
каждого
рассматриваемого решения, производится выборка векторов для дальнейшей обработки. В
качестве методики отбора использовался пропорциональный отбор. Вероятность отбора
потенциального решения с индексом i определялась как:
pi =
fi
N
∑ fj
,
(3)
j =1
где N – количество потенциальных решений; fi –эффективность решения с индексом i.
6. Применение операторов
Для применения операторов рекомбинации и вероятностного изменения создается
временное множество решений, состоящее из векторов, выбранных на этапе отбора решений.
6.1 Оператор рекомбинации
Для рекомбинации двух векторов-маршрутов различной длины необходимо, чтобы в
паре векторов было как минимум одно общее значение, не считая начальной и конечной
точки маршрута. Общее значение предлагается использовать в качестве точки
рекомбинации. Рассмотрим действие оператора рекомбинации на базе пары решений, см.
рис. 1.
Рис 1. Пара векторов перед действием оператора рекомбинации
Кроме начальной и конечной точек прокладки, обнаружена общая точка с индексом
55.
Для формирования результирующих векторов в рамках оператора рекомбинации
предлагается использовать метод одноточечного скрещивания. Пусть вектор A длины n
имеет вид (a1,a2,a3,…,an), а вектор B длины m имеет вид (b1,b2,b3,…,bm). Обозначим позицию
ячейки, являющегося точкой скрещивания в векторе A как l, а точку скрещивания в векторе B
как k. В результате действия метода одноточечного скрещивания будет получена следующая
пара векторов:
1) вектор A′ : (a1,a2,a3,…,al,bk+1,…,bm);
2) вектор B′ : (b1,b2,b3,…,bk,al+1,…,an).
96
В случае, когда элементы вектора представляют собой номера пространственных
элементов, а сам вектор представляет собой маршрут, действие оператора рекомбинации
может быть проиллюстрировано следующим примером:
Рис 2. Действие оператора рекомбинации со скрещиванием в одной точке
Точкой скрещивания выбрана общая ячейка с индексом 55. В результате действия
оператора получены следующие векторы:
A′ = (27,28,29,42,55,56,57,70), B′ = (27,39,52,65,54,55,67,79,80,81,82).
6.2 Оператор вероятностного изменения
Оператор вероятностного изменения используется для внесения случайных
изменений в потенциальные решения для достижения разнообразия множества решений, а
также для предотвращения преждевременной сходимости решений. Для применения
оператора вероятностного изменения к потенциальным решениям предлагается использовать
следующий алгоритм:
1. Каждому вектору в соответствие ставится случайное число pm, являющееся
вероятностью применения оператора изменения. pm принадлежит диапазону
[0..pmax], где pmax определяется по следующей формуле:
pmax =
1
,
L
(4)
где L – длина вектора.
2. Выбирается случайное число pгр, которое будет играть роль границы для
применения оператора изменения;
3. Оператор вероятностного изменения применяется только к тем векторам, для
которых выполняется соотношение pm < pгр.
В качестве самого оператора вероятностного изменения предлагается использовать
следующий метод:
1. Выбрать точку разрыва l в векторе A;
2. Проложить маршрут от точки разрыва до конечной точки маршрута и обозначить
проложенный маршрут как вектор D длины M;
3. Результатом является вектор A′ =(a1,a2,a3,...,al,d1,…dm), состоящий из элементов
исходного вектора на позициях [1..l] и из ячеек маршрута, полученного на шаге 2 на
позициях [l+1 .. l+M].
Второй шаг предложенного метода нуждается в уточнении. Поскольку оператор
вероятностного изменения рассматривается не как поиск оптимального решения, а как метод
внесения разнообразия в множество решений, предлагается на шаге 2 прокладывать
случайный маршрут, игнорирующий поверхность стоимости [3]. Приведем пример работы
оператора вероятностного изменения:
Исходный вектор A = (27,28,29,42,55,67,79,80,81,82).
Случайным образом выбирается элемент вектора, в котором будет находиться точка
разрыва. Пусть в качестве точки разрыва выбран элемент, соответствующий ячейке с
номером 55 (см. рис. 3а).
97
б)
а)
Рис. 3. Действие оператора вероятностного изменения: а) – выбор точки разрыва; б) – прокладка нового
маршрута
От ячейки 55 к конечной точке прокладывается маршрут (риc. 3б), состоящий из
следующих ячеек: 55, 56, 45, 46, 59, 71, 82.
В результате комбинирования исходного вектора и проложенного маршрута получен
вектор A′ = (28,28,29,42,55,56,45,46,59,71,82).
После выполнения условия остановки получено множество потенциальных решений,
близких к оптимальным (см. рис. 4).
Рис 4. Оптимальный маршрут и результат выполнения алгоритма с множеством решений из трех элементов: а)
- оптимальный маршрут; б,в) –альтернативные маршруты, близкие к оптимальному
Выводы
На основе теории генетических алгоритмов разработан новый метод выбора
оптимального маршрута прокладки трассы газопровода, адаптированный к особенностям
выбора маршрута прокладки трассы в условиях неполноты исходных данных. При помощи
разработанного алгоритма выбирается оптимальный маршрут и близкие к оптимальному
альтернативные маршруты. Принятие окончательного решения по определению трассы
газопровода принимается проектировщиком путем выбора из оптимального и
альтернативных маршрутов.
Использование полученных методов позволит повысить точность проектных
изысканий, шире внедрять в практику проектирования газопроводов вариантное
проектирование и в конечном итоге снизить стоимость прокладки газопроводов.
Библиографический список
1. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы (проектирование и
строительство) /П.П. Бородавкин – М.: Недра, 1982.-384с.
2. Курейчик В.М. Генетические алгоритмы и их применение – 2-е изд., доп./ В.М.
Курейчик – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002.-242с.
3. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход./Н. Кристофидес –
М.:Мир, 1978.-432с.
98
4. Мелькумов В.Н. Определение оптимального маршрута трассы газопровода на основе
карт стоимости влияющих факторов/ В.Н. Мелькумов, И.С. Кузнецов, Р.Н. Кузнецов//
Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура.-2009.-№1(13).- С.21-27.
5. Кузнецов С.Н. Управление надежностью газораспределительных сетей /С.Н.
Кузнецов, А.В. Черемисин// Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура.-2009.№1(13).- С.36-42.
The bibliographic list
1. Borodavkin P.P. Subterranean trunk pipelines (design and construction)/P.P. Borodavkin –
M.: Nedra, 1982.-384p.
2. Kureychik V.M. Genetic algorithms and their applications – 2nd ed., revised/ V.M.
Kureychik – Taganrog: Izd-vo TRTU, 2002.-242p.
3. Christofides N. Graph theory - an Algorithmic Approach./N. Christofides – M.:Mir, 1978.432p.
4. Melkumov V.N. Laying an optimal gas pipeline route based on cost maps of influenicng
factors/ V.N.Melkumov, I.S. Kuznetsov, R.N. Kuznetsov// Nauchniy Vestnik VGASU. Stroitelstvo
i arhitektura.-2009.-№1(13).- P.21-27.
5. Kuznetsov S.N. Management of reliability of gas distribution networks /S.N. Kuznetsov,
A.V. Cheremisin// Nauchniy Vestnik VGASU. Stroitelstvo i arhitektura.-2009.-№1(13).- P.36-42.
Ключевые слова: трассы газопроводов, оптимальный маршрут прокладки
Key words: gas pipeline layout, optimal route.
УДК 66:628.5
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Д-р техн. Наук, проф. Кафедры
теплогазоснабжения О.А. Сотникова
Соискатель кафедры теплогазоснабжения,
инж. С.И. Черенков
Россия г. Воронеж, e-mail: seramif@yandex.ru
The Voronezh State University of Architecture
and Construction
Dr.Sci.Tech., the prof. of chair of heat and
gas supply O.A.Sotnikova
The competitor of chair of heat and gas
supply, ing. S.I. Cherenkov
Russia Voronezh, e-mail: seramif@yandex.ru
О.А.Сотникова, C.И.Черенков
ОБОСНОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ СНИЖЕНИЯ
ИНТЕНСИВНОСТИ КОРРОЗИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОТЛОВ
ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
В статье рассматривается механизм развития коррозионных процессов поверхностей
котельного оборудования при различных условиях их протекания, а также способы снижения
интенсивности этих процессов.
S. I. Cherenkov, O. A. Sotnikova
SUBSTANTIATION OF PERSPECTIVE DIRECTIONS OF DECREASE IN INTENSITY
OF CORROSION OF HEAT EXCHANGE SURFACES OF THE BOILERS OF IS WARM
GENERATING INSTALLATIONS OF SYSTEMS OF HEAT SUPPLY
99
In this article is observed the mechanism of developing of corrosions processes of boiler
equipment’s surfaces under the different conditions of their behavior. Also, there are observed the ways
of decreasing of intensive of these processes.
Одной из основных проблем, определяющих эффективное функционирование систем
теплоснабжения, является надежное снабжение потребителя тепловой энергией. Система
теплоснабжения состоит из подсистем, объединяющих теплогенерирующие установки (ТЭЦ
и котельные установки), трубопроводные коммуникации, центральные и индивидуальные
тепловые пункты, теплоиспользующие установки потребителей. Надежность систем
теплоснабжения зависит от количества резервных элементов, схемы соединения, наличия,
уровня эксплуатации, а также, технического состояния и других факторов [1].
Наиболее проблематичным является отказ котельного оборудования и самих
теплогенерирующих установок (ТГУ). По данным исследовательского института энергетики
США 26% всех повреждений в котлах связано с коррозионными процессами труб. Даже в
тех случаях, когда данные процессы не приводят сами как таковые к аварии, то, зачастую,
являются одним из важнейших факторов, ускоряющих разрушения. Необходимым является
определение особенностей и возможностей нейтрализации причин интенсификации
коррозионных процессов.
Общие сведения о коррозионных процессах внутренних поверхностей котельного
оборудования
Во время прохождения теплоносителя по поверхностям нагрева котла меняется его
состояние, состав, скорость и давление. Нельзя забывать и о том, что во время рабочего
процесса вода (пар) может проходить деаэрирование и коррекцию качественного состава.
Основными факторами, влияющими на скорость образования отложений продуктов
коррозии железа, являются: давление, температура, концентрация железа, величина
теплового потока, значения рН, валентность железа, температура воды, а также наличие в
ней примесей.
Различают следующие виды электрохимической коррозии металлов применяемых в
котлостроении [2]: кислородную, кислотную, углекислотную, щелочную (каустическая
хрупкость) и, как исключение, можно выделить подшламовую – под действием агрессивных
агентов, скапливающихся на поверхности металла под слоем шлама [3].
Повышенная коррозионная активность теплоносителя определяется обычно
концентрацией водородных ионов, зависящей от температуры. Так, при 250 °С концентрация
в чистой воде в 23,7 раза больше, чем при 25 °С [4].
Щелочная коррозия, определяемая концентрацией щелочи (NaOH), особенно активно
протекает под слоем отложений (накипи и шлама). Толщина слоя накипи δн на внутренней
поверхности связана с температурой tст наружной обогреваемой поверхности стенки при
низких значениях теплопроводности слоя накипи λн следующей зависимостью (1) [4]:
⎛ 1 δн δм ⎞
⎟⎟ ,
(1)
t cn ≈ t ΡΤ + q⎜⎜
+
+
⎝ α 2 λн λ м ⎠
где tрт – температура воды; q – удельный тепловой поток на единицу поверхности
трубы; α2 – коэффициент внутренней теплоотдачи; δн, δм – соответственно, толщина слоя
накипи и металла трубы; λн, λм – теплопроводность накипи и стенки трубы.
При «упаривании» («хайд-ауте») существенно наличие соединений с отрицательным
коэффициентом растворимости. К ним относятся: Na2СO3, К2SO4 (после 300 0С), Na2SiO3
(уже после 50 0С), фосфат натрия Na3PO4 (растворимость, которого снижаться после 120 0С)
[5]. Твердую накипь образуют CaSiO3 и CaSO4. При накипеобразовании протекающем в
процессе выпаривания воды, происходит выпадение даже легкорастворимых солей
щелочных металлов К, Na и др.
100
При содержании железа в котловой воде порядка 0,5 мг/дм3 и тепловой нагрузке 300000
Вт/м скорость процесса достаточно высока и достигает 0,0027 мг/см2ч, что в пересчете на
оксиды железа соответствует 2,7 мг/см2 в месяц [6].
Поскольку количество железоокисных отложений, достаточных для разрушения трубы,
составляет 20-30 мг/см2 [4], то, следовательно, годовой период эксплуатации является
максимальной длительностью работы такой трубы до ее разрыва.
Также возможен такой вариант щелочной коррозии, как «коррозионная усталость» [5].
На интенсивность шламообразования и, как следствие, коррозионных процессов влияет ВХР.
Так, повышенное амминирование, необходимое при фактической реализации режима чисто
фосфатной щелочности, приводит к резкому повышению рыхлых отложений. При этом в
случае недостаточной концентрации аммиака (рН до 9,1±0,1) увеличивается скорость
коррозии стали, соприкасающейся как с водным теплоносителем, так и с конденсирующимся
паром.
Изменение рН теплоносителя влияет не только на коррозионные процессы, но и на
растворимость железооксидных пленок, находящихся на поверхности металла. Так, при
содержании в воде аммиака 0,45 мг/кг и менее (рН< 9,2) наблюдается резкое увеличение
растворимости магнетита при температуре около 150°С. Достаточно высокие скорости
растворения магнетита сохраняются и при температуре до 190°С. При содержании в воде 2
мг/кг аммиака (рН=9,5) растворимость магнетита мало зависит от температуры и во всем
исследованном интервале не превышает 4 мкг/кг.
Немалую роль играет такой вид коррозии, как водородное охрупчивание металла всех
внутренних поверхностей котельного оборудования. В парогенерирующих трубах при
недостаточной скорости воды [2], обусловленной зашламлением, накипеобразованием и
конструктивными особенностями котлов (малый угол наклона, горизонтальное
расположение труб), «ядерный» режим кипения может переходить в менее благоприятный «пленочный». Прямое следствие протекания пароводяной коррозии – появление в паре котла
молекулярного водорода.
При больших температурах и давлениях водород реагирует с углеродом, находящимся
в карбидах:
4Н+Fe3C = 3Fe + СН4.
В результате данной реакции протекает процесс экстрагивной коррозии, и сталь теряет
свои пластические свойства.
В бездействующих котлах и в случаях конденсации пара в относительно холодных
пароперегревателях может развиваться точечная коррозия под влиянием кислорода и
угольного ангидрида. [4].
На коррозионные процессы во всех видах котлов, вне зависимости от назначения,
конструкции, режима эксплуатации и состояния, влияет водно-химический режим (ВХР).
До сих пор в России одним из наиболее распространенных является гидразинаммиачный водно-химический режим (ГАВР). ГАВР реализуется дозированием в
питательную воду гидразингидрата и аммиака:
О2 + N2Н4 = 2Н2О + N2;
NН4ОН → NН4+ + ОН¯; Н2СО3 → Н+ + НСО3¯;
Н+ + ОН → Н2О; НСО3¯ + ОН¯ → СО32¯ + Н2О.
Одновременно содержание аммиака и его соединений в пересчете на NН3 должно быть
не более 500 мкг/кг, а избыток гидразина должен составлять от 30 до 100 мкг/кг.
В США и Японии нашел широкое распространение ВХР повышенного амминирования,
создаваемый дозированием в контур котла аммиака и работой конденсатоочистки в NH4-OHформе. Кроме вышеперечисленных существуют: комплексонный (разновидность ГАВР), с
дозированием эквивалентного (в зависимости от концентрации окислов железа и меди в
котловой воде) количества комплексонов (этилендиаминтетрауксусная кислота) и
2
101
кислородный ВХР, с дозированием кислорода в питательный тракт (применяется в
прямоточных котлах). Стоит отметить, что размер присадок химических реагентов во всех
случаях определяется на основании результатов систематических химанализов, что является
залогом правильной реализации ВХР.
Изменение интенсивности коррозии теплообменных поверхностей котлоагрегатов
1. В зависимости от места их расположения
Исследования показывают значительную разницу коррозии поверхностей нагрева
котлов в зависимости от их расположения в топке. Так, нижние радиационные части (НРЧ)
котлов наиболее подвержены подшламовой коррозии.
В результате анализа причин формирования железооксидных отложений в
теплообменных поверхностях водогрейных котлов (ВК) были выявлены следующие
особенности [6]:
- наибольшее количество отложений наблюдалось на нижней образующей верхних
змеевиков: 632,5 и 644 г/м2, на верхних образующих – 250 г/м2. Наименьшее количество
отложений обнаружилось на нижних образующих нижних секций – около 150-180 г/м2, при
этом доля рыхлых отложений составила 26-42% общей массы отложений. В верхних
теплонапряженных конвективных секциях доля рыхлых отложений составила 17-28%;
- большое количество отложений наблюдалось на нижних половинках разрезанных
труб верхних секций, то же можно отметить и для верхних половинок образцов труб нижних
секций. Причина этих различий обусловлена, в основном, влиянием различной плотности
теплового потока.
Особенности коррозии в подогревателях высокого давления (ПВД) во многом связаны
с повышенной скоростью среды в змеевиках. Для деаэрированных нейтральных вод
увеличение скорости среды от 0 до 8 м/с приводит к повышению скорости коррозии при
длительности испытаний 1000 ч с 23,8 до 79 мг/(мг-ч).
Снижение коррозионной активности достигается следующим:
а) применение кислорода, как пассиватора. При повышении концентрации от 200 до
500 мкг/кг скорость коррозии снижается с 79 до 5 мкг/(кг-ч) при скорости теплоносителя 8
м/с;
б) в условиях замкнутого цикла работы котлоагрегата новые методы
восстановительной термообработки (ВТО), в сочетании с кислотной отмывкой, могут
значительно снизить общее количество отложений, сохраняя при этом целостность оксидной
пленки. Это позволит понизить скорость в ПНД (за счет понижения общего сопротивления)
и существенно увеличить ресурс теплообменных поверхностей.
Общие положения, касающиеся котельной коррозии, в равной мере применимы и к
экономайзерам. При этом вода, проходящая через экономайзер, имеет, как правило, низкое
значение рН и не содержит химических ингибиторов. При этом иногда обработка котловой
воды осуществляется пропусканием части ее через экономайзер. Как следствие,
экономайзеры наиболее подвержены кислородной коррозии.
Условия работы ПНД во многом схожи с работой конденсатно-питательного тракта до
деаэратора, но при этом подогреватели низкого давления в немалой степени влияют на
выбор ВХР, так как могут выполняться как из сталей, так и из латуни и латунных сплавов.
2. В зависимости от значений теплонапряжений:
- в целом по теплообменным поверхностям котельного оборудования
Данные исследований паровых котлов [7] дают такие результаты скоростей коррозии:
на поверхности с тепловой нагрузкой 50000-60000 Вт/м2 – 0,15 мг/см2 в месяц;
на поверхности с тепловой нагрузкой 250000-350000 Вт/м2 – 2 мг/см2 в месяц.
Данная проблема наиболее актуальна для нижней радиационной части (НРЧ)
трубопроводов, застойных зон барабанов котлов и участков котельных трубопроводов с
низкой скоростью движения теплоносителя. Однако важна и концентрация железа, так при
102
показателях около 10 мкг/дм3 и тепловом потоке 50 кВт/м3 общее количество отложений
было примерно в 5 раз меньше, чем при тепловом потоке 300 кВт/м3;
- в отдельных зонах котла
Возрастание скорости коррозии наблюдается в экономайзерах, так как это первая
поверхность нагрева, пропускающая подпиточную воду и испытывающая высокие тепловые
нагрузки;
- в местах наиболее интенсивного испарения влаги
Пароперегревательные поверхности испытывают большие тепловые нагрузки, при
постоянной угрозе пережога змеевиков со стороны входа насыщенного пара. Это происходит
вследствие выноса частиц влаги и, как результат, накипеобразования.
С этим связана еще одна особенность паровых котлов: в них наиболее интенсивное
отложение солей происходит в той части испарительной зоны, в которой испаряются
последние капли влаги и начинается перегрев пара. В котлоагрегатах докритического
давления эта часть испарительной зоны по величине изменения энтальпии достаточно узка
(200-250 кДж/кг).
Положительные результаты возможны при следующих условиях:
а) при изменении схемы и использования перегревателей смешанного типа;
б) в условиях барабана котла:
- переход на ступенчатое испарение (введение чистого и солевого отсеков в тепловую
схему);
- поддержание щелочности среды фосфатированием;
- непрерывная «продувка», определяемая расчетом по соотношению (2):
a п .в . − a п
⋅ 100,
Р=
(2)
a к .в − 1,73( РО43− ) − a п.в
где aп.в, ак.в, ап – солесодержание питательной, продувочной (котловой) воды и пара,
мг/л; РО43- - содержание фосфатов в продувочной воде, мг/л; 1,73 – коэффициент пересчета
ионов РО43- на Na3PO4.
Расчет проводится на основании анализов состава котловой воды (солевого отсека в
случае присутствия его в конструктивной схеме);
в) в условиях теплообменных поверхностей (в особенности наиболее
теплонапряженных) как барабанных, так и прямоточных котлов, лучшие результаты
показывает применение нейтрального окислительного режима;
г) при соблюдении скоростей паровой смеси на выходе солевого отсека.
3. В зависимости от значений давления и температуры по длине конденсатнопитательного тракта
На участках конденсатного тракта, находящихся под разрежением, через неплотности в
соединениях присасывается атмосферный воздух. Обогащение диоксидом углерода
сопровождается смещением рН среды в кислую область и резким увеличением скорости
коррозии. Это существенно ухудшает условия работы конденсатопроводов до деаэратора.
Коррозия конденсатно-питательного тракта опасна не только тем, что повреждаются
поверхности оборудования, но и тем, что при этом питательная вода обогащается
продуктами коррозии. С увеличением их выноса усиливаются процессы подшламовой
коррозии и железооксидного накипеобразования в остальном оборудовании котлоагрегата.
В качестве методов снижения скорости коррозионных процессов теплообменных
поверхностей необходимо рассмотреть следующие:
а) свободный СО2 успешно связывается аммиаком;
б) положительные результаты возможны в случае:
- постоянной автоматической дозировки гидразингидрата для стабилизации его
концентрации после деаэратора;
103
- поддержания необходимой воздушной плотности конденсатного тракта,
позволяющей поддерживать содержание О2 не выше 30 мкг/кг (это в немалой степени
обеспечивается предотвращением локальной коррозии, свойственной латунным
подогревателям);
- в случае невозможности соблюдения пониженных концентраций кислорода, режим
амминирования необходимо проводить из расчета отсутствия свободного аммиака по воднопитательному тракту (не более 500 мкг/кг NH3);
- поддержанием высокого качества обессоленного конденсата, не допуская повышения
удельной электрической проводимости выше 0,3 мкСм/см и значение рН не ниже 7,3-7,5, а
также не допускать переохлаждения конденсата.
4. В зависимости от качественного состава воды
Определяющей является концентрация СО2 и Н¯. Результатом концентрации СО2 в
пределах 0,3 мг/кг становится понижение рН до 5,5-6,0. Повышение температуры
интенсифицирует данный процесс, так при 60-70 0С уже наблюдается недопустимая скорость
коррозии [8]. Данные явления свойственны регенеративным подогревателям питательной
воды, особенно при недостаточно эффективном удалении неконденсирующихся газов. При
этом комплексы Cu(NH3)4(OH)2 разлагаются в ПДВ с образованием менее растворимых
окислов, осаждающихся на поверхности трубок.
Методом повышения срока работы теплофикационного оборудования без остановов и
аварий может являться сочетание конструкций подогревателей (переход на сталь как
конструктивный материал) с правильным исполнением ВХР, что существенно снижает риск
серьезных коррозионных повреждений.
5. В зависимости от вида ВХР
Применение каждого вида ВХР зависит от типа, структуры, назначения и технического
состояния каждого котла. Реализация любого из них содержит и минусы, и плюсы.
Так, в случае реализации обычного ГАВР значение рН поддерживается в пределах 9,1 ±
0,1. При режиме повышенного амминирования значение рН доводится до 9,44-9,60.
Режим повышенного амминирования хорошо зарекомендовал себя не только при
постоянных, но и при переменных тепловых нагрузках (для схем с регенеративными ПНД из
углеродистой стали). Стоит, однако, отметить, что авторы не упоминают об отсутствии
проблем, присущих гидразийным режимам, вообще.
К основным недостаткам ГАВР можно отнести интенсивное образование
малотеплопроводных железоокисных отложений в НРЧ. Эта особенность приводит к
развитию подшламовой коррозии, а при наличии переменных термических напряжений –
всех видов щелочной коррозии.
При ГАВР слой отложений сравнительно однороден по составу и образован из
ферритов (Fе3О4) или МеFе2О4.
Положительные результаты могут дать следующие методы коррекции:
а) применение одной из разновидностей ГАВР, которым является комплексонный
водно-химический режим. При этом ВХР отложения характеризуются более плотной
упаковкой и, следовательно, большей теплопроводностью (в 2-3 раза) по сравнению с
обычным ГАВР;
б) избежание таких ошибок, как введение реагентов до деаэратора (в выгодную область
температур от 150 до 300 0С).
В настоящее время ВХР с дозированием кислорода внедрен на всех крупных
отечественных котельных с прямоточными котлами и практика доказывает его
эффективность.
При введении кислорода, до его концентрации от 200 до 500 мкг/дм3 в конденсате,
происходило значительное снижение содержания железа в питательной воде и паре (по
104
сравнению с ГАВР), соответственно с 8,2 до 3,3 мкг/дм3 и с 6,2-6,3 мкг/дм3 до 3,3-3,1
мкг/дм3.
При кислородном водно-химическом режиме слой отложений резко меняет природу и
происходит разделение на довольно плотную, с хорошим сцеплением между частицами,
верхнюю пленку и вязкий подслой, лежащий на металле (толщина наружного слоя 0,6-1,0
мкм, а внутреннего – примерно 0,5 мкм).
Разница состава и формы отложений наглядно показывает таблица экспериментальных
данных.
Таблица
Состав верхнего слоя отложений продуктов коррозии железа при различных ВХР
Водно – химический режим
АВР*
КАВР*
ВВР*
АВР+органика*
КАВР+органика*
Интенсивность отложений продуктов коррозии железа, 10-2 мг/см2ч
рыхлые
0,130
0,120
0,110
1,000
1,286
плотные
0,165
0,85
0,140
0,110
0,363
*Примечание: АВР – аммиачный водно-химический режим; КАВР – кислородноаммиачный водно-химический режим; ВВР – восстановительный водно-химический режим.
Здесь стоит обратить внимание на данные с учетом присутствия в котловой воде
органических примесей. Так, авторы [7] экспериментально доказали, что в присутствии
уксусной кислоты происходит растворение магнетита (Fe3O4) в соответствии со следующей
реакцией:
Fe3O4+2CH3COOH ↔Fe(CH3COO)2-nn+(2-n)CH3COO-+H2O+Fe2O3.
Эксперименты проводились при двух ВХР: аммиачном (АВР+органика) и кислородноаммиачном (КАВР+органика); концентрация органических примесей в воде перед
экспериментальным участком составила примерно 0.1 мг/мд3.
Результаты [7] показали, что в среднем, при аммиачном ВХР скорость коррозии
повысилась в 3.8 раза, а при кислородно-аммиачном – в 8 раз по сравнению с условиями
отсутствия органических примесей. Аналогичны результаты и для ТГУ с барабанными
котлами [9].
Переход от ГАВР к КВХР, при работе фильтров блочной обессоливающей установки в
NH4-форме, привел к снижению содержания железа в питательной воде с 4,6 до 1,0 мкг/дм3.
Отмечено, что при переходе к КВХР снизилось количество коррозионных повреждений в
ПВД.
Как условие эффективного применения ВХР и методов снижения коррозионной
активности следует учесть:
а) практически при любых условиях КВХР обеспечивает значительное увеличение
продолжительности срока безаварийной работы теплофикационного оборудования, при
условии строгого контроля содержания органических примесей во всем объеме
котлоагрегата. Можно предположить, что наиболее проблематичным будет выполнение
этого требования в условиях эксплуатации барабанных водогрейных котлов со
значительным сроком службы.
б) Значительное накопление шлама (при излишнем дозировании фосфатов или
невыполнении соотношения Na3PO4 и кислой соли Na2HPO4) в застойных зонах (например, в
торцах барабана) приводит к прикипанию шлама. Поэтому при фосфатировании следует
обеспечивать активное использование продувки и движение воды без застойных и
105
тупиковых зон в барабанах и коллекторах. Кроме того, целесообразно также снижение
жесткости питательной воды, например, ее глубоким умягчением.
Таким образом, подводя итоги вышеизложенному анализу причин коррозии
теплообменных поверхностей котельного оборудования, можно сказать, что:
1. При нормативных показателях качественного состава подпиточных вод и для
барабанных, и для прямоточных котлов систем теплоснабжения водно-химический режим с
дозированием кислорода в конденсатно-питательный тракт ТГУ показывает отличные
результаты, значительно увеличивая срок безаварийной работы оборудования, что
положительно сказывается на потребителях теплоты, как в экономическом плане, так и с
точки зрения надежности. Перспективны и требуют дальнейшего изучения возможные
сочетания вариантов химической водоподготовки и окислительного водно-химического
режима.
2. Кроме дальнейшего совершенствования кислородного водно-химического режима
следует отметить существование возможности применения новых вариантов
восстановительной термообработки в сочетании с отмывкой теплообменных поверхностей,
что также требует проведения дополнительного экспериментального обоснования в системах
теплоснабжения.
3. В случае невозможности реконструкции, модернизации или перехода от вариантов
гидразин-аммиачного водно-химического режима к режиму с дозированием кислорода
надежностный ресурс системы теплоснабжения могут повысить: пересмотр точек и объемов
дозирования реагентов в котловую воду или, как минимум, контроль излишнего
амминирования конденсата.
Библиографический список
1. Кузнецов Е.П., Кобышева Н.В., Дацюк Т.А., Мусийчук Ю.И., Васильев В.А.,
Голубева С.Е., Таратин В.А. Качество теплоснабжения городов / СПб.: ПИЭПК.- 2004.
2. Троянский Е.А. Металлы котлостроения и расчет прочности деталей паровых
котлов / Л.: Энергия.- 1994.
3. Акользин П.А. Коррозия металла паровых котлов / Л.: Энергия.- 1977.
4. Деев Л.В., Балахничев Н.А. Котельные установки и их обслуживание / М.: Высшая
школа.- 1990.
5. Голубцов В.А., Гурвич С.М., Кострикин Ю.М., Мамет А.П. Под ред. Голубцова В.А.
Справочник химика-энергетика / Л.: Энергия.- 1980.
6. Шицман М.Е., Зройчиков Н.А., Панченко Ф.В., Зройчикова Т.В. Анализ причин
формирования железооксидных отложений в теплообменных поверхностях водогрейных
котлов // Электрические станции.- 1998.- №4.
7. Макрушин В.В. Влияние водно-химических режимов на коррозию углеродистой
стали и образование отложений продуктов коррозии в тракте барабанных котлов //
Теплоэнергетика.- 2005.- №8.
8. Гусева М.И., Коршунов С.Н., Мартыненко Ю.В., Скорлупкина И.Д. Влияние
водорода на механические свойства металлов // Известия РАН. Серия физическая.- 2006.№6.
9. Dedekind I., Aspend D., Ken J. Oxygenated feed water treatment at the world’s largest
fossil power plant // Power plant chemistry.- 2001.- Volume 3, №11.
The bibliographic list
1. Kuznetsov Е.П., Kobysheva N.V., Datsjuk T.A., Musijchuk J.I., Vasilev V. A, Golubeva
S.E., Taratin V. A. Quality of a heat supply of cities // SPb.: ПИЭПК.- 2004.
106
2. Trojanskij E.A., Metals boiler-building calculation of durability of details of steam
coppers // Energy.- 1994.
3. Akolzin P. A, Corrosion of metal of steam coppers // the State power publishing house.1977.
4. Deev L.V., Balahnichev N.A. Boiler-house installations and their service//Moscow H. sc..1990.
5. Under edition Golubtsova V. A, Gurvicha S.M., Kostrikina J.M., Mameta A.P. The
directory of the chemist-power // the State power publishing house.- 1980.
6. Makrushin V.V. Influence of water-chemical modes on corrosion of a carbonaceous steel
and formation of adjournment of products of corrosion in a path of drum-type coppers // Heatpower plants.- 2005.- №8.
7. Shitsman M. E, Zrojchikov N.A., Panchenko F.V., Zrojchikova T.V. Analys of the
formation reasons iron-oxygen adjournment in heat-exchange surfaces of water-heating coppers of
thermal power station // Power plants.- 1998.- №4.
8. Gusev M. I, Korshunov S.N., Martynenko J.V., Scorlipkina I.D. Influence of hydrogen on
mechanical properties of metals // News of the Russian Academy of Sciences. A series physical,
2006.- №6.
9. Dedekind I., Aspend D., Ken J. Oxygenated feed water treatment at the world’s largest
fossil power plant // Power plant chemistry.- 2001.- Volume 3, №11.
Ключевые слова: интенсивность коррозии, теплогенерирующие установки, поверхность нагрева,
водно-химический режим
Keywords: intensity of corrosion, heat-generating installations, a heating surface, water -chemical mode
УДК 66:621.18
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Канд. техн. наук, ст. преподаватель кафедры
теплогазоснабжения Н.А. Петрикеева
Аспирант кафедры теплогазоснабжения
О.С. Цуканова
Студент Д.А. Письменный
Россия, г. Воронеж, тел. 8(4732)71-53-21
e-mail: vgasutgs@mail.ru
The Voronezh State University of Architecture
and Construction
Cand.Tech.Sci., the senior lecturer of faculty of
a heat and gas supply N.A. Petrikeeva
Postgraduate student of faculty of a heat and
gas supply O.S. Tsukanova
Student D.A. Pismenny
Russia, Voronezh, tel. 8(4732)71-53-21
e-mail: vgasutgs@mail.ru
Н.А. Петрикеева, О.С. Цуканова, Д.А. Письменный
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ КОНДЕНСАЦИИ
ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК
СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
В работе рассмотрены способы интенсификации процесса теплообмена при конденсации.
Показано, что использование теплоты конденсации продуктов сгорания в теплогенерирующих
установках является актуальной задачей. Рассмотрено теплообменное устройство,
использующее теплоту конденсации водяных паров дымовых газов при температуре выше точки
росы.
N.A. Petrikeeva, O.S. Tsukanova, D.A. Pismenny
PROCEDURE JUSTIFICATION HEAT OF CONDENSATION
107
THE PRODUCT OF SMOKE GASES OF HEAT- GENERATING PLANTS
OF HEAT SUPPLY
The present paper intensification the processes of heat of condensation. It is shown, that feature
using the heat condensation smoke gases in heat-generating plants is actual. Integration of the
differential equations obtained makes it posssible to get heat and structural parameters for calculating
pressurized heat-utiliters.
Повышение эффективности работы теплогенерирующих установок (ТГУ) систем
теплоснабжения за счет применения глубокой утилизации теплоты продуктов сгорания
является актуальной задачей, решение которой может быть достигнуто как в области
создания новых технических решений котельного оборудования, так и путем разработки
перспективных тепловых схем ТГУ.
Эффективность использования топлива в ТГУ главным образом определяется:
а) химической полнотой сгорания топлива (зависящей от остаточного содержания в
продуктах сгорания горючих компонентов);
б) физической теплотой продуктов сгорания (зависящей от температуры и степени
разбавления их избыточным воздухом).
При этом при оценке эффективности использования топлива на основе низшей теплоты
сгорания обычно не учитывается возможность использования теплоты конденсации
водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания. При подсчете на основе высшей
теплоты сгорания КПД котлов может быть доведен до 95-97 %, что соответствует примерно
105-107 % по отношению к низшей теплоте сгорания.
Работы по повышению эффективности использования топлива при его сжигании в
теплогенерирующих установках ведутся, в основном, по двум направлениям:
1.Оптимизация процесса сжигания.
2.Оптимизация использования ресурсов теплоты, содержащейся в продуктах сгорания.
Рассмотрение вопроса возможного снижения потерь теплоты с продуктами сгорания
начинают с тщательного изучения подробных тепловых балансов и условий теплообмена
между потоком продуктов сгорания и теплоносителем. При использовании теплоты
конденсации
водяного пара, находящегося в продуктах сгорания, эффективность
теплообмена повышается благодаря происходящему одновременно с ним процессу
массообмена. Количество теплоты, выделяющееся при конденсации водяного пара, может
составлять 9-12 % от низшей теплоты сгорания газа (меньшее значение относится к
сжиганию твердого топлива).
Полная энтальпия продуктов сгорания составляет значительную часть низшей теплоты
сгорания топлива, однако, для ее использования необходимо охладить продукты сгорания
до температур, меньших 50 - 60˚С (если их давление равно атмосферному). При этом
оптимальная минимально- допустимая температура охлаждения дымовых газов котлов
(например, при числе часов работы котельных около 7000 ч/год) составляет 38,5˚С [1].
Идея использования теплоты конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах
сгорания природного газа, была разработана впервые в нашей стране. Первые установки с
конденсацией водяного пара из продуктов сгорания были созданы в послевоенные годы и
положили начало целой серии разработок установок с конденсацией водяного пара из
продуктов сгорания. Эти работы продолжаются и в настоящее время Российским
государственным университетом нефти и газа им. И.М. Губкина, Научно-исследовательским
институтом санитарной техники и оборудования зданий и сооружений, Академией
коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова и рядом других организаций, промышленных
предприятий.
Тем не менее, в России конденсационные котлы и оборудование, использующее
скрытую теплоту конденсации водяных паров продуктов сгорания, не получили до сих пор
108
такого широкого распространения, как, например, в странах Европы. Это объясняется
причинами объективного и субъективного характера:
- более высокой стоимостью конденсационных моделей;
- отсутствием у потребителя стимулов экономии потребления топлива, достигаемого за
счет более высокого уровня энергосбережения.
Однако с ростом цен на традиционные энергоносители и введением более строгих
нормативов на вредные выбросы ТГУ установка более дорогого, но вместе с тем
высокоэффективного и экологичного котельного оборудования должна стать выгодной, что
может повысить спрос на конденсационные модели.
К сожалению, отечественные производители в силу ряда объективных причин сегодня
не готовы поставить на наш рынок подобную технику, которая могла бы быть
конкурентоспособной (хотя бы по ценовому диапазону). Поэтому в настоящее время сегмент
конденсационного
оборудования
представлен
главным
образом
иностранными
производителями.
При этом можно выделить:
а) специализированные водогрейные котлы с конденсацией водяного пара из продуктов
сгорания на поверхности нагрева, конструктивно объединенной с топочным устройством;
б) самостоятельные поверхностные экономайзеры с конденсацией водяного пара из
продуктов сгорания, присоединяемые к действующим водогрейным котлам.
Газовые котлы с конденсацией водяного пара из продуктов сгорания производятся в
Германии (Viessmann, Buderus, Vaillant, Junkers, Wolf), Италии (Ariston, Baxi, Ferroli и др.),
во Франции (De Ditrich), Нидерландах (Rendamax), Восточной Европе (Protherm, Чехия), а
также в Японии и Великобритании. Тепловая мощность котлов колеблется в весьма широких
пределах – от 6 до 274 кВт.
Как показано выше, использование теплоты конденсации водяного пара из продуктов
сгорания позволяет существенно повысить экономичность работы ТГУ. Процесс
теплообмена при конденсации, как и всякий процесс теплообмена, может быть
интенсифицирован. Существует три пути: создание развитой поверхности нагрева,
повышение скорости продуктов сгорания, повышение давления продуктов сгорания.
1. Создание развитой поверхности нагрева (например, применением оребренных труб).
Основным показателем, определяющим целесообразность использования материала
для изготовления поверхности нагрева в конденсационных котлах, является степень
коррозионной активности конденсата, выделяющегося из потока продуктов сгорания.
Качество и надежность работы любого водонагревателя обеспечивается правильным
режимом его работы.
Конденсат, образующийся при сжигании топлива, представляет собой слабую кислоту
рН = 3,5 - 4,5. Известно, что для рН < 7 коррозия имеет более равномерный характер и на
поверхности металла не образуются язвины.
Ряд исследований, посвященных специальному подбору материалов для
конденсационных поверхностей нагрева, в которых может возникать коррозия, позволил
обосновать использование для этой цели хромоникелевых сталей, сплавов Al c Mg, Mn или
Si. При этом отмечалось [2], что эффективным является применение поверхностей нагрева,
изготовленных из алюминиевых сплавов, так как они обладают более высоким
коэффициентом теплопроводности, чем поверхности нагрева, изготовленные из
хромоникелевых сталей (115 - 230 Вт/м/град). Однако скорость коррозии в поверхностях
нагрева, изготовленных из алюминия, выше, чем в теплообменниках из нержавеющей стали.
Кроме того, поверхность алюминиевых теплообменников в процессе эксплуатации требуется
периодически очищать от окислов, которые снижают эффективность процесса
теплопередачи. Следует также отметить, что конденсационные котлы, оборудованные
109
теплообменниками из нержавеющей стали, имеют более высокую стоимость, чем
аналогичное оборудование, оснащенное теплообменниками из альтернативных материалов.
Имеются данные о применении стеклянных трубок в качестве поверхностей нагрева
низкотемпературных утилизационных установок. На протяжении трех последних
десятилетий изготовлен и опробован целый ряд стеклянных трубчатых подогревателей.
Использование специальных коррозионно-стойких покрытий резко снижает скорость
коррозии, но также приводит к понижению тепловой эффективности утилизационных
установок – примерно на 5 %. Так, например, эмали А-32 и А-168, разработанные в
Государственном институте стекла, позволяют в 10-20 раз снизить скорость коррозии по
сравнению со сталью. Ввиду сложности обеспечения сплошности покрытия его выполняют с
двумя слоями кислотостойких эмалей, что ведет к увеличению капиталовложений.
Коррозионная стойкость образцов с эмалевым покрытием снижается за год в 3-4 раза, а
эмаль стареет и, как всякое стекло, обладает хрупкостью. Из лаковых покрытий наибольшей
стойкостью обладают термообработанные покрытия на основе бакелитового лака.
Высокой коррозионной стойкостью обладают стеклопластик, органическое стекло и
листовой фторопласт - 4 (политетрафторэтилен). Эти материалы надежно работают при
температуре до 250˚С и не теряют эластичности до 200 ˚С. Однако и эти материалы имеют
высокую стоимость. Кроме того, они трудно крепятся на защищаемой поверхности.
2. Повышение скорости продуктов сгорания.
Этот способ является относительно неэффективным и имеет ограниченные пределы
применения в связи с резким ростом аэродинамического сопротивления котла, высокими
шумовыми характеристиками.
3. Повышение давления продуктов сгорания.
В работе [3] приводятся данные по исследованию процесса теплообмена при
конденсации водяных паров из продуктов сгорания и сепарации капельной влаги при
повышенном давлении. В условиях проведенных экспериментальных исследований
конденсация водяных паров начиналась при температуре от 70 до 85°С, что превышает
соответствующую температуру точки росы в обычных условиях на 15 - 20°С. Доказано,
что благодаря высокой температуре начала конденсации водяных паров в
теплоутилизационных устройствах возможно эффективное использование теплоты
конденсации водяных паров продуктов сгорания для подогрева сетевой и питательной воды,
а с помощью влагоотделителей удавалось отделить от 70 до 80 % сконденсировавшихся
водяных паров.
Повышенное давление продуктов сгорания значительно интенсифицирует теплообмен
в теплоутилизационных устройствах. Полученные средние опытные значения коэффициента
теплопередачи продуктов сгорания в области температур выше точки росы менялись от 80
до 230 Вт/(м2 К), что в 3 - 3,5 раза превышает значения коэффициента теплопередачи для
аналогичных поверхностей нагрева котельных установок[4]. Экспериментом было
установлено, что наличие конденсирующихся водяных паров значительно интенсифицирует
теплообмен при охлаждении продуктов сгорания ниже температуры точки росы. Средние
значения коэффициента теплопередачи в зависимости от режима проведения опытов
менялись от 80 до 460 Вт/(м2 К), что также значительно превышает этот параметр в
аналогичных поверхностях нагрева котельных установок, в том числе для
децентрализованного теплоснабжения.
Особенностью работы напорной части теплоутилизатора является "глубокое" (по
сравнению с традиционными теплоэнергетическими установками) охлаждение продуктов
сгорания - до 20-30°С при повышенном промежуточном давлении (0,2 - 0,3 МПа) по газовой
стороне, благодаря чему значительно интенсифицируется теплообмен на поверхностях
нагрева, повышается температура точки росы продуктов сгорания и степень использования
110
теплоты конденсации водяных паров продуктов сгорания для подогрева питательной воды и
воды для системы горячего водоснабжения.
Значительная доля теплоты (до 20 %), основную часть которой составляет теплота
конденсации водяных паров продуктов сгорания, выделяется при сравнительно низких
температурах 20 – 80°С и передается при малых температурных напорах (по сравнению с
обычными поверхностями нагрева котельных агрегатов). Поэтому может создаться мнение о
развитии больших поверхностей нагрева для достижения столь "глубокого" охлаждения
продуктов сгорания. Однако следует учесть, что поверхности напорной части
теплоутилизатора работают под повышенным промежуточным давлением продуктов
сгорания. В зоне температур ниже точки росы, вследствие конденсации водяных паров из
продуктов сгорания, большая часть теплоты будет передаваться за счет скрытой теплоты
конденсации водяных паров на поверхностях теплообмена. Это позволяет значительно
интенсифицировать теплообмен в напорной части теплоутилизатора, что и приводит к
уменьшению поверхности нагрева.
а)
т. 1
4
1
2
А
3
5
Б
б)
6
3
Б
5
1
2
4
А
Рис.1. Двухступенчатый напорный теплоутилизатор: а) вид сверху; б) вертикальный разрез:
А - конденсационная напорная ступень; Б - безнапорная ступень; 1 - бесфитильные тепловые трубы;2 перфорированные пластины; 3 - дроссельное устройство; 4 - биметаллические бесфитильные тепловые трубы; 5
- кольцевые ребра; 6 – коллектор
На рис. 1 показан предлагаемый напорный теплоутилизатор (НТУ) с бесфитильными
тепловыми трубами и струйной поверхностью теплообмена. Каждый ряд бесфитильных
тепловых труб 1 имеет два ряда перфорированных пластин-ребер 2. Отверстия первого ряда
формируют струи, а во второй ряд происходит удар струй, интенсифицирующих тепло - и
111
массообмен на поверхностях теплоутилизатора. Давление греющей среды в
теплоутилизаторе, поддерживающееся с помощью компрессора, выше атмосферного,
поэтому на поверхностях нагрева тепловых труб и пластин происходит конденсация водяных
паров из парогазовой среды при температуре выше, чем температура точки росы,
соответствующая атмосферному давлению продуктов сгорания. Затем охлажденный газ
дросселируется в дроссельном устройстве 3, где его давление снижается до атмосферного,
после чего он подается на вторую ступень НТУ, в которой дополнительно утилизируется
теплота продуктов сгорания.
Чтобы исключить коррозию поверхностей нагрева второй ступени теплоутилизатора,
она выполнена из биметаллических тепловых труб.
Вторая ступень НТУ может быть как орошаемой, так и не орошаемой. В случае
использования орошения вторая ступень одновременно является также абсорбером. Если
вторая ступень выполнена орошаемой, то для улавливания уносимых капелек воды на
выходе из нее предусмотрена установка жалюзийного сепаратора. Для “подсушивания”
продуктов сгорания часть потока может быть направлена по байпасному газоходу, минуя
теплоутилизатор.
Выводы
Исходя из вышесказанного, можно заключить, что использование теплоты конденсации
продуктов сгорания в теплогенерирующих установках является актуальной задачей. Наличие
конденсирующихся водяных паров значительно интенсифицирует теплообмен при
охлаждении продуктов сгорания ниже температуры точки росы. Поверхности напорной
части теплоутилизатора работают под повышенным промежуточным давлением продуктов
сгорания. В зоне температур ниже точки росы, вследствие конденсации водяных паров из
продуктов сгорания, большая часть теплоты будет передаваться за счет скрытой теплоты
конденсации водяных паров на поверхностях теплообмена. Это позволяет значительно
интенсифицировать теплообмен в напорной части теплоутилизатора, что и приводит к
уменьшению поверхности нагрева.
Библиографический список
1. Бабенко Ю.А., Балюк Г.С., Дикий В.А. Выбор оптимальной температуры охлаждения
уходящих газов котлов, работающих на природном газе// Пром. энергетика. – 1995.- Т.1,
№10. - С. 30-32.
2. Jones W., Renz V. Concensation from a turbulent stream into a vertical surface. – Int. J.
Heat & Mass Transfer.
3. Берман Л.Д. Определение коэффициентов массотдачи и теплоотдачи при расчете
конденсации пара из парогазовой смеси// Теплоэнергетика. – 1982.- Т.1, №9. - С.52-55.
4. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 2001. –
439с.
The bibliographic list
1. Babenko J.A., Baljuk G. S, Wild V.A.Vybor of optimum temperature of cooling of leaving
gases of the coppers working on natural gas//Prom. power. – 1995. - Т.1, №10. - p. 30-32.
2. Jones W., Renz V. Concensation from a turbulent stream into a vertical surface. – Int. J.
Heat & Mass Transfer.
3. Berman L.D. Definition of factors of weights of return and heat of return at calculation of
condensation of steam from pairs of a gas mix//Power system. – 1982. - Т.1, №9. - p.52-55.4.
Isachenko V. P., Osipov V. A., Sukomel A.S. Heat transfer. М: Energy, 2001. – 439pp.
112
Ключевые слова: теплогенерирующие установки, конденсация, теплота конденсации, водяные пары,
утилизация, теплообмен, дымовые газы, точка росы.
Key words: heat-genrating plants, condensing vapours, heat of condensation, water vapor, recycling, heat,
smoke gases, a dew - point.
УДК 658.5
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Канд. техн. наук, доц. кафедры
теплогазоснабжения А.И. Колосов
Д-р техн. наук, проф. кафедры
теплогазоснабжения О.А. Сотникова
Канд. техн. наук, доц. кафедры
теплогазоснабжения Г.Н. Мартыненко
Россия, г.Воронеж, тел 8(4732) 71-53-21;
e-mail: vgasutgs@mail.ru
The Voronezh State University of Architecture
and Construction
Cand.Tech.Sci., the senior lecturer of faculty of
a heat and gas supply A.I. Kolosov
Dr.Sci.Tech., the professor of faculty of a heat
and gas supply O.A. Sotnikova
Cand.Tech.Sci., the senior lecturer of faculty a
heat and gas supply G.N. Martynenko
Russia, Voronezh, bodies 8(4732) 71-53-21;
e-mail: vgasutgs@mail.ru
А.И. Колосов, О.А. Сотникова, Г.Н. Мартыненко
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ПРОЧНОСТНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРУБОПРОВОДОВ СИСТЕМ ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ
В работе представлена методика экспериментального исследования изменения
прочностных характеристик трубопроводов инженерных систем теплогазоснабжения при
различных условиях эксплуатации.
A.I.Kolosov, O.A.Sotnikova, G.N.Martynenko
RESEARCH OF INFLUENCE OF CONDITIONS OF OPERATION ON
CHARACTERISTICS OF DURABILITY OF PIPELINES OF SYSTEMS OF A HEAT AND
GAS SUPPLY
In work the technique of an experimental research of change of characteristics of durability of
pipelines of engineering systems of a heat and gas supply is presented under various conditions of
operation.
Чтобы показать разрушающее влияние того или иного внешнего механического
воздействия на трубопроводы инженерных систем теплогазоснабжения необходимо
рассмотреть комплекс эксплуатационных факторов, действующих на элементы этих систем в
процессе эксплуатации, то есть необходимо разработать модель разрушений трубопроводов
при экстраординарных воздействиях.
Уже на стадии проектирования необходимо рассмотреть возможность возникновения
аварии и сделать все необходимое для того, чтобы избежать нарушения работоспособного
состояния систем теплогазоснабжения, либо быть готовым к ликвидации последствий и
устранениям разрушений в максимально короткие сроки.
Для реализации математической модели разрушений трубопроводов при внешних
и
механических воздействиях необходимо иметь данные об истинном пределе текучести σ ТЧ
трубопровода. Оценив это значение, мы сможем прогнозировать места разрушений
113
трубопроводов при воздействии дополнительных нагрузок, вследствие наступления
наводнения, землетрясения, террористических актов и т.п.
и
Значение σ ТЧ
материала трубопровода зависит от:
•
назначения трубопровода;
•
срока службы трубопровода;
•
способа прокладки трубопровода;
•
состояния изоляционного покрытия трубопровода;
•
типа грунта, в котором проложен трубопровод.
Значение истинного предела текучести трубопровода в конечном итоге можно
представить в виде
ик
σ ТЧ
=
σ ТЧ
·kгод·kпрокл·kизол,
γ
(1)
где σ ТЧ - предел текучести материала нового трубопровода [1,2,3,4];
γ – коэффициент запаса прочности;
kгод – коэффициент, зависящий от срока службы трубопровода;
kпрокл – коэффициент, зависящий от способа прокладки трубопровода;
kизол – коэффициент, зависящий от состояния изоляционного покрытия.
Очевидно, что значения любого из коэффициентов ki будут находиться в интервале
[0;+1].
Целью проведения экспериментальных исследование будет являться определение
ик
значения σ ТЧ .
Так как предел текучести является одной из характеристик материала, то испытания
целесообразно проводить на трубопроводах нескольких диаметров.
В связи с тем, что каждый испытываемый трубопровод выполнен из стали
определенной марки, а для возможности дальнейшего использования результатов
эксперимента на практике необходимы данные для труб, выполненных из различных марок
стали, необходимо ввести следующий коэффициент:
k год k грунт k прокл k изол
.
(2)
kо =
γ
Тогда
ик
σ ТЧ
= σ ТЧ · kо .
(3)
Значения kо не зависят от марки стали, из которой изготовлен данный трубопровод, а
зависят только от пяти вышеперечисленных параметров. Полученные в результате
экспериментальных исследований значения kо для определенной марки стали будут
справедливы и для других марок стали.
Срок службы испытываемых образцов труб и условия их прокладки принимаются в
соответствии с данными эксплуатирующих организаций.
Степень разрушения изоляции определяется на основании результатов экспертных
оценок по теории нечетких множеств. Для получения достоверных результатов таких оценок
необходимо подобрать рабочеспособный состав специалистов. Число экспертов должно быть
достаточным для того, чтобы они в совокупности могли учесть свойства поставленной
задачи и найти достаточно точное решение.
Введем относительные коэффициенты компетентности для каждого эксперта ki,
которые в сумме равны единице.
N
∑k
i =1
i
=1
114
(4)
Каждый из группы в N экспертов выносит свое решение по поводу степени разрушения
изоляции, исходя из результатов осмотра, личного опыта и т.п., после чего вычисляется
итоговое значение степени разрушения изоляции
N
Ср =
∑ Ср
i =1
i
⋅ ki ,
(5)
где Срi - значение степени разрушения изоляции, данное i-м экспертом;
ki - относительный коэффициент компетентности i-го эксперта.
1
3
2
Рис. 1. Общий вид испытательной машины ГМС-20:
1 – узел собственно машины ГМС-20; 2 – узел пульта управления; 3 – соединительные трубопроводы.
Проведение эксперимента включает испытание образцов труб на изгиб, с определением
ик
максимальных изгибающих моментов, вследствие чего вычисляются значения σ ТЧ .
Испытания на изгиб могут проводиться на различных испытательных машинах.
В качестве примера опишем универсальный контрольно-измерительный прибор типа
ГМС-20.
Общий вид установки представлен на рис.1. Она состоит из: Узла собственно машины;
2.
Узла пульта управления, включающего силоизмеритель (динамометр), насосную
установку, создающую рабочее усилие, и систему управления.
Собственно машина и пульт управления монтируются на фундаменте и соединяются
трубопроводами.
Машина ГМС-20 устроена по принципу гидравлического пресса.
При изгибе образца с симметричным поперечным сечением (трубопровод), как
показано на рис. 2, в одной из наружных зон возникают растягивающие, а в
противоположной – сжимающие напряжения. Напряжения увеличиваются по мере удаления
в обе стороны от нейтральной оси, так что самые высокие их значения приходятся на
наружные зоны. Если напряжения при этом достигают предела текучести, наступает
пластическое течение. В данном случае характеристики прочности и пластичности при
изгибе определяют при трехточечном изгибе, при котором наибольший изгибающий момент
возникает под влиянием сосредоточенной силы F в середине образца (рис. 3) [5] :
Металл является пластичным материалом, то есть, способен выдержать большие
пластические деформации, не разрушаясь.
Рис. 2. Распределение напряжений в симметричном поперечном сечении при изгибе образца:
1 – пластическая деформация; 2 – упругая деформация; 3 – нейтральная ось.
115
Ммах = F·L/4,
где L – расстояние между опорами.
(6)
F
F/2
F/2
Ммах=F⋅L/4
Рис. 3. Эпюра моментов при трехточечном изгибе
Условие прочности записывается следующим образом:
М мах
≤ R,
(7)
Wz
где Ммах – максимальный изгибающий момент;
R – максимально допустимое сопротивление. Для пластичного материала (сталь,
пластмасса и ее разновидности – пластичные материалы)
R=
σ ТЧ
,
γ
(8)
где σтч – предел текучести данного материала;
а)
в)
б)
Рис. 4. Последовательность проведения экспериментальных исследований предела текучести
трубопровода: а) подготовительный этап; б) начало испытания; в) процесс испытания
γ – коэффициент запаса прочности, γ > 1.
Wz – момент сопротивления поперечного сечения.
116
Iz
,
(9)
hмах
где hмах – расстояние от продольной оси до наиболее удаленного волокна,
hмах = Rн = Dн/2;
Iz – момент инерции поперечного сечения. Для сечения трубы
4
4
⎛ Dн ⎞
⎛ Dв ⎞
π⎜ ⎟ π⎜ ⎟
2 ⎠
2 ⎠
Iz = ⎝
.
(10)
− ⎝
4
4
Для трубы любого диаметра условие (1) можно записать в виде:
М мах σ ТЧ
≤
.
(11)
Wz
γ
Последовательность выполнения эксперимента схематично представлена на рис.4
Пределом текучести называют условное напряжение, при котором наблюдается рост
деформаций при постоянной нагрузке. В случае достижения напряжения предела текучести,
пластическое течение ведет к разрушению материала.
Из уравнения (6) и вышесказанного следует, что при экспериментальных
исследованиях результатом будет являться истинное значение предела текучести, равное
Wz =
ик
σ ТЧ
=
σ ТЧ М мах
=
, при достижении которого наступает процесс пластического течения.
γ
Wz
Это значение необходимо использовать при реализации модели разрушений
трубопроводов инженерных систем теплогазоснабжения, подвергающихся воздействию
внешних механических нагрузок.
Выводы
Таким образом, проведя ряд экспериментальных исследований по описанной выше
методике, можно получить аналитические зависимости прочностных характеристик
трубопроводов систем теплогазоснабжения от различных условий эксплуатации. Эти
зависимости могут быть использованы для определения масштабов аварий систем
теплогазоснабжения при различных внешних механических воздействиях.
Библиографический список
1. Колосов А.И., Сотникова О.А. Прогнозирование разрушений подземных
трубопроводов при экстраординарных воздействиях \\ Вестник ВГТУ, Том 1 №6.: Воронеж:
ВГТУ, 2005. с.101-109.
2. ГОСТ 10704-91. Трубы стальные электросварные прямошовные. Сортамент. –М.:
Издательство стандартов, 1993. -11с.
3. ГОСТ 10705-80. Трубы стальные электросварные. Технические условия. –М.:
Издательство стандартов, 1982. -11с.
4. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. -М.: Минстрой РФ, 1996. -27с.
5. Блюменауэр Х. Испытание материалов. Справочник. -М.: Металлургия, 1979. -447с.
117
The bibliographic list
1. Kolosov A.I., Sotnikova O.A. Forecasting of destructions of underground pipelines at
extraordinary influences \\ Bulletin VSТU, Volume 1 №6.: Voronezh: VSТU, 2005. p.101-109.
2. GOST 10704-91. Pipes steel electrowelded. An assortment.-М.: Standards Publishing
House, 1993.-11p.
3. GOST 10705-80. Pipes steel electrowelded. Specifications.-М.: Standards Publishing
House, 1982.-11p.
4. GOST 25100-95. Grounds. Classification.-М.: The ministry of construction the Russian
Federation, 1996.-27p.
5. Blumenauer H. Tests of materials. The directory.-М.: Metallurgy, 1979.-447p.
Ключевые слова: прочность, теплогазоснабжение, условия эксплуатации, внешнее механическое
воздействие
Keywords: durability, heat and gas supply, conditions of operation, external mechanical influence
УДК 696.2.002.26
Воронежский государственный
The Voronezh State University of Architecture
архитектурно-строительный университетand Construction
Канд. техн. наук, доц. кафедры
Cand.Tech.Sci., the senior lecturer of faculty of
теплогазоснабжения А.И. Колосов
a heat and gas supply A.I. Kolosov
Д-р техн. наук, проф. кафедры
Dr.Sci.Tech., the professor of faculty of a heat
теплогазоснабжения О.А. Сотникова
and gas supply O.A. Sotnikova
Канд. техн. наук, доц. кафедры
Cand.Tech.Sci., the senior lecturer of faculty
теплогазоснабжения Д.М. Чудинов
a heat and gas supply Д.М. Chudinov
Россия, г.Воронеж, тел 8(4732) 71-53-21; Russia, Voronezh, bodies 8(4732) 71-53-21;
e-mail: vgasutgs@mail.ru
e-mail: vgasutgs@mail.ru
А.И. Колосов, О.А. Сотникова, Д.М. Чудинов
ЛИКВИДАЦИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙ НА ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМАХ
ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ
Инженерные системы теплогазоснабжения необходимы для обеспечения процессов
жизнедеятельности человека на земле. Нарушение работоспособного состояния таких систем
влечет за собой массу последствий, связанных со значительными материальными, трудовыми
и иными затратами. Не исключена даже гибель людей. Для ликвидации последствий и
восстановления повреждений необходима четкая координация действий аварийновосстановительных и эксплуатирующих служб.
A.I.Kolosov, O.A. Sotnikova, D.M.Chudinov
LIQUIDATION OF CONSEQUENCES OF FAILURES ON ENGINEERING
SYSTEMS OF A HEAT AND GAS SUPPLY
Engineering systems of a heat and gas supply are necessary for maintenance of processes of
ability to live of the person on the ground. Infringement of an efficient condition of such systems
entails weight of the consequences connected with significant material, labour and other expenses.
The destruction of people is not excluded even. Precise coordination of actions of under abnormal
118
condition-regenerative and maintaining services is necessary for liquidation of consequences and
restoration of damages.
Каждая чрезвычайная ситуация (далее ЧС) имеет свои особенности и конкретный
механизм формирования (наводнение, землетрясение, террористический акт и т.п.) [1,2,3].
В основе оптимального управления действием аварийно-восстановительных служб
лежит наиболее рациональная стратегия деятельности диспетчерского персонала, которая
позволяет на протяжении всего времени следить за ходом процесса восстановления и
распределять ограниченные материально-технические ресурсы с учетом изменений
параметров во времени.
В ходе ликвидации последствий аврий диспетчер решает следующие задачи:
1. Выявляет места и объемы разрушений либо с помощью ранее произведенных
расчетов на ЭВМ на различные параметры разрушающих воздействий ЧС, либо с
помощью расчетов в ходе развития ЧС.
2. Производит сбор данных о дальнейшем развитии ЧС.
3. Оценивает среднюю продолжительность ликвидации последствий аварий.
4. Оценивает величины затрат на снижение рисков: техногенного,
экологического, экономического и т.п.
5. Выявляет несколько вариантов действий, прорабатывает их и выбирает
наиболее оптимальный.
6. Корректирует диспетчерский график, либо составляет новый с учетом
вышеизложенных параметров
Чем меньше времени диспетчер затратит на решение этих задач, тем быстрее вступят в
действие аварийно-восстановительные службы, тем эффективнее будет их работа, тем менее
будет риск дальнейшего развития аварии и нанесения большего ущерба, тем менее будет
риск гибели людей, тем меньшими будут материально-технические затраты.
Принятие обоснованного решения – трудоемкая и сложная параметрическая задача,
поэтому диспетчер должен обладать достаточными знаниями и опытом, уметь принимать
решения в сложных ситуациях за короткий интервал времени.
Снизить это время можно:
1. За счет правильного и своевременного прогнозирования ЧС и получения
данных о ходе ее развития. Этого можно достичь либо с помощью обработки
статистических данных, либо с помощью современных средств наблюдения, либо с
помощью ранее разработанных отечественными и зарубежными учеными моделей.
2. Путем заранее произведенных расчетов, которые позволяют выявить места и
объемы разрушений инженерных систем теплогазоснабжения с достаточной
точностью и при различных динамических и механических воздействиях, вызванных
ЧС.
3. С помощью предварительно выполненных расчетов (по п. 2) оценить величины
затрат, среднюю продолжительность аварии и выбрать наиболее оптимальный вариант
действий при ликвидации последствий аварий, в том числе с учетом различных
вариантов развития событий.
4. С помощью заранее подготовленной схемы и графика движения материальнотехнических ресурсов.
Выполнение этих мероприятий позволит диспетчеру только следить за соответствием и
ходом выполнения работ, а также вносить необходимые коррективы.
Чтобы определить разрушающее воздействие того или иного стихийного бедствия, а
также выявить места разрушений элементов инженерных систем теплогазоснабжения,
необходимо также рассмотреть деградационные факторы, влияющие на системы в процессе
эксплуатации. Развитие этих процессов приводит к изменению исходного состояния
элементов рассматриваемых систем в целом.
119
Изменения исходного состояния элементов систем является основой, на которой
формируются изменения функциональных параметров. Изменения функциональных
параметров не вызывают нарушения работоспособного состояния до тех пор, пока эти
изменения не достигнут предельно допустимого уровня. Схема изменения состояния
системы представлена на рисунке.
При известных местах и объемах разрушений инженерных систем теплогазоснабжения
задача сводится к организации управления деятельностью восстановительных служб с целью
ликвидации последствий разрушений при минимальных затратах в максимально короткие
сроки.
Задача организации управления представляет собой сложную проблему, которая
требует для своего решения учета всех экономических и социальных факторов, а также
изменения аварии во времени.
Модель, которая должна быть реализована для решения задачи, представляет собой
процесс распределения ограниченных материальных ресурсов, предназначенных для
ликвидации последствий, воздействию которых может быть подвержено население и
окружающая среда [4,5].
Управляющими величинами в данном случае являются значения затрат материальнотехнических ресурсов на локализацию и ликвидацию последствий аварий. В качестве
управляющих переменных выступают величины затрат Змт на снижение соответствующих
рисков и управление осуществляется в оптимальных интервалах, сводящих к минимуму
последствия.
Оцениваем среднюю продолжительность ликвидации аварии Пл в момент времени t
при имеющихся материально-технических ресурсах М(t) и характеризующихся различными
видами опасностей: Ртг – техногенный риск; Рэкн – экономический риск; Рэкл – экологический
риск.
ПЛ = ПЛ (Р| М, t) = ПЛ (Ртг, Рэкн, Рэкл | ЗМТтг, ЗМТэкн, ЗМТэкл, t).
(1)
Условие оптимальности выполняется за счет оптимального распределения
ограниченных средств (М(t)).
Оптимальное значение затрат, обеспечивающее максимальное сокращение
продолжительности ликвидации последствий с заданными материально-техническими
ресурсами, можно оценить следующим образом:
∂
∂М
[ПЛ(Р | М, t)] =0, при М = cоnst.
(2)
экстраординарные
воздействия
Система теплогазоснабжения с
нарушенным
работоспособным
состоянием или
неработоспособным
состоянием
экстраординарные
воздействия
Материальные
затраты
деградационные
процессы
Система теплогазоснабжения
с измененным
исходным
состоянием
Трудовые
затраты
Система теплогазоснабжения
Система теплогазоснабжения с
измененным исходным
состоянием, но не
нарушенным
работоспособным
состоянием
Рис. Схема изменения состояния системы жизнеобеспечения при воздействии различных факторов
120
М = ЗМТтг +ЗМТэкн+ЗМТэкл+…..+ЗМТpn.
(3)
Решение (1-3) можно представить в виде
Пл = ПЛmin + Δ ПЛ (Ртг, Рэкн, Рэкл …. | М, t),
(4)
где ПЛmin – продолжительность ликвидации аварии в случае, если имеются все
требуемые материально-технические ресурсы;
Δ ПЛ – увеличение продолжительности ликвидации последствий аварий при
недостатке М.
При известных величинах затрат на снижение соответствующих рисков задача
сводится к оптимальному и качественному распределению должностных обязанностей
между соответствующими службами по ликвидации последствий аварий.
Процесс возникновения аварии может быть представлен графом причинноследственных связей событий (инициированных исходным чрезвычайным событием),
которые с достаточно высоким уровнем вероятности произойдут на структурных единицах в
случае отсутствия противодействия возникшей аварии. В процессе построения графа
определяется полное множество возможных событий, связанных с техногенными авариями;
причинно-следственные связи между ними; подмножества событий, образующих цепи;
оценивается ожидаемое время их появления, а также требуемые объемы ресурсов
(материально-технических, трудовых), необходимых для предотвращения возникновения
конечных событий, связанных с ожидаемыми ущербами и потерями [6].
Вершинами Si, i ∈ Z, графа G = (S, В) являются реализующиеся события. Дугами В –
причинно-следственные связи (отношения), как в сетевых моделях с узлами – событиями.
Исходных событий может быть несколько, что отражает возможность одновременного
воздействия нескольких факторов.
Каждое событие в графе причинно-следственных связей задается его текстовым
описанием, с указанием параметров, определяющих степень его влияния на последующее
развитие обстановки: степень разрушений элементов инженерных систем, конструкций
оборудования; мощность, площадь, и объем разрушений; количество выделившихся
вредностей и т.д.
Параметры порожденных событий должны быть определены с учетом существующих
или вновь разработанных методик расчета. Эксперты должны спрогнозировать развитие
аварии применительно к двум случаям:
1.
Когда порождается возможное число событий с наиболее
неблагоприятными параметрами.
2.
Когда основные параметры усредняются исходной ситуацией
(локальный сценарий развития аварии).
Дугам графа приписываются времена ti,j, необходимые для реализации причинноследственных связей (i, j) и ресурсы Мкij, к = 1,…,к, необходимые для полного
предотвращения ЧС за время Пл min i j. Могут быть введены вероятности Вi j реал реализации
связей.
Введем необходимые значения и переменные:
Мкij – количество ресурса к – го типа, необходимое для блокировки дуги (i, j), к =
1,..., к; i ≠ j;
Uj, Vj – соответственно объем ущерба и потерь, связанных с наступлением события Sj;
Vij = ∑ Vi / j / - суммарная эффективность по предотвращаемым потерям
блокировки дуги (i j), (i/ j/) ∈ Di j,
где Di j – множество дуг, порождаемых дугой (i, j);
121
(i, j).
Ui j – суммарная эффективность по предотвращаемым ущербам блокировки дуги
Rk, к = 1,…, к – общее число имеющихся бригад к –го типа;
⎧0,
если дуга (i, j) не блокируется
Хi j = ⎨
⎩1, если дуга (i, j) блокируется.
Для формирования графа причинно-следственных связей необходимо выполнить
следующие действия:
1. Для каждого события Sik ∈ S графа G определяется: время наступления, ожидаемые
ущербы, потери.
2. Осуществляется упорядочение элементов множества конечных событий по размерам
ущербов и потерь.
3. Определяются пути, ведущие к конечным событиям и подмножества событий, им
предшествующие.
4. Для каждой дуги определяется подмножество конечных событий, наступление
которых будет блокировано в случае успешного противодействия развитию причинноследственной связи между чрезвычайными событиями.
5. Каждой дуге графа присваивается эффективность ее «разрыва».
6. Дуги графа G упорядочиваются по величинам ущерба, предотвращаемого при
«разрыве».
7. Выделяется подмножество S/ ∈ S событий графа G, наступление которых не может
быть предотвращено существующими средствами, вследствие внезапного проявления
последствий предшествующих событий.
8. Дугам Si ∈ S/ присваивается Мi j = ∞ .
9. Формируются цепи альтернативных возможных блокировок. Целесообразно
блокировать только одну из дуг.
10. Среди множества конечных событий выделяется подмножество событий,
наступление которых крайне нежелательно.
11. Для каждого события SiП формируется множество дуг Вjф, альтернативная
блокировка которых ведет к предотвращению наступления события SiП.
Стратегическое планирование заключается в распределении имеющихся и
перебрасывающихся извне ресурсов для проведения аварийно-восстановительных, а также
спасательных работ в максимально короткие сроки и с целью снижения ожидаемых потерь и
ущербов. Наиболее опасные направления определяются путем выбора дуг в графе G,
действие которых будет заблокировано вследствие выражения Мki j, к = 1, …, к и проведения
соответствующих работ.
Задача сводится к определению оптимальной конечной структуры графа G по
заданному критерию эффективности с учетом ограничений. Необходимо выделение
подграфа G = (SП, ВП), обеспечивающего экстремум выбранного показателя эффективности
с учетом ресурсных, стоимостных, структурных и других ограничений.
Оптимизация заключается в оптимальном распределении ресурсов по дугам графа G =
(S, В). С целью полной блокировки действия соответствующих им причинно-следственных
связей.
Задача оптимизации выбора стратегического плана ответных действий формируется
следующим абзацем:
I
max
I
∑ ∑ Vij x ij
i = 0 j = i +1
при ограничениях:
- на имеющееся ограниченное число бригад к –го типа
122
(5)
∑ M ijk x ij ≤ R k , к = 1,…,к;
(6)
(i, j)∈D
- на объем максимально допустимого ущерба
I
I
∑ ∑ U ij x ij ≤ uо ;
(7)
i = 0 j = i +1
- на единственность блокировки в цепи возможных блокировок
∑ x ij = 1 ;
(8)
(i, j)∈D
- на минимизацию (по возможности) продолжительности ликвидации Пл ijк →
min.
Решение этой задачи позволяет выбрать стратегический план действий при
возникновении и развитии ЧС природного и техногенного характера.
В зависимости от типа ЧС, в качестве целевых функций предлагается использовать:
возможные людские потери
I
Vo =
I
∑ ∑ v ij x ij ,
(9)
i = 0 j = i +1
где vij – людские потери от развития аварии в соответствии с дугой (i, j);
возможный ущерб
I
Uo =
I
∑ ∑ u ij x ij ,
(10)
i = 0 j = i +1
где ui j – ущерб, выраженный стоимостью материальных ценностей, разрушаемых
при возможном развитии событий в соответствии с дугой (i, j).
Общие затраты при реализации мер, направленных на предупреждение аварий
I
Цо =
I
∑ ∑ ц ij x ij ,
(11)
i = 0 j = i +1
где цi j – затраты для проведения мероприятий по блокированию дуги.
Возможна постановка задач оптимизации плана проведения мероприятий по
предупреждению аварий с использованием целевых функций (9-11).
Для успешной ликвидации последствий аварий необходимо, чтобы силы и средства
всех видов, размещенных по всем пунктам дислокации, были не меньше сил и средств,
требуемых для ликвидации аварий, то есть
F
I
f =1
i =1
∑ rfk ≥ ∑ R ki , к = 1,…, к .
Количество, состав и размещение сил и средств ликвидации последствий ЧС можно
представить матрицей
А = А f k , к = 1,…, к .
Выводы
Таким образом, поскольку на практике решение задач управления деятельностью
аварийно-восстановительных бригад оценивается с различных точек зрения (с учетом
физических, технических, экономических и др. аспектов), в данной статье предложена
модель оптимизации принятия решений при возникновении аварий на системах
123
теплогазоснабжения. Это позволит снизить продолжительность ликвидации последствий
аварий, связанные с ними различного рода затраты, и гибель людей.
Библиографический список
1.
Иванов А.И., Рыбкин Г.И. Поражающее действие ядерного взрыва. -.: Воениздат,
1960.
2. Колосов А.И., Сотникова О.А. Анализ геологических характеристик района при
моделировании воздействий наводнений на системы инженерного обеспечения \\ Вестник
ВГТУ серия «Системы и средства безопасности в чрезвычайных ситуациях» Выпуск 10.1:
Воронеж: ВГТУ, 2004. с.71-74.
3. Колосов А.И. Разработка модели восстановления систем инженерного обеспечения
при экстраординарных воздействиях \\ Вестник ВГТУ серия «Системы и средства
безопасности в чрезвычайных ситуациях» Выпуск 10.1: Воронеж: ВГТУ, 2004. с.44-47.
4. Вопросы анализа и процедуры принятия решений. – М.: Мир, 1976.
5. Джоффрион А., Дайер Д., Файнберг Б. Решение задач оптимизации при многих
критериях на основе человеко-машинных процедур. – В кн.: Вопросы анализа и процедуры
принятия решений. М.: Мир, 1976.
6. Бурков В.Н., Данаев Б., Еналеев А.К., Кондратьев В.В., Нанева Т.Б., Щепкин А.В.
Большие системы: моделирование организационных механизмов. - М.: Наука, 1989.
The bibliographic list
1.
Ivanov A.I., Rybkin G.I. Amaz action of nuclear explosion.-.: Military publishing house,
1960.
2. Kolosov A.I., Sotnikova O.A. Analys of geological characteristics of area at modelling
influences of flooding on systems of engineering maintenance \\ Bulletin VSТU a series « Systems
and means of safety in extreme situations » Release 10.1: Voronezh: VSТU, 2004. p.71-74.
3. Kolosov A.I. Development of model of restoration of systems of engineering
maintenance at extraordinary influences \\ Bulletin VSТU a series « Systems and means of safety in
extreme situations » Release 10.1: Voronezh: VSТU, 2004. p.44-47.
4. Questions of the analysis and procedure of decision-making. - М.: the World, 1976.
5. Dgoffrion A., Daier D., Fainberg B. Reshenie of problems of optimization at many
criteria on the basis of people-machine procedures. - in book.: Questions of the analysis and
procedure of decision-making. М.: the World, 1976.
6. Burkov V.N., Danaev B., Enaleev A.K., Kondratev V.V., Naneva T.B., Schepkin A.V.
Great of system: modelling of organizational mechanisms. - М.: the Science, 1989.
Ключевые слова: система теплогазоснабжения, чрезвычайная ситуация, наводнение, землетрясение,
террористический акт.
Keywords: system of a heat and gas supply, an extreme situation, flooding, earthquake, act of terrorism.
124
УДК 697.94
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Аспирант кафедры теплогазоснабжения
А.С.Бабич
Магистрант кафедры теплогазоснабжения
М.А.Кирнова
Магистрант кафедры организация
строительства, экспертизы и управления
недвижимостью
К.Н.Сотникова
Россия, г.Воронеж, тел.(4732) 71-53-21
e-mail: Teploset@ymail.com
The Voronezh State University of Architecture
and Construction
Post-graduate of department heat and gas
supply A.S.Babich
Post-graduate of department heat and gas
supply M.A.Kirnova
Post-graduate of department the organisation of
building, examination and management of the
real estate K.N.Sotnikova
Russia, Voronezh, tel.(4732) 71-53-21
e-mail: Teploset@ymail.com
А.С.Бабич, М.А.Кирнова, К.Н.Сотникова
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОПТИМИЗАЦИИ РАСХОДА ТОПЛИВА
ИСТОЧНИКОМ ТЕПЛОТЫ
Статья посвящена созданию программно-вычислительного блока по минимизации
расхода топлива источником теплоты.
A.S.Babich, M.A.Kirnova, K.N.Sotnikova
DEVELOPMENT OF ALGORITHM OF OPTIMIZATION OF EXPENDITURE
OF FUEL BY THE WARMTH SOURCE
Article is devoted creation of the program-computing block on minimisation of expenditure of
fuel by a warmth source.
В настоящее время в различных областях человеческой деятельности все больше
внимания уделяется математическому моделированию технических систем. Математическое
моделирование - это один из способов изучения явления на основе его модели вместо
натурного явления.
Рассмотрим систему централизованного теплоснабжения, которая представляют собой
сложный комплекс взаимосвязанных элементов. Он включает в себя генерирующие
мощности тепловой энергии (ТЭЦ, котельные и проч.), элементы системы транспорта
теплоты от источника теплоснабжения к потребителю (магистральные и квартальные
тепловые сети, индивидуальные и центральные тепловые пункты, насосные станции и проч.)
и системы внутреннего теплоснабжения потребителей (отопительные и нагревательные
приборы различных типов).
Предлагается представить систему централизованного теплоснабжения как
совокупность четырех модулей, в которых математически описываются источник теплоты,
магистральные и распределительные тепловые сети и потребители теплоты.
Разрабатываемый программно-вычислительный комплекс, основанный на модели,
позволит решить следующие задачи:
− выполнять расчет расходов на участках трассы тепловой сети по заданному
состоянию запорной арматуры и состоянию насосной станции,
− определять необходимое количество теплоты, вырабатываемое источником
125
теплоснабжения для покрытия текущей нагрузки системы теплоснабжения,
− определять установленную мощность котельной, осуществлять выбор числа
работающих котлоагрегатов и их загрузку для различных режимов работы системы
теплоснабжения для минимизации топливных затрат,
− определять (помесячно и за год) выработку теплоты источником теплоснабжения в
отопительном сезоне, производить расчет возможной экономии тепловой энергии.
Программный комплекс позволяет представить результаты вычислений в графическом
формате: график удельных топливных характеристик и КПД котельных агрегатов,
установленных на источнике теплоты (см. рис).
Для реализации этих расчетов в модели рассчитываются три основных режима работы
системы теплоснабжения, а также режимы работы системы при среднемесячных
климатических параметрах каждого месяца отопительного периода. Основные режимы,
заложенные в модель, следующие:
- режим текущих параметров окружающей среды (температуры наружного воздуха и
текущей скорости ветра;
- режим средних параметров окружающей среды (при средней температуре
наружного воздуха) за отопительный период;
- расчетный режим (расчетная температура наружного воздуха и скорость ветра).
Рис. Окно программно-вычислительного комплекса
Этот модуль позволяет решать следующие задачи:
- определять необходимое количество теплоты для покрытия присоединенной
нагрузки;
- определять выработку и отпуск теплоты от источника за отопительный период и по
его месяцам;
- определять необходимое количество котлоагрегатов заданной мощности
для обеспечения максимально-зимнего режима работы;
126
- определять оптимальное количество работающих котлоагрегатов для покрытия
нагрузок в различных режимах работы и распределение нагрузки между котлами с
целью минимизации расхода топлива на теплоисточнике в целом;
- определять параметры теплоносителя (расход, давление, температура) в характерных
точках схемы котельной;
- производить корректировку графика отпуска теплоты от источника;
- определять КПД котельной в отопительном периоде и по месяцам.
Необходимый отпуск теплоты котлами при различных параметрах окружающей среды и
системы определяется суммарными потерями теплоты у потребителя, в тепловых сетях и на
котельной. Исходные данные данного модуля следующие:
- марка сжигаемого газа (из имеющихся марок во встроенной базе данных по газам);
- число установленных (устанавливаемых) котлоагрегаюв и их номинальную
теплопроизводительность;
- количество котлов с различной расходной характеристикой;
- КПД котлоагрегатов при номинальных параметрах;
- давление в подающей и обратной магистрали на выходе из источника;
- гидравлическое сопротивление котельных агрегатов, трубопроводов и арматуры
котельной;
- доля собственных нужд котельной;
В исходных данных по теплоисточнику выводятся данные о величине присоединенной
нагрузки системы при расчетной температуре наружного воздуха и конечные результаты
гидравлического расчета:
- минимально-допустимый располагаемый напор на выходе из котельной;
- при недостаточности располагаемого напора выводится расстояние от котельной (в
метрах), на которой располагаемый напор в магистральном трубопроводе станет
равным нулю.
Модель позволяет выбирать способ регулирования отпуска теплоты: качественный и
качественно-количественный способ. При качественном способе регулирования расход
теплоносителя остается неизменным при любых изменениях нагрузок системы теплоснабжения.
Регулирование отпуска теплоты от источника производится путем корректировки температуры
теплоносителя в подающем трубопроводе. При качественно-количественном способе
регулирования отпуска теплоты изменение нагрузки системы теплоснабжения производится
корректировкой расхода теплоносителя и температуры сетевой воды в подающем трубопроводе.
Исходя из введенных данных, и при наличии заданных исходных параметров по всем
элементам системы определяется необходимая выработка теплоты котельной:
N qТИ выр = (1 + α СН ) ⋅ (ΔN qТС + N qпотр ) ,
(1)
где α СН - доля собственных нужд котельной; ΔN qТС - потери теплоты в тепловых
сетях, кВт; N qпотр - общая тепловая нагрузка потребителя, кВт.
Расход сетевой воды (кг/с), отпускаемой источником в тепловую сеть, определяется по
формуле:
N qТИ отп
(2)
GСВ = под обр
(tСВ − tСВ ) ⋅ с
под
обр
и tСВ
- температуры сетевой воды в подающем и обратном трубопроводе, °С; с где tСВ
изобарная теплоемкость воды, кДж/кг*К; N qТИ отп - теплота, отпущенная от котельной, кВт.
Расход газа выбранной марки (м3/с) вычисляется по формуле:
127
b расч =
N qТИ выр
Q рн ⋅η котл
(3)
,
где Qрн - низшая теплотворная способность топлива, МДж/м3; η котл - средневзвешенный
КПД котлоагрегатов.
Количество котлов заданной теплопроизводительности, необходимое для покрытия
присоединенной нагрузки в расчетном режиме, определяется соотношением:
необх
к/а
n
где
N qТИ расч
-
расчетная
=
N qТИ расч
N qк / а номин
нагрузка
,
СЦТ,
(4)
кВт;
N qк / а номин
-
номинальная
необх
к/а
(при нецелых числах
теплопроизводительность одного котлоагрегата, кВт. Величина n
округляется в большую сторону) показывает правильность выбора числа установленных
(устанавливаемых) котлов.
Количество котлов, необходимых для покрытия нагрузки СЦТ при различных
климатических параметрах, может быть различным. Очевидно, что в этом случае стоит задача
выбора числа котлов и их загрузки такими, чтобы расход топлива по котельной был
минимальным.
Так, при тепловой нагрузке СЦТ, равной 180 % номинальной мощности одного
котельного агрегата, ее можно покрыть с помощью двух котлов с загрузкой по 90 % (при
условии, что их расходные характеристики совпадают) или тремя котлами с загрузкой по 60
%. Если же расходные характеристики котлов не совпадают, то возникает вопрос: насколько
необходимо загружать каждый тип котла при нагрузках СЦТ, более 100 % от номинальной
мощности одного котлоагрегата, и сколько котлов необходимо держать в работе. Если делить
нагрузку СЦТ на все работающие котлы поровну, то при различных расходных характеристиках
установленных (устанавливаемых) котлоагрегатов, это может привести к существенному
перерасходу топлива на котельной.
Для решения этой задачи в модель был встроена программа отыскания оптимального
распределения нагрузок между котлоагрегатами с целью минимизации расхода топлива в целом
на теплоисточнике. Для отыскания оптимальной загрузки котельных агрегатов при
определенной нагрузке системы теплоснабжения необходимо задать характерные точки кривых
изменения удельного расхода в зависимости от степени загрузки котлоагрегата. Нами была
предложена зависимость удельного расхода топлива от степени загрузки котлоагрегата.
Аппроксимация функции удельного расхода описывается выражением вида:
(5)
bуд = (a0 x 3 − a1 x 2 − a2 x) −1 ,
где х - коэффициент загрузки котла, %; a0, a1, a2 - коэффициенты, индивидуальные для
каждого котла (в качестве примера некоторые из них приведены в таблице).
Модель позволяет вносить в диалоговом режиме значения удельного расхода топлива
котлов при различных уровнях загрузки, например, по данным испытаний котла. Данная
зависимость отражает тенденцию изменения кривой удельного расхода топлива котлов,
описанной в [1]. При загрузке котла от 0 до 30-40 % наблюдается нестабильная работа
котлоагрегата, по сути дела это - нерабочая зона. КПД котла в этой зоне крайне низок, котел
практически работает на «холостом» ходу. В зоне от 30-40 % до 50-60% наблюдается резкое
снижение удельного расхода топлива, увеличение КПД. В зоне от 50-60% до 85-90 %
наблюдается стабилизация удельного расхода топлива и КПД котла, а в зоне от 85-90 % до 100
% наблюдается незначительное увеличение удельного расхода топлива и снижение КПД.
Исходя из этих величин, рабочая зона котлоагрегата в модели по умолчанию принята от 30 %
до 100% нагрузки котла, однако, при необходимости модель позволяет изменять границы
рабочей зоны.
128
Таблица
Значения коэффициентов формулы (5) для некоторых типов котлов
Марка котла
Блуэтт SP, CPR, CPA
КВ-ГМ-4-150
КВ-ГМ-6.5-150
КВ-ГМ-10-150
КВ-ГМ-20-150
КВ-ГМ-30-150
КВ-ГМ-50-150
КВ-ГМ-100-150
КЕ-25-24-350
UNIMAT
ПТВМ-30М
a0
0,009
-0,038
-0,010
-0,002
-0,001
-9⋅10-05
-2⋅10-05
-2⋅10-06
0,001
-5⋅10-08
4⋅10-07
a1
0,222
0,227
0,108
0,029
0,011
0,004
0,001
0,001
- 0,025
1⋅10-05
- 4⋅10-05
a2
0,314
0,109
0,160
0,033
0,034
0,028
0,013
- 0,029
- 0,001
0,001
a3
4,833
0,106
- 0,032
a4
-
a5
-
0,316
- 1,239
Алгоритм отыскания оптимальной загрузки котлов построен на следующем принципе.
Общая нагрузка СЦТ делится на номинальную мощность котолоагрегата источника:
k=
N qСЦТ
N qк / а номин
⋅ 100 %.
(6)
Получается величина к процентов нагрузки одного котла. Исходя из минимальной
загрузки (по умолчанию - 30 % номинальной мощности котла), определяется максимально
возможная загрузка котла. Необходимо отметить, что в данном случае имеет место
инвариантность включения котлов в работу. При k > 130 % модель просчитывает вариант с
работой двух котлов, а также вариант включения в работу третьего котлоагрегата.
Отыскание оптимального распределения нагрузки между котлами источника (двумя и
более) производится моделью аналитически по формулам (6 -8). Для двух котлов (100%<k <
200 %) при нагрузке первого, равного q1 (%), второго - q2 (%) определяется минимальная
нагрузка qmin (%).
⎧q1 = qmin ; q2 = k − q1
⎪q = q + 1; q = k − q ,
⎪ 1
min
2
1
⎨
⎪..........................................
⎪⎩q1 = 100%; q2 = qmin
(7)
По всем вариантам распределения нагрузок между котлами модель вычисляет суммарный
∑
удельный расход топлива bуд
для всех котлов и находит его минимальное значение.
По определенному оптимальному варианту распределения нагрузки с минимальным
расходом топлива определяются соответствующие КПД работы котлов.
При работе трех котлов для покрытия нагрузки определяется максимально возможная
загрузка котла qmax (%).
Далее расчет производится по формулам (8).
После отыскания режима с минимальным расходом топлива производится сравнение
суммарного расхода топлива при работе двух и трех котлов и выбирается вариант с
наименьшими затратами топлива.
Режим работы с минимальным расходом топлива просчитывается для всех основных
режимов работы, а также для всех месяцев отопительного периода.
129
Для наглядности результатов расчета модель строит диаграммы удельных расходов
топлива котлоагрегатов, работающих в котельной, и их КПД.
⎧q1 = qmin ; q2 = k − q3 − q1 ; q3 = qmax
⎪q = q + 1; q = k − q − q ; q = q
⎪ 1
min
2
3
1
3
max
⎨
⎪...............................................................
⎪⎩q1 = k − qmax − qmin ; q2 = qmin ; q3 = qmax
⎧q1 = qmax ; q2 = qmin ; q3 = k − q1 − q2
(8)
⎪q = q ; q = q + 1; q = k − q − q
⎪ 1
max
2
min
3
1
2
⎨
⎪...............................................................
⎪⎩q1 = qmax ; q2 = k − qmax − qmin ; q3 = qmin
⎧q1 = k − q2 − q3 ; q2 = qmax ; q3 = qmin
⎪q = k − q − q ; q = q ; q = q + 1
⎪ 1
2
3
2
max
3
min
⎨
⎪...............................................................
⎪⎩q1 = qmin ; q2 = qmax ; q3 = k − q1 − q2
Выводы
Необходимость создания математических методик и программных средств для
исследования и оптимизации системы теплоснабжения продиктована тем, что экономия и
повсеместный учет энергетических ресурсов становится одним из главных приоритетов
государственной политики.
Программно-вычислительный комплекс модуля источника теплоты, основанный на
модели, позволяет решить следующие задачи: определять необходимое количество теплоты,
вырабатываемое источником теплоснабжения для покрытия текущей нагрузки системы
теплоснабжения; определять установленную мощность котельной; осуществлять выбор
числа работающих котлоагрегатов и их загрузку для различных режимов работы системы
теплоснабжения с целью минимизации расхода топлива в целом на теплоисточнике;
определять (помесячно и за год) выработку теплоты источником теплоснабжения в
отопительном сезоне; производить расчет возможной экономии тепловой энергии.
Алгоритм отыскания оптимальной загрузки котлов построен на принципе: по всем
вариантам распределения нагрузок между котлами модель вычисляет суммарный удельный
расход топлива по всем котлам и находит его минимальное значение; затем после выбора
количества котлоагрегатов, подбирается вариант с наименьшими затратами топлива.
Библиографический список
1. Сеннова Е.В., Сидлер В.Н. Математическое моделирование и оптимизация
развивающихся систем теплоснабжения. - Новосибирск: Наука, 1987.-224 с.
2. Быкова А. И., Аверьянов В. К., Быков СИ. Математическое моделирование
программного изменения отпуска теплоты жилым и общественным зданиям // Известия
вузов. Энергетика.-Минск, 1988.-№9.- С. 34-41.
3. Сухарев М.В.. Золотая книга Delphi. Все о Dеlphi. - М: Наука и техника, 2008. –
1040с.
130
The bibliographic list
1. Sennova E.V., Sidler V. N. Mathematical modelling and optimisation of developing
systems теплоснабжения. - Novosibirsk: Science, 1987.-224 p
2. Bykova A. I, Averyanov V. K, Bulls of SI. Matemaktichesky modelling of program change
of holiday of warmth to inhabited and public buildings//News of high schools. Energetika.-Minsk,
1988. - № 9.- p. 34-41.
3. Suharev M. V. Gold book Delphi. All about Dеlphi. - M: Science and technics, 2008. –
1040p.
Ключевые слова: источники теплоты, алгоритм, системы теплоснабжения, котлоагрегаты.
Keywords: warmth sources, algorithm, heat supply systems, a coppers.
УДК 666.97
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Канд. техн. Наук, доцент кафедры
отопления и вентиляции Т.В. Щукина
Россия, г.Воронеж, тел. 8(4732)71-28-92;
e-mail: Vittorea@ya.ru
The Voronezh State University of Architecture
and Construction
Cand. Tech. Sci., the senior lecturer of chair of
heating and ventilation T.V.Shchukina
Russia, Voronezh, phone 8(4732) 71-28-92;
e-mail: Vittorea@ya.ru
Т.В. Щукина
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОГО РЕСУРСА СЕЗОННОЙ
ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОАКТИВНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ
Сведения о ресурсах солнечной радиации на территории РФ предполагают более широкое
использование гелиосистем для альтернативного энергообеспечения сооружений. Низкие темпы
внедрения солнечного теплоснабжения могут быть преодолены за счет проектирования и
выполнения высокоэффективных гелиоактивных наружных ограждений. Рассмотрены
возможные конструктивные решения с экранирующими устройствами, повышающими
теплотехнические показатели пассивного солнечного отопления помещений.
T.V. Shchukina
INCREASE IN A RESOURCE OF THE SEASONAL OPERATION OF ENERGETICALLY
ACTIVE HEAT SUPPLY OF BUILDINGS
Data on resources of solar radiation in territory of the Russian Federation assume
wider use of systems of alternative power supply of constructions. Low rates of
introduction of a solar heat supply can be overcome at the expense of designing and
performance of highly effective energetically active external protections. Possible
constructive decisions with the shielding devices raising technical indicators of passive
solar heating of premises are offered.
Неуклонно растущее ресурсопотребление способствует активному внедрению
мероприятий по его сокращению, а также расширению области использования
возобновляемых источников энергии для замещения истощающихся запасов органического
топлива. Существенного энергосбережения можно достичь при реализации новой концепции
131
проектирования зданий, основным принципом которой является не только использование
эффективных теплозащитных материалов, но и создание конструкций наружных ограждений
активно взаимодействующих с внешней и внутренней средой. Предлагаемые проектные
решения должны в последствии способствовать утилизации теплоты вытяжного воздуха и
использованию солнечной энергии при нейтрализации неблагоприятных климатических
воздействий на сооружение с ограничением инфильтрации и увлажнения.
В настоящее время накоплен опыт зарубежного и отечественного строительства зданий
с гелиоактивными наружными ограждениями, в полной мере соответствующими
обозначенной концепции. Однако несмотря на значительную теплоэнергетическую
эффективность, такие конструкции в нашей стране еще не получили широкого
распространения из-за отсутствия реальной государственной поддержки, слабой
методической и информационной базы проектирования, а также недостаточного
экспериментального строительства в различных районах РФ.
Следует отметить, что территориальное расположение регионов России значительно
предопределяет теплотехническую эффективность гелиоактивных стен и возможность
получения полезного тепла при существующих климатических условиях.
Так, например, в Москве, где вероятность солнечного сияния в зимний период
колеблется от 10 до 30 % при его суточной продолжительности 6-7 ч. [1], такие конструкции
наружных ограждений за счет воздушных прослоек и утилизации теплоты вытяжного
воздуха через теплосъемные каналы существенно сократят теплопотери здания, исключая
инфильтрацию воздуха и увлажнение теплоизоляции.
В южных районах России, в Восточной Сибири (Иркутск, Хабаровск, Чита, Улан-Удэ)
характерной особенностью климата является высокая вероятность солнечного сияния.
Например, в Чите в марте она достигает 77 % при 8-часовой продолжительности и весьма
низкой температуре наружного воздуха. Поступление суммарной солнечной радиации на
вертикальные поверхности южной ориентации при действительных условиях облачности и
прозрачности атмосферы в этом регионе, в январе в полдень может достичь 729 кВт/(м2·ч),
при вероятности ясных дней 59 %, для сравнения в Ташкенте 616 кВт/(м2·ч) и 42 % [1].
Климатические данные [2], частично представленные на рис. 1, свидетельствуют, что в
России есть ряд регионов, где могут эффективно использоваться гелиоактивные наружные
ограждения, так как даже в пасмурную погоду существенно проявляется их
теплотехническое преимущество, позволяющее в полуясные дни сократить теплопотери на
25-35 Вт/м2, а в пасмурные – на 10-20 Вт/м2. Следовательно, для сокращения потребления
энергии, расходуемой на поддержание требуемого микроклимата в помещениях, необходимо
целенаправленно расширять проектирование и возведение зданий не только с качественной
тепловой изоляцией строительных конструкций, но и системами пассивного использования
солнечной радиации.
Так например, устанавливая окна с большой энергетической проницаемостью, можно
обеспечить лучшее проникновение в помещения солнечного излучения, а увеличивая
площадь остекления, можно получить пропорциональный подъем температуры внутреннего
воздуха. В то же время нагрев помещения тем ниже, чем больше площадь поверхности
воспринимающих тепло внутренних конструкций по отношению к поверхности окон.
Наряду с окнами и остекленными поверхностями строительных конструкций южного
фасада, для улавливания солнечного излучения также используются остекленные проемы в
крыше и дополнительные окна в верхней части здания, которые повышают уровень
комфортных условий, так как исключают прямое попадание лучей на человека.
132
Валовый потенциал солнечной энергии
(прямой и рассеянной) на вертикальную
поверхность при безоблачном небе,
МДж/м2
7000
Ю
ЮВ/ЮЗ
6000
5000
В/З
4000
3000
СВ/СЗ
2000
С
1000
0
30
40
50
60
70
Географическая широта, град. с.ш.
Рис. 1. Изменение валового потенциала солнечной энергии (прямой и рассеянной)
на вертикальную поверхность при безоблачном небе в зависимости от
географической широты в среднем за год
Все системы пассивного солнечного отопления подразделяются на три основные
группы:
• с прямым улавливанием солнечного излучения, поступающего через окна с большой
энергетической проницаемостью;
• с косвенным улавливанием солнечного излучения, то есть с теплоаккумулирующей
стеной, расположенной за остеклением южного фасада;
• с контуром конвективной циркуляции воздуха и галечным аккумулятором теплоты.
Кроме того, могут использоваться гибкие системы, включающие элементы пассивных и
активных гелиоустройств.
Прямое улавливание солнечной энергии может эффективно осуществляться при
соблюдении следующих условий:
• оптимальная ориентация дома – вдоль оси восток-запад или с отклонением до 30о от
этой оси;
• на южном фасаде здания должно быть размещено 50-70 % всех окон, а на северном - не
более 10 %, причем на южном фасаде необходимо применять двухслойное остекление,
а на северном – трехслойное;
• сооружение должно иметь улучшенную тепловую изоляцию и низкие теплопотери
вследствие инфильтрации наружного воздуха;
• внутренняя планировка здания предполагает расположение жилых комнат с южной
стороны, а вспомогательных - с северной;
• высокая теплоаккумулирующая способность внутренних стен и пола;
• применение средств экранирования с теплоизолирующим эффектом для остекления
здания.
КПД пассивной системы отопления, как правило, составляет 25-30 %, но в особо
благоприятных климатических и технических условиях может быть значительно выше и
достигать 60 %. Существенным недостатком такого использования солнечной радиации
являются большие суточные колебания температуры воздуха внутри помещений. Наряду с
получением теплоты эти системы также обеспечивают эффективное дневное освещение,
благодаря чему снижается потребление электроэнергии.
Пассивные солнечные системы отопления целесообразно использовать в переходный
период года и в зимние месяцы для уменьшения тепловой нагрузки на дополнительные
источники теплоснабжения. Для максимально возможного улавливания солнечной энергии
133
следует увеличивать размеры остекления в наружных ограждениях, предусматривая для них
лнительную теплозащиту с экранирующим эффектом, которая позволит в холодный период
года в ночное время суток сократить теплопотери, а в теплый период предотвратить
интенсивное нагревание внутреннего воздуха помещений. При этом в летние месяцы года
благодаря высокому положению солнца будет снижено поступление излучения через
вертикальное остекление. Кроме того, оно может быть экранировано относительно простыми
средствами, что обеспечит сравнительно небольшой нагрев воздуха помещений.
Предлагаемые мероприятия по солнцезащите направлены на то, чтобы уменьшить
нарушения внутреннего микроклимата, то есть слишком большое нагревание или слишком
большой контраст яркости или блесткость, возникающие вследствие прямого и рассеянного
излучения Солнца.
Для уменьшения тепловой нагрузки помещений в летние месяцы пригодны все
солнцезащитные устройства, которые экранируют солнечное излучение перед проходом его
через окно без большого собственного нагрева. Поэтому особенно эффективны
располагаемые снаружи солнцезащитные и отражающие устройства, в том числе и стекло.
Каждая система солнцезащиты должна выполнять тройную функцию:
I – защиту против нежелательного нагрева внутренних помещений энергией излучения;
II – защиту находящихся в помещении людей от блесткости при действии прямых
солнечных лучей, а также рассеянного излучения неба. Блесткость возникает прежде всего
при низком положении Солнца под углом 30о, однако прямые лучи не должны при этом
экранироваться полностью;
III – защиту против слишком большого контраста яркостей между непосредственно
затененными поверхностями помещения для обеспечения равномерности освещенности
помещения.
Для данной цели наиболее подходят поворотные вертикальные пластинчатые шторы –
жалюзи, применяемые для остекления с ориентацией по всем направлениям. Их
использование обеспечит не только уменьшение тепловой нагрузки на традиционную
систему
отопления,
но
и
позволит
сократить
в
теплый
период
года
холодопроизводительность систем кондиционирования, создающих оптимальные параметры
внутреннего воздуха помещений.
При существующем многообразии конструктивного исполнения гелиоактивных
наружных ограждений [1], в которых кроме остекления и теплоаккумулирующей
способности основного массива использованы дополнительные устройства, увеличивающие
энергетическую эффективность, следует отметить теплотехническое преимущество решений
с применением жалюзей. Неподвижно установленные в воздушном канале жалюзи по
сравнению с использованием только плоской поверхности поглощающего строительного
материала увеличивают кпд, как показали результаты экспериментальных испытаний [1], на
16 %, а полезную энергию на 600-700 Вт/(м2·сут.). Активное наружное ограждение можно
обустроить подвижными жалюзями, создавая тем самым дополнительные возможности для
регулирования процессов теплообмена с внутренним воздухом помещения.
Так, например, теплоизоляционные полимерные пластины 3 с металлизированным
покрытием [3], изображенные на рис. 2, позволяют в ночное время суток значительно
сокращать теплопотери в окружающую среду за счет снижения излучения и теплопередачи.
Упругие связи 4, соединяющие пластины в их верхних частях с механизмом поворота,
обеспечивают вращение жалюзей вокруг вертикальных осей. Размещенный с внешней
стороны наружной стены солнечный элемент в дневное время вырабатывает небольшое
количество электроэнергии, достаточное для поддержания электромагнитного поля,
воздействующего на металлические включения 5 жалюзей 3. В этом случае включения 5
поддерживают пластины 3 в рабочем положении в течение дня. В отсутствии солнечной
радиации и, как следствие, электромагнитного поля, остекление полностью перекрывается
134
пластинами за счет восстановления положения упругих связей 4, обеспечивая тем самым
дополнительную тепловую изоляцию.
Предлагаемое экранирующее теплоизоляционное устройство [3] не требует
постоянного обслуживания и выполняет свои функции в автоматическом режиме без
дополнительных затрат электроэнергии. Такая конструкция гелиоактивного наружного
ограждения позволяет не только использовать солнечную радиацию для пассивного
отопления в холодный и переходный периоды года, но и предотвратить чрезмерные
теплопоступления в летние месяцы, тем самым снизить нагрузку на системы
кондиционирования воздуха и холодоснабжения.
2
а)
3
4
1
5
б)
3
5
4
5
1
Рис. 2. Разрез вида сверху двойного остекления с применением жалюзей в ночное (а) и дневное (б)
время суток: 1, 2 – остекление, соответственно, наружное и внутреннее; 3 – полимерные
пластины; 4 – упругие связи; 5 – металлические включения
Вывод
Таким образом, применение решений направленных на усиление активности
строительных конструкций позволит более эффективно регулировать процессы
теплопоступления из окружающей среды и снижать теплопотери здания, что существенно
сократит энергопотребление объектов как в теплый, так и в холодный периоды года.
135
Библиографический список
1. Турулов В.А. Теплоэнергетические основы проектирования гелиоактивных стен//
Энергосбережение, 2007. - № 1. – С. 82-87.
2. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология. – М.: ГУП ЦПП, 2003 – 97с.
3. Патент 2327847 МКИ Е06В 9/24. Солнцезащитное окно/ Щукина Т.В., Чудинов Д.М,
Кузнецова Л.В. Воронежский государственный архитектурно-строительный университет.- №
2006136742, заявлено 16.10.2006; Опубл. 27.06.08; Бюллетень № 18 – 5 с.
The bibliographic list
1. Turulov V. A. Heat power bases of designing of active walls//Power savings, 2007. - № 1.
- Р. 82-87.
2. Building norms and rules 23-01-99*. A building climate. - М: 2003 – 97 р.
3. The patent 2327847 International classification of inventions Е06В 9/24. Sun-protection
window/ Shchukina T.V., Chudinov D.M., Kuznetsova L.V. Voronezh state architecturally-building
universitet. - № 2006136742, is declared 16.10.2006; It is published 27.06.08; the Bul. № 18 - 5 p.
Ключевые слова: солнечная энергия, гелиоактивные наружные ограждения
Keywords: a solar energy, active external protections
УДК 697:621.644:004
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Д-р техн. наук, проф. кафедры
теплогазоснабжения М.Я. Панов
Д-р техн. наук, проф. кафедры гидравлика,
водоснабжение и
водоотведение В . И . Щ е р б а к о в
Aспирант кафедры теплогазоснабжения Х. Алдалис,
Россия, г.Воронеж, тел. +7(4732)71-53-21;
The Voronezh State University of Architecture
and Construction
Dr.Tech, Sci, professor of the Chair
Heat, Gas Supply М.Ya.Panov,
Dr.Tech, Sci, professor of the Chair Hydraulics
Water Supply and water assignment
V.I.Sherbakov.
The post-graduate of the Chair
Heat, Gas Supply H.Aldalis,
84, ul. 20 let Oktyabrya Voronezh Russia
ph. +7(4732)71-53-21;
М.Я. Панов, В.И. Щербаков, Х. Алдалис
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА
УПРАВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕМ
ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ГОРОДОВ
На основе совмещения модели возмущённого состояния и метода наименьших
квадратов, разработаны методологические основы модели оперативного управления
функционированием городских систем водо- и газоснабжения.
Эффективность данного подхода обусловлена возможностью приоритетного учета на муниципальном
уровне интересов индивидуальных потребителей (или групп потребителей) целевого продукта.
М.Y. Panov , V.I.Sherbakov, H. Aldalis
136
METHODOLOGICAL BASES OF MODELLING OF MANAGMENT PROCESS BY
FUNCTIONING HYDRAULICS LIFE-SUPPORT SYSTEMS OF CITIES
On the basis of overlapping model of the indignant condition and a method of the least squares,
methodological bases of model of operative management by functioning of city systems water-and
gas supply are developed.
Efficiency of the given approach is caused by an opportunity of the priority account at a
unicipal level of interests of individual consumers (or groups of consumers) a target product.
Оперативное управление гидравлическими трубопроводными системами,
транспортирующими рабочую среду (воду, природный газ и т.д.) осуществляется
воздействием на переменное гидравлическое сопротивление множества ID управляемых
из компьютерного центра дросселей, поз. D, рис.1.
Подобная система оперативного управления должна функционировать в составе
АСУ ТП РГ, в соответствии с общими положениями по проектированию и
строительству газораспределительных систем (СП 42-101-2003), которая обеспечивает
безопасную эксплуатацию промышленных, коммунальных и бытовых объектов.
Математическое моделирование процесса оперативного управлеения строится на
основе модели возмущенного состояния [1], для частного случая эквивалентирования
абонентских подсистем множеством тупиковых (фиктивных, поз.f, рис.1) ответвлений от
энергоузлов на границе системы (например поз. 2,4,6,8,10, рис.1).
Рис. 1. Расчетная схема системы водоснабжение
r - реальные участки, формирующие систему; f – фиктивные участки; Б,2,4,6,8,10 – энергоузлы системы; Б –
водонапорная башня;
- управляемый дроссельный элемент (регулятор); (11-15) – энергоузлы – стоки
(потребители).
Линейная модель возмущенного состояния системы, с учетом переменности
гидравлического сопротивления управляемых дросселей (УД), как исполнительных органов
системы управления (например для системы водоснабжения), представлена ниже:
137
[С
p×n1
Cp×n1D Cp×n2
⎧⎪ ⎡α hn1
K r × n1 D ] ⎨ ⎢
⎪⎩ ⎣ 0
[K r × n1
[A
m × n1
]
⎧⎡αhn1 0
0 ⎤
⎪⎢
⎥
⎨⎢ 0 αhn1D 0 ⎥
⎪⎢ 0
0 αhn2 ⎥⎦
⎩⎣
Am × n1 D Am × n 2
]
⎡ δQn1×1 ⎤ ⎡hn1 0 0 ⎤
⎢
⎥ ⎢
⎥
⎢δQn1D×1⎥ + ⎢ 0 hn1D 0 ⎥
⎢ δQn2×1 ⎥ ⎢⎣ 0 0 hn2 ⎥⎦
⎣
⎦
0 ⎤ ⎡ δQ n1×1 ⎤ ⎡ hn1
+
α hn1D ⎥⎦ ⎢⎣δQ n1 D ×1 ⎥⎦ ⎢⎣ 0
⎡ Q n1
⎢ 0
⎢
⎢⎣ 0
0
Q n1 D
0
⎡ )0 ⎤⎫
) )
⎢δS ⎥⎪ = M H
δH g×1 ;
p×g
⎢ n1D×1⎥⎬
⎪
⎢⎣ 0 ⎥⎦⎭
][(
[
)]
0 ⎤ ⎡ ) 0 ⎤ ⎫⎪
⎬ = [0 ] ;
hn1 D ⎥⎦ ⎢⎣δS n1 D ×1 ⎥⎦ ⎪⎭
(1)
0 ⎤ ⎡ δ Q n 1× 1 ⎤
⎢
⎥
0 ⎥⎥ ⎢ δ Q n 1 D × 1 ⎥ = [0 ] ;
Q n 2 ⎥⎦ ⎢⎣ δ Q n 2 × 1 ⎥⎦
где [С], [К], [А] – топологические матрицы независимых цепей, контуров [1] и матрица
инциденций участков относительно узлов с незаданным давлением; p,r,m,g – число
независимых цепей, цикломатическое число, число узлов с незаданным и число узлов с
заданным (фиксированным) давлением соответственно; n1,n1D,n2 – число реальных
участков (исключая участки с присоединенными дросселями), число реальных участков с
присоединенными дросселями, число фиктивных участков соответственно;
⎡ hn1
⎢0
⎣
0 ⎤
hn1D ⎥⎦
⎡ δ Q n 1×1 ⎤
⎢
⎥
⎣ δ Q n 1 D ×1 ⎦
⎡ )0 ⎤
⎢δ S
⎥
⎣ n 1 D ×1 ⎦
[M ]
p× g
[( ) ]
)
HδH
(
g ×1
H j = z j + H *j
- блочная диагональная матрица потерь напоров ( hi = S i Qiα )
соответствующих участков;
- блочная матрица-столбец искомых значений относительных отклонений
расчетных расходов ( δ Qi = δ Qi / Qi ) соответствующих участков;
- блочная матрица-столбец заданных значений относительных отклонений
коэффициентов
гидравлических
сопротивлений
участков
с
)
)
)
)
присоединенными дросселями ( δ S i = δ S i / S i , S i , Q i -текущее
значение параметра); α – показатель степени в формуле Дарси-Вейсбаха.
- матрица смежности независимых цепей [3];
- матрица-столбец вариаций напоров насосов при изменении его подачи;
)
- полный фиксированный напор узла j, включая геодезическую и
пьезометрическую составляющие.
Если множество энергоузлов – источников (ЭУ - источников) с фиксированным
потенциалом отождествляются с центробежными насосами, с напорной характеристикой
H j = aq 2j + вq j + c , а в остальных энергоузлах системы фиксируется потенциал, то:
⎧⎪( в + 2 а )q j δq j , j ∈ J πr ( ϕ ) ;
) )
H j δH j = ⎨
r
r
f
f
⎪⎩0 , j ∈ J πR ∪ J ηR ∪ J ηR ∪ J η( p ).
138
Здесь а,в,с – опытные (апроксимационные) значения коэффициентов
напорной
)
характеристики насоса; H j , q j - напор и подача центробежного насоса j; δH j - относительное
(задаваемое на итерации к) отклонение напора насоса j, обусловленные соответствующим
отклонением подачи; J πR , JηR - множество резервуарных энергоузлов, функционирующих в
режиме источников и стоков соответственно; Jη ( p ) - множество энергоузлов с фиксированным
потенциалом; J πr (ϕ ) - множество насосных ЭУ-источников.
Под режимом потребления целевого продукта (ЦП): воды, природного газа и т.п., будем
понимать множество значений расходов ЦП (не противоречащих соответствующим
нормативам), покидающих пределы системы через фиктивные участки. Прогноз режима
потребления (изменение его по часам суток, недель и т.д ) строится на основе потребностей в
ЦП с помощью статистических данных, например [2], и является отдельной задачей,
выходящей за рамки настоящей работы. В такой постановке режим потребления однозначно
определяет граничные условия, задаваемые пользователем.
Область реализации модели (1) включает гидравлические системы с рабочим давлением
от источников, не зависящим от любых форм возмущений. Это относится к системам
газоснабжения, системам водоснабжения, функционирующим от резервуарных узлов,
водонапорных башень, гравитационных систем водоснабжения и т.д.
В случае, когда в качестве источников применяются насосы (насосные станции) напор,
вырабатываемый насосом, зависит (в соответствии с его напорной характеристикой) от
подачи. Для определения неизвестных подач насосов необходимо ввести дополнительные
условия в форме узловых балансов насосных ЭУ-источников, выражаемых нижеследующей
(линеаризованной) системой уравнений:
∑ ∑ (sgn Q δQ
ij
r
j∈J π ( ϕ ) i∈I rj ∪ I jf
ij
− q j δ q j ) = 0,
(2)
где Ij – множество участков, инцидентных насосному ЭУ-источнику j; sgn – оператор
присвоения знака; qj – искомая подача насоса j; Qij – расход участка i, инцидентного узлу j.
Система (2), будучи решаемой по результатам решения системы уравнений (1) (то
есть за ее пределами), является тривиальной. По найденным из (2) значениям δq j = q j δq j
)
)
)
вычисляются вариации напоров δH j = H j δH j на итерации (к-1) с помощью напорных
характеристик насосов и вводятся в систему (1) на итерации (к). Определение
Qi , i ∈ I r ∪ I f осуществляется в итерационном процессе по соответствующему алгоритму.
По результатам моделирования прямой задачи анализа для системы водоснабжения [3],
)
вследствие отсутствия обратной связи между режимом водопотребления и множеством δ S i ,
дроссельные характеристики утрачивают характер однозначных зависимостей, рис.2, что
исключает прямую задачу анализа из области управления системой.
Для формирования обратной связи, реализующей с допустимой точностью режим
потребления ЦП, задаваемый пользователем, необходимы дополнительные (избыточные по
отношению к уравнениям, синтезирующим структуру модели (1)), аналитические связи.
Поиск таких (независимых) связей в недрах вариационных принципов аналитической
механики малоперспективен, поскольку последние в этом смысле исчерпали себя. С этой
целью предлагается использовать суррогатный (не основанный на физических законах)
принцип Лежандра-Гаусса, получивший известность как метод наименьших квадратов
(МНК). Квадратичный функционал, составленный на основе МНК, представляет из себя
некую остаточную функцию F для множества компонентов векторов H и Q, связанных
139
между собой уравнением Бернулли. Последнее должно быть записано для двух сечений,
пересекающих узлы, инцидентные фиктивным участкам.
Запишем это уравнение для одного из фиктивных участков водоснабжающей системы
второго подъема, рис.1.
W22
W112
Z2 + H2 +
= Z11 + H11 +
+ h2−11 ;
2g
2g
(3)
где Z2, H2, W2, Z11, H11, W11 – геодезическая высота, пьезометрический напор и скорость
потока, пересекающего соответствующий узел; h2-11 - потери напора фиктивного участка
между выделенными сечениями.
Учитывая равномерное движение воды в трубопроводе, можно пренебречь изменением
скорости между контрольными сечениями (традиционное допущение для большинства
гидравлических задач), и переписать уравнение (3) для граничных условий модели
возмущенного состояния [1] (H11=H12= =H13=H14=H15=0, рис.1.):
Рис. 2. Иллюстрация результатов моделирования дроссельных характеристик в области прямого анализа
системы водоснабжения для участка с управляемым дросселем.
1 – дроссельная характеристика для области прямого анализа;
2 – то же для области обратного анализа.
Z 2 + H 2 − Z 11 = S 2 -11 Q α2 -11 .
(4)
Согласно МНК функцию (4) следует записать для двух сопоставимых версий по
расходу на фиктивном участке: первая – компьютерная версия строится по результатам
моделирования, вторая – версия пользователя, вытекающая из заданного режима
потребления. Запишем эти версии, применительно к схеме, рис.1:
140
(Z
(Z
2
2
)
)
(
(
)
)
α
+ H 2 − Z11 = S 2f−11 Q2f−11 ⎫⎪
;
α⎬
z
f
fz
+ H 2 − Z11 = S 2 −11 Q2 −11 ⎪⎭
f
(5)
fz
где Q 2-11 , Q 2-11 - расходы воды на фиктивном участке по компьютерной версии и версии
пользователя, соответственно.
Используя форму записи (5), представим целевую функцию
на основе МНК
применительно к системе водоснабжения любой конфигурации, сформированной путем
сопоставления полных напоров в соответствующих энергоузлах-стоках системы,
определяемых по двум расходам
F=
∑ [S
j∈J H
S jf
где
f
j
Qjf и Qjfz :
(Qjfz )α − S jf (Qjf )α ] + λ ( ∑Qjfz − ∑ Qjfz ) ;
2
j∈Jη
(6)
j∈J π
- коэффициент гидравлического сопротивления фиктивного участка j; λ –
неопределенный множитель; J η , J π - множество стоков и источников в системе; J H множество узлов с фиксированным потенциалом, инцидентных фиктивным участкам
(например узлы 11-15, рис.1).
Вторая группа слагаемых (6), обозначаемая авторами как система функциональных
ограничений, отражает сохранение сплошности потоков ЦП в условиях возмущающих
воздействий на систему.
В отличие от МНК, оперирующим с различными погрешностями измерения искомой
величины, значения весовой функции Wк в составе целевой функции (6) принимаются
одинаковыми и не влияющими на положение минимума (6). Реализация минимума (6), после
исключения λ приводит к условию:
(7)
Благодаря (7) удается синтезировать дополнительные независимые связи в форме
системы нормальных уравнений, размерностью е-1 (где е – число энергоузлов – стоков в
составе абонентских подсистем с фиксированным узловым потенциалом, отожествляемых с
потребителями), формирующих механизм обратной связи между заданным режимом
потребления и гидравлической настройкой УД:
(S ) (Q ) [(Q ) − (Q )
(S ) (Q ) [(Q ) − (Q )
f
1
2
fz α −1
1
fz α
1
f α
1
f
1
2
fz α −1
1
fz α
1
f α
1
]− (S
]− (S
f
2
f
3
) (Q ) [(Q ) − (Q )
) (Q ) [(Q ) − (Q )
2
fz α −1
2
fz α
2
f α
2
2
fz α −1
3
fz α
3
f α
3
] = 0 ;⎫⎪
] = 0 ;⎪⎪⎬.
(8)
.......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .. ⎪
⎪
2
α −1
α
α
2
α −1
α
α
− S ef Q efz
= 0 ⎪⎭
S 1f Q1fz
Q1fz − Q1f
Q efz − Q ef
( ) ( ) [( ) ( )
]
( ) ( ) [( ) ( )
]
Допускается любое другое (не повторяющееся) сочетание фиктивных участков в
составе нормальных уравнений. Благодаря (8) удается «притянуть» компьютерную версию к
версии пользователя за счет соответствующей настойки УД. В этом суть обратной связи.
Вследствие большой нелинейности нормальных уравнений возникают проблемы
вычислительного характера, в силу чего рассмотрена вторая версия целевой функции,
141
построенная не на законе Бернулли, а на расходных характеристиках фиктивных участков,
формирующих режим потребления ЦП:
∑ (Q
F=
j∈J H
fz
j
− Qjf ) + λ( ∑Qjfz − ∑Qjfz ) .
2
j∈Jη
(9)
j∈J π
После аналогичных преобразований (9) получаем новую систему нормальных
уравнений, той же размерности (е – 1):
(Q
(Q
) (
) (
)
)
(
) (
)
− Q1f − Q2fz − Q2f = 0 ; ⎫
⎪
fz
f
fz
f
−
−
−
=
0
;
Q
Q
Q
⎪
1
1
3
3
⎬.
...............................................⎪
⎪
Q1fz − Q1f − Qefz − Qef = 0 ⎭
fz
1
(10)
Приведем полную модель оперативного управления для второй версии целевой
функции водоснабжающей системы, рис.1:
[С
p×n1
[K
[A
C p×n1D C p×n 2
]
K r×n1D Or×n 2
]
r×n1
m×n1
[O
⎡ hn1×1 ⎤
)
× ⎢ hn1D×1 ⎥ = [M p× g ]× H g×1 ;
⎢
⎥
⎢⎣ hn 2×1 ⎥⎦
⎡ hn1×1 ⎤
× ⎢hn1D×1 ⎥ = [0] ;
⎢
⎥
⎢⎣ 0 ⎥⎦
Am×n1D Am×n 2
( e −1)×n1
[ ]
(11)
⎡ Qn1×1 ⎤
× ⎢Qn1D×1 ⎥ = [0] ;
⎢
⎥
⎢⎣ Qn 2×1 ⎥⎦
]
O( e−1)×n1D E( e−1)×n 2
⎡ 0 ⎤
⎡ 0 ⎤
⎢
⎥
⎢
⎥
× 0 = O(e−1)×n1 O(e−1)×n1D E(e−1)×n 2 × ⎢ 0 ⎥ ,
⎢
⎥
⎢⎣Qnz2×1 ⎥⎦
⎢⎣Qn 2×1 ⎥⎦
]
[
]
где Q j , j = 1,2,..., n2 – задаваемый пользователем режим водопотребления через
z
энергоузлы системы (то есть через фиктивные участки); [E] - матрица нормальных
уравнений, составленная из единичных элементов и содержащая в каждой строке по два
элемента противоположного знака; g - полное число энергоузлов системы с фиксированным
потенциалом, включая энергоузлы –источники.
Модель оперативного управления (11) содержит две подмодели: а – топологическую в
форме цепных, контурных и узловых балансовых уравнений, отображаемых квадратной
матрицей размера (p+r+m)×(n1+n1D+n2)=(g-1+ +r+m)×n=n×n и б – оптимизационную,
отображаемую матрицей нормальных уравнений, размера (е - 1)×n1D. Число неизвестных
равно n(Qi)+n1D(Si). Для сохранения квадратной конфигурации объединенной матрицы (11)
необходимо, чтобы на одном участке (например 5-6, рис.1) из общего числа е, формирующих
142
режим потребления ЦП, был установлен дроссель с известным, фиксированным
сопротивлением Si = Const , то есть δSi = 0. При заданном пользователем режиме
fz
водопотребления Q j , j ∈ J H могут быть определены необходимые значения Si (для е – 1
участка) решением системы уравнений (11). Один из участков, согласно постановки задачи,
является неуправляемым, а исполнение прогноза расхода через этот участок – плохо
предсказуемым. Это является источником основной погрешности модели оперативного
управления, обусловленной «человеческим фактором».
Линейная модель оперативного управления, полученная линеаризацией (11):
[С
p×n1
Cp×n1D Cp×n2
[K
r×n1
]
⎧⎡αhn1
0
0 ⎤
⎪⎢
⎥
⎨⎢ 0 αhn1D 0 ⎥
⎪⎢ 0
0 αhn2 ⎥⎦
⎩⎣
Kr×n1D Or×n2
[A
]
m×n1
⎡ δQn1×1 ⎤ ⎡hn1 0
0⎤
⎢
⎥ ⎢
⎥
⎢δQn1D×1 ⎥ + ⎢ 0 hn1D 0 ⎥
⎢ δQn2×1 ⎥ ⎢⎣ 0
0 hn2 ⎥⎦
⎣
⎦
⎧⎡αhn1
0
0 ⎤
⎪⎢
⎥
⎨⎢ 0 αhn1D 0 ⎥
⎪⎢ 0
0 αhn2 ⎥⎦
⎩⎣
Am×n1D Am×n 2
[O
( e−1)×n1
]
O(e−1)×n1D E(e−1)×n 2
]
= O(e−1)×n1 O(e−1)×n1D E(e−1)×n 2
(k )
где Qi
(k )
= Qi( k −1) + Qi( k −1)δQi ( k ) ; S i
[
⎡ δQn1×1 ⎤ ⎡hn1 0
0⎤
⎢
⎥ ⎢
⎥
⎢δQn1D×1 ⎥ + ⎢ 0 hn1D 0 ⎥
⎢ 0 ⎥ ⎢⎣ 0
0 hn2 ⎥⎦
⎣
⎦
0
⎡Qn1
× ⎢⎢ 0 Qn1D
⎢⎣ 0
0
[
⎡ 0 ⎤⎫
)
⎢δS ⎥⎪ = M ⋅ H)δH ;
p×g
g×1
⎢ n1D×1 ⎥⎬
⎢⎣ 0 ⎥⎦⎪⎭
]
⎡0 0 0 ⎤
⎢0 0 0 ⎥
⎥
⎢
⎢⎣0 0 Qnz2 ⎥⎦
)]
⎡ 0 ⎤⎫
⎢δS ⎥⎪ = [0] ;
⎢ n1D×1 ⎥⎬
⎢⎣ 0 ⎥⎦⎪⎭
0 ⎤ ⎡ δQn1×1 ⎤
⎢
⎥
0 ⎥⎥ ⎢δQn1D×1 ⎥ = [0] ;
Qn 2 ⎥⎦ ⎢⎣ δQn 2×1 ⎥⎦
⎡0 0 0 ⎤
⎢0 0 0 ⎥
⎢
⎥
⎢⎣0 0 Qn 2 ⎥⎦
] [(
(12)
⎡ 0 ⎤
⎢ 0 ⎥=
⎢
⎥
⎢⎣δQn 2×1 ⎥⎦
⎡ 0 ⎤
⎢ 0 ⎥;
⎥
⎢
⎢⎣δQnz2×1 ⎥⎦
= Si( k −1) + Si( k −1)δS i( k ) .
В отличие от (1), в модели (12) возмущение
δS i (δS i ) ,
i=1,2…..,n1D отнесено к
зависимым, а составляющие прогноза потребления ЦП Q jz (δQ jz ) , j=1,2…..,n2 – к
независимым переменным. Это использовано для формирования обратной связи между
задаваемым пользователем режимом потребления и величиной возмущающих воздействий,
передаваемых на исполнительный орган УД. В основе означенной обратной связи лежит
система нормальных уравнений. Иными словами обратная связь позволяет упорядочить, в
отличие от (1), множество δS i , i ∈ I D , с помощью оптимизационного механизма МНК.
Поскольку (11), (12) содержат в своем составе модель возмущенного состояния, то в
случае применения в качестве источников центробежных насосов, необходимо
дополнительно вводить уравнения узловых балансов для насосных ЭУ-источников, по
143
аналогии с (2), позволяющих сформировать фиксированные узловые потенциалы
означенных ЭУ с помощью напорных характеристик.
Модель оперативного управления в результате итерационного решения системы
уравнений (12) определяет значение S i , i ∈ I D , что позволяет произвести настройку
множества ID управляемых дросселей и добиться исполнения прогноза режима потребления
ЦП.
Если модель оперативного управления дает «фотоснимок» состояния системы в
реальном масштабе времени, то дроссельные характеристики позволяют добиваться
исполнения прогноза режима потребления.
Дроссельная характеристика QDj = ϕ j ( S Dj ) , являясь «продуктом» модели оперативного
управления позволяет, не прибегая к многократному (итерационному) решению системы
уравнений (12), настраивать соответствующее множество УД по команде из компьютерного
центра или АРМ диспетчера (здесь SDj – коэффициент гидравлического сопротивления
дросселя j).
Если множество ID дросселей контролируют потребление ЦП через соответствующее
множество энергоузлов (потребителей), то можно утверждать что дроссельные
характеристики являются явной формой взаимодействия между режимом потребления ЦП и
гидравлической настройкой УД. Возникает однако вопрос, является ли дроссельная
характеристика устойчивой формой взаимодействия с режимом потребления. Ведь каждый
конкретный дроссель функционирует в условиях гидравлического взаимодействия с
остальными дросселями и не является ли это взаимодействие дестабилизирующим фактором,
«размывающим» дроссельную характеристику. Иными словами, применимо ли понятие
«дроссельная характеристика» к такой сложной и многоэлементной системе с глубокими
внутренними связями, как например гидравлическая сетевая система.
Для системы водоснабжения второго подъема, питаемой от двух водонапорных башень
с восьмью УД, контролирующими режим потребления, была предпринята попытка
формализации дроссельных характеристик на основе модели (1), путем внесения
возмущений δSi в гидравлическую настройку дросселей, в пределах 86% от исходных
значений Si [3]. Неупорядоченный характер вносимых возмущений в области прямого
анализа привел к потере индивидуальности и однозначности зависимостей QDj = ϕ j ( S Dj ) для
отдельных дросселей, например рис.2.
Формализация дроссельных характеристик на основе модели оперативного управления
(11), (12), то есть для области обратного анализа, выполнена по результатам
вычислительного эксперимента (алгоритмический язык Delphi5) на примере системы
водоснабжения второго подъема, оснащенной новыми стальными трубами с водонапорной
башней и 4-мя УД, установленными на ответвлениях от кольцевой структуры сети к
энергоузлам системы, рис.1. Прогноз водопотребления формируется 5-ю априорно
fz
fz
fz
fz
fz
fz
заданными значениями Q j Q2−11 , Q4−12 , Q6−13 , Q10−15 , Q8−14 , с отклонениями от исходных в
(
)
пределах 86÷120%. По результатам моделирования синтезированы четыре дроссельных
характеристики, рис.3, отличающиеся устойчивой индивидуальной конфигурацией и
дисперсией, не превышающей 2%. Дисперсия дроссельной характеристики конкретного УД
обусловлена во-первых погрешностью метода, во-вторых совокупным влиянием
гидравлической настройки остальных дросселей. Она и определяет погрешность прогноза
потребления ЦП.
Суммируя результаты двух экспериментов можно прийти к выводу, что модель
оперативного управления минимизирует дисперсию дроссельных характеристик в силу
настройки дросселей не на произвольные гидравлические сопротивления а, благодаря
144
обратной связи, в окрестности задаваемого пользователем режима потребления по каждому
энергоузлу системы.
Рис.3. Дроссельные характеристики системы водоснабжения
1 − Q D (1− 2 ) = ϕ1 [ S D (1− 2 ) ]; 2 − QD ( 7−8) = ϕ 2 [ S D ( 7−8) ];
3 − QD (3−4 ) = ϕ 3 [ S D ( 3−4 ) ]; 4 − QD ( 9−10 ) = ϕ 4 [ S D ( 9−10 ) ];
●,x - 1-я и 2-я версии целевой функции соответственно.
Использование программного продукта на основе модели оперативного управления или
дроссельных характеристик позволяет осуществлять гибкую взаимосвязь между режимом
водопотребления и АРМ диспетчерских служб в рамках функционирования АСУ ТП РВ.
Однако для использования дроссельных характеристик необходим их предварительный
синтез с последующими поправками, вносимыми в режиме мониторинга. Поэтому остается
достаточно привлекательным оперативное управление на основе моделей (11), (12), которые,
однако, нуждаются в определенной алгоритмической рационализации, рассмотренной ниже.
Одним из путей повышения точности прогноза водопотребления в рамках модели
оперативного управления является внесение поправки в одно из нормальных уравнений,
содержащих неуправляемый участок. На нем хотя и не предусмотрена, согласно постановке
задачи, установка УД, прогноз расхода воды через него является обязательным. Если
отступить от этого правила и вместо «сомнительного» прогноза ввести на итерации (к)
расход, полученный из решения системы уравнений (12) на итерации (к – 1), размерность
системы нормальных уравнений при этом не изменится, так как одно число заменено
другим. Рассмотрим ниже сущность этой поправки.
Допустим, что в системе нормальных уравнений (10) на участке, обозначенном
индексом «е» не предусмотрена установка УД. Тогда, согласно постановки задачи,
соответствующее уравнение запишется так (вторая версия целевой функции):
Q1f − Qef = Q1fz − Qefz ,
(13)
или в относительных отклонениях
Q1f ( k −1)δQ1 f ( k ) − Qef ( k −1)δQe f ( k ) = Q1fz ( k −1)δQ1 fz ( k ) − Qefz ( k −1)δQe fz ( k ) .
145
(14)
Последнее слагаемое в правой части (13), (14) не поддается прогнозу. Поэтому
предлагается записать это (единственное) нормальное уравнение в следующей редакции:
Q1f ( k −1)δQ1 f ( k ) − Qef ( k −1)δQe f ( k ) = Q1fz ( k −1)δQ1 fz ( k ) − Qef ( k −1)δQe f ( k −1) ,
(15)
вторые слагаемые в левой и правой частях равенства (15) не сокращаются, так как они
определены на разных итерациях.Такая форма записи нормального уравнения исключает
ошибку пользователя в прогнозе расхода через неуправляемый участок и снижает
погрешность исполнения прогноза режима потребления до 2%, исключая тем самым влияние
«человеческого фактора».
Выводы
Предложена модель оперативного управления гидравлическими трубопроводными
системами, формализованная на основе модели возмущенного состояния и методе
наименьших квадратов.Объединение двух подходов (аналитического и МНК) позволяет
добиваться исполнения прогнозов потребления на муниципальном уровне, в рамках
функционирования АСУ ТП.
На основе модели оперативного управления может быть организован синтез
дроссельных характеристик исполнительных органов системы управления, позволяющих,
при известном прогнозе потребления, управлять потреблением ЦП в режиме мониторинга.
Результаты вычислительных экспериментов подтверждают работоспособность
предлагаемого метода моделирования для двух версий целевой функции.
Библиографический список
1. Панов М.Я. Моделирование возмущенного состояния гидравлических систем
сложной конфигурации на основе принципов энергетического эквивалентирования /
М.Я.
Панов, В.И. Щербаков, И.С. Квасов // Изв. РАН. Сер. Энергетика. - 2002. - №6, С.130-137.
2. Евдокимов А.Г. Потокораспределение в инженерных сетях / А.Г. Евдокимов, В.В.
Дубровский, А.Д. Тевяшев. - М.: Стройиздат. – 1979. - 199 с.
3. Панов М.Я. Моделирование, оптимизация и управление системами подачи и
распределения воды / М.Я. Панов, А.С. Левадный, В.И. Щербаков, В.Г. Стогней. - Воронеж.:
Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т, Воронеж. гос. технич. ун-т. 2005.- 489 с.
The bibliographic list
1. Panov M.Ya.Modelling a disturbed condition of hydraulic systems of complex
configurations on the basis of power equivalence principles / M.Ya.Panov, V.I.Shcherbakov,
I.S.Kvasov // News. The Russian Academy of Science. Energetics.-2002.-№ 6, p.p.130-137.
2. Evdokimov A.G. Flow distribution in engineering networks / A.G.Evdokimov,
V.V.Dubrovsky, A.D.Tevjashchev. – Moscow .: construction edition, 1979 - 199 p.p.
3. Panov M.Ya. Modelling optimization and management water systems submission and
distribution / M.Ya.Panov, A.S. Levadny, V.I.Shcherbakov, V.G.Stogneti.- Voronezh: Voronezh
State University of Architecture and Civil Engineering, Voronezh state Technical University. 2005.489 p.p.
Ключевые слова: математическая модель, гидравлически система, оперативное управление, режим
потребления, исполнение прогноза, управляемые дроссели
Key words: mathematical model, Hydraulic system, operative managing, a consumption regime, controlled
throttles
146
УДК 620.3
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Канд. техн. наук, доцент кафедры
теплогазоснабжения Д.М. Чудинов
Магистрант кафедры организации
строительства, экспертизы и управления
недвижимостью К.Н. Сотникова
Магистрант кафедры теплогазоснабжения
М.Ю. Морозов
Студент С. В. Чуйкин
Россия, Воронеж, тел. 8(4732)71-53-21
e-mail: hundred@comch.ru
The Voronezh State University of Architecture
and Construction
Ph. D. in Engineering, Assoc. Prof. of Heat
and Gas Supply Department D.M. Chudinov
Post-graduate of department of organisation
of building, examination and management of
the real estate K.N. Sotnikova
Post-graduate of department of heat and gas
supply M.Y. Morozov
Student S. V. Chuikin
Russia, Voronezh, tel. 8(4732)71-53-21
Д.М. Чудинов, К.Н.Сотникова, М.Ю. Морозов, С.В. Чуйкин
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОБОСНОВАНИЯ СТРУКТУРЫ
ЭНЕРГОКОМПЛЕКСА НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Приведено описание алгоритма обоснования структуры энергокомплекса на базе
возобновляемых источников энергии с традиционным дублером-доводчиком.
D.M. Chudinov, K.N. Sotnikova, M.Y. Morozov, S. V. Chuikin
WORKING OUT OF ALGORITHM OF A SUBSTANTIATION OF STRUCTUREOF
POWER COMPLEX ON THE BASIS OF RENEWED ENERGY SOURCES
The description of algorithm of a substantiation of structure of a power complex on the basis of
renewed energy sources with the traditional doubler is resulted.
Технический потенциал возобновляемых источников энергии (ВИЭ) составляет около
4,6 млрд т у. т./год, что в пять раз превышает объем потребления всех топливноэнергетических ресурсов России, а экономический потенциал определен в 270 млн т у. т., что
составляет около 25 % от годового внутреннего потребления энергоресурсов в стране.
Экономический потенциал ВИЭ постоянно увеличивается в связи с непрерывным
удорожанием традиционного органического топлива и сопутствующими его применению
экологическими проблемами.
Вместе с тем ВИЭ могли бы внести существенный вклад в решение следующих
актуальных задач:
– теплоснабжение автономных потребителей, расположенных вне централизованных систем;
– сокращение объемов транспортировки жидкого топлива в труднодоступные районы и
на Крайний Север при одновременном повышении надежности теплоэнергетических объектов;
– повышение надежности теплоснабжения населения и производства (особенно
сельскохозяйственного) в зонах централизованного энергоснабжения (главным образом в
дефицитных энергосистемах) во время аварийных и ограничительных отключений;
– сокращение вредных выбросов от теплоэнергетических установок в отдельных
городах и населенных пунктах.
Необходимо, однако, отметить: возобновляемые источники энергии и, в первую
очередь, солнечная энергия, имеет существенный недостаток, заключающийся в нестабильности их работы. Повышение стабильности и надежности энергоснабжения от не147
традиционных источников энергии зависит от правильного выбора накопителей энергии
(аккумуляторов) и определения оптимальных режимов их работы.
Комбинированный энергокомплекс (КЭК) представляет собой интегрированную
полиэлементную структуру, которая состоит из нескольких автономных структур,
работающих, в свою очередь, независимо (в моноструктурном режиме) или совместно (в
биструктурном режиме), при различном соединении ее основных элементов (рис. 1).
В солнечной системе 1 происходит поглощение и аккумулирование солнечного
излучения. Солнечный контур, кроме солнечного коллектора, содержит собственный
аккумулятор теплоты, насосы, регулирующие клапаны, фильтры, теплообменники и системы
контрольно-измерительных устройств и автоматики.
В моноструктурном режиме работы по замкнутой схеме солнечная система 1
используется для отопления. Тепловая энергия может передаваться потребителю
непосредственно от бака-аккумулятора, или с использованием трансформатора теплоты теплового насоса 3, что обеспечивает повышение уровня температуры теплоносителя на
входе к контуру теплового потребителя 4. В моноструктурном режиме работы грунтовой
системы 2 грунтовые теплообменники отбирают теплоту, аккумулированную в почве, и
передают ее тепловому потребителю 4 на более высоком уровне, что осуществляется с
помощью теплового насоса 3. Биструктурная система теплоснабжения позволяет
использовать совместно два разнородных возобновляемых источника энергии, которые по
своим естественным свойствам способны, в случае дефицита, к взаимной компенсации друг
друга и некоторому сглаживанию неравномерности теплопотребления. В биструктурной
конфигурации энергосистемы, благодаря наличию двух испарителей теплового насоса,
создаются благоприятные условия для утилизации низкопотенциальной энергии, которая
поступает от двух независимых естественных источников - солнца и грунта (почвы).
В этом случае тепловой насос выполняет роль трансформатора теплоты одновременно
для обоих источников возобновляемой энергии (рис. 2). Анализ комплексных
гелиогрунтовых теплонасосных систем биструктурной конфигурации показал, что они
перспективны как в энергетическом, так и в экономическом отношении и представляют
интерес для энергосберегающих технологий.
В случае дефицита возобновляемой энергии и недостаточной мощности теплового
насоса конфигурация системы предусматривает возможность включения в работу резервного
источника традиционной энергии (дублера) для обеспечения нагрузки теплового
потребителя на необходимом уровне комфорта. Поскольку система теплоснабжения на
основе возобновляемых источников энергии является низкопотенциальной (температурный
уровень теплоносителя 40...50°С), должно быть предусмотрено использование отопительных
устройств с увеличенной поверхностью нагрева. В качестве резервного источника энергии
может быть принят электрический обогреватель, который включается в работу в случае
дефицита возобновляемой энергии, когда невозможно поддерживать тепловые требования
потребителя на надлежащем уровне.
3
1
4
5
2
Рис. 1. Обобщенная схема КЭК: 1 – солнечная система; 2 – грунтовая система; 3 – тепловой насос;
4 – система теплоснабжения; 5 – источник традиционной энергии (дублер)
148
Рис.2. Принципиальная схема применения тепловых насосов и ВИЭ в системе
энергоснабжения города
Таким образом, в рамках задач проектирования такого рода комбинированного
энергокомплекса должны рассматриваться вопросы, связанные с выбором оптимального
состава и параметров преобразователей возобновляемой энергии, которые наилучшим
образом должны удовлетворять поставленной цели. Под преобразователями возобновляемой
энергии в этом случае понимаются различные солнечные коллекторы, вариации конструкций
тепловых труб грунтовых теплообменников и т.п.
В качестве целей разрабатываемого алгоритма САПР энергокомплекса должны
рассматриваться задачи по оптимальному выбору состава и параметров преобразователей
возобновляемой энергии, для работы в комбинированной энергосистеме или автономно.
При известной сложности задач проектирования каждого вида источников теплоты в
отдельности (традиционных, солнечных и грунтовых), задача проектирования
комбинированного энергокомплекса по мощности множества рассматриваемых альтернатив
является еще более сложной. Поэтому актуальность разработки алгоритма обусловлена
также и необходимостью получения инструментария, позволяющего эффективно и быстро
решать возникающие задачи такого рода.
Отсутствие необходимой методики не позволяет в полной мере решать задачи,
связанные с комплексным использованием возобновляемых источников энергии.
Существующие в настоящий момент исследования показывают качественную
эффективность совместной работы возобновляемых источников энергии, в то время как для
практического совместного использования возобновляемых источников энергии необходимо
перейти к количественным характеристикам данных систем.
Поэтому возникла задача построения методики проектирования энергокомплекса,
позволяющей:
- с единой позиции производить синтез облика проектируемого объекта и вести его
экспертизу. При этом энергокомплекс может иметь различный состав "преобразователей,
различный режим работы (работать в энергосистеме или автономно) и оборудование;
- уменьшать размерность возникающих задач за счет того, что каждый эксперт,
задействованный в проекте, может работать с моделью только одного объекта, не затрагивая
остальные объекты энергокомплекса.
Основной целью проектирования является формирование облика технического объекта
(ТО), отвечающего необходимым требованиям. Формирование облика объекта включает два
основных этапа:
1. Формирование исходного варианта требований к проектируемому объекту.
2. Синтез облика объекта по сформированным требованиям.
Задачу синтеза в общем случае можно классифицировать по целям, которые должны
быть достигнуты в ходе выполнения задачи. В соответствии с данной классификацией
149
основными вариантами синтеза являются: параметрический синтез; схемный синтез;
алгоритмический синтез.
Синтезом облика проектируемого технического объекта будем называть процесс
задания вариантов возможных альтернатив и отыскание среди них оптимальных.
Техническое задание содержит множество требований (критериев), которым должен
соответствовать проектируемый объект.
Структуру системного проекта, в рамках которого осуществляется синтез облика
проектируемого объекта, можно представить в следующем виде (рис. 3).
Поэтому минимальный набор критериев, по которым может быть оценен облик
технического объекта, может быть представлен в следующем виде:
1. Степень функционального соответствия системы требованиям.
2. Степень технического соответствия системы требованиям.
3. Степень экономического соответствия системы требованиям.
На сегодняшний день известны два класса методов решения задачи синтеза облика
технического объекта: трансформационный метод и морфологический метод. Различие
методов синтеза заключается в различном подходе к генерации альтернатив облика
технического объекта. При трансформационном подходе синтез облика ТО осуществляется
путем тех или иных преобразований (улучшений) прототипа ТО.
Генерация альтернативы
БГ
ВМП
ТМП
Среда целеполагания
ЭМП
МРП
Среда реализации
Рис. 3. Структура системного проекта:
БГ - базовые гипотезы (положения, из которых происходит построение проекта); ВМП - виртуальная
модель процесса (формальное описание проекта). В качестве виртуальной модели процесса может
рассматриваться система функций системы; ТМП - техническая модель процесса (проекция получаемого
проекта на современные технические средства реализации); ЭМП - экономическая модель процесса
(экономическая оценка проекта); МРП - модель реализации процесса (модель реализации проекта)
Морфологический подход подразумевает получение морфологического множества
возможных решений, реализующих каждую функцию проектируемого объекта, и поиск
оптимального варианта компоновки данных решений.
Наличие нескольких критериев, по которым оценивается проект, в общем случае
требует использования специального математического аппарата, позволяющего корректно
сравнивать полученные альтернативы. В качестве такого аппарата может быть использован
механизм векторной оптимизации.
Многомерную альтернативу можно представить как точку в n-мерном пространстве
(вектор) х = (x1,..., xn), где xi , i =1,2,...,n могут трактоваться как компоненты альтернативы. В
дальнейшем вектор х будем называть вектором альтернатив.
Качество решения, оцениваемое m скалярными критериями, может быть представлено
в виде вектора эффективности r =(r1, ..., rm), где ri - оценка решения по i-му локальному
критерию. Данный вектор связан с вектором альтернатив следующим функциональным
отображением:
F: x=>r.
(1)
150
Отображение F может быть заданно аналитически (детерминировано или
вероятностно), статистически или эвристически (экспертные оценки).
Если х* обозначить наилучший из векторов альтернатив, то задача векторной
оптимизации будет иметь вид:
х*= arg opt (F(x)),
(2)
где х - вектор, принадлежащий пространству многомерных альтернатив;
х* - оптимальное решение, принадлежащее допустимому множеству альтернатив (X);
opt - оператор оптимизации вектора r равного, соответственно, F(x);
arg - оператор, проецирующий значения компонент вектора r на значения компонент
вектора х.
Основные проблемы решения уравнения заключаются в определении структуры и
параметров функционалов, операторов и множеств, входящих в вышеприведенное выражение.
Основными трудностями при этом являются:
1. Нормализация критериев принятия проектных решений (оценка полезности
альтернативы).
2. Определение принципа оптимальности.
3. Учет приоритета критерия.
4. Построение соответствующей процедуры отыскания оптимального решения задачи.
В некоторых задачах удается перейти от вектора эффективности принятия проектных
решений к обобщенному критерию. Данный критерий получил в научной литературе
название - "функция полезности".
Важно отметить, что есть методы выбора лучшей альтернативы и без построения
обобщенного критерия.
Каждая альтернатива имеет свое значение компонент в векторе эффективности, при
этом скалярное значение каждого компонента в этом векторе различно. Следовательно,
необходимо ввести процедуру нормализации каждого значения компонента вектора
эффективности, для сравнения степени пригодности альтернатив между собой. Для учета
различной степени значимости локальных критериев используют различные способы
задания приоритетов.
Наиболее часто в качестве принципов многокритериальной оптимизации в контексте
задач проектирования используются следующие принципы [1]:
1. Принцип Чебышевской равномерной оптимизации.
2. Принцип дифференциальной оптимальности.
3. Принцип пессимизма – оптимизма.
4. Принцип равномерного приближения к идеалу.
5. Принцип интегральной оптимальности.
6. Метод Парето.
Наличие различных принципов оптимальности связано с различными требованиями к
результату оптимизации. Так, принцип равномерного приближения к идеалу допускает
компенсацию относительно плохих значений части локальных критериев хорошими
оценками. В то же время принцип Чебышевской равномерной оптимизации не допускает
данной компенсации и ориентируется на получение гарантированного результата.
Методы, используемые в САПР комплексной ВИЭ, определяются задачами, решаемыми в рамках САПР. Поэтому необходимо провести классификацию данных задач. На рис. 4
показана схема, связывающая задачи, которые должны решаться в рамках САПР
комплексной ВИЭ со структурными особенностями использования энергокомплекса (ЭК).
Задачи проектирования энергокомплекса можно классифицировать: на задачи, в
которых рассматриваются только типовые технические решения (М); на задачи, в которых
прорабатываются индивидуальные решения (Е) и задачи смешанного типа (СМ). Под
151
типовым техническим решением будем подразумевать наличие готовых технических
модулей, подбор которых и осуществляется в ходе проекта.
Задачи, принадлежащие классу М , отличаются от задач, принадлежащих классу Е,
прежде всего тем, что задачи класса М можно отнести к задачам перебора комбинаций
готовых технических модулей и анализу полученной системы.
Задачи класса Е более сложны, и в рамках данных задач дополнительно к задачам,
рассматриваемым в классе М, рассматриваются задачи по использованию индивидуальных
особенностей объекта, использованию новых конструкторских решений и т.д. В рамках задач
смешанного типа существуют задачи, принадлежащие классу Е и М одновременно.
В зависимости от класса задач, стоимость энергокомплекса будет сильно различаться.
Сокращение стоимости энергокомплекса может достигаться за счет сокращения стоимости
изготовления, монтажа технических модулей и за счет использования типовых проектов.
Детальное рассмотрение графа, представленного выше, показывает, что наиболее
просто должны решаться задачи проектирования энергокомплекса, принадлежащие классу
М, для ветвей, выходящих из узла О.
Разнородность вышеописанных задач показывает, что для их эффективного решения
должны использоваться различные модели, реализующих различные функции одних и тех
же объектов проектирования.
ЭК
Е
С
Л
СО
СМ
О
ЭС
С
СО
Л
М
О
ЭС
С
Л
СО
О
ЭС
Рис. 4. Классификация связей задач, решаемых в рамках проектирования энергокомплекса:
М - множество задач в которых рассматриваются типовые решения; Е - множество задач в которых
прорабатываются индивидуальные решения; СМ- множество задач смешанного типа; С- множество задач, где
учитывается взаимная зависимость приходящих ресурсов; О- множество задач, где не учитывается взаимная
зависимость приходящих ресурсов; СО - множество задач, частично учитывающих зависимость между приходящими ресурсами; Л-целью системы является работа на автономного потребителя; ЭС - целью системы
является работа в энергосистеме; ЭК – энергокомплекс
Работы в области искусственного интеллекта, позволяющие автоматизировать процесс
работы с множеством методик, в настоящий момент только ведутся. В частности, весьма
перспективным является подход на базе семиотического моделирования [2], с
использованием которого был построен прототип системы поддержки принятия решений для
оперативно-диспетчерского персонала энергоблока.
В рамках данной статьи авторы предлагают вариант алгоритма решения ряда задач
проектирования, принадлежащих только классу М. Для этого будет разработана
имитационная математическая модель энергокомплекса и определены правила работы с ней.
В случае продолжения работ по САПР ВИЭ, эта модель может входить в банк моделей
САПР ВИЭ, а правила работы с ней - в базу знаний экспертной системы.
Таким образом, в рамках концепции всей системы проектирования должна быть
определена процедура синтеза энергокомплекса и методика реализации данной процедуры.
152
В качестве критериев оценки выбираемой процедуры синтеза облика энергокомплекса
могут выступать следующие локальные критерии:
1. Степень реализуемости алгоритма.
2. Степень учета дополнительных задач синтеза.
3. Точность расчетов.
4. Стоимость организации вычислительной процедуры.
В качестве данной процедуры синтеза предлагается использовать алгоритм, приводимый на
рис. 5. Вербальное описание работы алгоритма, представленного на рис.3, приведено ниже.
После поступления технического задания (ТЗ) на проектирование определяется первое
приближение по схеме энергокомплекса, по составу и параметрам преобразователей,
которые входят в данную схему. На базе данной информации формируется ТЗ для
выполнения работ по уточнению параметров данных преобразователей. После выполнения
уточнения происходит оценка приемлемости получаемого решения. В случае, если решение
приемлемо, то оно принимается, иначе формируются новые варианты ТЗ по
преобразователям возобновляемой энергии (ПВЭ).
Степень реализуемости алгоритма оценим, исходя из степени реализуемости отдельных
блоков, составляющих алгоритм.
Блок № 4 реализуем, так как он функционально эквивалентен существующим в
настоящий момент организационно-техническим системам, выполняющим проекты по
отдельным ПВЭ.
начало
1
ТЗ на проектирование
энергокомплекса
2
Определить начальный состав S0 и начальные
параметры энергокомплекса
3
Формирование ТЗ
по проектам ПВЭ
4
Выполнение ТЗ
5
Проведение схемного и параметрического
синтеза на базе результатов проектов ПВЭ
Оценка приемлемости
6
+
Проект энергокомплекса
на базе ВИЭ
окончание
Рис. 5. Процедура синтеза энергокомплекса на базе ВИЭ
153
7
Блоков № 3,5,6 на сегодняшний день не существует, поэтому предполагается
дальнейшая работа авторов по разработке методики, позволяющей их реализовать. При этом
предполагается, что дополнительные задачи САПР ВИЭ будут решены цепочкой блоков №
3,4,5,6.
Стоимость организации вычислительной процедуры будет определяться числом
итераций. Точность будет определяться блоком 6.
По мнению авторов, вышеприведенная процедура может быть реализована в виде
двухуровневой иерархической системы. При этом компоновка активных элементов системы
средствами автоматизации должна быть следующей:
- подсистема первого уровня иерархии управления должна обладать функциональностью, позволяющей оценить вариант альтернативы по различным критериям и
получить субоптимальный вариант решения задачи;
- подсистемы второго уровня иерархии управления должны обладать
функциональностью, позволяющей на базе результатов, полученных от подсистемы первого
уровня, производить детальное проектирование своих блоков.
Выводы
Таким образом, должна быть реализована функционально распределенная САПР,
соответствующая схема которой имеет вид (рис. 6):
САПР ЭК
САПР ТИТ
САПР СИТ
САПР ГИТ
Рис. 6. Предполагаемая архитектура САПР ВИЭ: ТИТ – традиционные источники теплоты;
СИТ – солнечные источники теплоты; ГИТ – грунтовые источники теплоты
Библиографический список
1. Алексеев А.В., Борисов А.Н., Вилюмс Э.Р., Слядзь Н.Н., Фомин С.А.
Интеллектуальные системы принятия решений. – Рига, Зинатне, 1997.
2. Поспелов Д.А., Осипов Г.С. Прикладная семиотика//Новости искусственного
интеллекта. 1999. №1.
The bibliographic list
1. Alekseev A.V., Borisov A.N., Viljums E.R., Sljadz N.N., Fomin S.A. Intellectual systems
of decision-making. – Riga, Zinatne, 1997.
2. Pospelov D.A., Osipov G. S. Applied semiotics//artificial intellect News. 1999. №1.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, комбинированная энергосистема, системный анализ,
алгоритм синтеза энергокомплекса.
Keywords: the renewed energy sources, the combined power supply system, the system analysis, a power complex
synthesis algorithm.
154
УДК 697.94
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Магистрант кафедры теплогазоснабжения
М.А.Кирнова
Профессор кафедры теплогазоснабжения
О.А.Сотникова
Россия, г.Воронеж, тел.(4732) 71-53-21
e-mail: Teploset@ymail.com
The Voronezh State University of Architecture
and Construction
Post-graduate of department heat and gas
supply M.A.Kirnova
Professor of the department of heat and gas
supply O.A.Sotnikova
Russia, Voronezh, tel.(4732) 71-53-21
e-mail: Teploset@ymail.com
М.А.Кирнова, О.А.Сотникова
АККУМУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ В ГЕЛИОГРУНТОВЫХ СИСТЕМАХ
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С ТВЕРДЫМ АККУМУЛИРУЮЩИМ МАТЕРИАЛОМ
Статья посвящена оценке перспектив аккумулирования теплоты в
комбинированных
системах
теплоснабжения,
использующих
твердые
аккумулирующие материалы.
M.A.Kirnova, O.A. Sotnikova
WARMTH ACCUMULATION IN HELIOS SOIL SYSTEMS HEAT SUPPLIES
WITH THE FIRM HEAT-SINK MATERIAL
Article is devoted an estimation of prospects of accumulation of warmth in the
combined systems of a heat supply using as accumulators accumulators by a firm heatsink material
Мировой опыт показывает, что развитые страны ведут интенсивный поиск альтернатив
органическому топливу. Одной из реально существующих альтернатив является
использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Объем энергии, производимый с
помощью ВИЭ, в настоящее время уже достиг 10 % от общего объема энергопотребления. В
Российской Федерации этот показатель составляет менее 1 %.
В настоящее время использование природных низкотемпературных источников
теплоты для отопления и горячего водоснабжения наиболее успешно осуществляется с
помощью тепловых насосов, выпуск которых во всем мире в последние годы резко возрос.
Тепловой насос позволяет трансформировать низкопотенциальную теплоту возобновляемых
природных источников и вторичных энергоресурсов до более высоких температур,
пригодных для целей теплоснабжения [1]. Любой источник теплоты для массового теплового
насоса подвержен сезонным и дневным изменениям температуры. К сожалению, эти
вариации снижают коэффициент преобразования (равный отношению отведенной теплоты Q
при температуре t к подведенной работе внешнего двигателя) как раз в то время, когда
потребность в теплоте здания максимальна.
Дороговизна применения электронагрева для дополнительного теплоснабжения, на что
указывают многие производители тепловых насосов, побуждает к поиску альтернативных
решений, среди которых перспективным являются накопление теплоты летом или в
солнечные зимние дни. Применение аккумуляторов, заряженных в период минимальной
155
потребности в энергии и разряжаемых в период максимальной потребности, существенно
повышает надежность и эффективность работы энергетических систем[2].
Наиболее известными и изученными аккумуляторами являются аккумуляторы с
твердым аккумулирующим материалом [ТАМ].
Тепловые матрацы с ТАМ имеют простую конструкцию и в силу этого нашли
наибольшее распространение. Для кратковременного аккумулирования чаще всего
используются аккумуляторы с пористой матрицей. В качестве ТАМ служат наиболее
дешевые материалы - щебень, фаолит, остатки строительных материалов. Такие тепловые
аккумуляторы проектируются, как правило, с минимальным гидравлическим
сопротивлением, что позволяет использовать принцип свободного конвективного переноса.
Аккумулятор представляет собой гетерогенную систему, которая состоит из твердого
скелета и жидкости, которая принимает или передает теплоту (в капельной или газоподобной
форме). Поскольку скорость течения жидкости небольшая (число Маха М безусловно
меньше 0,6), газоподобная среда считается несжимаемой.
По расчетной модели принимаем, что аккумулятор представляет собою плотное
вложение сферических частиц. Схема расчетной модели приведена на рисунке.
Рис. Схема расчета аккумулятора
При принятой схеме твердый скелет модели представляет собой периодическую
структуру, которая является непрерывной во всем пространстве аккумулятора.
Непрерывность скелета не означает его целостность. Поскольку сферические части не
деформируются, то координаты центра сферических частей постоянны. Параметром,
характеризующим фильтрационные свойства подземных коллекторов, является коэффициент
проницаемости. Для гранулярных коллекторов связь коэффициента проницаемости с
пористостью выражается известной формулой Козени:
K=
m3
,
5S 02 (1 − m )
(1)
где S0 – поверхность частиц в единице объема породы; т – пористость.
Формула Козени, таким образом, устанавливает связь между тремя основными
внутренними параметрами коллекторов: пористостью, проницаемостью и удельной
поверхностью. Жидкость, которая фильтруется, занимает все свободное пространство между
частями. При рассмотрении задач гидродинамики и теплообмена, как внешних задач для
отдельной частицы, нет необходимости в детальном описании парового пространства.
156
Жидкую среду можно считать целостной. На входе в аккумулятор поток характеризуется такими параметрами: температура tx , давление px , скорость движения ωx, удельный объем υx ,
вязкость μx , энтальпия hx. На участке dx аккумулятора в направлении движения потока к
последнему подводится (или отводиться) некоторое количество теплоты. Для преодоления
сопротивления трения поток выполняет работу. Запишем уравнение первого закона
термодинамики для горизонтального потока
dQ⋅dT - Мх ⋅dLтр ⋅dτ = Мх⋅(dhp +ωdω),
(2)
где dQ – теплота, которая подводиться к потоку; Мх — масса жидкости в элементе
аккумулятора; dLmp - работа потока, использованная на преодоление трения; ωdω –
изменение кинетической энергии единицы массы потока.
Количество теплоты, которое подведено к потоку в аккумуляторе, состоит из
составных частей: тепловыделение твердых частиц, которые размещены в аккумуляторе;
потока теплоты теплопроводности в жидкости; теплоты, которая выделяется в результате
трения потока жидкости с частицами (диссипация к механической энергии потока).
Величину, выделяемую теплопроводностью отдельными частицами, считая их
сферическими, определим из уравнения
∂t
(3)
dq r = πd r2 λ r r r = r0 dτ ,
∂r
где r — текущая координата по радиусу частицы; dK — диаметр частицы; r0 -радиус
частицы; λr – теплопроводность материала частицы; tr -температура частицы.
Принимая, что все частицы в одной строке имеют одинаковую температуру, можно
записать уравнение для суммарного тепловыделения всех частиц в объеме, который
выделяется для аккумулирования
dQr = N p π d r2 λ r ∂t r ∂r
r = r0
dτ ,
(4)
где Np - количество частиц в строке. Количество частиц в каждой строке равняется
N p = 4Y p
zp
,
d r2
(5)
где Yp и zp – размеры аккумулятора в направлении соответствующих координат.
Количество теплоты, которое поступает в выделенный элемент аккумулятора за счет
теплопроводности в жидкости, равняется
dQλ = 4b (2 H )λ p
∂ 2t p
∂x 2
dx dτ ,
(6)
где b – ширина аккумулятора; Н – высота аккумулятора; λp – теплопроводность
жидкости; tp – температура жидкости.
Работа потока на преодоление трения полностью превращается в теплоту, которую
принимает поток. Соответственно dQmp = dLmp. Теплоприток от частиц твердого скелета
системы определим из уравнения теплообмена при граничных условиях третьего рода
(
dQт = N p π d r2α r t r
где ar - коэффициент теплоотдачи.
157
r = r0
)
− t p dτ ,
(7)
Коэффициенты теплоотдачи сферических частичек при обтекании их потоком могут
быть определены из соотношения:
Nu = 2 + 0,03 Pr0,33 -Re0,54 + 0,35 Pr0,35 -Re0,58,
(8)
где Pr, Re - соответственно критерии Прандля и Рейнольдса. Используя выше
записанные соотношения, получим
⎛ dh p
λ ∂ 2t r
dω ⎞ α
⎟⎟ =
(t r − t p ) +
mp p ⎜⎜
+ω
dτ ⎠ dr
dr ∂x 2
⎝ dτ
(9)
где m - пористость массива аккумулятора; рр - плотность жидкости.
Последним членом в уравнении (9) можно пренебречь. Учитывая, кроме того, что dhp =
cptpy где ср — удельная изобарная теплоемкость жидкости, получим уравнение, которое
описывает процесс теплообмена в аккумуляторе с ТАМ
mp p c p
dt p
dτ
=
α
dr
(t r − t p ) −
dt p
dx
(10)
Усредненное уравнение энергии для движущейся несжимаемой жидкости имеет вид
∂
dt
dt
6(1 − m)
mpc ж = λэ ж +
α (tr − t ж )
(11)
dτ ∂x
dτ
dr
где λэ - коэффициент эффективной теплопроводности слоя.
Для твердого скелета уравнение энергии имеет вид
(1 − m) pc cr
∂
dt r
dt
6(1 − m)
= λk r +
α (t r − t ж )
dτ ∂x
dx
dr
(12)
где λк - коэффициент каркасной теплопроводности.
Уравнение (12) записывается для единицы объема пространства, все входящие в него
величины имеют смысл средних по твердой фазе.
Выводы
Таким образом, аккумулятор представляет собой гетерогенную систему, которая
состоит из твердого скелета и жидкости, которая принимает или передает теплоту (в
капельной или газоподобной форме). Поскольку скорость течения жидкости небольшая
(число Маха М безусловно меньше 0,6), газоподобная среда считается несжимаемой.
По расчетной модели принимаем, что аккумулятор представляет собою плотное
вложение сферических частиц. Полученные уравнения для жидкой и для дисперсной фазы
записаны, по существу, как для сплошной среды. Влияние формы и размеров частиц, а также
структуры коллектора на процессы теплопереноса в явной форме не выражается.
Библиографический список
1. Андрющенко А.И. Сравнительная энергоэффективность применения тепловых
насосов для централизованного теплоснабжения //Промышленная энергетика. - 1997. - №6. С. 2-6
2. Васильев Г.П., Шилкин Н.В. Использование низкопотенциальной тепловой энергии
земли в теплонасосных установках // АВОК. - 2003. - №2. - С. 52-60.
158
3. Драганов Б.Х., Морозюк Т.В., Никульшин Р.К., Гулько Т.В. Теплонасосные системы
с подземным аккумулированием теплоты // Пром. теплотехника. - 2000. - Т. 22. - № 5-6. - С.
46-49.
The bibliographic list
1. Andryushenko A.I. Comparative power efficiency of application of thermal pumps for the
centralised heat supply//Industrial power. 1997. №6. p. 2-6
2. Vasilev G. P, Shilkin N.V. Use low potential earth thermal energy in thermal pumps
installations//АVОК. 2003. №2. p. 52-60.
3. Draganov B.H., Morozjuk T.V., Nikulshin R. K, Gulko T.V. Thermal pumps of system
with underground accumulation of warmth//Prom. of the heating engineer. - 2000. - Т. 22. - № 5-6.
p. 46-49.
Ключевые слова: аккумуляторы теплоты, зарядка, разрядка, численное моделирование.
Keywords: warmth accumulators, gymnastics, discharge, numerical modelling.
УДК 697.245
Воронежский государственный
архитектурно - строительный университет
Канд. техн. наук, ст. преп. И.С.Кузнецов
инженер Р.H.Кузнецов
инженер А.А.Горских
Россия, г.Воронеж, тел. 8(4732)71-53-21
e-mail: ilya.kuznetsov@gmail.com
The Voronezh State University of Architecture
and Construction
Cand.Tech.Sci., senior lecturer I.S.Kuznetsov
engineer R.N.Kuznetsov
engineer A.A.Gorskih
Russia, Voronezh, ph. 8 (4732) 71-53-21
e-mail: ilya.kuznetsov@gmail.com
И.С.Кузнецов, Р.Н.Кузнецов, А.А.Горских
ВАРИАНТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИ ПРОКЛАДКЕ ТРАСС ИНЖЕНЕРНЫХ
СЕТЕЙ
Разработан новый метод выбора оптимального маршрута прокладки инженерной сети
на основе теории генетических алгоритмов. Использование полученного метода позволяет
выполнять вариантное проектирование и обосновывать минимальный по стоимости
маршрут прокладки инженерной сети.
I.S.Kuznetsov, R.N.Kuznetsov, A.A.Gorskih
VARIANT ENGINEERING APPLIED TO LAYING NETWORK ROUTES
A new method of selection of optimal network route using genetic algorithms has been
developed. Usage of derived method allows to apply variant engineering and justify minimal cost
network route.
Развитие инженерных сетей выступает важнейшим условием успешного развития
экономики Российской Федерации. При этом наблюдается постоянное возрастание
стоимости прокладки трасс инженерных сетей, что обуславливает важность выбора
оптимальных трасс с целью снижения их стоимости. В связи с этим все более существенное
значение приобретает разработка методов вариантного проектирования маршрутов
прокладки инженерных сетей.
Существующие в настоящее время способы оптимизации трасс прокладки инженерных
сетей методом кратных маршрутов ориентированы на работу с магистральными
159
газопроводами [1]. Вместе с тем для решения оптимизационных задач на графах в последнее
время получает все большее применение теория генетических алгоритмов [2].
Выбор варианта маршрута прокладки инженерной сети – это оптимизация стоимости
прокладки по нескольким критериям. На маршрут прокладки влияют различные факторы,
такие как перепады высот, доступность, дороги, окружающая среда, природные,
геологические и т.д. [4] Поиск оптимальной трассы инженерной сети основывается на
предположении о достоверности и достаточности исходных данных о местности и факторах,
влияющих на маршрут прокладки. Глубина проработки исходных данных определяет
точность прокладки трассы инженерной сети, однако временные и финансовые затраты на
проведение необходимых исследований приводят к тому, что не всегда имеется возможность
проработать данные в достаточной степени. Поэтому после построения поверхности
стоимости и последующей обратной трассировки оптимального варианта маршрута
инженерной сети могут последовать корректировки, производимые в ручном режиме. Для
удобства корректировки при трассировке маршрута следует предусмотреть расчет
дополнительных маршрутов прокладки инженерной сети, близких к оптимальным. Таким
образом, выбор варианта решения при планировании прокладки инженерной сети зависит не
только от глобального оптимального решения, но и от предоставления целесообразных
альтернативных вариантов маршрутов, один из которых выбирается проектировщиками в
ручном режиме.
Для нахождения альтернативных вариантов маршрутов предлагается использовать
генетические алгоритмы, являющиеся подмножеством эволюционных алгоритмов.
Рассматривались растровые карты влияющих факторов. Растровая карта может быть
представлена как регулярная сетка, каждая ячейка которой имеет значение, соответствующая
в рассматриваемом случае стоимости прокладки, или прохождения, через данную ячейку.
Для упрощения работы алгоритма была введена единая нумерация всех ячеек. Таким
образом, рассматриваемые решения представляют собой набор номеров ячеек сетки,
отмеченных для прокладки инженерной сети. Каждая ячейка, составляющая маршрут
прокладки инженерной сети, соответствует одному гену в хромосоме в терминологии
генетических алгоритмов, а хромосома соответствует маршруту целиком. Поскольку
рассматриваются разные по длине маршруты, алгоритм должен оперировать хромосомами
переменной длины. При этом гены в пределах одной хромосомы не должны дублироваться,
так как это приводит к зацикливанию маршрута в целом либо какого-то его участка.
Первым шагом генетического алгоритма (ГА) является создание начальной
популяции особей фиксированного размера, которые в дальнейшем будут
эволюционировать. Для первого шага ГА в качестве начальной популяции выбирались
маршруты от начальной точки прокладки до конечной. Выбор маршрутов происходил при
помощи видоизмененного алгоритма Дейкстры [3], который искал маршруты с учетом
стоимости прохождения и начального направления на конечную точку.
Генетические алгоритмы являются итеративными. Каждая итерация соответствует
новому поколению особей, которые проходят отбор и видоизменяются генетическими
операторами скрещивания и мутации. Отбор особей происходит пропорционально оценке
приспособленности особей. Приспособленность особи определяется посредством расчета
функции приспособленности. Для решения оптимизационной задачи требуется нахождение
максимума этой функции. В случае с нахождением весовых коэффициентов карт факторов,
влияющих на прокладку инженерной сети, роль функции приспособленности будет
выполнять следующая функция:
1
(1)
→ max ,
f (H i ) =
∑M j
j
160
где i – индекс хромосомы внутри популяции, j принимает значения номеров ячеек маршрута
соответственно генам, из которых состоит i-я хромосома, M j - стоимость движения через
ячейку с индексом j.
Селекция особей производилась методом рулетки, то есть прямо пропорционально
приспособленности особей. Для каждой особи рассчитывалась величина относительной
приспособленности, и далее в соответствии с этой величиной производился случайный отбор
особей. Вероятность отбора особи с индексом i определялась как:
f (H i )
.
(2)
P( H i ) =
∑ f (H j )
j
Для применения генетических операторов создавался временный пул особей, который
заполнялся особями, прошедшими селекцию.
Для каждой пары особей с определенной вероятностью может применяться оператор
скрещивания. Для оставшихся особей оператор скрещивания не применяется, и эти особи
сохраняются в неизменном виде до применения оператора мутации. Иллюстрация
применения оператора скрещивания приведена на рис. 1.
Селекция
Скрещивание
Особь 1
Особь 1
Потомок 1
Особь 2
Особь 2
Потомок 2
Особь 3
Особь 2
Потомок 3
Особь 4
Особь 4
Потомок 4
…
…
…
Рис. 1. Селекция и скрещивание
Поскольку в предлагаемом ГА применяются хромосомы различной длины, оператор
скрещивания отличается от классического оператора скрещивания. Каждая хромосома
представляет собой маршрут, что накладывает дополнительные ограничения на выбор
особей для скрещивания. Поскольку маршрут должен быть непрерывным, в хромосомах
особей должен присутствовать как минимум один общий ген, что соответствует
прохождению маршрутов через одну и ту же ячейку, что в свою очередь означает
пересечение маршрутов (рис. 2).
161
Рис. 2. Выбор точки скрещивания особей
Для скрещивания особей применялся оператор одноточечного скрещивания с точкой
скрещивания, находящейся в точке пересечения маршрутов. Пусть хромосома 1 содержит L1
генов, а хромосома 2 – L2 генов. Обозначим позицию гена, являющегося точкой скрещивания
в хромосоме 1 как l1, а точку скрещивания в хромосоме 2 как l2. В результате действия
метода одноточечного скрещивания будет получена следующая пара потомков:
1) потомок, хромосома которого на позициях [1 .. l1] состоит из генов первой
родительской хромосомы, а на позициях [l1+1 .. L2-l2+l1] – из генов второй родительской
хромосомы;
2) потомок, хромосома которого на позициях [1 .. l2] состоит из генов второй
родительской хромосомы, а на позициях [l2+1 .. L1-l1+l2] – из генов первой родительской
хромосомы.
Действие одноточечного метода скрещивания на хромосомах различной длины
проиллюстрировано на рис. 3.
Рис. 3. Одноточечный метод скрещивания на хромосомах разной длины
В результате работы оператора скрещивания в маршруте могут образовываться
циклы, что недопустимо. Для удаления циклов производилось удаление генов из хромосом
между узлами-дубликатами.
Оператор мутации используется для внесения случайных изменений в хромосомы для
достижения разнообразия популяции, а также для предотвращения преждевременной
сходимости популяции. В классическом генетическом алгоритме оператор мутации с
некоторой вероятностью меняет ген в бинарном представлении хромосомы на
противоположный. Однако в случае, когда хромосома представляет собой маршрут, такой
оператор неприменим, так как хромосома после применения к ней оператора мутации может
не являться непрерывным маршрутом от начальной точки к конечной. В качестве оператора
мутации предлагается использовать следующий метод:
162
1. Случайным образом выбрать точку разрыва l в хромосоме.
2. Проложить маршрут от точки разрыва до конечной точки маршрута. Длину
полученного маршрута обозначить L. Так как в ГА мутация рассматривается не как поиск
оптимального решения, а скорее как метод восстановления потерянного генетического
материала, то прокладка маршрута должна осуществляться случайным образом.
3. Результатом является хромосома, состоящая из генов исходной хромосомы в
позициях [1 .. l], и из ячеек маршрута, полученного на шаге 2 в позициях [l+1 .. l+L].
В результате работы алгоритма получены маршруты прокладки инженерной сети,
количество которых соответствует начальному размеру популяции. Основываясь на функции
приспособленности, есть возможность отобрать необходимое количество лучших маршрутов
для дальнейшего использования.
Выводы
На основе теории генетических алгоритмов разработан новый метод выбора
оптимального варианта маршрута прокладки трассы инженерной сети, адаптированный к
особенностям выбора маршрута прокладки трассы в условиях неполноты исходных данных.
При помощи разработанного алгоритма выбирается оптимальный маршрут и близкие к
оптимальному альтернативные варианты маршрутов. Принятие окончательного решения по
определению трассы инженерной сети принимается проектировщиком путем выбора из
оптимального и альтернативных вариантов маршрутов.
Использование полученных методов позволит повысить точность проектных
изысканий, шире внедрять в практику проектирования инженерных сетей вариантное
проектирование и в конечном итоге снизить стоимость прокладки инженерных сетей.
Библиографический список
1. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы (проектирование и
строительство) /П.П.Бородавкин – М.: Недра, 1982.-384с.
2. Курейчик В.М. Генетические алгоритмы и их применение – 2-е изд., доп./
В.М.Курейчик – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002.-242с.
3. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход./Н.Кристофидес – М.:Мир,
1978.-432с.
4. Мелькумов В.Н. Определение оптимального маршрута трассы газопровода на основе
карт стоимости влияющих факторов/ В.Н.Мелькумов, И.С.Кузнецов, Р.Н.Кузнецов//
Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура.-2009.-№1(13).- С.21-27.
The bibliographic list
1. Borodavkin P.P. Subterranean trunk pipelines (design and construction)/P.P.Borodavkin –
M.: Nedra, 1982.-384p.
2. Kureychik V.M. Genetic algorithms and their applications – 2nd ed.,
revised/V.M.Kureychik – Taganrog: Izd-vo TRTU, 2002.-242p.
3. Christofides N. Graph theory - an Algorithmic Approach./N.Christofides – M.:Mir, 1978.432p.
4. Melkumov V.N. Laying an optimal gas pipeline route based on cost maps of influenicng
factors/V.N.Melkumov, I.S. Kuznetsov, R.N. Kuznetsov//Nauchniy Vestnik VGASU. Stroitelstvo i
arhitektura.-2009.-№1(13).- P.21-27.
Ключевые слова: трассы инженерных сетей, оптимальный маршрут прокладки
Keywords: network layout, optimal route
163
УДК 697.94
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Магистрант кафедры теплогазоснабжения
М.А.Кирнова
Профессор кафедры теплогазоснабжения
О.А.Сотникова
Россия, г.Воронеж, тел.(4732) 71-53-21
e-mail: Teploset@ymail.com
The Voronezh State University of Architecture
and Civil Engineering
Post-graduate of department heat and gas
supply M.A.Kirnova
Professor of the department of heat and gas
supply O.A.Sotnikova
Russia, Voronezh, tel.(4732) 71-53-21
E-mail: Teploset@ymail.com
М.А.Кирнова, О.А.Сотникова
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ТЕПЛОВОМ
АККУМУЛЯТОРЕ С ПОРИСТОЙ МАТРИЦЕЙ
В статье приведены результаты численного моделирования теплообмена в тепловом
аккумуляторе с пористой матрицей
M.A.Kirnova, O.A. Sotnikova
NUMERICAL MODELLING OF HEAT EXCHANGE IN THE THERMAL
ACCUMULATOR WITH THE POROUS MATRIX
In article results of numerical modelling of heat exchange in the thermal accumulator with a porous
matrix are resulted
В аккумуляторе в процессах зарядки и разрядки теплоты происходят сложные
теплофизические и массообменные явления, определяемые конструктивными и физическими
параметрами системы аккумулирования теплоты. Анализ этих явлений возможен при
решении системы уравнений, описывающих протекающие физические процессы [1-3].
Движение несжимаемой вязкой жидкости описывается системой уравнений НавьеСтокса. Пренебрегая в данном случае гравитационной силой, что для газообразного
теплоносителя вполне допустимо, система уравнений имеет вид
⎛ ∂2u ∂ 2u ∂ 2u ⎞
∂u
∂u
∂u
∂u
1 ∂p
+u
+υ +w
=−
+ ν⎜ 2 + 2 + 2 ⎟,
∂τ
∂x
∂y
∂z
ρ ∂τ
∂y
∂z ⎠
⎝ ∂x
⎛ ∂2υ ∂2υ ∂2υ ⎞
∂v
∂v
∂v
∂v
1 ∂p
+u
+υ +w
=−
+ ν⎜ 2 + 2 + 2 ⎟,
∂τ
∂x
∂y
∂z
∂y ∂z ⎠
ρ ∂τ
⎝ ∂x
(1)
⎛ ∂2w ∂2w ∂2w ⎞
∂w
∂w
∂w
∂w
1 ∂p
+u
+υ
+w
=−
+ ν⎜ 2 + 2 + 2 ⎟,
∂τ
∂x
∂y
∂z
ρ ∂τ
∂y
∂z ⎠
⎝ ∂x
где и, υ, w - компоненты скорости; τ - время; x, y, z - естественные декартовые
координаты; ρ - плотность среды; р - давление; ν - коэффициент кинематической вязкости.
Уравнение энергии записывается следующим образом
⎛ ∂2t ∂2t ∂2t ⎞
∂t
∂t
∂t
∂t
+u
+υ +w
= a ⎜ 2 + 2 + 2 ⎟,
∂τ
∂x
∂y
∂z
∂y ∂z ⎠
⎝ ∂x
где a - коэффициент температуропроводности.
164
(2)
Уравнение неразрывности для несжимаемой среды
∂u ∂υ ∂w
+
+
= 0,
∂x ∂y ∂z
(3)
Уравнения (1)...(3) составляют полную систему уравнений тепломассообмена
однородной вязкой несжимаемой жидкости с постоянным коэффициентом вязкости ν.
Целью математического моделирования является расчет трехмерных нестационарных
полей температур в объеме воздушного аккумулятора теплоты с гравийным наполнением в
режиме зарядки и разрядки.
Расчетная схема установки приведена на рис. 1.
t2''
t2'
3м
t1''
t1'
2х2 м
Рис. 1. Расчетная схема аккумулятора теплоты
Исходные данные для расчета.
Аккумулятор представляет собой прямоугольный бак размером 2x2x3 м, половина
объема которого, представленного на рис. 2, заполнена гравием в виде круглых шаров
диаметром 50 мм. Аккумулятор теплоизолирован матами прошивными толщиной 100 мм.
Теплофизические характеристики гравия и матов приведены в табл. 1. Объем аккумулятора
рассматривается как пористая среда с пористостью ε = 0,476 , являющейся отношением
общего объема воздуха между шарами (кусками) гравия к общему объему бака. При этом
объем воздуха, прилегающего к каждому отдельному шару, представляет собой разность
между объемами куба и вписанного в него шара.
Таблица 1
Теплофизические характеристики гравия и теплоизоляционных матов
Материал
Теплопроводность,
Вт/(м·К)
Теплоемкость,
Дж/(кг·К)
Плотность,
кг/м3
Гравий
Теплоизоляция
3,2
0,045
921,6
836,0
2680
582
Для расчета гидродинамического сопротивления движению воздуха в пористой среде
используются закон Дарси, в котором учитываются локальные скорости потока в пористой
среде, коэффициенты вязкостного и местного сопротивлений и диаметр шара гравия, равный
100 мм. Скорость воздуха на входе в аккумулятор, как в режиме зарядки, так и в режиме
разрядки составляла 2 м/с. Размеры входного и выходного отверстий составляли 20x20 см.
Начальная температура аккумулятора перед зарядкой составляла 20 °С.
165
B
Выход
3м
Центр
y
z
x
A
Вход
v=2м/с
2м
Рис. 2. Геометрия воздушного аккумулятора теплоты с гравийным наполнением (половина объема)
Метод и модель для расчета.
Расчет трехмерных нестационарных полей температур в объеме воздушного
аккумулятора теплоты с гравийным наполнением в режиме зарядки и разрядки проводился
путем численного решения уравнений Навье-Стокса с помощью компьютерного комплекса
STAR-CD. В режиме зарядки воздух подавался снизу, в режиме разрядки - сверху.
STAR-CD – многоцелевой программный комплекс, предназначенный для проведения
расчетов в области механики жидкости и газа. STAR-CD позволяет решать задачи в
следующих областях: стационарные и нестационарные течения; ламинарные течения;
турбулентные течения; сжимаемые и несжимаемые (включая около- и сверхзвуковые);
теплоперенос (конвективный, радиационный, теплопроводность с учетом твердых);
массоперенос; химические реакции; горение газообразного, жидкого и твердого топлива;
распределенное сопротивление (например, в пористых средах, теплообменниках);
многокомпонентные течения; многофазные потоки – модель Лагранжа (дисперсные газ твердое тело, газ - жидкость, жидкость - твердое тело, жидкость - жидкость); многофазные
потоки – модель Эйлера; свободные поверхности.
Результаты расчетов. В табл. 2 приведены варианты решенных задач.
Таблица 2
Анализ тепловых режимов воздушного аккумулятора теплоты
№ варианта
1
2
в режиме зарядки и разрядки
Температура воздуха на входе
Результаты
в аккумулятор в режиме
представлены
на рисунках №№
зарядки
разрядки
60
20
3-6
100
20
7-10
На рис. 3-4 представлены результаты расчетов: зависимости температуры в отдельных
частях аккумулятора теплоты от времени в режимах зарядки и разрядки (варианты 1 и 2
соответственно). На этих рисунках (в соответствии с рис. 1) «вход» - температура воздуха на
входе в аккумулятор, «выход» - температура воздуха на выходе из аккумулятора, «центр» температура в центре аккумулятора (согласно рис.2).
166
70
Температура,°C
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Врем я, час
В ы ход
Ц ентр
В ход
Рис. 3. Зависимости температуры в отдельных точках аккумулятора теплоты от времени в режиме
зарядки (вариант 1)
60
Температура,°C
50
40
30
20
10
0
55
65
75
85
95
105
115
Время, час
Центр
Вход
Выход
Рис. 4. Зависимости температуры в отдельных точках аккумулятора теплоты от времени в режиме
разрядки (вариант 1)
На рис. 5-6 и 8-9 приведены зависимости температуры вдоль линии А-В (рис. 2) в
среднем сечении аккумулятора теплоты в режимах зарядки и разрядки для различных
моментов времени и вариантов.
На остальных рисунках приведены поля температур в объеме аккумулятора теплоты
для различных моментов времени зарядки и разрядки.
Время зарядки аккумулятора при температуре воздуха на входе, равной 60°С,
составляло 30-40 часов, а для температуры воздуха на входе, равной 100°С - 40-50 часов.
Из рисунков 3 и 4 следует, что для варианта 1 в процессе зарядки установившийся
режим имеет место примерно после 50 часов; при разрядке этот режим устанавливается
после 100 часов работы аккумулятора. Этот вывод подтверждается и графиками,
приведенными на рис. 5 и 6.
Кроме того, со временем (50 часов при зарядке и 100 часов в режиме разрядки) в
аккумуляторе устанавливается относительно равномерное поле температур. Можно сделать
вывод, что при этом в основном завершается процесс релаксации температуры в емкости
аккумулятора.
167
70
60
Температура,°C
50
40
30
20
10
0
0
0,2
0,4
0.6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
координата Х, м
0,3 часа
6,9 часов
31 час
55 часов
Рис. 5. Зависимость температуры вдоль линии А-В (рис. 2) в среднем сечении аккумулятора теплоты в
режиме зарядки для различных моментов времени (вариант 1)
70
Температура,°C
60
50
40
30
20
10
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
координата Х, м
92 час
108 часов
55 часа
67 часов
Рис. 6. Зависимость температуры вдоль линии А-В (рис. 2) в среднем сечении аккумулятора теплоты в
режиме разрядки для различных моментов времени (вариант 1)
Температура,°C
120
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
Время, час
Вход
Центр
Выход
Рис. 7. Зависимости температуры в отдельных точках аккумулятора теплоты от времени в режиме
зарядки (вариант 2)
168
100
Температура,°C
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
55
65
75
85
Время, час
95
Выход
Центр
Вход
105
Рис. 8. Зависимости температуры в отдельных точках аккумулятора теплоты от времени в режиме
разрядки (вариант 2)
120
Температура,°C
100
80
60
40
20
0
0
0,5
1
1,5
2
координата Х, м
34 час
50 часов
0,3 часа
9 часов
Рис. 9. Зависимость температуры вдоль линии А-В (рис. 2) в среднем сечении аккумулятора теплоты в
режиме зарядки для различных моментов времени (вариант 2)
120
Температура,°C
100
80
60
40
20
0
0
0,5
1
1,5
2
координата Х, м
88 час
113 часов
55,3 часа
63 часов
Рис. 10. Зависимость температуры вдоль линии А-В (рис. 2) в среднем сечении аккумулятора теплоты в
режиме разрядки для различных моментов времени (вариант 2)
169
Выводы
На основании анализа приведенных графических зависимостей можно заключить
следующее.
В случае варианта 1 «зарядка» температура аккумулирующей гравийной поверхности,
расположенной в центре аккумулятора, достигнет значения 53°С после 30 часов, а после 60
часов зарядки – она равна 58°С. Гравий, находящийся вблизи выхода, после 30 часов зарядки
имеет температуру 30°С, а после 60 часов – 52°С.
В режиме разрядки в течение 105 часов температура гравия у входа колеблется от 38 до
26°С, в центре - от 56 до 24°С, а на выходе равна 24°С.
Вдоль линии А-В при режиме зарядки удовлетворительная температура на выходе
имеет место после 50 часов. В режиме разрядки процесс рекомендуется вести не более 60
часов.
Следовательно, режим зарядки аккумулятора теплоты должен быть не менее 60 часов, а
режим разрядки - не более 60 часов.
Для варианта 2 температура зарядки аккумулятора после 50 часов работы в отдельных
точках на выходе равна 80°С. При разрядке температура заметно падает после 70 часов
передачи теплоты.
Процесс накопления и передачи теплоты по линии А-В характеризуется следующими
показателями: при зарядке процесс аккумулирования теплоты должен быть не менее 50
часов, а процесс разрядки не должен превышать 55 часов.
Библиографический список
1.
Айвазян О.М. Основы гидравлики равномерных течений. – М. – Ижевск: НИЦ
«Регулярная и хаотическая динамика», 2006. - 152с.
2.
Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: Учебник для
вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1981. 375 с.
3.
Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газов: 3-е изд. перераб. и доп. -М.:
Наука, 1970. - 904 с.
The bibliographic list
1.
Aivazyan O.M. Bases of hydraulics of uniform currents. – M. – Izhevsk: NIC
«Regular and chaotic dynamics», 2006. – 152 p.
2.
Isachenko V. P, Osipova V. A, Sukomel A.S. Heat transfer: the Textbook for high
schools. –4 edition processed and added. М: Enegroatomizdat 1981. 375 p.
3.
Lojtsjansky Л.Г. Mechanics of a liquid and gases: 3 the edition processed and added
- M.: Science, 1970. 904 p.
Ключевые слова: аккумуляторы теплоты, зарядка, разрядка, численное моделирование.
Keywords: warmth accumulators, gymnastics, discharge, numerical modelling.
170
УДК 697.245
Воронежский государственный
архитектурно - строительный университет
Канд. техн. наук, ст. преп. И.С.Кузнецов,
инженер Р.H.Кузнецов.
инженер А.А.Горских.
Россия, г. Воронеж, тел. 8(4732)71-53-21
e-mail: ilya.kuznetsov@gmail.com
Voronezh state university of architecture and
civil engineering
Cand.Tech.Sci., senior lecturer I.S.Kuznetsov
engineer R.N.Kuznetsov
engineer A.A.Gorskih
Russia, Voronezh, ph. 8 (4732) 71-53-21
e-mail: ilya.kuznetsov@gmail.com
И.С.Кузнецов, Р.Н.Кузнецов, А.А.Горских
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
В работе приведены результаты применения нейросетевых методов обработки
информации для решения задач прогнозирования развития газораспределительных сетей.
Получен прогноз развития газораспределительных сетей высокого, среднего и низкого
давления г.Воронежа.
I.S.Kuznetsov, R.N.Kuznetsov, A.A.Gorskih
FORECASTING THE EVOLUTION OF GAS DISTRIBUTION NETWORKS
Result of usage of neural network methods of information processing for solution of problems
of forecasting the evolution of gas distribution networks have been presented. A prognosis of
development of gas distribution networks of high, low and medium pressure in the city of Voronezh
has been obtained.
Для эффективного планирования развития газораспределительных организаций и
своевременного привлечения финансовых и материальных ресурсов необходимо
прогнозировать развитие газораспределительных сетей. Прогноз должен максимально точно
и надежно оценивать будущее газораспределительных сетей и их элементов [4]. Имеется
множество
способов
прогнозирования.
Современные
методы
статистического
прогнозирования позволяют с высокой точностью прогнозировать практически все
возможные временные ряды.
При этом следует учитывать некоторые моменты: хороший прогноз можно получить
только для детерминированного ряда; прогноз предполагает, что в будущем за время
прогноза не произойдет каких-либо существенных изменений факторов, которые могут
повлиять на временной ряд.
Рассмотрим прогнозирование развития газораспределительных сетей на примере
г.Воронежа. Показатели, характеризующие развитие газораспределительной системы,
формировались 56 лет с момента начала газификации г. Воронежа. Таким образом, имеется
задача анализа временного ряда: построение модели временного ряда, оценка адекватности
этой модели и на основе наблюдаемых значений прогнозирование будущих значений.
Для реализации этой цели был использован механизм построения и обучения
нейронной сети, аппроксимирующей исходный временной ряд [1].
На нейронные сети задача прогнозирования формализуется через задачу
распознавания образов [2]. Данных о прогнозируемой переменной за некоторый промежуток
времени образуют образ, который классифицируется значением прогнозируемой переменной
в некоторый момент времени за пределами данного промежутка, т.е. значением переменной
через интервал прогнозирования.
171
Искусственная нейронная сеть содержит нейроны,
синаптические связи [3]. Каждый нейрон представляется как:
Vk = ∑ ωkj x j ,
являющиеся
узлами,
и
(1)
j
где xj – входные импульсы; ωk - веса синаптических связей для нейрона k.
Функционирование нейрона в математическом моделировании представляется как:
Yk = f (Vk + hk ) ,
(2)
где f(x) – функция активации; hk – порог; Vk – выход линейного сумматора; Yk –
выходной сигнал нейрона.
В зависимости от способа преобразования сигнала и характера активации возникают
различные виды нейронных структур. Существуют детерминированные нейроны, когда
активизирующая функция однозначно вычисляет выход по входу, и вероятностные
нейроны, состояние которых в момент t есть случайная функция потенциала и состояния в
момент t-1.
Нейронные сети не программируются в привычном смысле этого слова. Нейросети
обучаются, что составляет их главное отличие и преимущество перед традиционными
алгоритмами. При обучении происходит поиск синаптических коэффициентов связи между
нейронами. Для этого производится решение нейронной сетью задач, в которых задано
эталонное решение. В процессе обучения нейронная сеть способна выявлять сложные
зависимости между входными данными и выходными, а также выполнять обобщение.
Одним из способов обучения нейросети является обучение с учителем. При
применении этого способа обучение нейронной сети можно представить как задачу
оптимизации. При этом происходит оптимизация функции оценки работы сети. В качестве
функции оценки погрешности нейронной сети использовалось суммарная квадратичная
ошибка:
1 M
E = ∑∑ (d ki − y ki ) 2 ,
2 k =1 i
(3)
где M – размерность выходного вектора; {d} – желаемый выходной вектор; {y} множество реакций нейронной сети на вход {x}.
Обучение нейронной сети происходило методом обратного распространения ошибки.
При этом веса изменяются таким образом, чтобы минимизировать функцию ошибки.
Минимизация этой функции осуществляется с помощью метода градиентного спуска. На
каждом шаге изменение весов составит:
∂E
Δωij = −η
,
(4)
∂ωij
где η – входной параметр для обучения, называемый коэффициентом обучения.
Для обучающего множества, состоящего из L элементов, вычисление частных
производных для использования метода градиентного спуска происходит следующим
образом. Вес входа i-го нейрона, идущего от j-го нейрона, пересчитывается по формуле:
i
L
L
∂Ek
∂Ek ∂Vk
Δωij = −η * ∑
= −η * ∑
*
= −η * ∑ δik * xki ,
i
∂ω
∂ωij
k =1 ij
k =1∂Vk
k =1
L
(5)
где xki - i-й вход k-го образца.
Расчет δik производится через последующий слой. Так производится передача ошибок
в обратном направлении. Для выходных элементов расчет происходит следующим образом:
δ ik = −( d ki − xki ) f ' (vki ).
(6)
172
В качестве сети выбран многослойный персептрон, наиболее часто используемый в
прогнозировании. Пример многослойного персептрона приведен на рис. 1.
Рис. 1. Пример нейронной сети
3000000
2500000
Общая протяженность подземных
газопроводов, м
Общая протяженность газопроводов, м
Поиск наилучшего типа и архитектуры сети существенным образом зависит от
качества и скорости алгоритмов обучения сети. Для обучения многослойных персептронов
реализован, прежде всего, метод обратного распространения - с меняющимися во времени
скоростью обучения и коэффициентом инерции.
Непосредственный прогноз получается прогоном наблюдений через нейронную сеть –
строится проекция временного ряда. Задав проекцию на 5 наблюдений (на 2009-2013 годы)
можно получить будущие значения и построить графики удлинения исходного временного
ряда.
Полученные результаты можно считать вполне достоверными, так как значения
исходного ряда за 1956-2008 годы и спрогнозированные нейромоделями на базе
многослойного персептрона за тот же период практически идентичны. Однако, логично
предположить, что спрогнозированные значения годы будут менее точны, чем аналогичные
за период 1956-2008 (и чем дальше от исходного ряда, тем больше величина ошибки),
поскольку во временное окно будут попадать спрогнозированные значения, в которых уже
заложена некоторая погрешность.
2500000
2000000
1500000
1000000
500000
0
1956
1966
1976
1986
1996
2000000
1500000
1000000
500000
0
1956
2006
1966
1976
1986
1996
2006
Год
Год
б)
Общая протяженность надземных
газопроводов, м
а)
700000
600000
500000
400000
300000
200000
100000
0
1956
1966
1976
1986
1996
2006
Год
в)
Рис. 2. Прогноз развития наружных газопроводов:
- факт;
- прогноз; а) наружные газопроводы всех
видов прокладки, сеть MPL 1-6-1, коэффициент корреляции 0,998407; б) наружные подземные газопроводы,
сеть MPL 1-12-1, коэффициент корреляции 0,97356; в) наружные надземные газопроводы, сеть MPL 1-18-1,
коэффициент корреляции 0,96981
173
На рис. 2 приведены прогнозы развития наружных газопроводов в целом (рис. 2а),а
также по видам прокладки: наружные подземные газопроводы (рис. 2б) и наружные
надземные газопроводы (рис. 2в).
На рис. 3 приведены прогнозы развития наружных газопроводов высокого (рис. 3а),
среднего (рис. 3б) и низкого давления (рис. 3в).
250000
Общая протяженность газопроводов
среднего давления, м
Общая протяженность газопроводов
высокого давления, м
300000
250000
200000
150000
100000
50000
0
1956
1966
1976
1986
1996
200000
150000
100000
50000
0
1956
2006
1966
1976
1986
1996
2006
Год
Год
а)
б)
Общая протяженность газопроводов
низкого давления, м
2500000
2000000
1500000
1000000
500000
0
1956
1966
1976
1986
1996
2006
Год
в)
Рис. 3. Рост сети наружных газопроводов по ступеням давления:
- факт;
- прогноз;
а) наружные газопроводы высокого давления, сеть MPL 1-18-1, коэффициент корреляции 0,94119; б) наружные
газопроводы среднего давления, сеть MPL 1-10-1, коэффициент корреляции 0,96567; в) наружные газопроводы
низкого давления, сеть MPL 1-6-1, коэффициент корреляции 0,989751
Полученные прогнозы имеют достаточно высокую точность и позволяют оценить развития
газораспределительных сетей высокого, среднего и низкого давления г. Воронежа на
пятилетнюю перспективу.
Предложенный метод реализован в виде компьютерной программы на языке C++. Для
реализации использовался компилятор C/C++ из GNU Compiler Collection.
Выводы
В работе успешно применены методы с использованием нейронных сетей для
обработки
информации
для
решения
задач
прогнозирования
развития
газораспределительных сетей. Прогнозирование выполнено достаточно эффективно, его
результаты могут быть использованы в планировании инвестиций. Получена возможность
нейросетевого моделирования отдельных структурных элементов газораспределительных
сетей различных ступеней давления.
Исследователь при этом получает очень эффективную модель проблемной области и
может очень просто моделировать различные ситуации, предъявляя сети различные данные и
оценивания ответ, выдаваемый сетью. Сеть позволяет также количественно оценить влияние
входных признаков на точность получаемого прогноза.
Результаты работы могут быть использованы в производственной практике
предприятий газоснабжения и теплоснабжения.
174
Библиографический список
1. Суровцев И.С. Нейронные сети. Введение в современную информационную
технологию /И.С.Суровцев, В.И. Клюкин, Р.П. Пивоварова. - Воронеж: Воронежский гос. унт, 1994. - 224с.
2. Горбань А.Н. Обучение нейронных сетей/А.Н.Горбань. М.: Изд. СССР-США СП
"ParaGraph", 1990. - 160с.
3. Горбань А.Н. Нейронные сети на персональном компьютере/ А.Н.Горбань,
Д.А.Россиев. - Новосибирск: Наука, 1996.- 276с.
4. Кузнецов С.Н. Управление надежностью газораспределительных сетей/
С.Н.Кузнецов, А.В.Черемисин // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура.2009.- №1(13). - С.36-42.
Bibliographic list
1. Surovtsev I.S. Neural networks. An introduction to modern informational technologies.
/I.S. Surovtsev, V.I. Klyukin, R.P. Pivovarova.-Voronezh: VGU, 1994. – 224p.
2. Gorban A.N. Teaching neural networks/ A.N. Gorban. M.:publ. USSR-USA SP
"ParaGraph", 1990. 160 p.
3. Gorban A.N. Neural networks on a personal computer/ A.N. Gorban, D.A. Rossiev.Novosibirsk: Nauka, 1996.-276p.
4. Kuznetsov S.N. Managing the reliability of gas distribution networks / S.N. Kuznetsov,
A.V.Cheremisin // Nauchniy Vestnik VGASU. Stroitelstvo i arhitektura.-2009.-№1(13).- P.36-42.
Ключевые слова: Газораспределительные сети, прогнозирование развития
Keywords: Gas distribution networks, forecast of development
175
Водоснабжение, канализация, строительные
системы охраны водных ресурсов
УДК628.14 ББК 38.762
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Д-р техн. наук, проф. М.Я. Панов
Ассистент
кафедры
гидравлики,
водоснабжения и водоотведения
И.Ю.Пурусова
Д-р техн. наук, проф. кафедры гидравлики,
водоснабжения и водоотведения
В.И.Щербаков
Россия, г. Воронеж, тел. +7(4732)71-58-54 email: scher@vgasu.vrn.ru
The Voronezh State University of Architecture
and Construction
D.E., the professor M.Y. Panov department of
heat and gas supply
The assistant of Hydraulics, Water supply
and Water disposal chamber Department
I. Y. Purusova
D.E., the professor of Hydraulics, Water
supply and Water disposal chamber
Department V. I Shcherbakov
Russia, Voronezh, tel. +7(4732)71-58-54
e-mail: scher@vgasu.vrn.ru
М.Я. Панов, И.Ю. Пурусова, В.И. Щербаков
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕМ ВОДОПОДЪЁМНОЙ СТАНЦИИ
В
работе
рассматриваются
вопросы
формирования
модели
управления
функционированием водоподъёмной станции. За основу принята модель возмущённого
состояния системы, совмещённая с моделью обратной связи между режимом водоподачи от
скважин и гидравлической настройкой управляемых из компьютерного центра дросселей.
M.Y. Panov, I. Y. Purusova, V. I Shcherbakov
MATHEMATICAL MODEL OF ELEVATOR PUMP STATION OPERATING
DEVELOPMENT
In this article the problems of mathematical model of elevator pump station operating development are
examined. The perturbed state model is taken as the basic one and it is united with the feedback model
within the periods of water feed and valves operating from the computer center.
Водоподъёмная станция (ВПС), подающая воду от отдельных скважин в общий
коллектор, питающий резервуар чистой воды (РЧВ, поз. 16, рис.1), оснащена погружными
насосами центробежного типа (поз. 1-5, рисунка).
Добыча подземных вод может осуществляться несколькими способами: фонтанным,
эрлифтным, с использованием глубинных штанговых насосов и с использованием
погружных электронасосов.
Наиболее прогрессивным и экономичным является использование погружных
центробежных износоустойчивых электронасосов типа ЭЦВ.
В настоящее время отечественной промышленностью освоено производство таких
насосов с подачей до 140-200 л/с и рабочим напором до 450-500 м соответственно.
176
Скважинные центробежные насосы применяют в геологоразведочной и горной
промышленности. На режим работы каждого насоса оказывают влияние внешние и
внутренние характеристики системы «гидрогеологическая скважина- погружной насосвнешняя сеть трубопроводов».
Рис. 1 Расчётная схема ВПС:
- скважины с погружными
насосами;
- управляемый дроссель;
-неуправляемый дроссель; 16 – резервуар чистой воды
Внешняя сеть трубопроводов включает в данном случае трубопроводную сеть ВПС,
представляющую собой разветвлённый, планарный орграф с 4-мя управляемыми из
компьютерного центра дросселями и одним (согласно постановке задачи) неуправляемым
дросселем. Насосы второго подъёма забирают воду из РЧВ и подают в распределительную
водопроводную сеть города.
Трубопроводная сеть ВПС ограничена со стороны скважин узлами (поз. 1-5, рисунка), в
которых сформированы определённые формы граничных условий (ГУ) II рода, а со стороны
потребителей – узлом РЧВ с определёнными граничными условиями I рода [1]. Последнее
обусловлено тем, что РЧВ имеет свободную поверхность под давлением окружающей среды,
что исключает взаимосвязь режима работы ВПС с режимами эксплуатации системы подачи и
распределения воды (СПРВ).
Определённые формы ГУ позволяют рассматривать ВПС как автономный объект для
моделирования, функционирующий независимо от СПРВ.
Модель управления функционированием ВПС строится на основе модели
возмущённого состояния для одномерного квазистационарного течения вязкой несжимаемой
жидкости в трубах. Она включает систему уравнений Бернулли с определенной (благодаря
определённым формам ГУ) правой частью, в форме цепных уравнений для системы линейнонезависимых цепей; в качестве функциональных ограничений используется первый закон
Киргофа в форме узловых балансовых уравнений для множества узлов с незаданным
потенциалом [2]:
177
∑ ∑ sgn ΔP = ∑ ∑ sgn S Q
j∈J p j∈ J γ
ij
ij
j∈ J p j∈ J γ
2
ij
=
∑ [(Z + H )
j∈ J p
N
− Z R ]j ,
(1)
⎞
+ q zj ⎟⎟ = 0 ,
(2)
j∈ J μ ⎝ j∈ J ε
⎠
где J P , J γ – множество независимых цепей, множество участков в составе
независимой цепи j соответственно; Sij, Qij – коэффициент гидравлического сопротивления и
расчётный расход участка i в составе цепи j; Jμ , Jε – множество узлов с незаданным
потенциалом, множество участков, инцидентных узлу j соответственно; q zj
–
сосредоточенный заданный отбор (приток) от узла j; (Z+H)N – геодезический уровень
установки и напор, вырабатываемый погружным насосом в составе цепи j, ZR–
геодезический уровень установки РЧВ в составе цепи j.
Правило присвоения положительных знаков слагаемым (1), (2): sgnΔPij = + ΔPij - в
случае совпадения направления течения потока на участке i с положительной ориентацией по
цепи j; sgnΔQij = + ΔQij - в случае притока участкового потока к узлу j. Отрицательные знаки
присваиваются в противоположных случаях. Слагаемому q zj присваивается знак (+) в случае
притока воды к узлу j от источника, отрицательный – в случае стока от узла к потребителю.
Для формирования обратной связи, реализующей режим подачи воды от скважин,
задаваемый пользователем, необходимы дополнительные (избыточное по отношению к
уравнениям (1), (2)), аналитические связи. Поиск таких связей в недрах вариационных
принципов аналитической механики малоперспективен, поскольку последние исчерпали
себя. С этой целью предлагается использовать суррогатный (не основанный на физических
законах) принцип Лежандра-Гаусса, получивший известность как метод наименьших
квадратов (МНК).
Квадратичный функционал, составленный на основе МНК, представляет из себя некую
остаточную функцию F, составленную путём сопоставления расходов воды, поступающей из
скважины согласно компьютерной версии и версии пользователя, формирующих в
совокупности режим подачи воды в РЧВ.
⎞
⎛
2
F = ∑ Qiπz − Qiπ + λ ⎜⎜ ∑ Qiπz − ∑ Qiη ⎟⎟ ,
(3)
i∈ I π
i
∈
I
i
∈
I
R
⎠
⎝ π
πz
π
где Qi , Qi - расчётный расход участка i, подающего воду из скважины согласно
⎛
∑ ⎜⎜ ∑ sgn Q
ij
(
)
версии пользователя и компьютерной версии соответственно; Qiη – расчётный расход
участка i, подающего воду в РЧВ; Iπ – множество участков, подающих воду от погружных
насосов; IR – множество приёмных РЧВ; λ - неопределённый множитель Лагранжа.
Вторая группа слагаемых (3) отражает сохранение сплошности потоков воды в
условиях произвола задаваемых значений Qiπz , который должен быть ограничен означенным
условием сплошности.
В отличие от МНК, оперирующим с различными погрешностями измерений искомой
величины, значения весовой функции Wk в составе целевого функционала (3) принимаются
одинаковыми и не влияющими на положение экстремума (3).
Реализация минимума (3), после исключения λ , позволяет синтезировать
дополнительные независимые связи в форме системы нормальных уравнений, размерностью
е-1 (где е – число насосных узлов в составе ВПС с фиксированным потенциалом),
формирующих механизм обратной связи между заданным режимам водоподачи из скважин и
гидравлической настройкой УД:
178
(Q
(Q
πz
) (
) (
)
)
) (
)
− Q1π − Q2πz − Q2π = 0;⎫
⎪
πz
π
πz
π
1 − Q1 − Q3 − Q3 = 0;⎪
⎬,
........................................... ⎪
Q1πz − Q1π − Qeπz − Qeπ = 0 ⎪⎭
Полная модель управления функционированием ВПС:
t
)
⎡ Cn1× P ⎤ ⎡ hn1×1 ⎤
⎢
⎥ ×⎢
⎥ = M p× g × H g ×1 ,
⎣ Cn1D× P ⎦ ⎣ hn1D×1 ⎦
1
(
[
] [
(4)
]
(5)
t
⎡ Аn1× μ ⎤ ⎡ Qn1×1 ⎤
⎥ ×⎢
⎢
⎥ = [0] ,
⎣⎢ Аn1D × μ ⎦⎥ ⎣ Qn1D ×1 ⎦
t
(6)
t
⎡ En1×(e −1) ⎤ ⎡ Qπ n1×1 ⎤ ⎡ En1×(e −1) ⎤ ⎡ Q πz n1×1 ⎤
(7)
⎥ ×⎢
⎥ ×⎢
⎢
⎥ ,
⎥= ⎢
⎢⎣ 0n1D ×(e −1) ⎥⎦ ⎣ Qn1D×1 ⎦ ⎢⎣ 0n1D ×(e −1) ⎥⎦ ⎣ Qn1D ×1 ⎦
где [С], [А], [М], [Е] – матрица системы независимых цепей ВПС, матрица инциденций
для узлов ВПС с незаданным потенциалом; матрица смежности; матрица нормальных
уравнений, составленных из единичных элементов соответственно: n1 – число участков
трубопроводной сети ВПС, исключая участки с присоединёнными УД; n1D – то же для
участков с присоединёнными УД; р = (g - 1) – число независимых цепей в системе ВПС
(g=(е+1) – число узлов с фиксированным потенциалом в составе ВПС); hi – потеря напора
)
участка i;
H j = Z j + H jz - фиксированный потенциал
узла j (где H jz - напор,
вырабатываемый погружным насосом); μ - число узлов ВПС с незаданным потенциалом;
Qiπ Qiπz - расчётный расход участка i, подающего воду от погружного насоса, согласно
компьютерной версии; Qiπz - то же, согласно версии пользователя; t – признак
транспонирования.
Линейная модель управления функционированием ВПС в относительных отклонениях,
полученная линеаризацией (5)-(7) при вариации Qi, iєI и Si, iєID, (где ID – множество участков
с присоединёнными УД):
t
⎡ Cn1×P ⎤ ⎧⎪⎡ 2hn1
0 ⎤
⎥ × ⎨⎢
⎢
⎥
⎣⎢Cn1D×p ⎦⎥ ⎪⎩⎣ 0 2hn1D ⎦
⎡ δQn1×1 ⎤ ⎡ hn1 0 ⎤
⎢
⎥+⎢
⎥
⎣δQn1D×1 ⎦ ⎣ 0 hn1D ⎦
t
⎡ Аn1× μ ⎤
⎡ Qn1× μ
⎢
⎥ ×⎢
⎢⎣ Аn1D× μ ⎥⎦
⎢⎣ 0
⎤
⎥
Qn1D× μ ⎥⎦
0
t
[( ) ]
)
) )
⎡ 0 ⎤⎫⎪
⎢
⎥⎬ = M p×g × δHg×1 = M p×g × HδH
⎣δSn1D×1 ⎦⎪⎭
[
⎡ δQn1×1 ⎤
⎢
⎥ = [0] ,
δ
Q
n
1
D
×
1
⎣
⎦
][
] [
]
g×1
(8)
(9)
t
⎡ En1×( e −1) ⎤
⎡ Qnπ1×1
0 ⎤ ⎡ δQ π n1×1 ⎤ ⎡ En1×( e −1) ⎤ ⎡ Qnπ1z×1
0 ⎤ ⎡ δQ πz n1×1 ⎤
(10)
=
×
⎥ ⎢
⎢
⎥
⎥ ⎢
⎥
⎢
⎥ ⎢
⎥ ⎢
Qn1D×1 ⎦ ⎣ δQn1D×1 ⎦ ⎢⎣ 0n1D×( e −1) ⎥⎦ ⎣ 0
Qn1D×1 ⎦ ⎣ δQn1D×1 ⎦
⎢⎣ 0n1D×( e −1) ⎥⎦
⎣ 0
где [ δQ π ] – матрица относительных отклонений расходов воды через соответствующие
участки ВПС; [ δQ πz ] – то же, но задаваемых согласно версии пользователя; [ δS D ] - матрица
относительных отклонений коэффициентов гидравлического сопротивления УД.
Рассмотрим некоторые алгоритмические аспекты реализации модели (5)-(7).
Значения искомых переменных на текущей итерации (k) определяются по
соотношениям:
(k )
( k −1)
( k −1)
(k )
(k )
( k −1)
( k −1)
(k )
S Di = S Di
+ S Di δS Di ; Qi = Qi
+ Qi δQi ;
179
если S Di
(k )
≤ S0i , то S Di
(k )
= S0i .
πz
Допускается, что итерационное возмущение δQi распределяется равномерно по
заданному количеству итераций К, то есть:
2(Qπz − Qiπ (0 ) )
δQi πz = πzi
(11)
(Qi + Qiπz )K ,
Рассмотрим
результаты
численного
моделирования
процесса
управления
функционированием ВПС, рис.1, оснащённой погружными насосами первого подъёма.
Исходная информация и начальное приближение по параметрам водопотоков сетевой
системы ВПС представлены ниже. Процедура моделирования включала итерационный поиск
решения системы уравнений (5)-(7) по программе Math Lab.
Таблица 1
Исходная информация и начальное приближение по узлам (рис.1)
№ узла
Марка насоса
QN
(0)
, л/с
Z, м
НN
(0)
, Н ( 0 ) ,м ( Z + H ) N
(0)
,м
( Z + H )( 0 ) , м
Насосные
1
ЭЦВ 10-120-60
35,56
79,36
52,917848
132,277848
узлы
2
ЭЦВ 10-120-60
33,466
60,55
59,301
119,854
3
ЭЦВ 10-65-65
14,835
79,066
76,661
155,727
4
ЭЦВ 10-65-65
17,22
85,952
69,7749
155,7269
5
ЭЦВ 10-120-60
32,722
73,019
61,27
134,289
Сетевые
6
97,15
30,418
127,568
узлы
7
82,15
14,3405
96,49
8
80,0
15,0
95,0
9
97,01
18,344
115,354
10
75,0
21,306
96,306
11
70,0
26,821
96,821
12
100,37
50,861
151,727
13
106,4
44,8248
151,7269
14
87,5
42,8075
130,3075
15
85,0
11,642
96,642
16
94,0
0
94,0
Здесь Q jN , H jN - подача и напор, вырабатываемый погружным насосом j; S0i коэффициент гидравлического сопротивления УД в состоянии полного открытия, совместно
с сопротивлением трубопровода участка i.
Таблица 2
Напорные характеристики насосов
Марка насоса
ЭЦВ 10-120-60
Уравнение напорной характеристики
2
Н N = −0,17(QN ) + 8,686QN − 40,989
Н N = −0,151(QN ) + 1,953QN + 80,92
ЭЦВ 10-65-65
2
180
Таблица 3
Исходная информация и начальное приближение по участкам
(0)
L, м
S ( 0 ) * 10 3 для
h(0) , м
S0 *103
Dу , мм
Q , л/с
Q, л/с
для Q, л/с
1-6
25
150
3,55868059
35,56
4,5
6-7
90
150
24,74299
35,56
31,287851
2,76
9-7
15
150
16,84326
33,466
18,864
0,52
2-9
25
150
4,01795345
33,466
4,5
7-8
100
300
0,301272374
69,026
1,49
4-13
25
150
15,175612
17,22
4,5
13-11
85
150
183,47652
17,22
54,406
11,13
3-12
25
150
20,447367
14,835
4,5
12-11
15
150
247,213222
14,835
54,406
11-10
50
250
0,50120531
32,055
0,515
5-14
25
150
4,202743
32,722
4,5
14-15
15
150
30,957404
32,722
33,147
0,543
15-10
300
300
0,31380481
32,722
0,336
10-8
80
300
0,31124438
64,777
1,306
8-16
5
400
0,0558558
133,803
1,0
πz
По заданному прогнозу водоподачи Qi , i ∈ I D определялись итерационные значения
Обозначение
участка
(k )
(k )
Qi , i ∈ I и Si , i ∈ I D , обеспечившие с высокой точностью (около 0,5%) исполнение
прогноза благодаря МНК.
Результаты численного моделирования представлены в форме дроссельных
характеристик, то есть зависимости расхода воды, подаваемой из скважины погружным
насосом через дроссель, от его коэффициента гидравлического сопротивления, рис.2
Каждая расчётная точка на дроссельной характеристике – результат решения системы
уравнений (8)-(10). Общее число таких точек К= 10 4 , однако, для построения характеристик
выбрано ограниченное их количество. Дисперсия дроссельной характеристики, отражающая
взаимное влияние переменности настройки множества дросселей, не превышает 1%. Это
свидетельствует
об
индивидуальной
устойчивости
конфигурации
дроссельных
характеристик в условиях параметрических возмущений, вносимых в систему.
В соответствии с постановкой задачи одна подающая линия не оснащена УД и
исполнение прогноза водоподачи по этой линии (из-за отсутствия механизма его
исполнения) не реализуемо. Это недостаток данной модели, однако, погрешность
исполнения прогноза, обусловленная этой неконтролируемой линией, уменьшается по мере
увеличения масштабов системы, то есть количества скважин.
181
Рис. 2. Дроссельные характеристики управляемых из компьютерного центра дросселей
1 – (13-11); 2-(9-7); 3-(14-15); 4-(6-7)
Выводы
Полученная модель управления, определяющая состояние системы в любой момент
времени функционирования, позволяет синтезировать дроссельные характеристики
подающих линий, демонстрируя траекторию перехода системы в новое состояние, в
соответствии с заданным прогнозом водоподачи из скважин.
Благодаря дроссельным характеристикам удаётся определить предельно большое
значение расхода воды, поступающей в РЧВ, а также появляется возможность
моделирования наиболее экономичного режима эксплуатации скважин.
Библиографический список
1. Панов М.Я. Моделирование, оптимизация и управление системами подачи и
распределения воды / Панов М.Я., Левадный А.С., Щербаков В.И., Стогней В.Г. – Воронеж.:
Воронеж. гос. арх. – строит. ун-т, 2005. - 490 с.
2. Панов М.Я., Мартыненко Г.Н. Оперативное управление городскими системами
газоснабжения с использованием современных ультрозвуковых методов замера расхода газа
// Научный вестник. Воронеж Воронеж. гос. арх. – строит. ун-т. – 2008. №3 (11). – С.100-106.
The bibliographic list
1. Panov M.Y. Modelling optimization and management water systems submission and
distribution/M. Ya. Panov, A.S. Levadny, V.I. Shcherbakov, V.G. Stogneti.-Voronezh State
University of Architecture and Civil Engineering, Voronezh state Technical University. 2005.489p.p.
2. Panov M.Y. Urban gas supply system operational management of using modern ultrasonic
technologies of gas consumption. (Panov M. Ya., G.N Martynenco, )// Scientific bulletin. Voronezh
State University of Architecture and Civil Engineering. – 2008. №3(11).-Р.100-106
Ключевые слова: математическая модель, водоподъёмная станция, водоподача, скважины, управляемый
дроссель, управление функционированием, возмущённое состояние, обратная связь.
Key words: mathematical model, elevator pump, water feed, boreholes, throttle, operating, perturbed state,
feedback.
182
Экологическая безопасность строительства
и городского хозяйства
УДК 556:711.4
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Канд. арх., доцент кафедры архитектурного
проектирования и градостроительства
Н. В. Фирсова
Россия, г. Воронеж, тел. (4732)71-54-21
e-mail: root@vgasa.voronezh.su
Воронежский государственный университет
Д-р географ. н., профессор кафедры
природопользования В. М. Мишон
Россия, г. Воронеж, тел. (4732)66-56-54
Voronezh State University of Architecture
and Construction
Candidate of Architecture, Associate Professor
of Architectural Design and Urbanistics
Department N. V. Firsova
Russia, Voronezh, tel. +7(4732)71-54-21
e-mail: root@vgasa.voronezh.su
Voronezh State University
Doctor of Geographic Sciences,Professor of
Nature Management Department V. M. Michon
Russia, Voronezh, tel. +7(4732)66-56-54
Н. В. Фирсова, В. М. Мишон
ВЛИЯНИЕ УРБАНИЗАЦИИ НА ЭВОЛЮЦИЮ ГИДРОГРАФИЧЕСКОЙ СЕТИ
КРУПНОГО ГОРОДА
На примере Воронежа исследована динамика и состояние гидрографической сети
на
территории крупного города. Выявлены существующие и утраченные поверхностные водотоки на
территории города, составлена карта-схема гидрографической сети в границах городского округа.
Проанализирован характер влияния гидрографической сети на функционально-планировочную
организацию города, выявлены основные типы трансформации водных объектов.
N.V. Firsova, V.M. Mishon
THE INFLUENCE OF URBANISATION ON THE EVOLUTION OF HYDROGRAPHICAL
NETWORK OF THE BIG CITY
On the example of Voronezh the dynamics and the condition of the big city hydrographical
network is studied. The existing and lost city surface drains are revealed, the scheme map of the
hydrographical network in the administrative boundary of the town is composed. The type of the
hydrographical network influence on the functional-planning organisation of the city is analysed, the
main types of transformation of water objects are revealed.
Формирование сети поселений неразрывно связано с речной сетью. Водные артерии
являются источником водоснабжения поселений, местом организации рекреации, местом
сброса бытовых, промышленных и ливневых стоков. Исследование характера развития
гидрографической сети урбосистем необходимо для определения динамики и основных
закономерностей трансформации водных объектов, а также для прогнозирования изменения
речных экосистем под влиянием процессов урбанизации. На урбанизированных территориях
происходит активная трансформация гидрографической сети, включая геоморфологические
изменения, русловые процессы, динамику состояния водной среды [1]. Водные объекты, как
и другие элементы природного ландшафта, подвергаются на территории города мощному
183
антропогенному воздействию на протяжении длительного времени. Изучение городской
гидрологии может осуществляться лишь
в совокупности с изучением социальноэкономических и градостроительных особенностей города, рассматриваемого в качестве
природно-антропогенного образования с опережающей динамикой техногенных процессов
над естественно-природными.
Исследование гидрографической сети крупного города проводилось на примере
городского округа города Воронежа (Рисунок).
Рис. Гидрографическая сеть в границах городского округа г. Воронеж: 1 – застроенные территории; 2 - граница
городского округа; 3 – существующие водные объекты; 4 – утраченные водные объекты
В процессе изучения исторической трансформации гидрографической сети города
были изучены архивные материалы, литературные источники, проекты генеральных планов
и проекты застройки города, геодезические съемки в масштабах 1:25000, 1:10000, 1:5000 и
1:2000. Проведено рекогносцировочное исследование водных объектов на местности.
Воронеж – исторически сформировавшийся, крупнейший город ЦентральноЧерноземного региона. Городской округ г. Воронеж включает в себя, помимо самого города,
4 поселка городского типа (43 тыс. чел.) и 15 сельских населенных пунктов, общей
численностью 37 тыс. чел. Общая численность постоянного населения г. Воронежа и
подчиненных населенных пунктов составляет около 930 тыс. чел. Городской округ занимает
59,2 тыс. га, застроенные территории – 19,8 тыс. га, что составляет 33,4% от всей территории
округа. Общая площадь природных территорий Воронежского округа составляет 38,19 тыс.
га, из них 26,66 тыс. га составляют лесные массивы и озелененные территории, 7,33 тыс. га –
сельскохозяйственные угодья. Долинные (водно-ландшафтные комплексы) занимают 9,06
184
тыс. га, водные поверхности – 6,65 тыс. га [2].
В систему поверхностных вод городского округа город Воронеж входят нижние
участки рек Воронеж (Воронежское водохранилище) и Усмань, реки Песчанка, Тавровка и
несколько ручьев, к границе городского округа с западной стороны примыкает пойма реки
Дон (Рис.). Застроенная часть города представляет собой компактное образование, имеющее
четкую двухчастную структуру. Территория городского округа имеет вытянутую форму в
направлении северо-северовосток и юго-югозапад, расположенную почти параллельно
течению русла реки Дон. Правобережная часть города является левым берегом реки Дон,
левобережная часть - левобережной частью трех рек: Дона, Воронежа и Усмани.
Меридиональное расположение водохранилища и морфометрические характеристики
берегов во многом определяют характер планировочной и объемно-пространственной
организации городской застройки. Правобережье представляет собой компактную структуру
с радиально-кольцевой организацией основных магистралей, левобережье имеет четко
выраженный линейный характер[3].
Река Усмань (Усманка) является левым притоком реки Воронеж, длина реки 151 км,
площадь водосбора 2840 км². Река протекает по территории Железнодорожного района в
направлении с юга на север. Существует предположение, что устье реки в прошлом
находилось в районе с. Таврово. Под влиянием тектонического поднятия нижняя часть реки
постепенно стала смещаться на север, оставляя отмершие участки долины. Первым был
оставлен южный (Масловский) рукав, затем средний (Придаченский) и последним –
северный (Отроженский) рукав [4]. На отдельных участках к Усмани прилегает жилая
застройка поселков Сомово и Боровое, берега реки активно используются для
рекреационных целей.
Левым притоком реки Воронеж была р. Инютинка – она протекала в районе Отрожки,
но в результате создания Воронежского водохранилища полностью исчезла [2].
Река Песчанка также является левым притоком реки Воронеж, ныне Воронежского
водохранилища. В начале 20 века река Песчанка была полноводной, с чистой, прозрачной
водой, с живописными зелеными берегами. Длина реки составляла 18 км, протяженность
долины реки 25 км [5]. Деградация реки началась с 1950 года, когда земли вблизи реки были
отданы под сады и огороды, в верховье реки была ликвидирована растительность, а вблизи
реки был построен водозабор. В результате была утеряна большая часть постоянного
водотока. Длина реки составляет в настоящее время не более 5-6 км, глубина реки на
отдельных участках возросла до 4-х м, средняя часть реки обмелела, верхняя часть реки
превратилась в суходол, нижнее течение стало одним из заливов Воронежского
водохранилища [5]. В бассейне реки расположены крупнейшие предприятия города,
гаражные кооперативы, садоводческие товарищества, автостоянки и автозаправочные
станции. Река находится в стадии деградации из-за высокой плотности промышленной и
селитебной застройки, уничтожения на ее берегах древесной растительности. Фактически
река прекратила свое существование, превратившись в один из мелких и
высокозагрязненных заливов водохранилища без постоянного течения.
В районе села Масловка протекает еще один левый приток реки Воронеж – река
Тавровка. Река впадает в Масловский залив Воронежского водохранилища. Чрезвычайная
мелководность (глубина реки в устье – 0,5-1 м) способствует активному зарастанию водной
растительностью. Река загрязнена нефтепродуктами, железом, сульфатами и азотом.
В западной части города существует левый приток Дона – ручей Голубой Дунай.
Изучение рельефа территории и структуры жилых улиц позволило реконструировать
расположение верхней части ручья. Исток ручья предположительно начинался в районе
улицы Карпинского (Коминтерновский район) в районе карьера "Глинозем", русло ручья
пересекало дорогу на Москву – ныне Московский проспект. Первоначально ручей был
временным водотоком, в 30-х гг. XX века в него начали сбрасывать сточные воды
185
центрального правобережного района города и ручей превратился в постоянный водоток с
мутными, зловонными сточными водами [6]. В 1936-1937 гг. верхний участок "Голубого
Дуная" был заключен в канализационную трубу, мост через балку превратился в участок
городской дороги по ул. Плехановской (ныне Московскому проспекту), на месте русла ручья
было построено здание центрального автовокзала города. Вплоть до 1971 года "Голубой
Дунай" протекал по Рабочему проспекту. В 70-ые гг. часть ручья, вплоть до ул. 9-го Января,
была забрана в канализационный коллектор и засыпана [6]. Примерная первоначальная
протяженность ручья составляла около 9 км, в настоящее время протяженность ручья
составляет около 4 км. К ручью примыкают правобережные очистные сооружения,
гаражные кооперативы и другие коммунальные территории, ряд промышленных и
транспортных предприятий. По данным МУП "Водоканал Воронежа" в воде Дона ниже
впадения ручья "Голубой Дунай" увеличивается содержание всех контролируемых веществ,
что говорит о чрезвычайно высоком уровне загрязненности вод ручья.
В юго-западной части города расположен еще один левый приток Дона - ручей
Песчаный Лог, отделяющий Юго-Западный жилой район от района аэродрома "Балтимор".
Предполагаемый исток ручья находился на территории Ленинского района, в районе
переулка Кленовый. На картах 80-х годов русло ручья изображалось как водный объект с
постоянным водотоком, в настоящее время ручей является временным водотоком.
Ориентировочная протяженность ручья составляла около 7 км. В настоящее время русло
ручья частично утеряно из-за активного строительства коммунальных, промышленных и
гражданских объектов. Исток ручья застроен жилой застройкой, в средней части
расположены гаражные кооперативы, складские территории, к нижней части ручья
примыкают участки индивидуальной застройки и садовые участки.
На основе проведенного исследования составлена схема существующих и утраченных
водотоков на территории городского округа г. Воронеж, определен характер
функционального использования береговой зоны и выделены основные типы трансформации
гидрографической сети (Таблица).
Таблица
Динамика изменения состояния рек и ручьев в границах городской черты Воронежа
№
Реки
1
Воронеж
2
Усмань
3
Песчанка
4
Тавровка
5
Ручей
Голубой
Дунай
6
7
Ручей
Песчаный
Лог
Инютинка
Динамика антропогенных
Функциональное использование прибрежных
изменений
территорий
Правый берег: селитебные и рекреационные
территории
Переформирование в
Левый берег: промышленно-производственные
водохранилище
зоны, объекты энергетики, транспортные
объекты, жилые территории
Рекреационные территории, жилые территории Природно-антропогенная
трансформация
Промышленно-производственные
зоны, Формирование застойной
транспортные объекты, жилые территории
зоны, деградация
Дачные участки, рекреационное использование Формирование застойной
зоны, деградация
Промышленные территории, территории
Деградация, частичное
транспорта, жилые территории
преобразование в
канализационный
коллектор
Жилые территории, специальные территории,
Частичное пересыхание,
промышленные и транспортные территории
временный водоток
-
Исчезновение
186
Выводы
Все
городские водные объекты претерпели значительные изменения в
геоморфологическом, гидрологическом, гидрохимическом плане. Уменьшилось их общее
количество, часть ручьев утрачена либо полностью, либо частично. В то же время общая
площадь водных объектов увеличилась за счет зарегулированного стока реки Воронеж и
создания искусственного водохранилища.
Исследование влияния гидрографической сети на планировку города показало, что
ведущую роль в формировании планировочной и пространственной организации города
играет Воронежское водохранилище. Остальные водотоки имеют ограниченное, локальное
влияние на функциональную и планировочную организацию.
Исследование функционального и экологического состояния прибрежной части
городских водных объектов показало, что все они находятся в экологически проблемных
зонах, испытывающих высокое антропогенной напряжение.
Первостепенное значение для сохранения водных объектов является функциональнопланировочная реорганизация прибрежной зоны с выносом вредных в экологическом плане
городских объектов и последующая экореабилитация водотоков как элементов
урбоэкологических сетей и рекреационных зон города
Библиографический список
1. Куприянов В.В. Гидрологические аспекты урбанизации / В. В. Куприянов. – Л.:
Гидрометеоиздат, 1977. – 184 с.
2. Генеральный план городского округа г. Воронеж – Воронеж: ГУ "Газета
"Воронежский курьер", 2007. – 162 с.
3. Фирсова Н. В. Функционально-планировочная организация Левобережной части
Воронежского водохранилища [Текст] / Н. В Фирсова // Безопасность Воронежского
водохранилища: Сб. научн. трудов. – Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2005. - С. 43-46.
4. Мишон В.М. Река Воронеж и ее бассейн: ресурсы и водно-экологические проблемы
[Текст] / В.М. Мишон - Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2000. – 296 с.
5. Смирнова А.Я. Мониторинг экосистемы р. Песчанка (Левобережье г. Воронежа) /
А.Я. Смирнова, В.Л. Бочаров, Л.Н. Строгонова, А. И. Бородкин // Труды научноисследовательского института геологии ВГУ. – Вып. 39. Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. унта, 2006. – 142 с.
6. Елецких В.Л. Вода и люди / В.Л. Елецких, В.И. Щербаков – Воронеж: ООО
Творческое объединение "Альбом", 2004. – 248 с.
The bibliographic list
1. Kupriyanov V.V. Hydrological Aspects of Urbanization / V.V. Kupriyanov. – Leningrad:
Gidrometeoizdat, 1977. – 184 p.
2. General Plan of The Voronezh City // “Voronezh Courier” , 2007. – 162 p.
3. F irsova N.V. Functional-Planning Organization of The Left-Bank Side of The Voronezh
Reservoir / Firsova N.V. // Safety of The Voronezh Reservoir. – Voronezh: Voronezh State
University Press, 2005. – Pp. 43 – 46.
4. Mishon V.M. Voronezh River and Its Basin: Recourses And Hydro-Ecological Problems /
V.M. Mishon. – Voronezh: Voronezh State University Press, 2000. – 296 p.
5. Smirnova A.Ya. Environmental Monitoring of The River Peschanka Ecosystem (Left-Bank
Voronezh Area) / A.Ya. Smirnova, V.L. Bocharov, L.N. Strogonova, A.I. Borodkin // Transactions
of the VSU Scientific-Research Institute of Geology. – Vol. 39. - Voronezh: Voronezh State
University Press, 2006. – 142 p.
6. Eletskyh V.L. Water And People / V.L. Eletskyh, V.I. Scherbakov. – Voronezh: Album
Press, 2004. – 248 p.
Ключевые слова: урбанизация, гидрографическая сеть, функционально-планировочная организация
города, трансформация водных объектов.
Key words: urbanization, hydrographical network, functional-planning organization of the city, transformation
of hydro-objects.
187
Колонка студента
УДК 696.4
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Студент В.А. Алексенцев
Студент К.В.Гармонов
Россия, г. Воронеж тел. 8(4732)71-53-21;
e- mail: brick-top99@yandex.ru
The Voronezh State University of Architecture
and Construction
Student V.A.Aleksentsev
Student K.V. Garmonov
Russia, Voronezh, ph. 8(4732)71-53-21;
e-mail: brick-top99@yandex.ru
В. А. Алексенцев, К.В. Гармонов
СЖИГАНИЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ЦИРКУЛИРУЮЩЕМ КИПЯЩЕМ СЛОЕ
Рассмотрена технология сжигания твердого топлива в кипящем слое, представлены
схемы котлов, рассмотрено применение технологии кипящего слоя для сжигания биомассы,
отходов производства.
V.A. Aleksentsev, K.V. Garmonov
THE BURNING OF SOLID FUELS IN CIRCULATION FLUIDIZED BED
A technology of solid fuel combustion in circulating fluidized bed, its advantages over
conventional combustion flare, boiler schemes are presented, examined the use of fluidized-bed
technology for biomass combustion, waste.
Технология ЦКС имеет хорошую перспективу. Ужесточение норм на вредные выбросы
стимулирует сжигание топлива в циркулирующем кипящем слое.
Последние десятилетия отечественная энергетика была ориентирована в значительной
степени на газомазутное топливо. При наличии в стране огромных месторождений твердого
топлива такое состояние дел вряд ли может быть оправданным. Применение технологии
сжигания твердого топлива в циркулирующем кипящем слое (ЦКС) позволяет существенно
улучшить экономические и экологические показатели ТЭЦ.
Основными преимуществами технологии ЦКС являются среди прочего возможность
эффективного сжигания низкокалорийных, высокозольных топлив, топлив с малым выходом
летучих веществ и шлакующих топлив, высокая (более 90%) эффективность связывания
оксидов серы при подаче известняка в топку, что для большинства сернистых топлив России
является наиболее дешевым способом, обеспечивающим соблюдение даже перспективных
норм по выбросам SО 2 ; малые выбросы оксидов азота (менее 300 мг/м³) без использования
специальных средств азотоочистки, возможность сжигания топлив различного качества в
одном и том же котле, упрощенная схема подготовки топлива (достаточно дробления).
Таким образом, котлы с ЦКС являются вполне конкурентоспособными при сжигании многих
топлив России.
Еще 10 лет назад считалось, что технология ЦКС наиболее эффективна для
промышленной энергетики. Однако в последнее время положение резко изменилось.
188
Подобная технология получила распространение, в частности, в Польше и Китае. Дело в том,
что Польша, вступая в Евросоюз, вынуждена была модернизировать свою угольную
энергетику в соответствии с европейскими нормами на выбросы. Китай, не имея жестких
ограничений на вредные выбросы, стремится к внедрению новой техники для сжигания
низкосортных местных углей. Польша стала крупным рынком для компании Foster-Wheeler,
являющейся крупнейшим поставщиком и разработчиком этих котлов. С 1995 года на ее ТЭС
поставлено котлов с ЦКС на общую мощность 2,5 млн. кВт. Эти примеры отлично
характеризуют область использования технологии ЦКС для технического перевооружения
ТЭС России. Это низкосортные угли с высокой зольностью, влажностью, содержанием серы
(антрацитовый штыб, интинские угли, кузнецкие тощие угли, местные угли Урала и
Дальнего Востока).
При неопределенности топливной базы применение котлов с ЦКС наиболее
эффективно. Суперкритические параметры пара, которые приводят к росту КПД блока,
вполне пригодны для технологии ЦКС, так как эта технология обеспечивает постоянную и
умеренную температуру газов в топке, что приводит к относительно низким температурам
стенки труб и позволяет использовать хорошо изученные и относительно дешевые стали.
В последнее время все больший интерес проявляется к установкам для совместного
сжигания биомассы (отходы деревообработки, сельскохозяйственные отходы и др.) и угля.
Очевидно, что очень эффективно сжигать высоковлажные отходы, имеющие низкие
зольность и содержание серы, и угли с высокой зольностью и сернистостью, что дает
дополнительный природоохранный эффект и экономию невозобновляемого топлива. При
этом более чем в два раза снижаются выбросы СО 2 .
В настоящее время технология сжигания различных твердых топлив и отходов
производств в циркулирующем кипящем слое (ЦКС), которая начала широко использоваться
с середины 70-х годов под влиянием ужесточающихся норм на вредные выбросы, доказала
свою техническую и экономическую привлекательность на рынке поставок энергетических
котлов.
Технология кипящего слоя в энергетических установках (установки тепловой
мощностью 50 МВт и более) начала широко использоваться с середины 70-х годов под
влиянием ужесточающих норм на вредные выбросы.
Технология ЦКС
Основной характерной особенностью технологии сжигания твердых топлив в кипящем
слое является наличие значительного количества инертного материала в топке. При скорости
газа, превышающей скорость минимального псевдоожижения (сила лобового сопротивления
соответствует силе тяжести), объем слоя увеличивается, образуются пузырьки газа. Этот
режим соответствует пузырьковому кипящему слою. При дальнейшем росте скорости газа
пузырьки сливаются, частицы над слоем объединяются в группы с высокой концентрацией.
Этот случай соответствует турбулентному кипящему слою. Если частицы улавливаются и
возвращаются в слой, циркулируя по замкнутому контуру, то такой режим работы
называется циркулирующим кипящим слоем. Расход циркулирующего материала в сотни раз
превышает расход газа в системе и в ряде случаев зависит от массы слоя при неизменной
скорости газа и размерах частиц.
Сжигание топлива осуществляется в две ступени:
• непосредственно в кипящем слое, в который подается 40 – 60% воздуха, необходимого
для горения (образуется зона пиролиза и газификации топлива);
• в надслоевом пространстве топочной камеры, куда мощными струями вдувается
вторичный воздух (происходит полное дожигание продуктов газификации и тонких
фракций топлива).
Эта технология обладает рядом важных преимуществ по сравнению с применяемым
в России традиционным факельным сжиганием :
189
• возможность эффективного сжигания низкокалорийных, высокозольных топлив, а
также топлив с малым выходом летучих, которая определяется стабильной температурой в
топке, длительным временем пребывания коксозольного остатка в реакционной зоне. В
результате имеется значительная экономия вспомогательного топлива, т.к. исключается
подсветка мазутом или газом;
• возможность сжигания топлив различного качества в одном и том же котле,
упрощенная схема подготовки топлива, отсутствие пылеприготовительного оборудования,
хорошие динамические характеристики, быстрый пуск из "горячего" состояния;
• возможность эффективного (более 90%) связывания оксидов серы путем
относительно дешевого способа подачи известняка в топку, при оптимальной температуре
слоя около 870 °С и длительном времени пребывания частиц известняка в реакционной зоне;
• низкие выбросы оксидов азота (менее 200-300 мг/нм³) без использования
специальных средств азотоочистки., которые обусловлены низкой и стабильной
температурой слоя и надслоевого пространства при организации ступенчатого подвода
воздуха;
• возможность использования низкосортного (с зольностью до 65%) топлива, например,
отходов, углеобогащения;
• маневренность котлоагрегата, способного работать с полезной нагрузкой,
составляющей 100-20 % от установленной мощности;
• высокая заводская готовность котлоагрегата и комплектность поставки, надежность и
современный дизайн;
• выполнение жестких требований по выбросам вредных веществ в окружающую
среду.
В таблице дано сравнение характеристик по газовым выбросам котлов ЦКС и
пылеугольных при сжигании каменных и бурых углей по данным
Таблица
Сравнение характеристик по газовым выбросам котлов ЦКС и пылеугольных при сжигании
каменных и бурых углей
Наименование
ЦКС
Факельное
каменный
бурый
каменный
бурый
содержание О 2 , %
7
7
6
6
Nох. мг/нм³,
технологические
800-1300
методы горелки с
500-800
<200
<200
300-500
низким Nох,
200
200
каталитическая
очистка
SО 2 , мг/нм 3 , без
200-400 S=1% 200-400 S=2,5%
800-1300
1200
очистки
С мокрой
200
200
сероочисткой
отношение Са/S
2,7-1,7
2,5-1,5
1,05
1,05
СО, мг/нм³
100-200
20-30
20-50
130-180
Связывания хлора,
20-50
20-50
90
90
%
Связывания фтора,
90
90
60
60
%
Отличительные особенности котлов ВЦКС:
190
• Кипящий слой формируется на узкой наклонной подвижной решетке, собранной из
чугунных и/или стальных колосников.
• Для образования кипящего слоя не требуется никаких специальных инертных
материалов (песка, шамотной крошки и т. п.). Слой формируют частиц топлива, кокса и
золы.
• Не требуется применения высоконапорного дутьевого вентилятора, т.к. отсутствие
инерта позволяет снизить рабочую высоту кипящего слоя до 250 – 350 мм.
• Циркуляция материала слоя обеспечивается путем многоступенчатого осаждения и
возврата в топку основной массы уноса без применения "горячих" циклонов.
• Для розжига котлов мощностью до 50 МВт не требуется применения пусковых горелок.
Котел может розжигаться от костра.
• Основная часть летучей золы выгружается вместе со шлаком прямо с решетки
благодаря применению мощной системы возврата уноса и эффекту агломерации в ВЦКС
золовых частиц.
• Требования к фракционному составу топлива не столь высоки. При рекомендуемом
размере частиц топлива 0…20 мм допускается наличие кусков до 30 мм и более.
• Подача топлива в топку осуществляется методом пневмо-гравитационного
заброса, т.е. не требуется механических забрасывателей. На рис. 1 показаны схемы пяти
наиболее известных модификаций ЦКС, отличающиеся долей тепла, снимаемой в топке,
компоновкой и конструкцией циклонов для улавливания золы.
Рис. 1. Основные модификации технологии сжигания в циркулирующем кипящем слое:
1 - топка; 2 - "горячий" циклон; 3 - "холодный" циклон; 4 -экраны топки; 5 - швеллерковые
сепараторы; 6 - первичный воздух; 7 - вторичный воздух; 8 - пневмозатор; 9 - ширмы; 10 - "щеки"; 11 экономайзер, пароперегреватель; 12 – мультициклон
191
Рис. 2. Схема котла фирмы Deborah (Великобритания) для сжигания твердого топлива в кипящем слое:
1 - твердое топливо, 2 - воздух, 3 - шлак, 4 - растопочная горелка на газе или жидком топливе.
Экологические аспекты
С точки зрения снижения твердых выбросов реконструкция типовых слоевых
промышленных котлов на сжигание угля в ВЦКС обеспечивает:
увеличение – высоты и объема топочного пространства за счет размещения решетки
ВЦКС ниже штатной отметки обслуживания котла (т. е. в зольном отделении котельной), что
позволяет существенно улучшить условия выгорания топлива;
установку в – топочной камере дополнительного поворотного экрана для организации
встроенного сепаратора (поворотной камеры) непосредственно перед конвективным пучком
для
осаждения
основной
массы
грубых
фракций
уноса;
реконструкцию системы – возврата уноса для повышения ее производительности,
эффективности и надежности;
применение эффективных золоуловителей последнего поколения со степенью –
очистки газов до 96%.
Чем ловить золу?
К основным загрязнителям атмосферы относятся оксиды азота, оксиды серы и летучая
зола.
За рубежом в связи с чрезвычайно жестким природоохранным законодательством
наиболее широкое применение для очистки дымовых газов котлов кипящего слоя нашли
тканевые фильтры, эффективность которых достигает 97-99%.
В отечественной промышленной энергетике установки тканевой фильтрации
практически не применяются. Причины, сдерживающие внедрение этих высокоэффективных
аппаратов, высокие капитальные затраты на установку; серьезные ограничения по
температуре очищаемых газов и содержанию в них паров серной кислоты, высокую
стоимость специальной термокислотостойкой ткани; отсутствие на отечественном рынке
серийно выпускаемых тканевых фильтров и т. д.
Второе место по востребованности в качестве золоуловителей за промышленными
котлами кипящего слоя в ведущих странах мира занимают электрофильтры. В России
электрическая очистка газов используется главным образом при крупных энергетических
котлах на многозольном топливе.
Но использование электрофильтров в энергетике, целесообразное в ряде случаев с
точки зрения экологии, требует, как правило, значительной реконструкции старых и
192
сооружения новых помещений, так как габариты наименьшего из приемлемых к установке
электрофильтров типа ЭГА составляют 4,9х9,3х12,4 м, а масса 38,9 тонны.
К высокоэффективным золоуловителям, более широко используемым в отечественной
промышленной энергетике, чем тканевые и электрические фильтры, относятся аппараты
мокрой очистки дымовых газов скоростные газопромыватели с турбулентными
коагуляторами Вентури конструкции ОРГРЭС-ВТИ. Степень очистки газов в установках
этого типа может составлять 92-97% в зависимости от степени орошения (т. е. расхода
впрыскиваемой воды) и скорости дымовых газов в горловине трубы Вентури (т. е.
аэродинамического сопротивления). Однако следует иметь в виду, что возможность
применения мокрой очистки газов, тем более при реконструкции котельных, достаточно
ограничена. Подпитка технической водой или полный перевод мокрого золоуловителя на
техническую воду в ряде регионов уже невозможен ввиду предельного загрязнения
водоемов.
Заслон загрязнителям
По указанным причинам наибольшее распространение при реконструкции на ВЦКС
действующих котлов получили батарейные золоуловители БЦ-512 мультициклоны
последнего поколения с улиточными завихрителями газов, специально разработанные для
эффективного инерционного улавливания уносов из промышленных и отопительных котлов.
Эти аппараты отличаются предельно высоким для инерционных сепараторов КПД при
умеренном аэродинамическом сопротивлении, простотой обслуживания, надежностью,
компактностью и приемлемой стоимостью. В ряде случаев (при высокой зольности топлива
и наличии свободного места за котлом) перед мультициклонами устанавливается
предварительная ступень очистки газов в виде одного или двух параллельно включенных
прямоточных циклонов. Среднеэксплуатационная эффективность одноступенчатого
золоуловителя типа БЦ-512 составляет не менее 92%, двухступенчатого 94-95%, что
обеспечивает после реконструкции котла снижение твердых выбросов в атмосферу как
минимум в 2,5-3,5 раза и, как правило, является достаточным для соблюдения
установленных норм по ПДВ летучей золы.
Применение высокотемпературного сжигания в кипящем слое с золоуловителями БЦ512 позволяет:
только за счет особенностей способа – сжигания топлива снизить выбросы оксидов
азота в 1,3-1,5 раза по сравнению с уровнем NOx слоевых котлов, т. е. обеспечить их
концентрацию в пределах 250-300 мг/м³;
при сжигании углей с содержанием серы до 0,6-0,7% снизить выбросы – оксидов серы
до нормативных величин без применения специальных дорогостоящих методов очистки;
при сжигании углей с повышенным содержанием серы – обеспечить подавление
оксидов серы наиболее простым и наименее затратным методом - путем присадки к топливу
известняковой добавки;
обеспечить как – минимум троекратное снижение выбросов летучей золы без
применения дорогостоящих и громоздких аппаратов электрической, тканевой и мокрой
очистки газов.
Экономная решетка
Экономические преимущества новой технологии достигаются за счет возможности
применения малокалорийных дешевых углей, повышения эффективности выгорания топлива
до 93-95% и уменьшения вследствие этого затрат на уголь на 30-40%, увеличения
теплопроизводительности котлов после реконструкции на 30-50% (за счет повышения
интенсивности тепло- и массообменных процессов), снижения затрат на ремонт и
содержание оборудования в силу уменьшения количества деталей решетки и отсутствия их
физического износа и т. д. При этом срок окупаемости реконструкции, в зависимости от
конкретных технико-экономических показателей, составляет всего от полугода до двух лет.
193
Котловая экономика
Очевидно, что котел с ЦКС имеет большую металлоемкость топки. Меньше
температура – значит ниже теплоотвод, больше избыточное давление в низу топки – больше
вес металлоконструкций. Кроме того, часть топки футерована, имеется аппарат для
улавливания золы и система ее возврата в топку. Однако последние совершенствования
технических решений, например упрощенные сепараторы в виде сварных прямоугольных
циклонов или швеллерковых сепараторов, применение зольных теплообменников с очень
высокой теплоотдачей от движущегося материала к трубам поверхностей нагрева позволили
отчасти устранить указанные недостатки. Анализ ряда экономических исследований,
выполненных в США, Дании, Польше, Великобритании и России, показал, что в условиях
блоков 150–300 МВт при сжигании топлив, требующих применения серо- и азотоочистки,
капитальные вложения и себестоимость электроэнергии на ТЭС котлами ЦКС на 7–8% ниже,
чем на традиционных блоках.
В настоящее время ведутся разработки инвестиционных предложений по заказу ОГК и
ТГК для угольных электростанций. В ряде случаев выполняется сравнение пылеугольных
котлов и котлов с ЦКС.
Наметившийся всплеск поставок энергетического оборудования, в том числе и котлов с
ЦКС, уже привел к заметному росту цен на них. Наиболее дешевые котлы производят в
Китае, где удельные капитальные затраты на все оборудование котельного острова
составляют около 300–350 долл./кВт. Для условий России эти затраты должны быть не
больше, чем в Польше, – 420 долл./кВт.
Необходимо отметить, что в последнее время в Западной Европе, особенно в
Скандинавских странах, все более активно используются различные виды биомассы для
получения тепла и энергии. Особенно перспективным считается применение технологии
кипящего и циркулирующего слоя при совместном сжигании биомассы, а также
промышленных и муниципальных отходов в смеси с углем. Это позволяет эффективно
утилизировать используемые отходы и снизить нагрузку на окружающую среду.
Немаловажным является также то обстоятельство, что в этом случае можно не иметь
добавки инертного материала (используется зола угля) и уменьшить расход известняка при
том же содержании серы в угле (за счет разбавления дымовых газов). В 1997г. фирма
Фостер-Уиллер применила крупнейший в мире котел ЦКС для сжигания 600 тонн в день
твердых бытовых отходов при максимальной паропроизводительности 200 т/ч.
Как показывает зарубежный опыт, затраты на ремонт и обслуживание котлов ЦКС и
вспомогательных систем, как правило, ниже, чем для соответствующих котлов факельного
сжигания с азото- и сероочисткой .
Выводы
1. В связи с ограничениями, вводимыми ОАО "Газпром" по использованию природного
газа в электроэнергетике, в настоящее время, а также в ближайшей перспективе встает
вопрос о замене природного газа на альтернативный энергоноситель - уголь.
2. Одной из эффективных и современных технологий сжигания местных углей является
способ сжигания низкосортного топлива и его отходов в циркулирующем кипящем слое
(ЦКС).
3. Технология кипящего и циркулирующего кипящего слоя широко используется на
многочисленных зарубежных промышленных и энергетических установках, обеспечивая
эффективное сжигание широкой гаммы топлив с минимальными выбросами вредных
веществ, соответствующими наиболее жестким нормам.
4. ЦКС обеспечивает возможность сжигания топлив различного качества в одном и том
же котле, упрощенная схема подготовки топлива (дробление), хорошие динамические
194
характеристики, быстрый пуск из "горячего" состояния, компактность котельной установки,
связанная с отсутствием средств серо- и азотоочистки, что позволяет разместить котел ЦКС
в существующих котельных ячейках.
5. Капитальные затраты на реконструкцию действующих ТЭС по технологии ЦКС в 2,53 раза ниже, чем на новое строительство и составляют, по различным источникам, 400-600
долл/кВт.
6. В условиях техперевооружения электростанций России технология ЦКС наиболее
эффективна при полной замене выработавшего свои ресурс котельного оборудования при
расположении ТЭС вблизи мест добычи угля и сжигании топлив, требующих применения
мокрой сероочистки, азотоочистки, а также при использовании широкой гаммы
низкокалорийных топлив.
7. Определенные перспективы технологии ЦКС связаны с совместным сжиганием угля и
биомассы. Технология ЦКС может сочетаться с высокими, в том числе суперкритическими,
параметрами пара, позволяя применять более дешевые и хорошо опробованные марки
сталей.
Рис.3.
Библиографический список
1. Агапов Ю.Н. Моделирование и разработка методов расчета процессов
гидродинамики и тепломассообмена в аппаратах с центробежным псевдоожиженным слоем:
автореф. дис. ... д-ра техн. наук / Воронеж. ГТУ. - Воронеж, 2005. - 32 с.
2. Агапов Ю.Н., Бараков А.В. Перспективы использования перемещающегося
псевдоожиженного слоя в энергетике и теплотехнологии // Физико-технические проблемы
энергетики, экологии и ресурсосбережения: сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2005.
195
3. Анискин В.И., Голубкович А.В., Сотников В.И. Сжигание растительных отходов в
псевдоожиженном слое // Теплоэнергетика. - 2004. - N 6.
4. Бабиян К.С., Балтян В.Н. Схема подготовки топлива различного качества для котлов
с ЦКС экспериментальной ТЭС // Повышение эффективности производства электроэнергии:
материалы 6 междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 100-летию ЮРГТУ(НПИ), Новочеркасск,
22-23 нояб. 2007. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2007.
5. Балтян В.Н., Усиков Н.В. Перспективы и проблемы внедрения технологии
циркулирующего кипящего слоя на ТЭС России // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн.
науки. - 2006. - Прил. N 15.
The bibliographic list
1. Agapov U.N. Modeling and development of methods for calculating the processes of
hydrodynamics and mass exchange in the apparatus with a centrifugal fluidized bed, Dr.Sci.Tech/
Voronezh, 2005. – 32p.
2. Agapov U.N., Barakov A.V. Prospects for the use of moving fluidized bed in Energy and
teplotehnologii // Physical and technical problems of energy, environmental and resource,
Voronezh: VSTU, 2005.
3. Aniskin V.I., Golubkovich A.V., Sotnikov V.I. The burning of crop residues in fluidized
bed // Power. -2004. – N6.
4. Babiyan K.S., Baltyan V.N. The scheme of training of varying quality fuel for boilers with
circulating fluidized bed pilot fired power // Improving the efficiency of electricity production,
Novocherkassk: URSTY, 2007.
5. Baltyan V.N., Usikov N.V. Prospects and problems of introducing technology to the
circulating fluidized-bed thermal Russia.
Ключевые слова: сжигание топлива в кипящем слое, тепломассообмен, псевдоожиженный слой,
топливо
Keywords: Fuel combustion in the fluidized bed, heat and mass exchange, fluidized layer, fuel.
196
Информационный раздел
ЕСТЬ ПОТЕНЦИАЛ ДЛЯ РОСТА И НОВЫХ ПОБЕД
Подготовка молодых специалистов предполагает, прежде всего, высокий уровень
освоения фундаментальных и технических дисциплин, которые являются безусловными
приоритетами в процессе обучения. При стремлении в дальнейшем быть востребованными в
сфере строительной индустрии студенты нашего вуза получают качественное образование,
позволяющее овладеть любой специализацией, связанной с будущей трудовой
деятельностью. Но, занимаясь подготовкой молодых кадров, необходимо прививать у них
интерес и к своему физическому развитию, которое при массовом характере будет
проявляться в здоровых поколениях россиян.
Над решением этой задачи с полной отдачей трудятся преподаватели кафедры
физического воспитания ВГАСУ, и они по праву могут гордиться своими чемпионами как
регионального, так и Российского уровня. Однако особое уважение вызывают те наставники,
которые, не являясь представителями спортивных профессий по роду своей
профессиональной деятельности, работают с молодежью по воспитанию их здорового духа.
На кафедре «Пожарной и промышленной безопасности» ВГАСУ работает
преподавателем Карпов Леонид Данилович. Он помогает студентам овладевать знаниями по
дисциплине «Пожарно-строевая подготовка». Наряду с этим, Леонид Данилович принимает
активное участие в развитии в нашем ВУЗе пожарно-прикладного спорта. При его
непосредственном содействии в 2004 году была создана команда студентов факультета
инженерных систем и сооружений.
За совсем незначительный срок при упорной тренерской работе Карпова Л.Д. несмотря
на естественный для ВУЗа процесс постоянного обновления состава сборной команды
факультета инженерных систем и сооружений был достигнут целый ряд замечательных
достижений. Уже в 2007 году на чемпионате России команда, представляющая наш вуз,
заняла второе место в эстафете четыре по 100 м и третье место в упражнениях с выдвижной
трех коленной лестницей.
Но настоящий «золотой дождь» на нашу сборную пролился в 2008 году. На зимнем
чемпионате России в Уфе Денис Ефремов в упражнениях со штурмовой лестницей в окно
четвертого этажа учебной башни выиграл золотую медаль. В этом же упражнении Алексей
Андрианов на Международных соревнованиях, посвященных памяти героев-пожарных
Чернобыля и проходивших в мае в г. Луганске, завоевал золотую медаль. В июле в г.
Кисловодске на Чемпионате вооруженных сил России Сергей Карпов получил серебряную
медаль за упражнения с выдвижной трех коленной лестницей. Вновь в Кисловодске на
Всероссийских открытых соревнованиях на кубок России по пожарно-прикладному спорту
среди министерств и ведомств, проходивших в октябре, сборная нашего вуза, выступавшая
за министерство образования, заняла второе общекомандное место. Однако и здесь не
обошлось без золотых медалей! Ими были награждены Иван Котюрин, Александр
Ефименко, Павел Копылов и Денис Ефремов за лучшую эстафету четыре по 100 м.
Удачно начался для наших ребят и 2009 год. На международном турнире кубка
Федерации пожарно-спасательного спорта Республики Беларусь первое место на 100 м
полосе с препятствиями занял Руслан Хубецов. На зимнем чемпионате Европы, прошедшем
в Польше, Алексей Калинин показал третий результат со штурмовой лестницей в окно
четвертого этажа учебной башни.
197
Руководство ВУЗа с членами сборной факультета инженерных систем и сооружений по
пожарно-прикладному спорту: верхний ряд (слева направо): Виталий Сергиенко, Александр
Ефименко, декан ФИСиС С.А.Колодяжный, ректор И.С.Суровцев, тренер Л.Д.Карпов; Иван
Котюрин, Сергей Трусов, заведующий кафедрой теплогазоснабжения В.Н.Мелькумов; нижний
ряд (слева направо): Сергей Гордеев, Сергей Карпов, Денис Ефремов, Павел Копылов
Открытие Всероссийских соревнований по пожарно-прикладному спорту в г. Кисловодске
(октябрь 2008 года)
198
Всероссийские соревнования по пожарно-прикладному спорту в Кисловодске (октябрь)
Всероссийские соревнования по пожарно-прикладному спорту в Кисловодске (октябрь)
199
Награждение сборной ВГАСУ за второе общекомандное место
В этом году на предстоящем чемпионате мира среди пожарных и спасателей 10-15
сентября в г. Уфе будут участвовать и наши студенты в составе сборной России. Замечен и
высоко оценен труд тренера Карпова Леонида Даниловича, который также приглашен на
чемпионат, но уже в качестве участника судейской коллегии.
Вряд ли можно с полной уверенностью выделить, что именно стало основой причины
успеха наших ребят. Разумеется, прежде всего молодцы сами студенты – члены нашей
сборной. Но, думается, успехи не были бы такими полными, если бы не мудрая и
квалифицированная тренерская работа Леонида Даниловича Карпова и так необходимая
всем добрая действенная поддержка со стороны заведующего кафедрой «Промышленной и
пожарной безопасности» и декана факультета инженерных систем и сооружений Сергея
Александровича Колодяжного. Прочный союз тренера, спортсменов и декана однозначно
является залогом будущих новых достижений нашей команды.
Пожелаем команде по пожарно-прикладному спорту ВГАСУ дальнейших побед и
успехов! И «Так держать»!
Т.В. Щукина,
начальник отдела
спецпроектов журнала
200
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
95
Размер файла
9 282 Кб
Теги
397, система, инженерная, сооружений
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа