Состояние энергетики Российской Федерации характеризуется нарастающим дефицитом и старением, как мощностей, генерирующих электрическую и тепловую энергию, так и энергетических коммуникаций. Децентрализация энергетики, как концепция ее развития, принята большинством промышленно развитых стран мира. Предполагается глубокая децентрализация энергетики, вплоть до уровня так называемых персональных электрогенераторов, что позволит снизить потери при передаче электроэнергии и уменьшить вредные воздействия на окружающую среду. По мнению зарубежных аналитиков уже в 2010 году 10% электроэнергии в США будут вырабатывать газотурбинные установки, единичной мощностью не более 400 кВт (прогноз дан до начала мирового экономического кризиса) [6].
Энергоустановки, работающие на природном газе, могут рассматриваться в ближайшем будущем в качестве основного средства обеспечения децентрализованных систем энергетики. Таким образом, малоразмерные энергоустановки являются сегодня одним из наиболее выгодных видов продукции для предприятия газотурбинного двигателестроения.
Совершенствование авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и энергетических установок (ГТЭУ) на их базе идет по пути дальнейшего улучшения удельных показателей при одновременном ужесточении требований по надежности и ресурсу. Отличительными чертами перспективных силовых установок являются: разнообразие режимов и условий эксплуатации, близость рабочих режимов к ограничениям по прочностным, температурным и функциональным параметрам, большое число регулирующих органов. В настоящее время, в связи с повышением требований к эффективности процессов проектирования и доводки газотурбинной техники, все больше внимания уделяется методам и средствам математического моделирования ГТД, ГТЭУ, их узлов, элементов систем управления и контроля. Использование информационных технологий в существенной мере определяет успешность создания современной газотурбинной техники.
Усложнение задач управления, использование более совершенных и сложных алгоритмов управления, развитие электронных технологий создали предпосылки широкого внедрения методов математического моделирования для задач оптимального управления. Динамические характеристики двигателей и энергоустановок являются одними из наиболее важных факторов, которые необходимо учитывать уже на стадии проектирования при определении рабочих режимов, при выборе законов управления и методов контроля [1].
Авторами разработана система имитационного моделирования (СИМ) работы авиационных ГТД (и ГТЭУ на их базе) на установившихся и неустановившихся режимах в термогазодинамическом аспекте [2, 4], разработаны математические модели узлов газотурбинной установки, элементов управления (автоматики) и контроля, позволяющих моделировать, исследовать и прогнозировать различные режимы работы двигателей произвольных схем совместно с элементами их систем управления, при этом решать различные проектно-доводочные задачи [3].
Суть разработанного метода моделирования различных установившихся и неустановившихся режимов работы газотурбинных установок произвольных схем базируется на совокупности следующих принципов:
1) модульность построения модели расчетной схемы: представление моделируемого двигателя (установки) с системой автоматического управления и элементами контроля из связанных между собой информационными потоками модулей (рис.1) – моделей структурных элементов (СЭ) установки (входное устройство, компрессор, камера сгорания, свободная турбина, котел-утилизатор, генератор и т.д.), а также элементов САУ (регуляторы, исполнительные механизмы, датчики и т.д.) – такой подход позволяет осуществлять моделирование различных схем;
Рис. 1. Модульность построения и задание информационных потоков
2) единая схема представления модулей (моделей СЭ): задание входных данных и характеристик, алгоритма расчета и получение выходных данных (рис.2); при этом предложен оригинальный метод сетевого представления взаимосвязи параметров, в виде ориентированного графа, где ребра являются параметрами и функциями влияния, вершины – рекуррентными операторами, из которых состоит алгоритм СЭ;
Рис. 2. Единая схема представления модулей (СЭ)
3) выполнение законов сохранения (вещества, энергии, количества движения и т.д.) за счет задания в моделях СЭ специальных «портов» и унифицированных типов информационных потоков, благодаря чему формируемые из моделей СЭ модели тоже изображаются ориентированными графами;
4) независимость и возможность вариации учета в модели различных факторов: принцип позволяет вносить изменения и дополнения, связанные с необходимостью учета или уточнения новых факторов, изменять алгоритмы расчета модулей или элементов управления, при этом динамические свойства (функции) модели добавляются к статическим моделям независимо как дополнительные ребра и вершины в ориентированном графе;
5) решение произвольных проектно-доводочных задач путем задания условий моделирования: для любой задачи в «законе расчета» среди параметров СЭ указываются функции цели – так называемые «поддерживаемые» параметры или комплексы и варьируемые величины, за счет вариации и табуляции которых достигается выполнение функции цели. Выполнение законов расчета реализуется с помощью решателя (процессора СИМ) с использованием методов многокритериальной оптимизации – останов происходит, когда каждый «поддерживаемый» параметр оказывается в заданной области, с заданной для него точностью [2].
Разработанный универсальный метод моделирования работы различных ГТД и ГТЭУ и их систем управления включает:
1. Библиотеку моделей структурных элементов (СЭ) (входное устройство, компрессор, камера сгорания, турбина, сопло, выхлопной патрубок, смеситель, разделитель, переходный канал, пусковое устройство, свободная турбина, котел-утилизатор, генератор, насос и т.д.) и элементов систем управления (регуляторы, датчики и т.д.) (рис. 3).
2. Препроцессор – обеспечивает синтез модели (структурный и параметрический), указание термогазодинамических, механических, гидравлических и др. связей (трассировка потоков), задание и редактирование параметров и характеристик СЭ, задание условий, реализующих заданную проектно-доводочную задачу (формализованное построение «закона расчета») в виде условий для задачи многовариантного, многорежимного анализа и (или) синтеза с табуляцией параметров – для решателя (процессора) СИМ.
3. Процессор (решатель СИМ) – обеспечивает последовательную активизацию моделей СЭ в соответствии с матрицей инцидентности ориентированного графа (с учетом трассировки потоков – связей СЭ), управление движением имитационной моделью от начальных условий к решению в соответствии с законом расчета (за счет вариации указанных варьируемых параметров и приведения «поддерживаемых» параметров в заданные области с заданной точностью). В процессоре имеется библиотека численных методов оптимизации (методы Ньютона, Эйлера, Рунге-Кутта). Для учета накладываемых границ используется метод штрафных функций.
Рис. 3. Структура СИМ
4. Постпроцессор – обеспечивает отображение и документирование результатов, в т. ч. в форматах обмена с другими приложениями.
5. Архив – обеспечивает хранение библиотек моделей и характеристик СЭ.
6. Редактор характеристик СЭ – обеспечивает задание, редактирование, доступ к характеристикам СЭ.
СИМ является открытой системой и базируется на FrameWork САМСТО [1], предназначенной для создания автономных приложений, ориентированных на моделирование различных технических объектов и систем, что дает возможность пользователю вносить добавления, изменения для решения конкретных задач, создавать новые СЭ и информационные потоки. Синтез модели осуществляется в соответствии со схемой установки.
Повышение эффективности проектирования газотурбинных энергоустановок, сокращение сроков их создания и повышение качества (КПД, удельных показателей и др.) позволит решать задачи получения более дешевой электроэнергии и тепла. Проектирование малоразмерных энергетических газотурбинных установок (МЭГТУ), обладающих хорошим сочетанием технических, экономических и экологических характеристик, обеспечит их конкурентоспособность, и позволят отечественной технике удовлетворить ожидаемый массовый спрос на такое оборудование при переходе Российской Федерации на децентрализованную систему производства энергии.
Таким образом, возникает необходимость разрабатывать газотурбинные энергоустановки, приняв за основу имеющиеся наработки при создании авиационных газотурбинных двигателей (речь не идет о конверсии, бесперспективность которой для энергетики сегодня очевидна и доказана мировой практикой). Это позволит повысить эффективность проектирования газотурбинных энергоустановок и процесса их эксплуатации.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта МД-277.2010.8
Список литературы
1. Проектирование авиационных газотурбинных двигателей: Учебник / Под общей ред. проф. А.М. Ахмедзянова. М.: Машиностроение, 2000. - 454 с.
2. Ахмедзянов, Д.А. Моделирование совместной работы авиационных ГТД и элементов топливной автоматики на переходных режимах в компьютерной среде DVIGw / Д.А.Ахмедзянов, Х.С. Гумеров, И.А. Кривошеев // Изв. вузов, сер. “Авиационная техника”. - 2002. - №1. - С. 43-46.
3. Ахмедзянов, Д.А. Информационная технология отладки динамических процессов в авиационных ГТД при приемно-сдаточных испытаниях / Д.А. Ахмедзянов, А.Е. Кишалов // Известия вузов. Авиационная техника, Казань. – 2007. - №3. – С.26-31.
4. Ахмедзянов, Д.А. Система термогазодинамического моделирования газотурбинных двигателей на переходных режимах работы DVIGwp /Д.А. Ахмедзянов, И.А. Кривошеев, Е.С. Власова: Cвидетельство № 2004610868. Москва: Роспатент, 2004.
5. Ахмедзянов, Д.А. Термогазодинамический анализ рабочих процессов ГТД в компьютерной среде DVIGw / Д.А. Ахмедзянов, И.А. Кривошеев и др. Уфа: Изд. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та, 2003. - 162 с.
6. Родионов, А. В. Анализ термодинамических параметров зарубежных малоразмерных газотурбинных установок [Текст] / А. В. Родионов, И. А. Кривошеев // Молодой ученый. — 2009. — №9. — С. 21-24.
