Открытые расчеты в энергетике на примере водоподготовки

Доценты Московского энергетического института, кандидаты техн. наук Очков В.Ф. (ochkov@twt.mpei.ac.ru) и Пильщиков А.П., аспирантка Чудова Ю.В.

На кафедре Технологии воды и топлива (http://twt.mpei.ac.ru/home.htm) Московского энергетического института (ТУ) разработана «Энциклопедия физико-химических технологий ТЭС». Помимо обучающих курсов и справочно-информационных ресурсов в ней содержатся расчетные программы, охватывающие свойства воды и растворов, применяющихся в водоподготовке, водоподготовительное и теплообменное оборудование, водные режимы. Большая часть расчетов выполнена в среде Mathcad. Эти программы являются открытыми, то есть пользователи видят исходные данные, применяемые формулы и методику расчета.

В чем заключается преимущество подобных программ?

Фирмы-производители водоподготовительного оборудования и материалов зачастую имеют свои программы. С их помощью можно рассчитать различные схемы с применением новых материалов и оценить выгоду нововведений. Но эти программы закрыты для энергетиков. Причины, в основном, две: кодирование алгоритмов в традиционных языках программирования понятно только программисту; кроме того, программа может содержать секретную информацию фирмы, «ноу-хау», и производители неохотно дают исходные тексты. Поэтому, иногда результаты вычислений воспринимается скорее как рекламная информация.

Документы, выполненные в пакете Mathcad наглядны. Они как будто написаны на листе бумаги (в руководстве для пользователей это называется worksheet). Формулы представлены в привычном для инженеров и научных работников виде. Имея возможность просмотреть методику расчета, пользователь будет доверять полученным результатам. Пример такого документа представлен на (рис. 1).

Рис.1. Расчет механического фильтра

С другой стороны, если нет необходимости показывать все вычисления, отдельные области расчетов можно скрыть и даже защитить скрытые области паролем. При этом невидимые нам формулы все равно участвуют в расчете. Такой прием необходим, например, для защиты формул от изменений или для того чтобы сделать недоступной частную информацию производителей.

Расчетные программы энциклопедии проиллюстрированы графиками. В среде Mathcad можно создавать двухмерные графики в декартовых и полярных координатах и трехмерные графики — поверхности, столбчатые, точечные графики, линии уровня. Иногда сами результаты расчетов удобнее представлять в графическом виде, например при вычислении термодинамических констант и функций (рис. 2, 3).

Рис. 2. Расчет некоторых термодинамических констант

Рис.3. Зависимость ионного произведения воды, констант диссоциации угольной кислоты и произведения растворимости карбоната кальция от температуры

В расчетах мы работаем с размерными величинами. В пакете Mathcad есть предопределенные переменные, хранящие единицы физических величин и общепринятые обозначения распознаются средой. По умолчанию в среде используется система СИ, но мы можем менять системы измерения, а также вводить свои собственные, пользовательские, размерности (рис.4). Программа автоматически пересчитает и даст результат в других единицах измерения. Соответствие размерностей отслеживается, тем самым мы избегаем ошибок и в самих расчетах и при вводе данных.

Рис. 4. Задание пользовательских размерностей в Mathcad

Безусловно, мы не ограничиваемся простыми расчетами. Mathcad Professional позволяет составлять программы. Mathcad-программы с точки зрения программиста представляют собой подпрограммы-функции, которые могут возвращать в качестве результата число, вектор или матрицу. В качестве примера на (рис.5) представлен расчет процессов известкования и коагуляции, на (рис. 6) — результат — зависимость рН от дозы извести. В программе вертикальной чертой разделяются циклы, внутри которых помещаются ключевые слова, переменные, функции. Написание математических выражений остается традиционным. Сама программа напоминает скорее алгоритм решения задачи и остается понятной для прочтения.

Надеемся, что описанные выше преимущества открытых программ станут весомыми доводами в пользу их широкого использования при выполнении расчетов в энергетике.

Рис. 5. Программа расчета процессов известкования и коагуляции

Рис. 6. Зависимость рН от дозы извести.

Mathcad-программы по расчету процессов водоподготовки можно «скачать» с FTP-сервера по адресу: ftp://twt.mpei.ac.ru/ochkov/VPU

Литература:

1. Мартынова О.И., Никитин А.В., Очков В.Ф. “Водоподготовка: Расчеты на персональном компьютере”. М.: Энергоатомиздат, 1990, - 216 с. (http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/VPU_PC/index.htm)

2. Очков А.В., Утенков В.Ф., Орлов К.А. “Теплотехнические расчеты в среде Mathcad”. Журнал “Теплоэнергетика”, 2’2000. с. 73-78. (http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/trenager/tren/Mathcad/Mathcad.htm)

3. Очков В.Ф. Раздел 5.5.2. «Решение инженерно-технических задач в среде Mathcad» справочника «Теплоэнергетика и теплотехника» Кн.1. М.: Изд-во МЭИ, 1999 (http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/Chapter_5_5_2/Chapter_5_5_2.htm)