Сетевые расчеты и диаграммы теплоэнергетических процессов
д.т.н. Очков В.Ф (МЭИ) Другие статьи и книги В.Ф.Очкова >>>
журнал Промышленная энергетика, № 12, 2008. С. 37-43 (отсканированные страницы 37, 38, 39, 40, 41, 42 и 43)
Авторитетнейшее в области информационных технологий (IT) издание PC World (www.pcworld.com) опубликовало список из 10 «IT-переворотов» – событий, которые серьезно изменят жизнь пользователей компьютеров в течение ближайших десяти лет. На первом месте стоит развитие «облачных» вычислений. Концепция облачных вычислений подразумевает предоставление удаленных вычислительных мощностей, дискового пространства и каналов связи заказчику. На использование «облачных» вычислений компании подтолкнет, помимо прочего, высокая стоимость аренды помещений и высокая стоимость электроэнергии.
В Московском энергетическом институте (ТУ – www.mpei.ru) в рамках выполнения инновационной образовательной программы (http://inedu.mpei.ru) и развития Электронной энциклопедии энергетики (www.trie.ru) при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (www.rffi.ru) и под эгидой национального комитета по свойствам воды и водяного пара (http://twt.mpei.ru/rnc) создан ряд специализированных сайтов интернета для расчета и графического отображения теплоэнергетических процессов.
В основе данных сайтов лежат следующие научно-технические разработки [1 – 7]:
-
1. Комплекс сертифицированных программ WaterSteamProтм (www.wsp.ru) для расчета теплофизических свойств воды, водяного пара, газов и газовых смесей. Функции этого комплекса можно сделать видимыми во всех популярных расчетных компьютерных средах, используемых инженерами-теплоэнергетиками: в языках программирования (fortran, C, BASIC, Pascal), электронных таблицах (Excel), математических программах (Matlab, Mathcad, Maple) и т.д.
-
2. Набор расчетных документов, созданных в среде программы Mathcad, которая обладает мощными средствами решения математических задач и графической иллюстрации полученных решений – черчением диаграмм теплотехнических процессов, например, о которых речь пойдет в данной статье.
-
3. Технология публикации в интернете теплотехнических и других расчетов, созданных в среде математической программы Mathcad[1] (см. п. 2 выше) с подключенными к ней функциями пакета WaterSteamProтм (см. п. 1 выше). При этом допустимо в опубликованных задачах менять исходные данные и получать новые ответы, проиллюстрированные соответствующими диаграммами.
Ниже описаны типичные страницы интернета, где реализованы данные информационные технологии.
Функции пакета WaterSteamProтм можно «скачать» с сайта www.wsp.ru и подсоединить к своим расчетным программам – к Mathcad или Excel, например. Но можно вести расчеты по функциям пакета WaterSteamProтм непосредственно через интернет, обратившись к сайту с адресом http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/WSPHB. На рис. 1 показана одна из страниц[2] данного сайта, на которой можно рассчитать теплофизические свойства воды и водяного пара в зависимости от температуры и давления, значение которых должны находиться в допустимом формуляцией IAPWS IF-97[3] интервале.
Рис. 1. Сетевой расчет параметров воды и водяного пара по давлению и температуре (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/PT.xmcd)
На рис. 2 показана другая подобная страница интернета, по которой теплофизические свойства воды и водяного пара рассчитываются по другим исходным параметрам – по значениям давления и удельной энтропии.
Рис. 2. Сетевой расчет параметров воды и водяного пара по давлению и энтропии (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/PS.xmcd)
На рис. 2 также показана область допустимых значений p и s, включающая область влажного пара (Double Phase – туда мы попали в расчетной ситуации, отображенной на рис. 2; в ином случае (однофазная область) значение х (степень сухости пара) было бы не показано; если исходные данные выходят за рамки обрисованной области, то не будут показаны и другие значения). В сетевых расчетах, показанных на рис. 1 и 2, предусмотрена возможность выбора посетителем сайта числа знаков в ответе. Это с одной стороны, позволяет не вводить лишние знаки, а с другой (при увеличении числа знаков), оценивать изменение рассчитываемого свойства при незначительном изменении исходных параметров – одного или нескольких. По умолчанию выводится пять знаков в ответе – обычная точность инженерных расчетов. Если при этом выведено меньшее число знаков, то это означает, что невыведенные знаки – это нули.
На сайте есть страницы, предназначенные для работы и с другими сочетаниями исходных параметров: удельные энтальпия и энтропия, давление и удельная энтальпия, температура и удельная энтропия, температура и удельная энтальпия и т.д. Все это существенно повышает удобство работы с данным интернет-справочником по сравнению с его «бумажными» аналогами, где исходными величинами, как правило, являются только давление и температура. Кроме того, в «бумажных» справочниках эти аргументы задаются дискретно с довольно широким шагом изменения значений, что требует привлечения интерполяции при работе с промежуточными величинами. При работе с водой на линии насыщения исходными параметрами будет либо давление, либо температура (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/Sat.xmcd). Созданы и открыты на описываемом сайте также и страницы для расчетов теплофизических свойств воды и водяного пара в метастабильной области (переохлажденный водяной пар, перегретая вода), а также по твердой фазе (льду). Кстати, о твердой фазе, вернее, о фазовых переходах.
Рис. 3. Сетевая фазовая диаграмма «лед-вода-водяной пар» (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/PhBC.xmcd)
На рис. 3 показана страница сайта с «живой» диаграммой фазовых переходов системы «лед–вода–водяной пар». «Живой» в том смысле, что посетитель сайта может ввести новое значение температуры, нажать на кнопку Recalculate (Пересчитать) и получить новые значения давлений фазовых переходов. Из рис. 3 видно, что при температуре 123°С давление кипения составляет 0.218 MPa. Но при этом вода «замерзает» (превращается в «горячий» лед – лед особой кристаллической модификации) при давлении 2.762 GPa.
Кроме расчетов по одиночным точкам (см. рис. 1 и 2), на сайте предусмотрены также расчеты с отображением рассматриваемых точек на графиках, один из которых и был показан на рис. 3. А вот еще один пример.
Рис. 4. Сетевой расчет и графическая иллюстрация зависимости энтальпии воды и водяного пара от давления и плотности (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/HDP.xmcd)
На рис. 4 показана страница сайта, на которой не только рассчитывается значение удельной энтальпии воды и водяного пара в зависимости от введенных значений давления и температуры, но и показаны соответствующие зависимости рассчитанной величины от двух других – от плотности и давления, что визуализировано изобарами на диаграмме «удельная энтальпия – плотность». При этом отдельные особые участки этого и других подобных диаграмм увеличены. На описываемом сайте собрано большое количество подобных «живых» диаграмм, отображающих свойства воды и водяного пара и позволяющих через различные графические зависимости (семейства изобар, изохор, изотерм, изоэнтроп и т.д., а также поверхностей) видеть характер изменения свойств данного основного рабочего тела теплоэнергетики при изменении параметров теплоэнергетических установок. Посетители сайта могут фиксировать адреса нужных страниц в позиции «Избранное» своего обозревателя интернета, чтобы в дальнейшем быстро заходить на тот или иной сетевой расчет. Такие зафиксированные ссылки затем можно перегруппировать в некую древовидную структуру: однофазная область – зависимость от р и t, от p и s, от p и h и т.д.; двухфазная область – зависимость от t, от р и т.д.
Рис. 5. Сетевая h, s–диаграмма дросселирования водяного пара (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/PTU/h-s-Exp.xmcd)
Страница интернета, показанная на рис. 5, позволяет строить диаграммы изменения параметров водяного пара при дросселировании и/или расширении в турбине. На рис. 5 в h, s–диаграмме зафиксирован процесс дросселирования пара от точки с р = 13 МРа и t = 540° С до точки с р = 10 МPа (величины, заданным посетителем сайта). После нажатия кнопки Recalculate будет прорисована линия дросселирования (h = const; есть страницы сайта, где данный процесс отображается на T, s и р, s–диаграммах, а также из области влажного пара[4]) и рассчитаны нужные величины: температура пара в конечной точке, значения удельной энтальпии, удельных объемов в обеих точках и т.д.
Если же на странице интернета, показанной на рис. 5, задать значение внутреннего относительного кпд процесса расширения пара η0i, отличное от нуля (близкое к 100%), а также изменить другие исходные параметры, в частности, расширить область отображения процесса в h, s–диаграмме, то можно получить диаграмму, показанную на рис. 6 – диаграмму расширения пара в паровой турбине от точки, расчет которой показан на рис. 5, до давления 5 кРа – до области влажного пара со степенью сухости х = 86%.
Рис. 6. Сетевая h, s–диаграмма расширения водяного пара в турбине (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/PTU/h-s-Exp.xmcd)
Если же после этого совместить обе диаграммы (рис. 5 и 6), то можно получить диаграмму более сложного процесса: дросселирование пара в регулирующем клапане турбины и дальнейшее его расширение в турбине с переходом в зону влажного пара (в конденсатор). Такое совмещение (коллажирование) на компьютере провести несложно, доработав диаграммы (а это компьютерные рисунки в формате *.jpeg) в среде какого-либо графического редактора – в среде Paint, например, входящего в состав операционной системы Windows.
На втором сайте, связанном с темой данной статьи, на сайте с адресом http://twt.mpei.ac.ru/TTHB/2/ThermCycleMCS.html собраны страницы интернета по расчетам и графическому отображению термодинамических циклов и процессов.
Рис. 7. Сетевая h, s–диаграмма расширения водяного пара в турбине К-300-240 (http://twt.mpei.ac.ru/TTHB/2/Exp_Steam_K_300_240_LMZ.html)
На рис. 7 в качестве примера показана h, s–диаграмма процесса расширения пара в реальной паровой турбине К-300-240. На диаграмме можно видеть процесс дросселирования пара в регулирующем клапане (левая верхняя часть диаграммы), расширения пара на отдельных участках турбины между отдельными отборами на внутреннюю теплофикацию в подогревателях высокого и низкого давления, перегрев пара в промежуточном подогревателе (линия, зажатая между двумя изобарами), расширение пара в турбоприводе питательного насоса (пунктирная линия) и др. При этом «треугольниками» отображены идеальные (обратимые) и реальные процессы расширения пара на отдельных участках паровой турбины. На рис. 7 показана только финальная часть сетевого расчета расширения пара в турбине К-300-240 с соответствующей диаграммой. До этой части страницы сайта находятся участки ввода исходных данных и все формулы, по которым ведется расчет с выводом всех промежуточных данных. Это позволяет использовать данную и другие подобные страницы интернета не только для утилитарных расчетов, но и для изучения методик, заложенных в расчеты.
На рис. 8 отображена страница интернета, на которой ведется расчет и графическое отображение цикла Ренкина на перегретом паре. При этом осуществляется не только термодинамический, но и эксергетический анализ цикла с расчетом термодинамического и эксергетического КПД. (Эксергетический КПД цикла не равен 100% из-за потерь в конденсаторе, температура в котором 32.88 °С, а температура окружающей среды 15° С.)
Рис. 8. Сетевой расчет цикла Ренкина (http://twt.mpei.ac.ru/TTHB/2/Rankine.html)
На странице, показанной на рис. 8, строятся не только традиционные двумерные диаграммы цикла с возможностью выбора параметров у осей диаграммы (Т – температура, Р – давление пара, D – плотность, Н – удельная энтальпия, S – удельная энтропия, 1/Cp, 1/Cv – обратные величины от удельных изобарной и изохорной теплоемкостей, U – удельная внутренняя энергия, Е – удельная эксэргия и А – удельная анергия), но и трехмерные диаграммы. Участок диаграммы, отображающий работу питательного насоса, на «плоской» T, s–диаграмме увеличен, а на «объемной» выделен за счет дополнительной третьей оси с параметром «давление». Подобные страницы сайта созданы и для других паротрубных циклов – циклов на влажном паре (АЭС), циклов с двумя промежуточными пароперегревателями, с одним или несколькими подогревателями и т.д., вплоть до реальной турбоустановки (см. рис. 7).
Как уже отмечалось, в пакет WaterSteamPro входят и функции, возвращающие теплофизические свойства газов и газовых смесей. Это позволяет создавать и открывать в интернете расчеты по газотурбинным установкам (рис. 9) и по бинарным циклам (рис. 10).
Рис. 9. Сетевой расчет газотурбинного цикла (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/PTU/GTU.xmcd)
Рис. 10. Сетевой расчет бинарного цикла (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/PTU/PGU.xmcd)
На рис. 9 и 10 показаны простейшие циклы, но на соответствующем сайте есть ссылки на сетевые расчеты с более сложными схемами преобразования энергии – с учетом изменения состава рабочего тела газотурбинного цикла (воздух – топливо – воздушная смесь – продукты сгорания), с дополнительными отборами, регенеративными подогревателями, высоконапорными котлами-утилизаторами и т.д. Посетители сайта в ряде случаев имеют возможность «скачать» соответствующий расчет, доработать его и вернуть на сайт для дальнейшего использования на любом компьютере, имеющим выход в интернет, сделав тем самым расчет открытым для анализа и плодотворной критики коллегами.
Выводы
Создан набор страниц интернета, зайдя на которые можно вести расчеты термодинамических циклов и процессов, не ставя на компьютер никаких дополнительных программ. Данный набор страниц интернета предназначен не только для утилитарных расчетов с возможностью совершенствования и дополнения расчетов специалистами в данной области, но и для изучения соответствующих расчетных методик. На сайтах имеются соответствующие ссылки на документы с необходимыми инструкциями.
Литература
1. Александров А.А., Орлов К.А., Очков В.Ф. Математические пакеты – новые подходы при расчетах процессов термодинамики и других научных дисциплин // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2005. № 11–12, С. 80—86.- http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/RD_MAS/index.html
2. Очков В.Ф. Новые информационные технологии в энергетике: направления, решения, проблемы // Новое в российской электроэнергетике. 2005. № 11, С. 22—31.- http://www.rao-ees.ru/ru/news/news/magazin/show.cgi?
3. Очков В.Ф. Математические пакеты и сетевой интерактивный теплотехнический справочник: проблемы и решения // Теплоэнергетика. 2006. № 6, С. 71—77. - http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/TE_6_2006/index.html
4. Очков В.Ф., Александров А.А., Орлов К.А. Термодинамические циклы: расчеты в Интернете // Вестник МЭИ. 2007. № 1, С. 43—50. - http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/Therm_Cycle_Art/index.html
5. Теплофизические свойства воды и водяного пара в Интернете / А.А.Александров, В.Ф.Очков, К.А.Орлов, А.В.Очков // Промышленная энергетика. 2007. № 2, С. 29—35. - http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/WspIn/index.html
6. Очков В.Ф. Создание «Электронной энциклопедии энергетики» – информационный вклад в производственные и учебные процессы // Теплоэнергетика. 2007. № 7, С. 10—14. - http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/TE_7_2007/index.html
7. Свойства теплоносителей и рабочих тел энергетики: информация в интернете / В.Ф.Очков, А.А. Александров, К.А.Орлов, А.В.Очков // Новое в российской электроэнергетике. №1. 2008. С. 28—43. - http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/WSPHB/NREE-1-2008/index.html
Другие статьи и книги В.Ф.Очкова >>>