OptSimМоделирование и оптимизация теплоэнергетических объектов
Программа Boiler Designer предназначена для конструирования и последующего статического и динамического расчетов теплоэнергетических объектов (котлов, энергоблоков и пр.). Это эффективная программа для инженеров-теплотехников, разрабатывающих и эксплуатирующих теплоэнергетическое оборудование.

Созданные с ее помощью математические модели позволяют проанализировать не только статические, но и динамические характеристики при любом сочетании возмущающих воздействий, включая пуски котла из различных тепловых состояний, изменения нагрузки в широком диапазоне с различной скоростью, аварийные режимы и др. Для проведения всех указанных выше расчетов создается математическая модель объекта, подлежащего конструированию, технической диагностике, реконструкции и т.п. Модель является:
Удобный интерфейс дает возможность пользователю вносить изменения в математическую модель и тем самым в кратчайшие сроки рассмотреть широкий спектр возможных конструкций ТЭС с учетом переменных условий ее эксплуатации и выбрать оптимальный вариант.

В постановке технического задания на разработку программы и ее тестирования принимали участие ведущие сотрудники головных организаций, занимающихся расчетами котлов и энергоблоков: института Теплоэлектропроект, ЗиО, ТКЗ, ВТИ и др. Особо следует отметить большой вклад кафедры парогенераторостроения МЭИ, с которой в 2014 году был заключен договор о сотрудничестве.
Программа позволяет выполнить следующие расчеты, необходимые при проектировании, наладке и последующей эксплуатации:
В программе предусмотрены средства, позволяющие пользователю с минимальными трудозатратами создавать математические модели энергетическх объектов. В модели можно вносить корректировки, связанные с изменениями условий эксплуатации и конструктивными усовершенствованиями, не обладая какими-либо навыками программирования. Для этого были разработаны более 100 унифицированных элементов:
Для удобства поиска библиотека элементов содержит 8 разделов. Пиктограмма нужного элемента переносится на схему с помощью мыши drag-drop.

С помощью этих элементов может быть собрана любая схема, для чего в удобном графическом режиме можно выбирать из заданного набора пиктограммы элементов, перемещать их по экрану, объединять соответствующими связями в схемы пароводяного и газовоздушного трактов, при необходимости удалять и т.д.
Некоторые из элементов являются иерархическими, т.е. содержат группы, в которые помещаются другие элементы. Такая иерархическая структура позволяет собирать схемы самых сложных объектов без ограничения количества элементов.

Количество уровней иерархии не ограничено. Иерархическая структура позволяет моделировать сложные объекты, включая электростанции.

На рисунке схема пароводяного тракта математической модели Тобольской ГРЭС, включающей 7 котлов и 4 разнотипные турбины.
Предусмотрена также возможность создания схем не только из отдельных элементов, но и из крупных фрагментов ранее созданных структур. Если элемент является иерархическим, то сохраняются элементы в его дочерних группах. В сохраненном фрагменте может быть как одна, так и несколько схем. Пароводяные и газовоздушные тракты котлов, а также тепловые схемы турбин смоделированы в иерархических элементах.

Элементы, выбранные для сохраняемого фраггмента, окрашены красным цветом, а все элементы, входящие в иерархические группы выбранных элементов, окрашены зелёным цветом и также сохраняются.
Соответствие математической модели реальным процессам в энергетическом объекте обеспечивается путем применения:
Для повышения точности расчетов все обогреваемые и необогреваемые элементы разделяются на ряд последовательно включенных малых участков зон.
В пределах каждой зоны значения удельных теплоемкостей и коэффициентов теплопередачи можно рассматривать в качестве постоянных величин, что сводит к минимуму погрешности расчета, связанные с тепловой мощностью теплообменника и температурным напором в нем.
На основании подробного сравнительного анализа выбрана формула для расчета теплообмена в каждой зоне при перекрестном токе. Разделение на зоны повышает также точность расчета гидравлического сопротивления поверхностей нагрева и трубопроводов.
Для расчета радиационных камер (поворотных газоходов и т.п.) используется уточненная система зависимостей, полученных путем интегрирования дифференциального уравнения теплообмена, сформулированного в соответствии с физическими особенностями процесса.
Учитывается не только изменение температуры газов по длине радиационной камеры, но и конвективный теплообмен, пренебрежение которым, как показывают экспериментальные данные, может привести к погрешности 5-10%.
Программа позволяет рассчитать естественную циркуляцию в барабанных котлах применительно к конкретным режимам его эксплуатации и определить минимально допустимую нагрузку по условиям надежности циркуляции. При расчете циркуляции определяется общий расход среды в опускной системе и расходы среды во всех параллельных потоках ветках. Если решение найдено, то должны выполняться следующие два условия:
На основании анализа существующих методов расчета циркуляции был разработан оригинальный метод расчета циркуляции, основанный на изменении расходов после разделителей по специальным алгоритмам, корректируемым в зависимости в зависимости от разности давлений на выходе из отдельных параллельных потоков (перед смесителями).
Проверка показала, что программа сохраняет устойчивость даже при расчете очень сложных схем. Точность расчета обусловлена применяемой нормативной методикой расчета гидравлических сопротивлений без какой-либо линеаризации исходных уравнений и погрешностей в определении термодинамических величин.
Для расчёта схем с принудительной циркуляцией в неё вставляется элемент Насос, в исходных данных которого задаётся зависимость перепада давления на насосе от объёмного расхода. При этом в отличие то всех существующих в настоящее время программ циркуляция может рассчитываться одновременно с тепловым расчётом котла.
Расчёт показателей надёжности циркуляции осуществляется в полном соответствии с главой 3 Нормативного метода Гидравлический расчёт котельных агрегатов. Производится проверка застоя и опрокидывания циркуляции.
В качестве примера на рисунке приведена расчетная схема циркуляционного контура высокого давления котла Калининской ГРЭС.

Каждый ряд труб испарительного пучка представлен как отдельный элемент. В параллельно работающих ветках расходы циркулирующей среды по мере снижения тепловосприятия уменьшаются.
При расчёте циркуляции совместно с тепло-гидравлическим расчётом котла не надо вручную корректировать исходные данные в каждой из этих программ на основании результатов расчётов по другой программе. Это позволяет не только существенно уменьшить трудозатраты, но и повысить точность расчёта.
В нормативном методе расчёта котлов тепло подогрева и подсушки топлива в мельничной системе не учитывается. Однако при расчёте котлов укомплектованных пылесистемами с прямым вдуванием необходимо определить расходы воздуха и/или газов рециркуляции, при которых обеспечиваются требуемые значения вентиляционного расхода и температуры сушильного агента за мельницами при заданной влажности топлива. Для этого необходимо с помощью соответствующей программы (например, программы Stoker) рассчитать сушильно-мельничные системы. При этом некоторые исходные данные для этого расчёта (расход топлива на котёл; температура воздуха за воздухоподогревателем; температура и состав газов рециркуляции и др.) берутся из теплогидравлического расчёта котла по программе Boiler Designer, который после расчёта систем пылеприготовления уточняется. Таким образом, необходимо делать несколько итераций. При этом приходится вручную корректировать исходные данные в каждой из этих программ на основании результатов расчётов по другой программе. Поэтому целесообразно объединить оба этих расчёта в одной программе. Для этого в программе разработан элемент Пылесистема.

Опыт проектирования современных, в особенности, мощных котельных агрегатов, показывает необходимость расчета динамических свойств объекта, поскольку они оказывают существенное влияние на многие технические решения. В то же время разработка динамических моделей котлов является чрезвычайно трудоемкой задачей, т.к. современный котельный агрегат включает в себя множество разнородных элементов (топочное устройство, поверхности нагрева различных типов, трубопроводы, барабан, сепаратор и т.п.).
Большинство элементов котла ввиду большой пространственной распределенности описываются дифференциальными уравнениями в частных производных, ряд элементов - трансцендентными уравнениями, наконец, система дополняется замыкающими соотношениями, полученными из эксперимента (теплоотдача, гидравлическое сопротивление и т.д.). Решение такой системы уравнений представляет значительные трудности.
При моделировании особое внимание уделялось статической точности воспроизведения параметров. Она определяется, прежде всего, степенью дискретизации по пространству. Установлено, что наибольшая степень дискретизации требуется при воспроизведении пусковых режимов, когда большинство поверхностей нагрева становятся избыточными, а на начальных этапах пуска пароперегреватели работают, как правило, в обеспаренном режиме.
Как показал опыт расчетов, для адекватного воспроизведения переходных процессов в таких объектах, их необходимо разделить по водопаровому тракту на отдельные зоны. Высокая статическая точность модели обеспечивается также путем использования точных балансовых соотношений, полученных на основании теплового, гидравлического и аэродинамического расчетов оборудования, а также точными зависимостями, описывающими коэффициенты теплопередачи в каждой нагреваемой зоне.
Современные компьютеры позволяют определить коэффициенты теплопередачи при динамических расчетах на каждом шаге счета 0,1с по тем же подпрограммам, что и при статических расчетах без каких-либо упрощений. Требуемая динамическая точность модели должна быть не хуже разброса экспериментальных кривых разгона при всех основных возмущениях, который обычно для пылеугольных котлов составляет 20-25%, а для газомазутных 10-15%.
Допущение о постоянстве температуры металла труб на шаге счета позволило создать отдельные алгоритмы расчета параметров водопарового и газового трактов. Как показали эксперименты и многочисленные расчеты, это допущение вполне приемлемо, так как постоянные времени металла значительно превышают шаг счета модели (0.1 сек). Следует отметить, что указанное допущение сказывается только на динамической точности модели.
Для расчета динамики поверхностей нагрева в программе используются 2 всережимные модели, охватывающие безрасходные режимы как по нагреваемой, так и по греющей среде. Эти модели условно называются Пар и Вода и каждая имеет свои особенности.
Модель Пар предназначена в основном для расчета перегревательных поверхностей нагрева. При моделировании объект разделяется на ряд элементов. Аккумуляция массы пара в данной модели не считается, так как она учитывается в другой подсистеме Пароводяной тракт.
Отдельно решаются дифференциальные уравнения, описывающие теплообмен между дымовыми газами и стенкой трубы, а также между стенкой и нагреваемой средой. Температура стенки каждого элемента пересчитывается на каждом шаге с учетом тепла, полученного от газов и тепла, отдаваемого пару. Характер тока прямоток или противоток учитывается порядком перебора элементов по газовой стороне.
В модели с условным названием Вода использована всережимная модель, охватывающая безрасходные режимы по газам и воде с выходом по нагреваемой среде в пароводяную смесь и, как крайний случай, на перегретый пар. Как и в предыдущем случае, объект разделяется при моделировании на ряд зон.
Метод расчета энтальпии, температуры и расхода среды на выходе из зоны зависит от состояния среды в ней: однофазная или двухфазная. При однофазной среде выходная энтальпия определяется с учетом аккумуляции тепла в металле труб и среде. При этом предполагается, что температуры стенки трубы и среды изменяются синхронно, так как коэффициент теплоотдачи от стенки к среде значительно выше, чем коэффициент теплоотдачи от газов.
Если зона заполнена пароводяной смесью, аккумуляция тепла происходит только при изменении давления, когда меняется температура насыщения, а вследствие этого и температура металла труб. Расход на выходе рассчитывается с учетом изменения массового заполнения зоны. При этом в участках с пароводяной смесью аккумуляция массы и тепла рассчитывается с использованием истинного (напорного) значения паросодержания.
Для расчета прогрева толстостенных элементов (паропроводов, барабан и т.п.) в программе используется двумерная модель: каждый элемент делится по длине на зоны и по толщине на слои. При этом рассматривается возможность конденсации пара на холодных стенках трубопровода в начале прогрева.
Всережимная динамическая модель котла позволяет рассчитывать переходные процессы при любом сочетании возмущающих воздействий. Это дает возможность проанализировать переходные режимы работы котла (пуски из различных тепловых состояний, изменение нагрузки в широком диапазоне с различной скоростью и др.) с целью корректировки эксплуатационных инструкций, совершенствования конструкции котла и пусковых устройств. Результаты динамических расчетов фиксируются на графиках, создаваемых самим пользователем.

В программе можно создать 5 типов документов.

1) Модель объекта включает схемы пароводяных и газовоздушных трактов, на которые можно вывести любые параметры. Предусмотрен также вывод параметров в виде таблиц. Информацию о всех связях между элементами можно вывести в виде компактного блока параметров с текущими размерностями.

2) В программе разработано несколько стандартных отчётов. В документе Шаблон отчёта пользователь может разработать отчёт с нужными ему параметрами. Отчёты, разработанные квалифицированными пользователями, передаются при поставке программы всем Заказчикам.

3) Если необходимо рассчитать несколько режимов работы модели и представить результаты расчёта в одной таблице, следует создать документ MultiCalcReport.
4,5) Графики представляют изменение параметров при расчёте переходных процессов в динамическом режиме.
Исходные данные и результаты расчёта каждого элемента могут быть представлены в виде дерева, таблицы и мульти-таблицы. Чтобы получить мультитаблицу, надо выделить с помощью мыши однотипные элементы и сделать двойной клик на одном из них. Опыт эксплуатации программы показал удобство и эффективность вывода расчётных и конструктивных параметров однотипных элементов в одной таблице (опция Мультитаблица). Поэтому разработан способ создания таблиц одинаковых блоков элементов разного типа.

Таблица блоков является ещё одним удобным способом задания исходных данных, получения информации о результатах расчёта и создания отчётных документов с любыми параметрами.
Отчёты всех типов и таблицы можно распечатать и перенести в Excel и Word для дальнейшего редактирования. Для наглядного представления информации используются диаграммы. Наиболее часто при расчёте котлов применяются Q-t диаграммы, а при расчёте турбин - i-s диаграммы.

Программа Boiler Designer имеет ряд преимуществ по сравнению с аналогичными программами.
Позволяет рассчитать не только статические, но и динамические характеристики объекта и, следовательно, органично ввести расчеты динамики в технологический процесс проектирования и совершенствования эксплуатационных режимов.

Использование унифицированных элементов и удобный графический диалог сводит к минимуму трудозатраты на создание адекватной математической модели энергетического объекта. При этом пользователь, не обладающий какими-либо навыками программирования, может легко вносить в эту модель корректировки, связанные с изменениями условий эксплуатации и конструктивными усовершенствованиями.

Совмещен расчет тепловой схемы энергоблока и тепло-гидравлический расчет котла.

Предусмотрена возможность изменения непосредственно в ходе расчетов степени открытия регулирующих клапанов с целью поддержания заданных параметров на требуемом уровне вручную или с помощью соответствующих автоматических регуляторов. Всего разработано 10 моделей таких регуляторов.

Модели регуляторов были разработаны применительно к динамическим расчетам, однако оказались чрезвычайно полезными также и при проведении статических расчетов. Эти элементы спроектированы таким образом, что пользователь освобождается от трудоемкой задачи выбора параметров их настроек. Все регуляторы устойчиво работают как в статических, так и в динамических режимах.

Теплофизические свойства дымовых газов рассчитываются по точным формулам, учитывающим теплофизические свойства всех компонентов. В программе предусмотрена возможность учета разверки по температуре и расходу газов по ширине газохода. Для этого разработан соответствующий элемент, который может быть расположен в любой точке газового тракта.

При задании соответствующего режима рассчитывается распределение расходов по параллельным ветвям, при котором их гидравлическое сопротивление одинаково. Перепады давления рассчитываются по точным формулам нормативного метода без учета линеаризации и других упрощений. Топология гидравлической сети может быть произвольной. Проверка показала, что автоматическое распределение расходов успешно работает даже в самых сложных схемах.

В качестве нагреваемой среды может применяться не только вода, но и альтернативные теплоносители. По желанию пользователей список теплоносителей может пополнятся:
Так как в программе для расчёта теплообмена, гидравлического и аэродинамического сопротивлений используются только уравнения в критериальном виде, их можно использовать для расчёта любого теплоносителя. При этом необходимо для каждого теплоносителя подготовить файл с его теплофизическими свойствами.

Разработана инструкция и вспомогательная программа gen3Medium для подготовки такого файла. Теплофизические свойства среды могут быть рассчитаны с помощью программ RefProp или CoolProp. Если нужного теплоносителя в этих программах нет, используются любые справочники и таблицы.
После загрузки файла с теплофизическими свойствами в каталог Run в параметре Тип среды элемента Вход воды появляется название нового теплоносителя. Таким образом, пользователь без помощи разработчиков программы может ввести в неё любой нужный теплоноситель. В модели может быть несколько элементов Вход воды и соответственно несколько разных теплоносителей.

В элементах, моделирующих гладкотрубные и оребренные поверхности нагрева, предусмотрена возможность использования теплоты парообразования водяных паров, содержащихся в дымовых газах, удаляемых в атмосферу.
В разработке и экспериментальной проверке методики расчета поверхностей нагрева при влаговыпадении принимала участие кафедра теплообменных аппаратов МЭИ. Применение данного способа экономии энергии позволяет существенно (до 5%) увеличить КПД котла.
Разработан дополнительный модуль, позволяющий пользователю написать программу, в которой в качестве входных величин используются переменные из любых элементов данной структуры. Эта программа, называемая в дальнейшем скрипт (script), запоминается вместе со структурой. К структуре может быть присоединено неограниченное количество скриптов. Скрипт запускается на каждом шаге счёта программы.

С помощью скрипта можно выполнить любой дополнительный расчёт. Например, выполнить расчёт поверхностей нагрева с коэффициентами теплоотдачи и/или сопротивления, рассчитанными по другой методике. Написание скриптов производится на языке VBScript. Программа Boiler Designer реализует стандарт языка VBScript полностью и без ограничений, в соответствии со спецификацией компании Microsoft.
Разработан специальный элемент, представляющий базу данных газовых турбин. Элемент является иерархическим: в нём имеется группа Топливо, в которую вставляется элемент, моделирующий газообразное или жидкое топливо. В элементе есть также специальный вход, на который может быть назначена связь по топливу. Этот вход используется в том случае, если топливо перед подачей в камеру сгорания подогревается в калорифере или в поверхности нагрева котла.

В номинальном режиме рассчитывается расход топлива, обеспечивающий номинальную мощность газовой турбины. При частичных нагрузках и пуске газовой турбины её мощность рассчитывается в соответствие с заданным расходом топлива.
Открывающийся список газовых турбин в мультитаблице можно отсортировать по фирме-изготовителю (в алфавитном порядке), по названию турбины (в алфавитном порядке) и по величине номинальной мощности.
Главная особенность базы данных состоит в том, что пользователи могут без помощи разработчиков ввести в базу данных новую турбину и/или скорректировать характеристики любой турбины, уже имеющейся в базе данных. Для этого надо в соответствие с инструкцией заполнить XML файл с характеристиками турбины и переписать его в рабочий каталог Run.
Математическая модель с достаточной точностью отображает процессы в энергетическом объекте не только на стадии проектирования, но и во время всего последующего периода его эксплуатации, что позволяет ее использовать для анализа статические характеристики котла при различных эксплуатационных условиях: виде и составе сжигаемого топлива или смеси топлив, уровне загрязнений, присосов, избытке воздуха и т.п., а также конструктивных усовершенствованиях. На основании этого анализа совершенствуется конструкция котла и его эксплуатационные режимы.
Режимная карта котла может быть рассчитана с помощью математической модели. Возможно также отказаться от традиционного вида представления режимных карт (в виде таблиц и графических зависимостей), а использовать для этих целей саму математическую модель котла. При этом, рассчитывается режим работы котла в соответствии с условиями его работы в данный момент времени: нагрузка, вид и состав сжигаемого топлива, температура питательной воды, температура окружающего воздуха, загрязнение поверхностей нагрева и др.
Перспективным направлением использования математической модели котла в режиме off-line является оптимизация температурного и воздушного режимов его работы. Первое может осуществляться с помощью перераспределения впрысков котла (при сохранении требуемых критериев надежности), а второе - за счет изменения избытков воздуха или степени рециркуляции дымовых газов. При этом, можно наглядно оценить изменение каждого входного параметра на изменение КПД котла, а по колебаниям расхода топлива - ухудшение его качества, что может быть подтверждено соответствующим анализом.

При возможности выбора топлива на стадии заключения договоров на его поставку можно провести с помощью математической модели анaлиз статических характеристик котла при сжигании топлив с различными характеристиками и выбрать оптимальный вариант.

Теплоэнергетичесих объект может выполняться помощью унифицированных элементов.
Блок с тремя пароводяными трактами, в котором вода для питания трактов высокого и среднего давлений выкачивается из барабана низкого давления элементом 2 клапана.

При моделировании котла с ЦКС рассчитывается коэффициент теплоотдачи кондукцией в топочной камере и теплофизические свойства среды с очень высоким содержанием золы.

Рабочим телом в нем служит выделяющаяся при сгорании топлива практически чистая углекислота в сверхкритическом состоянии, поступающая в турбину при температуре до 1200 °C и давлении более 300 атм.

После прохождения через турбину и теплообменник она снова возвращается в камеру сгорания. Используя вместо пара CO2, Аллам смог избежать неэффективных фазовых переходов. Тепло остаётся внутри системы, что позволяет уменьшить количество топлива, необходимое для поддержания высокой рабочей температуры. Важным отличием Цикла Аллама от традиционных схем является кислородное сжигание горючего. Для этого на входе системы устанавливается воздухоразделительная установка, выделяющая из воздуха чистый кислород, в котором и происходит сжигание ископаемого топлива - газифицированного угля или природного газа.