2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………3
1. ПРЕДМЕТНАЯ ОБЛАСТЬ И ОПИСАНИЕ САПР ………………..……………….6
1.1. Топливный продукт производства энергии...………………….………….………6
1.2. Установки получения энергии………………………………………...……………8
1.3. Актуальность разрабатываемой САПР ………………………..……..……………9
1.4. Описание структуры САПР ……………………………………………..………..11
1.5. Описание схемы работы САПР …………………………………………………..16
2. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ НЕАВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ ………………….………………18
3. ОПИСАНИЕ ОБЕСПЕЧЕНИЙ САПР ……………………………………………..20
3.1. Информационное обеспечение ……………………………………...……………20
3.2. Математическое обеспечение ……………………………………………...……..23
3.2.1. Критерий оптимизации ……………………………………………….…23
3.2.2. Математическая модель расчета траектории полета частицы
в камере с окислителем……………………………………………………………...…24
3.2.3. Задача оптимального поиска ……………………………………………26
3.2.4. Методика решения задачи оптимального поиска ……………………..27
3.2.5. Результаты численного решения задачи оптимизации …………….…32
3.2.6. Расчёт нагрузки привода …………………………………………….….34
3.2.7. Расчёт моментов системы ……………………………………………….36
3.2.8. Моделирование процессов теплообмена в установке …………..…….38
3.3. Лингвистическое обеспечение ……………………………………………..…….43
3.4. Техническое обеспечение …………………………………………………...……47
3.5. Программное обеспечение ……………………………………………….………49
3.6. Организационное обеспечение ……………………………………..……………52
3.7. Методическое обеспечение ……………………………………………………….54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………59
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………………...….60
ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………….……..62
3
ВВЕДЕНИЕ
Одно из развиваемых в последние десятилетия направлений
функционирования экономики и энергетики Российской Федерации и мира в
целом – обеспечение максимально полного перехода к альтернативным
возобновляемым источникам энергии, что является наиболее оптимальным
решением проблем производства и поставки энергии с точки зрения экологии,
себестоимости сырья и утилизации вторичных продуктов. Такая утилизация, при
относительно малых финансовых вложениях и грамотном комбинировании с
продуктами сырья не возобновляемых источников, способна принести
относительную выгоду при дальнейшем использовании получаемой и
относительно дешевой энергии, сокращению расходов на горючие материалы.
В текущей работе, в качестве целевого продукта производства
выступает энергия переработки биотоплива, а именно – пеллетов,
представляющих гранулированные частицы древесины, соломы и других
твердых горючих, но экологичных материалов, отходов производства и
сельского хозяйства, которые при уместном добавлении их в горючие жидкости
и дальнейшем, правильном технологически, сжигании обеспечивают получение
энергии и выгодную утилизацию отходов.
Объект проектирования представляет установку для получения такой
энергии из указанного сырья. Выбор этого объекта проектирования связан с
рыночным спросом указанного оборудования, который гарантирует
актуальность самого процесса проектирования и, как следствие, спрос на
системные решения автоматизированного проектирования таких установок,
финансовую окупаемость САПР как готового программного и проектного
решения в целом.
Дипломный проект затрагивает не только структуру системных
решений САПР, но и функционирование отдельных ее модулей, включая
математический аппарат решения задач поиска оптимальных конструкционных
параметров и подсистему имитационного моделирования технологических
процессов получения энергии.
Результатами функционирования разрабатываемой подсистемы
являются готовые конструкторские решения, оформленные в соответствующую
4
документацию, согласно соответствующим на это стандартам. Указанная САПР
позволяет сопровождать и администрировать права доступа к базам данных в
рамках функционирования САПР, которые включают в себя базы данных
готовых проектных решений и соответствующих технологических параметров и
стандартов, необходимых в процессе проведения проектирования.
Стоит отметить и сложность самого процесса проектирования с точки
зрения ведения математических расчетов, как, например, для решения задачи
оптимального поиска параметров конструкции аппарата приходится варьировать
параметрами системы дифференциальных уравнений и на каждом шаге решения
оптимизационной задачи решать и соответствующую систему уравнений, что
означает, что процесс автоматизации разработки проектов аппаратов уже имеет
место, к тому же без компьютерной техники практически невозможно проводить
моделирование процессов протекающих в установке.
Дипломный проект направлен на математическое ,логическое,
программное и техническое решение всех указанных выше целей составляющую
в итоге САПР, которая во взаимодействии с другими сторонними
программными модулями составит готовый продукт рынка программного
обеспечения и системных решений.
Данный дипломный проект решает вопросы программного и
математического решений лишь некоторых задач проектирования внутри
системы, ввиду сложности решаемых конструкционных проблем в целом, хотя
все задачи будут обозначены в текущей работе и логически связаны с
остальными модулями САПР, что найдет отражение в структурной и
функциональной схемах системы. Дальнейшая проработка и решение указанных
задач, при выделенном на то времени и средствах, придаст САПР
окончательный вид, как готового системного решения.
Обозначим задачи, которые необходимо решить разрабатываемой САПР:
1) полный расчет конструкционных параметров согласно требованиям
и конструкционным ограничениям со стороны заказчика;
2) поиск конструкционных и технологических параметров, выбор
соответствующего им оборудования, гарантирующего оптимальную работу
установки получения энергии из биомасс в целом;
5
3) имитационное моделирование указанной математической модели
установки с учетом рассчитанных параметров согласно реакции конструкции на
моменты ротора двигателя и на силы от воздушных потоков;
4) ведение архива по имеющимся и уже рассчитанным проектам. Ввиду
наличия вероятности схожести некоторых конструкционных входных
параметров, как например, радиуса камеры окисления, необходимости
повторного расчета и проектирования как таковой не будет при
соответствующем ведении и контролировании целостности содержания
проектов;
5) обеспечивать работу САПР именно как целой и взаимосвязанной
системы с необходимыми потоками информации между отдельными модулями
САПР.
Как и было указано, САПР должна решать задачу выбора оптимальных
параметров установок получения энергии из биомасс. К таковым мы будем
относить в текущей работе радиус камеры окисления и предельную частоту
ротора двигателя нагнетателя обеспечивающую максимальную
производительность процесса. Более подробное описание будет дано в пункте
математического обеспечения и математической постановки критерия
оптимизации.
Перейдем к более подробному описанию предметной области
подсистемы и, непосредственно, самому решению задач проектирования.
6
1.ПРЕДМЕТНАЯ ОБЛАСТЬ И ОПИСАНИЕ САПР.
1.1. Топливный продукт производства энергии.
Целевым продуктом указанной САПР является энергия, получаемая из
обогащенного гранулами топлива. Гранулы представляют собой подготовленное
технологически биотопливо, которое, обычно, производится из горючих твердых
материалов отходов сельского и лесного хозяйства, промышленности и
энергетики.
На рисунке 1.1 представлен технологический процесс получения гранул на
основе торфа в типовой линии переработки ОГМ -1,5 /1/:
Рисунок 1.1 – Пример линии гранулирования биомасс
Гранулы получаются путем дробления, сушки и прессования исходного
сырья до гранул, соответствующие физические параметры которых
характеризуются европейскими и американскими стандартами производства
указанного продукта, например, Российский ГОСТ Р 54220-2010 или EN 14961,
принятый в ЕС.
7
Частицы также характеризуются рядом полезных, помимо их горючих
свойств дополнительными характеристиками, которые оказывают
положительный экономический эффект их использования, как стойкость к влаге,
что делает возможность их открытого хранения и транспортировки, отсутствия
гниения и разрушения, что не ограничивает их срок хранения.
Топливо на основе таких гранул экологично, при условии не содержания
последнего дополнительных химических соединений, имеет высокие горючие
показатели, соизмеримые и в рядах случаев, по высокому содержанию
кислорода, как окислителя, даже высшие показатели по сгоранию, чем торф и
т.п.
Высокий спрос на продукт обусловлен их относительно дешевой
себестоимостью. Которая, в свою очередь, определяется низкой себестоимостью
и массовостью исходного сырья и процесса производства.
Высокая и постоянная насыпная плотность гранул также позволяет
сравнительно легко решать задачи по их массовой транспортировке, доставке и
погрузке-разгрузке.
Для эффективного использования топливных гранул требуется особый
вид печи: пеллетный котѐл, который и будет рассматриваться в текущей работе,
как объект проектирования. Применяются такое топливо не только в масштабах
обеспечения энергией производств, но и частных домовладений. Как правило,
производственные установки сжигания, используют биотопливо как основной
вид топлива, но с дополнительными примесями горючих жидкостей для
обеспечения быстроты и эффективности прогорания пеллетов и экономии
горючих жидкостей. Имеет место и дисперсный впрыск обогащенного
биомассой жидкого топлива в камеру окисления.
Стоит отметить уникальность каждого стандарта частиц по их физическим
параметрам, что и будет использовано при построении и проектировании
системных решений указанной работы, в частности – информационного
обеспечения расчетов.
Перейдем к более подробному рассмотрению устройств получения энергии из
биомасс.
8
1.2. Установки получения энергии.
Как это было показано выше, целевым продуктом проектирования
рассматриваемой САПР являются установки получения энергии из биомасс.
Рассмотрим процесс получения энергии на основе упрощенной модели
линии сжигания на основе патента /2/, представленной на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 – Линия переработки биотоплива в энергию.
Указанная установка реализует сжигание пеллетов в камерах окисления 3 и 8
биотоплива, обогащая процесс жидким горючим, поступающим на вход в блок по
соответствующим каналам и поджигаясь горелкой.
Пеллеты поступают из аппарата 6, включающего камеру хранения и
шнековую подачу 7 в камеру окисления.
Схема нагнетателя, обозначенная на схеме состоит из насоса 10 топлива
жидкой фазы и нагнетателя окислителя 11 в камеру сгорания обеспечивая, тем
9
самым, поступление необходимых горючих веществ, поддержание процесса
оптимального прогорания топлива.
Отвод энергии осуществляется с водой, как рабочим телом, по каналам
трасс, обозначенных на рисунке устройств сеток и труб: 4 и 5.
Не прогоревшие остатки топлива и пеллетов используются вторично
благодаря сеткам 9 позволяющим разделять их от дисперсии горючей массы.
Отработавшие газы по каналам труб 1 и 2 через клапан 13, предварительно
пройдя через фильтр пыли 12 освобождаются из камеры, оставляя пространство
объема под новые порции окислителя.
Как и в рассмотренном примере выше, камеры окисления могут
представлять сопряженные установки /3/, как например, камеры 3 и 8, что делает
процесс более управляемым и, с точки зрения доставления тепла воде, более
оптимальным.
В настоящей работе будет рассмотрен процесс протекающий в
одной из камер, рассмотрено влияние нагнетателя на прогорание частиц и
получение оптимального режима работы установки.
1.3. Актуальность разрабатываемой САПР
Большинство единиц программного обеспечения, в целом, хоть и
относятся к классу проектирования, характеризуются полным отсутствием
системы, как таковой, то есть:
- не обеспечивают полную документацию по ГОСТ;
- не предоставляют возможность поиска оптимального решения;
- не обеспечивают работы с поддержкой архива проектов или вовсе
не представляют собой систему.
Перечисленные пункты следует также отнести к актуальности
поставленной задачи и именно, соблюдая все эти, поставленные нами,
требования, разрабатываемая САПР будет иметь место в условиях предметной
области.
Как правило, схожие по цели элементы программного обеспечения
обладают двумя основными недостатками:
10
- отсутствие системной архитектуры. К таким может быть отнесен,
например, пакет AutoCAD поддерживающий проектирование широкого
количества объектов и имеющий базу элементов, но не обладающий системной
архитектурой, как таковой, основополагающей САПР;
- отсутствие режима оптимального проектирования. Программное
обеспечение представленное этой категорией имеет расчетную базу и оперирует
с некоторыми параметрами из общих рекомендаций, что гораздо сильно сужает
перспективы проектирования и возможность нахождения более оптимальных
параметров проектируемых объектов;
- расчет в приближениях. Обеспечение этой категории принимает
некоторые приближения в вычислениях, орудуя опять же некоторыми
рекомендациями на определение и расчет параметров, как например
промежуточных скоростей частиц. Хоть это и упрощает вычисления, сокращая
архитектуру САПР и математического обеспечения, категорически недопустимо,
особенно, при решении задач оптимального проектирования;
- многозадачность системы. Хотя некоторые обеспечения
поддерживают проектирования нескольких разных по назначению и физике
объектов производства, в условиях производства одного типа продукта, как
например выпуска только оборудования сжигания биомасс, грозят
материальными затратами, как правило, рыночная стоимость такого ПО гораздо
дороже, также, затратами ресурсов – обеспечение хранения и целостности баз,
не нужных в процессе проектирования. Эта избыточность информации и
является категорически недопустимой в условиях рассматриваемой работы.
AutoCAD – более сложное и более полное ПО, в отличие от прикладных
конкретной предметной области, имеет широкий набор баз и широкий набор
проектируемых объектов, что в рамках конкретной задачи, как например,
проектирования смесителя ведет к избытку памяти фактическим заполнением
ненужными базами и прикладными расчетами. Нет, также, и возможности
вероятностного расчета поведения смеси на каждой из указанных ячейках
смесителя, что решено в представленной в текущей работе САПР.
Многие единицы ПО также не реализуют принцип системности указанной
задачи, то есть проектирование рассматривается как сугубо решение какой-то
11
одной определенной задачи. Такие ПО не учитывают возможность ведения
архива по проектам в целом, исключают системный обмен данными между
подсистемами САПР, последние из которых, в большинстве случаев, даже
отсутствуют. Это приводит к однозначности ПО, хоть и являющегося, в
определенном смысле, прикладным, но исключающего принцип «модульности
САПР», так необходимый для последующей доработки системы, изменении ее
модулей и адаптацию под конкретный производственный участок в реальных
условиях.
Таким образом, рассмотрев основные недостатки представленных единиц
ПО, а так же указанных легких САПР, мы пришли, опять же, к вопросу об
актуальности указанной системы.
1.4. Описание структуры САПР
Рассмотрим структуру САПР как совокупность логически и аппаратно
взаимодействующих подсистем, обозначив соответствующие подзадачи
проектирования, решаемые каждой из таких подсистем (см. п. основные этапы
неавтоматизированного проектирования), и группируя их по сходности
математического и логического аппарата решения.
Выделим следующие подсистемы:
1) Подсистема расчета камеры окисления и двигателя нагнетателя.
Производится решение задачи оптимизации с точки зрения критерия
оптимального сгорания частиц – их свободном треке при пролете в пространстве
вещества окислителя под действием турбулентной силы от нагнетателя.
На каждом из этапов решения этой задачи происходит численный подбор
параметров камеры окисления и двигателя нагнетателя как постоянных в
системе дифференциальных уравнений математической модели полета частицы.
Соответствующие параметры, при учете результатов дополнительных
конструкционных и технологических параметров дадут номинальные
характеристики указанных деталей устройства, что позволит произвести
выборку и, с некоторой долей погрешности, определить маркировки
оборудования, и при помощи последующих подсистем, транслировать