Автоматизоване діагностування ефективності роботи теплонасосної установки на основі критеріїв ексергетичного аналізу

Ескіз

Файли

Nekrashevych_dys.pdf (3.7 MB)

Дата

2023

Автори

Науковий керівник

Волощук, Володимир Анатолійович

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

КПІ ім. Ігоря Сікорського

Анотація

Некрашевич О.В. Автоматизоване діагностування ефективності роботи теплонасосної установки на основі критеріїв ексергетичного аналізу. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. У дисертаційній роботі запропоновано подальший розвиток підходу з діагностування ефективності роботи компонентів теплоенергетичної системи з використанням критеріїв ексергетичного аналізу та з урахуванням динамічних режимів роботи. У першому розділі дисертації було проаналізовано особливості методології ексергетичного аналізу, поглибленого ексергетичного аналізу та критерії, які при цьому використовуються, й розглянуто можливість застосування цієї методології у задачах діагностування поточного стану компонентів теплонасосних установок з урахуванням змінних режимів роботи. На основі наведених прикладів з’ясовано, що: діагностична інформація у будьякій системі, що експлуатується, є різної природи і, як наслідок, її доволі важко систематизувати через різні за своєю природою фізичні процеси, які відбуваються у системі; зміни в одному компоненті системи можуть впливати на характеристики іншого компоненту, через що діагностична інформація не дає однозначної відповіді на питання, який з компонентів мав більший вплив на погіршення характеристик системи в цілому; згідно з існуючим підходом (Перший закон термодинаміки) різні види та форми передачі енергії оцінюються без урахування якості енергії та не враховуються термодинамічні недосконалості, які обумовлені необоротностями; саме ексергетичний підхід дає можливість визначити місце, значення та джерела термодинамічних втрат при передачі та перетворенні енергії. Виходячи з поставленої мети дослідження, а саме підвищення енергетичної ефективності теплонасосної установки під час її експлуатації шляхом розроблення автоматизованої системи діагностування стану роботи компонентів об’єкта на основі критеріїв ексергетичного аналізу, необхідно вирішити наступні завдання: на основі квазістаціонарного підходу розробити та реалізувати математичну та комп’ютерну модель діагностування зміни ефективності роботи компонентів теплонасосної установки у складі системи теплозабезпечення; визначити доцільність застосування критерії ексергетичного аналізу (зміна ендогенної частини деструкції ексергії) у задачах діагностування та необхідність подальшого розроблення відповідного математичного та програмного забезпечення з урахуванням динамічних режимів роботи теплонасосної установки; розробити та реалізувати динамічну модель об’єкта дослідження, визначити його динамічні характеристики з можливістю синтезу системи керування; розробити та реалізувати алгоритм та моделі діагностування стану компонентів теплонасосної установки з урахуванням динамічних режимів роботи; на основі сформованого підходу та алгоритмів із його реалізації розробити інформаційно-дорадчу систему автоматизованого діагностування теплонасосної установки та практичні поради з впровадження даної системи. Другий розділ дисертації було присвячено розробці комп’ютерної моделі діагностування теплонасосної установки типу «вода-вода» на основі квазістаціонарного підходу. Діагностування ефективності роботи компонентів теплонасосної установки з урахуванням змінних режимів роботи реалізовано на основі ексергетичного аналізу шляхом визначення зміни ендогенної частини деструкції ексергії компонентів теплонасосної установки, яка використовувалася у якості ключового показника діагностування. Це дало змогу ідентифікувати, кількісно оцінити погіршення експлуатаційних характеристик компонентів та їх вплив, як на ефективність інших компонентів так і на ефективність установки в цілому. На базі цього діагностування запропоновано алгоритм предиктивного обслуговування теплонасосної установки, яке призвело до економії електроенергії від 4 до 9% за один опалювальний сезон. У третьому розділі дисертації було розроблено та реалізовано динамічні моделі для дослідження перехідних процесів у теплонасосних установках «повітря-вода» та «вода-вода» у комп’ютерному пакеті Matlab. Внаслідок чого виявлено, що досліджувані перехідні процеси можна апроксимувати аперіодичними ланками першого порядку та те, що об’єкти керування – нелінійні. Проаналізувавши перехідні процеси теплонасосної установки при різних збуреннях та початкових умов, було визначено, що саме зміна температури та витрати води на вході у конденсатор мають більший вплив на вихідний параметр, ніж збурення зі сторони випарника. Також було здійснено перевірку моделі на адекватність для двох варіантів, яка показала, що у порівнянні з експериментальними даними похибка з визначення параметрів об’єктів у динамічних процесах за розробленими моделями не перевищує 10,5%. Четвертий розділ дисертації було присвячено розробленню динамічної моделі діагностування теплонасосної установки типу «вода-вода» на базі запропонованого алгоритму ідентифікації неполадок в установці з урахуванням її динамічних режимів роботи. Модель, яка реалізована в середовищах Matlab та Simulink, складається з моделі динамічних процесів окремих компонентів у взаємозв’язку між собою та моделі визначення потоків деструкції ексергії у досліджуваних динамічних процесах. Розроблено алгоритм, який базується на використанні ексергетичного балансу компонентів теплонасосної установки та визначення ендогенних частин деструкції ексергії при нормальному режимі роботи та в умовах несправностей (накип на поверхнях нагріву, збільшення гідродинамічних втрат у компресорі, тощо). Виявлення компоненту, який найбільше впливає на зниження ефективності теплонасосної установки в цілому, відбувається за ознакою найбільшого зростання ендогенної частини деструкції ексергії цього компонента через погіршення його умов роботи. В даному випадку таким компонентом виявився конденсатор, несправність якого призвела до найбільшого зростання споживання електроенергії у теплонасосній установці. У п’ятому розділі дисертації було розглянуто методологію практичної реалізації та переваги використання цифрового двійника у галузі теплоенергетики з розширенням традиційних підходів до промислової автоматизації. Сучасні теплонасосні установки є доволі складними системами, і тому важливо мати засоби для їх ефективного моніторингу, що сприяє підвищенню їх продуктивності та надійності. Саме тому було створено віртуальну модель теплонасосної установки, яка відображає її роботу в реальному часі та здійснює виявлення несправності в компонентах; та запропоновано архітектуру цифрового двійника, яка дає можливість оптимізувати роботу теплонасосної установки. Використовуючи міжнародний стандарт AutomationML було запропоновано структуру цифрового двійника теплонасосної установки з переліком основних компонентів, всіх важливих атрибутів та параметрів установки. Цифровий двійник теплонасосної установки об’єднує історичні дані та дані в реальному часі для покращення процесу прийняття рішень у межах інформаційно-дорадчої системи автоматизованого діагностування. Наукова новизна отриманих результатів дисертаційної роботи заключається в: доведеній можливості та доцільності використання методології ексергетичного аналізу у задачах діагностування змін експлуатаційних характеристик компонентів системи та оцінювання впливу цієї зміни на ефективність роботи системи в цілому; подальшому розвитку математичного моделювання динамічних процесів теплонасосної установки, що полягає у врахуванні втрат енергії під час стиснення робочого тіла у компресорі та застосуванню критерію ексергетичного аналізу (зміни ендогенної частини деструкції ексергії) у задачах ідентифікації зміни експлуатаційних характеристик компонентів системи в умовах динамічних режимів роботи; розробленні інформаційно-дорадчої системи з використанням технологій цифрового двійника. Отримані результати дисертаційної роботи мають і практичне значення, яке полягає у підвищенні ефективності роботи теплонасосної установки, зменшенню витрат на її обслуговування та часу позапланових та планових ремонтних робіт, що досягається шляхом реалізації розробленої інформаційнодорадчої системи автоматизованого діагностування теплонасосної установки з використанням моделі діагностування стану компонентів. Поряд з цим результати роботи використовуються в навчальному процесі кафедри автоматизації енергетичних процесів Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Це підтверджується відповідним чином оформленим актом. У подальшому запропонований критерій ексергетичного аналізу (зміна ендогенної частини деструкції ексергії) використовуватиметься, як ключовий показник ефективності для вирішення задач енергоменеджменту, у разі схвалення міжнародними експертами та членами технічного комітету 185 «Промислова автоматизація».

Опис

Ключові слова

теплонасосна установка, ендогенна частина деструкції ексергії, математичне та комп’ютерне моделювання, ідентифікація, динамічні характеристики, нестаціонарність, автоматизоване діагностування, інформаційно-дорадча система, цифровий двійник, предиктивне обслуговування, heat pump unit, endogenous part of exergy destruction, mathematical and computer modeling, identification, dynamic characteristics, non-stationarity, automated diagnostics, information and advisory system, digital twin, predictive maintenance

Бібліографічний опис

Некрашевич, О. В. Автоматизоване діагностування ефективності роботи теплонасосної установки на основі критеріїв ексергетичного аналізу : дис. … д-ра філософії : 151 Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології / Некрашевич Олена Василівна. – Київ, 2023. – 153 с.

URI

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/63854

DOI

Зібрання

Дисертації (АЕП)
Дисертації (вільний доступ)