Автоматизоване діагностування ефективності роботи теплонасосної установки на основі критеріїв ексергетичного аналізу

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorВолощук, Володимир Анатолійович
dc.contributor.authorНекрашевич, Олена Василівна
dc.date.accessioned2024-01-16T13:28:06Z
dc.date.available2024-01-16T13:28:06Z
dc.date.issued2023
dc.description.abstractНекрашевич 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».uk
dc.description.abstractotherNekrashevych O.V. Automated diagnostics of the efficiency of the heat pump unit based on the criteria of exergy analysis. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 151 "Automation and computer-integrated technologies". - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. The thesis proposes further development of the approach to diagnosing the efficiency of the components of a heat and power system using the criteria of exergy analysis and taking into account dynamic operating modes. The first chapter of the thesis analyzes the features of the methodology of exergy analysis, in-depth exergy analysis and the criteria used in this process, and considers the possibility of applying this methodology to the tasks of diagnosing the current state of components of heat pump units, taking into account variable operating modes. Based on the given examples, it is found that: diagnostic information in any operating system is of a different nature and, as a result, it is quite difficult to systematize it due to the different physical processes occurring in the system; changes in one component of the system may affect the characteristics of another component, which is why diagnostic information does not give an unambiguous answer to the question of which component had a greater impact on the deterioration of the characteristics of the system as a whole; according to the existing approach (First Law of Thermodynamics), different Based on the research objective, namely, to increase the energy efficiency of a heat pump unit during its operation by developing an automated system for diagnosing the state of operation of the object's components based on the criteria of exergy analysis, it is necessary to solve the following tasks (по суті, є одне завдання): on the basis of a quasi-stationary approach, to develop and implement a mathematical and computer model for diagnosing changes in the efficiency of the components of a heat pump unit as part of a heat supply system; to determine the feasibility of using a The second chapter of the dissertation is devoted to the development of a computer model for diagnosing a water-to-water heat pump unit based on a quasistationary approach. Diagnostics of the efficiency of the heat pump unit components, taking into account variable operating modes, is implemented on the basis of exergy analysis by determining the change in the endogenous part of the exergy destruction of the heat pump unit components, which is used as a key diagnostic indicator. This made it possible to identify and quantify the deterioration in the performance of components and their impact on the efficiency of other components and the efficiency of the installation as a whole. Based on this diagnosis, an algorithm for predictive maintenance of the heat pump unit is proposed, which lead to energy savings of 4 to 9% per heating season. In the third chapter of the dissertation, dynamic models are developed and implemented to study transients in air-to-water and water-to-water heat pump systems in the MATLAB computer package. As a result, it was found that the studied transients can be approximated by first-order aperiodic links and that the control objects are nonlinear. Having analyzed the transient processes of the heat pump unit under various disturbances and initial conditions, it was determined that it is the change in temperature and water flow rate at the condenser inlet that has a greater impact on the output parameter than the evaporator disturbance. The model was also tested for adequacy for two variants, which showed that, compared to experimental data, the error in determining the parameters of objects in dynamic processes using the developed models does not exceed 10.5%. The fourth chapter of the thesis is devoted to the development of a dynamic model for diagnosing a water-to-water heat pump unit based on the proposed algorithm for identifying faults in the unit, taking into account its dynamic operating modes. The model, which is implemented in MATLAB and Simulink, consists of a model of the dynamic processes of individual components in interconnection with each other and a model for determining the flows of exergy destruction in the studied dynamic processes. An algorithm has been developed based on the use of the exergy balance of the heat pump unit components and the determination of the endogenous parts of exergy destruction under normal operation and under malfunction conditions (scale on the heating surfaces, increased hydrodynamic losses in the compressor, etc.) The identification of the component that has the greatest impact on the decrease in the efficiency of the heat pump unit as a whole is based on the greatest increase in the endogenous part of the exergy destruction of this component due to the deterioration of its operating conditions. In this case, such a component was the condenser, whose malfunction led to the greatest increase in electricity consumption in the heat pump unit. The fifth chapter of the thesis discusses the methodology of practical implementation and the advantages of using a digital twin in the field of heat power engineering with the expansion of traditional approaches to industrial automation. Modern heat pump units are rather complex systems, and therefore it is important to have means for their effective monitoring, which contributes to increasing their productivity and reliability. That is why a virtual model of a heat pump unit is created that displays its operation in real time and detects malfunctions in components; and a digital twin architecture is proposed that makes it possible to optimize the operation of the heat pump unit. Using the international standard Automation ML, the structure of the digital twin of the heat pump unit is proposed with a list of the main components, all important attributes and parameters of the unit. The digital twin of the heat pump unit combines historical and real-time data to improve the decision-making process within the information and advisory system of automated diagnostics. The scientific novelty of the obtained results of the dissertation work is: the proven possibility and expediency of using the methodology of exergy analysis in the tasks of diagnosing changes in the operational characteristics of system components and assessing the impact of this change on the efficiency of the system as a whole; further development of mathematical modeling of dynamic processes of a heat pump unit, which consists in taking into account energy losses during compression of the working fluid in the compressor and applying the criterion of exergy analysis (change in the endogenous part of exergy destruction). The obtained results of the dissertation work have also practical significance, which consists in increasing the efficiency of the heat pump unit, reducing the cost of its maintenance and the time of unscheduled and scheduled repairs, which is achieved by implementing the developed information and advisory system for automated diagnosis of the heat pump unit using the model for diagnosing the condition of components. Along with this, the results of the work are used in the educational process of the Department of Energy Process Automation of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute". This is confirmed by a duly executed act. In the future, the proposed criterion of exergy analysis (change in the endogenous part of exergy destruction) will be used as a key performance indicator for solving energy management problems, if it is approved by international experts and members of Technical Committee 185 "Industrial Automation".uk
dc.format.extent153 с.uk
dc.identifier.citationНекрашевич, 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.uk
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/63854
dc.language.isoukuk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорськогоuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.subjectтеплонасосна установкаuk
dc.subjectендогенна частина деструкції ексергіїuk
dc.subjectматематичне та комп’ютерне моделюванняuk
dc.subjectідентифікаціяuk
dc.subjectдинамічні характеристикиuk
dc.subjectнестаціонарністьuk
dc.subjectавтоматизоване діагностуванняuk
dc.subjectінформаційно-дорадча системаuk
dc.subjectцифровий двійникuk
dc.subjectпредиктивне обслуговуванняuk
dc.subjectheat pump unituk
dc.subjectendogenous part of exergy destructionuk
dc.subjectmathematical and computer modelinguk
dc.subjectidentificationuk
dc.subjectdynamic characteristicsuk
dc.subjectnon-stationarityuk
dc.subjectautomated diagnosticsuk
dc.subjectinformation and advisory systemuk
dc.subjectdigital twinuk
dc.subjectpredictive maintenanceuk
dc.subject.udc681.5:621.577.4:536.75uk
dc.titleАвтоматизоване діагностування ефективності роботи теплонасосної установки на основі критеріїв ексергетичного аналізуuk
dc.typeThesis Doctoraluk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Nekrashevych_dys.pdf
Розмір:
3.7 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.01 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (АЕП)
Дисертації (вільний доступ)