Волощук, Володимир АнатолійовичНекрашевич, Олена Василівна2024-01-162024-01-162023Некрашевич, 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.https://ela.kpi.ua/handle/123456789/63854Некрашевич 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».153 с.ukтеплонасосна установкаендогенна частина деструкції ексергіїматематичне та комп’ютерне моделюванняідентифікаціядинамічні характеристикинестаціонарністьавтоматизоване діагностуванняінформаційно-дорадча системацифровий двійникпредиктивне обслуговуванняheat pump unitendogenous part of exergy destructionmathematical and computer modelingidentificationdynamic characteristicsnon-stationarityautomated diagnosticsinformation and advisory systemdigital twinpredictive maintenanceThesis Doctoral681.5:621.577.4:536.75