Інформаційна технологія для управління фізико-хімічними процесами в енергетиці, що використовують явища кавітації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Українська академія друкарства

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Інформаційна технологія для управління фізико-хімічними процесами в енергетиці, що використовують явища кавітації

Спеціальність 05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

БУЛГАКОВ Олексій Борисович

Львів -- 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українській академії друкарства, м. Львів та

Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут”, м Київ

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор

Дурняк Богдан Васильович,

Українська академія друкарства, м. Львів, ректор

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор,

Коростіль Юрій Мирославович,

Інститут інформаційно-діагностичних систем Національного авіаційного університету, м. Київ,

професор кафедри комп'ютеризованих систем захисту інформації

доктор технічних наук, професор

Сікора Любомир Степанович,

Центр стратегічних досліджень еко-біо-технічних систем, м.Львів, директор

доктор технічних наук, професор

Стасюк Олександр Іонович,

Київський університет економіки і технологій транспорту,

зав. кафедрою інформаційних систем і технологій

Провідна установа:

Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г. Є. Пухова
НАН України, м. Київ

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Розвиток енергетичних технологій приводить до більш широкого їх впливу на зовнішнє природне середовище. Ця обставина обумовлює необхідність у розвитку цілого ряду допоміжних технологій, що виконують функції, які не тільки забезпечують виконання умов, пов'язаних з вимогами екологічного характеру, а й виконують функції, що підвищують ефективність функціонування основного технологічного процесу. Необхідність у допоміжних технологічних процесах обумовлюється іще й тим, що технології енергетичних підприємств являються досить складними, енергоємними та стратегічно важливими. Для забезпечення ефективного функціонування сукупності взаємозв'язаних технологічних процесів, необхідно мати можливість відслідковувати велику кількість інформації, що відображає текучий стан всіх технологічних процесів, що є необхідною умовою здійснення оптимального управління, великий вклад в які вклали наукові вітчизняні школи під керівництвом Згуровського І.М., Кафарова В.В., Федоткіна І.М. Розв'язок таких задач є можливим тільки в рамках відповідних інформаційних технологій. Тому, дослідження та розв'язок проблеми створення нових інформаційних технологій, що орієнтовані на обслуговування фізико-хімічних технологічних процесів, в яких використовуються явища кавітації, є актуальними.

Характерним для енергетичних технологій є споживання великих об'ємів природних ресурсів, до яких відноситься вода, повітря, земельні ділянки та паливо. Оскільки відновлення ресурсів природним чином вимагає досить великих періодів часу, то технологічні процеси, що орієнтовані на відновлення природних ресурсів та на підвищення ефективності їх використання, відіграють важливу роль при реалізації енергогенеруючого процесу. Серед фізико-хімічних процесів, які використо-вуються в цих технологіях, важливе місце займають процеси, що використовують кавітаційні явища. Відповідні технологічні процеси досить складно описувати у вигляді детермінованих математичних моделей, оскільки їх природа досить складна і не до кінця вивчена. Використання цих явищ в технологічних процесах ґрунтується на даних експериментальних досліджень та дослідних даних, що отримані внаслідок аналізу результатів функціонування відповідних установок. Використання цих даних для управління є можливим тільки в рамках спеціально розроблених інформаційних технологій, важливий вклад в формування теорії яких внесли Глушков В.М., Стогній А.А., Губарев В.Ф., Бусленко Н.П. і Сергієнко І.В.

Актуальність проблеми розробки інформаційних технологій для реалізації оптимального управління процесами енерговиробляючих технологій обумовлю-ється важливістю задач охорони навколишнього середовища та забезпеченням замкнутих циклів використання природних ресурсів.

Зв'язок роботи з державними програмами, планами, темами. Робота виконувалась у рамках наступних науково-дослідних робіт та Державних тем.

Держбюджетна наукова-дослідна робота „Дослідження процесів кавітаційного емульгування і диспергування в хімічній технології” та 21 науково-дослідних та госпдоговірних робіт, у тому числі: договір №01-98 “Разработка и внедрение технологии снижения вязкости мазута, при его гидродинамической обработке”, ТЕЦ-6 АК “Київенерго”, 1998р.; №04-98 “Разработка модернизированной технологии нейтрали¬зации сточных вод с использованием гидродинамического смесителя”, ТЭЦ-6 АК “Київенерго”, 1998р.; №03-98 “Разработка модернизированной системы приготовле¬ния водомазутной эмульсии”, ТЭЦ-6 АК “Київенерго”, 1998р.; №14-99 “Розробка та впровадження системи флотації замазу¬чених вод”, ТЕЦ-5 АК “Київенерго”, 1999р.; №03-00 “Розробка та впровадження водо-повітряної завіси захисту від риб на водозаборі ТЕЦ-5”, ТЕЦ-5 АК “Київенерго”, 2000р.; №12-2000 “Разработка и внедрение технологии повышения качества котельного топлива”, Запоріжский коксохімічних комбінат, 2000р.; №16-2000 “Разработка и внедрение системы приготовления, хранения и сжигания водомазутной топливной эмульсии (ВМТЭ) с применением гидродинамичес-ких кавитационных аппаратов (ГКА)”, ВАТ “Запоріжсталь”, 2000р..; №01-01/07 “Разработка схемных решений, проектирование установки защиты водозабора от молоди рыб, изготовление нестандар¬тного оборудования”, ЧП “Промтехсервіс”, 2001р.; №03-1-01 “Разработка и внедрение технологии флотации сточных вод загрязненных нефтепродуктами с применением кавита¬торов”, ГРЕС-3 ВАТ “Мосенерго”, 2001р.; № 06-3 “Внедрение технологии приготовления товарных мазутом” Лисичанський нафтоперероб-ний завод ВАТ “ЛІНОС”, 2003р.; №01-1/А “Создание рыбо- и мусорозащитного устройств с использованием гидродинамических аэраторов на водозаборе ковшевого типа ФГУП АЭХК”. Федеральне державне унітарне підприємство Ангарський електролізний хімічний комбінат, 2004р.; №01-2-04 “Реконструкция системы хранения, подогрева подачи мазутного топлива”, ГЕС-1 ВАТ “Мосенерго”, 2004р.; №16-1-05 “Внедрение модернизированной технологии очистки от нефтепродуктов на очистных сооружениях”, ТЕЦ-16 ВАТ “Мосенерго”, 2005р.; №03-2-05 “Внедрение схемы флотации для бака-отстойника узла очистки замазученных вод очистных сооружений”, ГРЕС-3 ВАТ “Мосенерго”, 2005р.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає у розробці науково обґрунтованих методів та інформаційних технологій аналізу і управління технологічними процесами, що реалізуються на основі фізико-хімічних процесів, які ґрунтуються на використанні явищ кавітації, що дозволяє ефективно управляти процесами збагачення дизельного палива, процесами очистки води та іншими процесами, управління якими можливо завдяки застосуванню спеціалізованих структур інформаційних моделей.

Для досягнення зазначеної мети, були поставлені і розв'язані такі основні задачі:

1. Розробка нових структур інформаційних моделей, що дозволяють описувати на різних рівнях ідентифікації та деталізації фізико-хімічні процеси кавітації.

2. Реалізація методів побудови інформаційних моделей кавітаційних процесів для опису динаміки технологічних об'єктів, їх структури і динаміки.

3. Розробка методів формування інформаційної технології, що охоплює ряд взаємозв'язаних технологічних процесів, які використовують явища кавітації.

4. Розробка інформаційної технології моделей розпізнавання образів кавітаційних процесів для автоматизації та оптимізації режимів допоміжного технологічного комплексу на енергопродукуючому підприємстві.

5. Розробка методики використання інформаційних моделей та спеціалізованої інформаційної технології, яка описує кавітаційні процеси в технологічних структурах з метою оптимізації.

6. Синтез структур АСУ-ТП з кавітаційними агрегатами.

Об'єктом дослідження є системи автоматизації технологічних процесів, які функціонують на енергогенеруючих підприємствах, їх оптимізація і інтеграція.

Предметом дослідження є інформаційні технології аналізу фізико-хімічних процесів, що використовують явища кавітації та ґрунтуються на використанні спеціальних інформаційних структур для підвищення їх енергетичної ефективності.

Методи дослідження. Дослідження виконано на основі використання методів математичної логіки, математичного моделювання та комп'ютерного моделювання, а також на основі експериментальних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі розв'язано науково-прикладну проблему побудови концептуальних положень і науково обґрунтованих методів та інформаційних технологій синтезу допоміжних технологічних процесів, що ґрунтуються на використанні кавітаційних явищ. При цьому, отримано наступні нові наукові результати:

1. Запропоновано та обгрунтовано базові класи інформаційних моделей, завдяки чому вдалося поєднати опис фізико-хімічних процесів з описом організації технологічних процесів.

2. Розроблено метод побудови інформаційної моделі кавітаційного процесу, використовуючи який стало можливим об'єднати в одну систему опис різних фізичних процесів, що відбуваються в кавітаторі для реалізації процесу управління режимами кавітатора.

3. Запропоновано методи формування інформаційних параметрів технологічних процесів, які в сукупності складають нову інформаційну технологію управління фізико-хімічним процесами, що використовують явище кавітації.

4. Запропоновано методи активізації параметрів інформаційних моделей фізико-хімічних процесів, які використовують явище кавітації, що дозволяє реалізовувати управління граничними режимами технологічних процесів.

5. Вперше розроблено методи розрахунку основних параметрів кавітаційних процесів, що дозволяє сформувати технічні вимоги до проектів кавітаційних установок, орієнтованих на використання в різних фізико-хімічних процесах та побудувати модель керованості об'єкта.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені інформаційні технології аналізу фізико-хімічних процесів, що використовують явища кавітації, дали можливість створити нові способи реалізації спеціалізованих технологічних процесів, синтезувати стратегії управління ними, що дозволило суттєво підвищити ефективність основного енергогенеруючого технологічного процесу. Основні теоретичні результати було використано у наступних практичних розробках:

-- розроблено систему кавітаційної обробки мазутно-дизельного палива, що привело до збільшення ефективності спалювання палива в топках котлів теплових електростанцій,

-- розроблено систему фізико-хімічної очистки технологічної води в системі її регенерації на основі використання при її обробці кавітаційних технологій,

-- розроблено систему технологічної обробки паливно-мазутних речовин при їх зберіганні у великих ємностях нафтових сховищ,

-- розроблено рибозахисні системи, що встановлюються в місцях забору води, яка використовується в технологічних процесах на електростанціях,

-- розроблено нові конструкції кавітаційних установок та інше технологічне обладнання, яке використовується при побудові технологічних ліній, що включають в себе кавітаційні установки.

Використання моделей кавітаційних установок для різних технологічних процесів дозволило виключити з процесу розробки технологічної лінії етап експериментальних досліджень параметрів конструкції кавітаторів, що суттєво скоротило час необхідний для проектування та введення в експлуатацію відповідних технологічних ліній.

Реалізація й впровадження результатів роботи. На основі розроблених інформаційних технологій аналізу й синтезу технологічних систем захищено 21 патенти України й Росії.

Отримані наукові результати використані в рамках більше 150 науково-дослідних і господарських робіт для розробки, проектування й впровадження нових ефективних технологій і пристроїв, що одержали широке поширення в області енергетики, нафтопереробний промисловості, у сільському господарстві й ряді інших областей народного господарства.

Найбільше визнання одержали наступні технології:

-- технологія нейтралізації стічних вод хімцехів енергогенеруючих підприємств,

-- технологія приготування водно-мазутної паливної емульсії (ВМПЕ) для спалювання в у котлах енергогенеруючих підприємств,

-- технологія очистки стічних вод, забруднених нафтопродуктами,

-- технологія рибо- і сміттєзахисту на водозабірних спорудженнях.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні наукові результати і положення дисертаційної роботи представлялись, доповідались та обговорювались на таких конференціях та наукових семінарах:

1. Галузева нарада “Теплоэнергетика: охрана и рациональное использование водных ресурсов” г.Конаково, 26-28.09.2000 г., АО “Информэнерго”, Москва, 2000.

2. 4-а міжнародна науково-технічна конференція “Электронные ин-фор¬мационные ресурсы: проблемы формирования, обработки, распро-стра¬нения, защиты и использования-2003”, УкрИНТЭИ, - Київ. 2003.

3. Міжнародна конференція “Сотрудничество для решения проблем отходов”, - г. Харьков, 2003 .

4. 23 науково-технічна конференція „Моделювання”, ІПМЕ ім. Г.Є.Пухова НАН України. - Київ. 2004.

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковано у 39 наукових працях. Основні з них: 23 статті в наукових фахових журналах та збірниках наукових праць, 11 патентів, 5 статей у збірниках праць конференцій.

Особистий внесок здобувача. Всі результати наукових, теоретичних та експериментальних досліджень, які містяться в дисертації, отримані автором особисто. В працях, опублікованих у співавторстві, автору належать: [3] - обґрунтовано режими керованості технічних режимів гідродинамічних кавітаторів, [17, 20] - обґрунтування концепцій побудови інформаційних структур, [18] - запропоновано і досліджено алгоритми аналізу біжучого стану технологічного процесу, [27, 19] - аналіз інформаційної моделі процесу очистки забруднених вод, [21] - запропоновано конструкцію і методику випробовування гідродинамічного кавітатора, [22] - запропонована інформаційна модель процесу руйнування структури згущених мазутних палив, [23] - запропонована структура аеродинамічного кавітатора, [26] - запропоновано систему управління установкою нейтралізації стічних вод.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота викладена на 420 сторінках машинописного тексту, містить 306 сторінок основного тексту, список літератури з 468 найменувань, 11 таблиць, 81 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито суть і стан проблеми, обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, сформульо-вано наукову новизну, практичну значимість, приведено короткі анотації розділів дисертаційної роботи.

У першому розділі проведено аналіз методів і засобів інформаційного забезпечення енергопродукуючих технологічних процесів. Важливість інфор-маційного забезпечення енергетичних технологій обумовлюється страте-гічною значимістю енергетики для безпечного функціонування промислових, соціальних та інших державних структур і цілих галузей господарства. Одна з основних особливостей енергопродукуючих установок полягає в тому, що кожна станція підключена в загальну мережу енергоспоживачів, а продукція у вигляді електроенергії не може накопичуватися в промислових масштабах у випадку відсутності на біжучому інтервалі часу, споживачів відповідних потужностей. Енерго-підприємство є багатоплановим з точки зору технологій, що в ньому використовуються та динамічним, як процес керування.

У рамках інформаційної системи управління виробниц-твом розв'язуєть-ся цілий ряд типових задач управління, які функціонують у вигляді окремих систем, але пов'язані між собою вхідними та вихідними даними. Інформаційна система, або засоби інформаційного забезпечення тісно пов'язані з фізико-хімічними та іншими процесами, що становлять основу відповідного технологічного процесу, оскільки основна задача будь якої інформаційної системи полягає в інтерпретації нормальних і граничних режимів процесів та оцінки їх керованості.

Важливим технологічним процесом при виробництві електроенергії на теплових електростанціях є технологічний процес підготовки нафтопродук-тів, що використовуються в якості палива в котлах для виробництва пари. Такими нафтопродуктами, в багатьох випадках, є мазут. Процеси підготовки, з точки зору опису фізико-хімічних явищ, які при цьому відбуваються, досить складні для формального опису, який можна було б використовувати для одержання кількісних характеристик. Це означає, що інформаційні засоби повинні створити єдину картину на основі окремих даних та уявлень про досліджувані явища, які існують в цьому процесі. Важливим фактором, що обумовлює необхідність обробки мазуту, є його обводнення в процесі транспортування, зливу і зберігання. Крім покращення експлуатаційних характеристик, в результаті використання водоемульсійних палив, вдається досягнути покращення екологічних показників. Найбільш вагомим серед них є наступні: виключається забруднення стічних вод, зменшуються викиди твердих незгорівших частинок, що викидаються в повітря разом з димом, знижується кількість оксидів азоту, що утворюються в мазутному факелі. Опис процесів та значення параметрів, що їх характеризують, отримують на основі експериментальних даних, вони представляють собою певну інтерпретацію отриманих залежностей, що відображаються таблицями або кривими. Тому, при встановленні залеж-ностей , виникає проблема визначення параметра на роль аргументу, для відповідної залежності. Експериментальні дослідження проводяться з окремими технологічними системами, параметри яких залежні між собою, тому необхідно певним чином формувати схему відображення всієї технологічної системи, на різних рівнях узагальнення, в межах всього технологічного процесу. Таку технологічну схему будемо називати логічною структурою технологічного процесу. Оскільки, технологічний процес складається з окремих технологічних підсистем, що пов'язані між собою, то кожну окрему підсистему загальної технологічної системи також можна представити у вигляді логічної схеми.

На основі проведеного аналізу процесів в енергоблоках можна сформувати наступні задачі, які необхідно розв'язати в рамках проблеми автоматизації хімічно-технологічних процесів, які використовують явище кавітації для підвищення їх ефективності:

- Розроблення моделей фізико-хімічних енергетичних перетворень при генерації енергії, для активації яких використовуються активні гідродинамічні кавітатори;

- Розроблення процедур синтезу структури алгоритмів опрацювання даних про динаміку процесів з участю кавітаторів, які є джерелом хаотичних режимів, що приводить до нестійкості САУ-ТП при виході з області структурної стійкості;

- Обґрунтування моделей фізико-хімічних процесів в енергетиці з використанням кавітаційних ефектів, та оцінка їх ефективності теоретичними і експериментальними засобами дослідження на основі інформаційних технологій.

На основі аналізу доведено важливість технологічних процесів підготов-ки нафтопродуктів. Незважаючи на те, що історично вони відносяться до допоміжних технологічних процесів, їх значимість для основного процесу виробництва електроенергії є ключовим. Тому інформаційне забезпечення відповідного технологічного процесу є ключовим в системі АСУ-ТП.

З приведеного аналізу основних фізико-хімічних процесів, що використовують явища кавітації, випливає, що створення інформаційної технології для управління функціонуванням основного процесу генерації електроенергії є актуальною науково-технічною проблемою.

Показано що відомості про стан енергооб'єкта необхідні для ефективного управління в реальному часі включають як поточні дані одержані від інформаційних систем (технологічний експеримент), так і фундаментальні знання про структуру, динаміку і фізико-хімічні процеси в енергооб'єктах.

Обґрунтовано важливість експериментальних методів для одержання відомостей про динаміку кавітаційних процесів.

В другому розділі розглядаються теоретичні основи інформаційного забезпечення технологічних процесів в енергетиці та методи опису окремих компонент інформаційних засобів. При дослідженнях складних, багато- параметричних технологічних процесів, як правило, не можливо побудувати аналітичні моделі не тільки технологічного процесу в цілому, а й окремих фрагментів технологічного процесу. Це породжує великі об'єми інформації, які потребують, при кожному звертанні до них, детального аналізу та трудомісткого їх вивчення. Така ситуація не сприяє створенню єдиної картини про процес з усіма залежностями між великою кількістю факторів та параметрів, що на нього впливають і визначають його характер. Тому, перш за все, необхідно створити систему інформаційних засобів (рис.1).

Головна мета цієї системи - вирішення проблеми створення загального опису технологічного процесу, автоматизації процесів аналізу результатів даних, отриманих з окремих вузлів обладнання й окремих фрагментів технологічного процесу. Така система необхідна, щоб підтримувати процеси аналізу інформаційних моделей і їх фрагментів. Для цього вводяться основні параметри, що характеризують інформаційну систему.

Евристичну компоненту, що приведена у цьому визначені, відносимо до евристичних компонент першого роду. Окремі компоненти інформаційного середовища, яке відображає певний технологічний процес чи його фрагменти, пов'язані між собою різними структурними та функціональними співвідношеннями. Поділ структур на різні класи полягає у виділенні статичних і динамічних структур. Основні типи статистичних структур: ієрархічні, симетричні, однорідні періодичні та потокові структури. Ієрархічні структури безпосередньо орієнтовані на ціль функціонування фрагмента технологічного процесу і в найбільшій мірі корелюють із схемами експериментальних досліджень. Симетричні структури представляють собою зв'язані тим чи іншим способом фігури. Кожна з них відображає деякий фрагмент досліджуваного процесу. Однорідні періодичні структури представляють собою зв'язані між собою подібні фігури. Параметри цих фігур змінюються у відповідності з рекурсивними співвідношеннями, що описують допустимий спосіб їх змін. Таким чином, однорідні періодичні структури відображають процеси розвитку одного або декількох фрагментів єдиного технологічного процесу. Потокові структури - прості фігури, що мають певним чином орієнтовану направленість, та у відповідності з цим зв'язані між собою. Другий тип структур динамічні: неперервні, стрибко-подібні, циклічні та структури, що розвиваються. Неперервні динамічні структури, із точки зору графічного відображення текучого стану процесу, представляють собою графи процесу, що змінюються на протязі функціонування фрагмента технологічного процесу. Стрибкоподібні або розривні динамічні структури є такими, зміни яких відбува-ються нерівномірно. Така нерівномірність змін полягає в зміні кількості вершин і ребер на окремих етапах зміни структури. Циклічні динамічні структури відображають процеси, зміна базових параметрів яких може відбуватися у визначені періоди часу. Структури, що розвиваються, використовуються для опису процесів, що на протязі свого функціонування змінюються в наперед непередбачуваному напрямку.

Формування інформаційних структур ґрунтується на основі викорис-тання ознак, що характеризують інформаційні структури та на основі певних правил формування фрагментів інформаційної системи.

Ознака 1. Вершина графічної структури і вершина графічної структури складаються з однакової кількості інформа-цій-них компонент , якщо .

Ознака 2. Вершина , графічної структури S₀(і) і вершина графічної структури мають одинакові степені або степені відрізняються у відповідності з рекурсивною функцією H[G(E, V)].

Умова 2. При рекурсивному введенні вершин в , степінь вершини, що вводиться, повинна задовольняти умові: .

Розглянемо визначення крайньої вершини в .

Визначення 8. В вершина з G(E,V) називається крайньою, якщо вона є кінцевою в структурі або .

Визначення 9. Вершини які є центральними і для яких кількість компонент у вершині мінімальна або рівна одній, назвемо виділеними вершинами, що запишеться у вигляді:

Умова 3. Два фрагменти і структури при об'єднанні використовують виділену вершину і вершину , а відповідні ребра назвемо зв'язками між і , та позначимо їх .

Умова 4. Вершина або вершина , може бути інцедентна тільки одному зв'язку, що записується у вигляді:

Умова 5. Для в і вибираються вершини і з однаковими кількостями компонент і або вибираються ті вершини, для яких різниця кількості компонент мінімальна: .

Умова 6. При встановленні зв'язку між і у вибраних вершинах і , будемо використовувати ті компоненти і , для яких інцендентна в межах окремої вершини найбільша кількість ребер, що можна записати у вигляді:

Однією з базових задач, що повинні розв'язуватися в рамках таких інформаційних структур, є задача встановлення залежностей між окремими параметрами, дані про які представлені у вигляді сукупності таблиць та графіків.

Для розв'язку цієї задачі введено ряд параметрів, що характеризують можливі ознаки зв'язків між значеннями параметрів, які описують досліджувані технологічні процеси. Вводиться уявлення про різні типи інформаційних структур і досліджуються особливості їх використання при моделюванні технологічних процесів. Розроблена і обґрунтована схема інформаційного забезпечення процесу управління.

В третьому розділі досліджуються методи побудови інформаційних моделей кавітаційних процесів, проводиться їх аналіз та досліджуються методи формування технологічних образів. Моделі процесів кавітації ґрунтуються на уявленнях про виникнення і розвиток бульбашок у воді, які теоретично описуються на основі законів гідродинаміки. Поведінка окремої бульбашки описується за допомогою диферен-ціальних рівнянь, що відображають, з точки зору гідродинаміки, параметри стиснення та розширення сферичної бульбашки під дією постійного тиску. Наприклад, швидкість розширення сфери в початковий період руху описується наступним співвідношенням:

Розглянутий варіант опису процесу кавітації, представляє опис явища розриву суцільності в потоках рухомої крапельної рідини. Приведена модель стосується однієї бульбашки і має теоретичне значення, оскільки приведені співвідношення не відображають різноманітних факторів, які мають місце в реальних рідинах. Одним з таких факторів є газ, що розчинений у воді. Припускається, що бульбашки наповнено не водяною парою, а газом, що має сталу масу. Тоді, беручи до уваги, що процес розширення і стиснення газу є адіабатичним, отримаємо диференціальне рівняння, яке описує кінетичні параметри руху рідини у вигляді:

Таких чинників існує досить багато. У технологічних процесах, де використо-вуються кавітаційні явища, існує потреба інтегрального опису явищ з точністю до деякого об'єму рідини, який є ефективним елементом взаємодії з іншими компонентами технологічного процесу. Кавітаційні реактори, що використовуються в технологічних процесах, використовують ультразвукові збуджувачі кавітаційних бульбашок у звуженій частині реактора, через яку протікає оброблювана суміш. Розмір бульбашок визначається частотою ультразвукового генератора, тиском та швидкістю руху рідини через звужений канал реактора. Математичний опис процесу виникнення однієї бульбашки кавітації в даному випадку не є інформативним для технологічного процесу в цілому. Тому слід сформувати опис процесу утворення і функціонування суміші в одиниці об'єму для відображення усіх параметрів одиниці об'єму описуваної суміші у відповідній математичній моделі.

Визначення 13. Одиницею ефективного об'єму суміші, що утворилася в процесі кавітації, називається така частина рідини, яка характеризується сукупністю інтегральних параметрів, що є ефективними для технологічного процесу, в якому бере участь відповідна суміш.

Функція Ф описує способи взаємозв'язку між окремими компонентами взаємодіючих інгредієнтів у деякому технологічному процесі.

У відповідності з уявленням про інформаційні моделі, останні, в основному, відображаються у вигляді структур різних типів. Фрагменти таких структур та структури в цілому природно інтерпретувати, як графи. Графова структура, що описує той чи інший технологічний процес, може описувати його розподіл у просторі чи динаміку його розвитку. Розглянемо один з можливих описів структурного процесу ультразвукової кавітації.

Це рівняння описує умови виникнення кавітаційного процесу, який включає в себе не тільки значення параметрів, що визначаються початковими умовами, а і умовами, що описують умови існування ядер кавітації. Структурною компонентою в інформаційній моделі може бути одна кавітаційна бульбашка. Така компонента представляє собою деяку фігуру, що складається з вершин і ребер. Вершини діляться на ідентифікатори аргументів і ідентифікатори функцій . Ребра з'єднують вершини у відповідності з фізичними залежностями між і . Ці залежності поміча-ють окремими функціями, які забезпечують необхідну кількісну відповідність між вершинами. ідентифікація деталізація кавітація енергопродуктуючий

Формування інформаційної моделі починається з аналізу початкових умов. У відповідності з ними та початковими уявленнями про об'єкт чи процес, що передбачається представити у вигляді інформаційної моделі вводяться залежності типу: . Для вибраної залежності і параметра , аналізується величина зміни його значень. Якщо в діапазоні зміни значень існують послідовності значень параметра , які можна апроксимувати лінійними функціями , то для відображення в інформаційній моделі будуть використовуватися лише крайні значення величини відповідної послідовності. Якщо інтервали для всіх значень не одинакові, то масштаб вимірювання значень параметра буде нерівномірним у виразі:

Тому, будемо використовувати приведений масштаб і, відповідно, приведену міру деталізації. Процедура приведення буде полягати у наступному. Нехай, для існує r лінійних інтервалів значень параметра . У кожному є певна кількість значень параметра. Множину замінимо множиною , де кількість значень параметра в і-тому лінеаризованому інтервалі. Для чисел множини знаходимо найбільший спільний дільник (НСД), який і буде величиною із співвідношення для . Оскільки, існує функція , то, очевидно, що відповідну процедуру можна використати і для , яка залежить від .

Твердження 1. Для множини існує НСД, який рівний .

Твердження 2. Розподіл множини параметрів Х технологічного об'єкту чи процесу на класи еквівалентностей К, у відповідності з характеристикою і функціональним розподілом, співпадає або покриває інтерпретацію І відповідних технологічних об'єктів.

Умова 8. Розширення функціонального зв'язку в вершині має місце, коли в вершині , яка є витоком для , існують параметри , що не є аргументами ні для яких функціональних параметрів , що виходять з вершини

Умова 9. Якщо для всіх , що виходять з однієї вершини , має місце однакова міра розгалужень, то вибирається перша по порядку функція.

Визначення 16. Ефективним фрагментом структури будемо називати такий фрагмент, який відображає одиницю ефективного об'єму об'єкту моделювання.

Твердження 3. Розширення заданого функціонального зв'язку вільним параметром , що відноситься до класу розширення , коректно інтерпретує об'єкт моделювання.

Визначення 17. Функція називається вільною в структурі , якщо параметри-аргументи і параметри-функції в інших функціональних залежностях не використовуються.

Визначення 18. Функція називається зв'язаною, якщо параметр-аргумент , параметр-функція або обидва параметри разом пов'язані з іншими функціональними залежностями в структурі S.

Визначення 19. Якщо параметр-функція використовується, як параметр-аргумент для функції , то функцію будемо називати продов-женням функції .

Визначення 20. Якщо функція використовує, як аргумент значення функції або параметр-функцію , то функцію будемо називати продов-женням функції .

Нові функціональні зв'язки можуть встановлюватись між параметрами інформаційного середовища, виходячи з двох позицій:

1. Функціональний зв'язок між і , або і множиною параметрів може встановлюватись на основі інтерпретації предметної області об'єкта моделювання.

2. Функціональний зв'язок між параметрами може встановлюватись у процесі виконання перетворень початкової структури інформаційної моделі в текучу оптимальну структуру інформаційної моделі.

В рамках інформаційної моделі, що ґрунтується на структурних уявлен-нях про відповідне інформаційне середовище, запропоновано описувати динаміку змін, які в цьому середовищі відбуваються. Такий опис ґрунтується на використанні параметрів, що були запропоновані при дослідженні інфор-маційного середовища, що дозволило будувати динамічні моделі процесів в просторі станів технологічного об'єкта з розподіленими параметрами.

В четвертому розділі досліджуються можливості інформаційних моделей при вивченні кавітаційних процесів та аналізуються задачі, що розв'язуються в рамках інформаційної моделі кавітаційних процесів. Задачі встановлення залежностей між параметрами, які використовують для проектування технологічних об'єктів, є основними задачами інформаційної системи. Інформаційні моделі відображають певні особливості формування емпіричних залежностей, які полягають у наступному:

· вибір параметрів-аргументів, залежність від яких параметрів-функцій необхідно описувати емпіричними формулами, визначається структурою інформаційної системи;

· структура інформаційної системи визначає ієрархію необхідної залежності, яка визначає потребу в проміжних емпіричних залежностях;

· для заданого параметра-функції, інформаційна модель визначає найбільш значимі параметри-аргументи або ефективні аргументи, незалежно від існуючих у користувача уявлень про предметну область інтерпретації відповідної інформаційної моделі;

· на основі даних про області визначення параметрів, між якими передбачається будувати емпіричні залежності, існує можливість вибирати способи апроксимації для формування певної залежності;

· відображення процесу функціонування об'єкта в інформаційній моделі, на протязі всього технологічного циклу, дозволяє враховувати історію зміни відповідних параметрів.

Критеріями приналежності до бази параметрів прийнято наступні ознаки, які можна на змістовному рівні сформулювати наступним чином.

Параметр-функція буде належати базовій сукупності параметрів, якщо остання є аргументом іншого параметра-функції, або параметром-функцією іншого співвідношення, які уже належать базовій системі.

Якщо параметр-функція серед параметрів-аргументів має таку їх підмножину, кількість елементів якої більша, або рівна половині множини параметрів аргументів і ця підмножина входить в якості аргументів у множину аргументів іншого параметра-функції, який являється елементом базової множини параметрів, то і перший параметр-функція є також елементом базової множини параметрів.

Якщо параметр-аргумент є розширенням параметра-функції, що вже входить в базову множину параметрів, то відповідний параметр також входить в базову множину.

Параметр-функція включається в базову множину параметрів, якщо його параметри-аргументи вже включені в базову множину параметрів .

Параметр-функція включається в базову множину параметрів, якщо для розширення використовуються наступні формальні ознаки.

Ознаки, за якими включаються до складу базових множин параметри інформаційного середовища, не повинні приводити до суперечних ситуацій, які можуть складатися у , та повинні забезпечувати необхідну повноту відображення об'єкта моделювання. Ці ознаки, по суті, представляють собою правила активізації, або правила формування фрагментів інформаційної структури.

Суперечність базової множини параметрів полягає у наступному. Уявлення про процес або об'єкт, що моделюється, передбачає наявність зв'язків між окремими компонентами процесу, які відображаються у вигляді взаємозв'язків між параметрами. Тому суперечність для базової системи параметрів може полягати у наступних аспектах:

· коли в рамках появляються параметри, які не зв'язані з іншими параметрами в ;

· коли виникають параметри-функції з своїми власними параметрами-аргументами, з якими вони зв'язані і більш ніяких зв'язків у цих параметрів-функцій безпосередньо чи через параметри-аргументи не має в рамках базової системи параметрів;

· коли появляються параметри-функції з власними діапазонами значень, діапазонами значень параметрів-аргументів, які не перетинаються з діапазонами значень інших параметрів і тому є уособленими в межах базової множини параметрів.

У даному виразі, як і в подальших формальних записах, будемо вико-ристовувати наступні позначення: і-та вершина-аргумент не активізо-вана; v^*_ai ця ж вершина, але активізована. Стрілка “>“ вказує наявність функціонального зв'язку між вершинами. Якщо з деяких вершин виходить k стрілок або існує з цією вершиною k функціональних зв'язків, то формально цей факт записується наступним чином:

Правило 3. У рамках функціональної структури інформаційної моделі всі функціональні зв'язки, які задані в , розмічаються, як приналежні до даної предметної області. Всі нерозмічені зв'язки, які могли виникнути в процесі формування структури викреслюються з відповідного фрагменту. Формально це правило можна записати наступним чином:

Зв'язки, що входять у вершину, будемо позначати ; функціональні зв'язки, що виходять з вершини: .

Правило 4. Біжучою вершиною в структурі функціонування, для подаль-шої активізації структури, вибирається така вершина, яка, в результаті активізації попередньої вершини і відповідної активізації всіх функціональ-них зв'язків, що виходять з цієї вершини, виявиться активною. Формально, це правило записується наступним чином:

Правило 5. Якщо біжуча вершина, у процесі активізації функціонування процесу, у рамках інформаційної моделі виявилась вершиною цілі, то вона активізується при умові, що хоча би один функціональний зв'язок, що в неї входить активізується. Формально, це правило записується у вигляді наступного співвідношення:

Твердження 5. Правила активізації фрагмента структури 2, 3, 4 і 5 є не суперечливими і забезпечують ідентифікацію відповідного фрагмента з об'єктом або процесом з точністю до базової множини параметрів .

Таким чином, запропоновано систему правил формування базової множини параметрів при формуванні інформаційної моделі та доведено твердження про несуперечність відповідної системи правил.

В п'ятому розділі досліджуються алгоритмічні методи реалізації компонент технологічних комплексів та розглядається використання кавітаційних установок для створення рибозахисних систем. Дослідження, які проводились з рибозахисною системою, що працює на основі повітряно-бульбашкових завіс, виявили три затримуючі фактори:

· повітряно-бульбашкова завіса є подразником, що впливає на зорові рецептори риби, риба сприймає завісу, як перешкоду, яка її насторожує і викликає відповідну реакцію;

· акустична дія повітряно-бульбашкової завіси на органи слуху риби приводить до того, що вже на деякій віддалі від завіси риби сприймають звуки, що створюються при виході бульбашок повітря з отворів перфорованих труб, реагують на них і відпливають від джерела звуку;

· фізичний принцип захисту, який визначається виносом молодої риби ерліфною течією, а після чого поверхневим транспортуванням риби в зони, що не піддаються впливу водозабору.

Розроблена технологія створення повітряно-бульбашкової завіси ґрунтується на подачі у перфорований трубопровід водоповітряної емульсії, що формується з допомогою гідрокавітаційного апарата і володіє цілим рядом переваг у порівнянні з подачею в перфорований трубопровід стисненого повітря. Ці переваги полягають у наступному: з технологічної системи рибозахисного пристрою вилучається дороге і малонадійне обладнання компресорних установок; для створення водно-повітряної емульсії використовується частина води, що споживається водозабором і яка складає менш 1% його виробничої потужності; використання для створення водно-повітряної емульсії атмосферного повітря, при відсутності тертя поверхонь в гідрокавітаційному апараті, виключає забруднення водойму нафтопродуктами; витік водно-повітряної емульсії з розподільного трубопроводу з швидкістю біля 1м/с, створює стійкий ерліфний потік в зоні трубопроводу, що виключає необхідність створення захисного порогу; розподіл повітря по довжині трубопроводу у складі водно-повітряної емульсії, дозволяє збільшити мінімальний діаметр отворів перфорації до 3-4 мм, що виключає можливість їх заростання і підвищує надійність рибозахисних споруд; подача повітря в розподільний трубопровід в складі водно-повітряної емульсії різко знижує залежність умов створення повітряно-бульбашкової завіси від глибини встановлення розподільного трубопроводу; використання частини води водозабору з тиском 30-60 м водяного стовпа, в залежності від обладнання блоку насосної станції, дозволяє сформувати стійкі поверхневі рибовідвідні течії, що виключає необхідність створення додаткових споруд.

Для визначення основних параметрів розподілу повітря по довжині трубопроводу повітряно-бульбашкової завіси в складі водно-повітряної емульсії використовувався стенд. Загальна схема стенду приведена на рис. 2.

Перфорований трубопровід діаметром 80 мм вміщає отвори діаметром 4 мм з кроком 100 мм, через які формується повітряно-бульбашкова завіса. Витрати повітря через кожний отвір вимірювались заповненням ємності розміщеної над відповідним отвором.

Методи розрахунку основних компонент рибозахисних систем ґрунтуються на використанні формальних описів систем, які представляють собою математичну модель. Оскільки система в цілому складається з ряду компонент, що орієнтовані на розв'язок окремих задач системи в цілому, то доцільно методи розрахунку системи розглядати окремо для кожної компоненти, з врахуванням загальних вимог до компонент зі сторони системи. Важливим етапом проектування являється етап формування лінійної структури даних (LS), що використовуються безпосередньо алгоритмами проектування, полягає в упорядкуванні вибраних даних (CD) в рамках лінійної структури LS, яка відображає послідовний алгоритм обчислень. В такій структурі LS визначаються необхідні місця, для розміщення вибраних даних, що обчислюються на текучому кроці і використовуються на наступному кроці разом з раніше вибраними параметрами.

В шостому розділі розробляється апаратна реалізація окремих кавітаційних установок, базових модулів інформаційного забезпечення та реалізуються окремі апаратні засоби технологічного процесу формування водомазутних емульсій. Гідродинамічний кавітаційний апарат (ГКА) представляє собою апарат проточного типу, що складається з конфузора, проточної камери, дифузора і кавітаційних тіл. Принцип дії ГКА ґрунтується на явищі гідродинамічної кавітації, що виникає в рухомому середовищі рідини, як правило, за місцевими гідравлічними опорами. Необхідними умовами виникнення кавітації є наявність такого режиму руху рідини, при якому тиск в певній області буде нижчий тиску насичених парів рідини при даній температурі. Ріст бульбашок відбувається за рахунок різниці тисків до і після ГКА: ?Р=(Р_нр+Р_r)-P_з, де Р_нр-тиск насиченого пару рідини при даній температурі, Р_r-тиск розчинених газів в середині бульбашки, P_з-зовнішній тиск в рідині. Перед етапом проектування макетного зразка ГКА, проводиться дослідження основних параметрів апарату на інформаційних моделях. Завдяки тому, що така модель представляє собою структурне відображення сукупності експериментальних залежностей основних параметрів, які одержані в процесі попередніх експериментів, що проводились на макетних зразках ГКА і експериментальних даних, які отримані в процесі дослідження роботи реальних промислових ГКА існує можливість скоротити затрати на проектування макетних зразків. Завдяки використанню інформаційних моделей, при налагодженні кавітаційних режимів, появляється можливість суттєво скоротити процес дослідження режимів роботи ГКА. Засоби інформаційного забезпечення дозволяють автоматизувати процес формування відповідної моделі.

Мазутне паливо у процесі його зберігання піддається старінню, яке приводить до зміни фізико-хімічних властивостей палива, та виділення у ньому твердої фази. Такі зміни в паливі можуть приводити до порушень у системі, що безпосередньо пов'язана з обробкою мазуту та подачею його до спалювання. Наслідками старіння мазуту можуть бути розшарування палива по висоті ємності, випадання осаду, заростання фільтруючих поверхонь, завищене коксування розпилюючих форсунок. Для відновлення фізико-хімічних властивостей палива, останнє оброблялось кавітаторами двічі. Спочатку, на стадії регенерації, обробка здійснювалась періодично шляхом фіксованого числа циклів прокачування палива через ГКА, що створює “жорстке” кавітаційне поле. Число необхідних циклів вибирається на основі моделювання з допомогою інформаційної моделі процесу перетворення речовини.

Оскільки вода для технологічних потреб береться з природного середовища, то вона вміщає досить широкий спектр різних компонент, що різним чином негативно впливають на обладнання, в якому вона використовується і на технологічний процес в цілому. Тому необхідно її очищати. Крім очистки, кавітаційна обробка води приводить до збільшення розчину кисню у воді. Це свідчить про вплив обробки на структуру води. Найбільше, кавітаційна обробка впливає на гетерогенні водні системи, або процеси, які зв'язані з фазовими перетвореннями. Обробка води приводить до різкої зміни поверхневого натягу розчину, відповідно, підвищується її змочуюча здатність, біологічна активність і т.д.

Загальна організація системи управління технологічними процесами виробництва електроенергії приведена на функціональній схемі обміну інформацією в рамках інформаційної моделі управління режимом кавітатора, (рис.3) та підтримки режиму кавітації в процесі виробництва електроенергії

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на основі проведених досліджень вирішена важлива науково-технічна проблема, яка полягає у розробці інформаційної технології аналізу та синтезу автоматизованого проектування та управління фізико-хімічними процесами, що використовують явища кавітації, які ґрунтуються на методах побудови і дослідженнях інформаційних засобів та інформаційних моделей технологічних процесів в енергетиці на підставі розвитку концепції використання інформаційних структур об'єкту управління. При цьому отримано наступні результати.

1. Обґрунтовано на підставі аналізу фізико-хімічних технологічних процесів узагальнені поняття інформаційних структур різних типів, які стали основою для побудови інформаційних моделей технологічних процесів.

2. Розроблено нові структури інформаційних моделей, які дозволяють описувати сукупність взаємозв'язаних технологічних процесів на різних рівнях узагальнення їх відображення, що дозволяє отримувати та аналізувати дані про окремі технологічні процеси з різною мірою їх деталізації та дані про загальний стан системи взаємозв'язаних технологічних процесів.

3. Розроблено нові методи побудови інформаційних образів технологічних процесів, що використовують кавітацію, що дозволило виключити з процесу проектування та впровадження кавітаторів етап експериментальних досліджень, який використовувався для верифікації технічних параметрів гідродинамічних кавітаційних апаратів.

4. Розроблено методи перетворень графічних інформаційних структур, що дозволяє відтворити технологічні образи кавітаційних процесів в фізико-хімічних технологіях, які використовуються при виробництві електроенергії на теплових електростанціях.

5. Розроблено систему правил формування базової множини параметрів інформаційного середовища, що описує технологічні процеси, в яких використовуються явища кавітації, доведена їх несуперечність, завдяки чому існує можливість описувати динаміку функціонування технологічного процесу на основі множини раніше накопичених експериментальних та експлуатаційних даних.

6. Розроблено методи активізації параметрів інформаційних структур технологічних процесів, завдяки чому виникає можливість, з допомогою інформаційних моделей, здійснювати управління технологічними процесами на основі прогнозування змін в технологічному образі з різною мірою упередження розвитку процесу.

7. Вперше розроблено на основі інформаційних технологій технологічні процеси кавітаційної обробки рідких палив перед їх подачею в топки котлів, що дозволило на 25 відсотків зменшити споживання чистого палива при його використанні на теплових електростанціях.

8. Розроблено нові рибозахисні системи на основі використання кавітаційних установок, завдяки чому стало можливим використовувати екологічно безпечні технології захисту риб в водоймищах, з яких проводиться забір води для технологічних потреб.

9. Запропонована нова технологія попередньої кавітаційної обробки технологічної води, що використовується в технологічному процесі виробництва електроенергії, завдяки чому на 30 відсотків знизився рівень заростання теплообмінників в конденсаторних установках.

10. Використання теоретичних досліджень та розроблених інформаційних технологій дозволило знизити рівень екологічних забруднень, що здійснюються димовими газами, які утворюються при згорянні палива, а також знизити забруднення, що здійснюються при випуску відпрацьованої технологічної води в природні водоймища.

11. Розроблено і обґрунтовано процедури синтезу систем управління технологічними процесами, які використовують кавітатори, на основі координаційних стратегій прийняття рішень, які включають наступні компоненти: програмно-командні, ПІД-управління, нечіткі і інтелектуальні процедури класифікації стану об'єкта.

...