Архивы за месяц Август, 2011

Физико-техническое обоснование перспективных энергоустановок не­большой мощности на твердом топливе.

.

Разработка моделей и методов для прогнозирования перспективных показателей эффективности энергетических процессов невозможна без их постоянной полномасштабной апробации на реаль­ных технологиях и установках. В последние годы объектом для отладки и приме­нения предлагаемых подходов стали малотоннажные технологии сжигания и пе­реработки твердых топлив. Интерес к технологиям этого класса, имеющим еди­ничную мощность установок не более 1 МВт(т), обусловлен развитием распреде­ленной генерации энергии как новой парадигмы в развитии энергетики. Широкое применение небольших высокоэффективных установок с высокой степенью авто­матизации производственных процессов позволяет существенно сократить затра­ты на транспорт топлива и вовлечь в энергетический баланс страны и регионов огромные ресурсы низкосортных твердых топлив.

Одним из объектов исследования стали технологии получения силового ге­нераторного газа [122]. Современные технико-экономические характеристики технологий и ограничения физико-химического характера, обуславливающие вы­сокую стоимость и недостаточную эксплуатационную надежность соответствую­щих установок, не позволяют им конкурировать с установками аналогичного диа­пазона мощности, использующими дорогое качественное топливо, такое как диз- топливо и природный газ. Другим объектом детального исследования являются водогрейные слоевые котлы малой мощности. В этих исследованиях нашли прак­тическое использование модели экстремальных промежуточных состояний, опи­санные выше.

С использованием МЭПС выполнен термодинамический анализ режимов па­ровоздушной газификации древесного топлива в широком диапазоне условий проведения процесса. Рассмотренный диапазон условий охватил как режимы су­ществующих в мире газогенераторных установок, так и перспективные, еще не реализованные на практике. Показано, что режимы, представляющие практиче­ский интерес, располагаются в относительно узкой области пространства условий реакции. При этом реализованные в действующих установках режимы группиру­ются лишь в небольшой части этой области. Анализ численных решений позво­лил впервые дать строгое термодинамическое объяснение низкой устойчивости состава генераторного газа по ходу процесса газификации, составляющее пробле­му в технологиях силовой газификации и влекущее увеличение стоимости уста­новок. Дело в том, что в области допустимых режимов адиабатическая темпера­тура процесса претерпевает резкий рост с увеличением количества окислителя в системе. Таким образом, небольшие вариации качества топлива или параметров дутья могут приводить к резкому изменению термического режима процесса и, соответственно, существенным колебаниям состава получаемого синтез-газа и его калорийности. Из полученных расчетных данных следует, что повышение качест­ва синтез-газа и улучшение эксплуатационных характеристик технологий силовой газификации возможно путем перехода в область ранее не исследованных пара­метров реакции газификации. Некоторые результаты термодинамических расче­тов, полученные с помощью МЭПС, проиллюстрированы на рис.2.

Натурная апробация режимов паровоздушной газификации выполняется с использованием экспериментального стенда, созданного в ИСЭМ СО РАН. В ре­зультате экспериментальной проверки показано неплохое соответствие результа­тов теоретической модели (модификация МЭПС) измеренным характеристикам процесса газификации. В частности, нашла подтверждение гипотеза об одном из возможных способов существенной форсировки процесса. В перспективе это обещает снижение габаритов и металлоемкости устройства, однако разработка та­кого устройства является предметом самостоятельных НИОКР.

Термодинамический анализ перспективных технологий и их воздействия на окружающую среду.

Получение прогнозных показателей эффективности про­цессов преобразования энергии сталкивается с проблемой корректного численно­го описания физико-химических превращений, характеризующихся высокой сте­пенью неравновесности и необратимости. В силу сложности этой про­блемы развитие энергетической техники во многом основано на применении эм­пирических подходов, требующих обширных и дорогостоящих натурных и экспе­риментальных работ. Альтернативным способом прогнозирования характеристик технологий является моделирование экстремальных промежуточных состояний в физико-химических системах. Данный подход основан на распространении принципов классической равновесной термодинамики на полное множество со­стояний, в которых может оказаться физико-химическая система при релаксации к состоянию конечного равновесия. Особенностью такого подхода является принципиальная возможность описания процессов, целевые продукты которых образуются на промежуточных стадиях превращения.

Модель экстремальных промежуточных состояний (МЭПС) позволяет оты­скивать термодинамически достижимые состояния, характеризующиеся макси­мальным значением свойства, интересующего исследователя: максимальные или минимальные выходы целевых или побочных продуктов превращения, макси­мальные тепловые эффекты и т.д. Сопоставление полученных таким образом пре­дельных характеристик с показателями существующих технологий позволяет как оценить потенциал совершенствования технологий данного типа, так и наметить рациональные способы воздействия на процесс, обеспечивающие улучшение его целевых характеристик.

В последние годы развиты новые модификации МЭПС, направленные на создание принципиально новой технологии построения прогнозных моделей фи­зико-химических процессов. Новые модификации МЭПС позволили в рамках единого термодинамического описания формализованно учесть ограничения на скорости химических превращений и процессов переноса.

Теоретическое обоснование допустимости и целесообразности включения в МЭПС ограничений на неравновесную и необратимую макроскопическую кине­тику, в свою очередь, потребовало выполнения нескольких самостоятельных ис­следований. Так, были проанализированы примеры равновесных описаний прин­ципиально необратимых процессов (горения; взрыва; излучения, поглощения и распространения света; диффузии; опалесценции), сделанные классиками физики — Гиббсом, Планком, Эйнштейном и другими. Исследованы трактовки понятий равновесных и обратимых процессов, предложенные А.II. Горбанем и И.В. Кар- линым в 2000-2001 гг. и основанные на объяснениях парадокса Больцмана супру­гами Эренфест. Сделан вывод о том, что определение Горбанем и Карл иным рав­новесных процессов как необратимых с точки зрения их внутренней природы мо­жет служить основой для обоснования равновесных описаний различных необра­тимых явлений. Сопоставлены возможности и погрешности анализа необратимых явлений методами равновесной и неравновесной термодинамик. В результате да­на интерпретация теоремы Пригожина непосредственно на основе второго закона термодинамики без использования предпосылок о симметрии кинетических ко­эффициентов и линейности дифференциальных уравнений кинетики. Показано, что использование равновесного описания при решении прикладных задач боль­шой размерности существенно упрощает подготовку исходной информации и от­личается простотой математического аппарата. В частности, не требуется знать полный механизм изучаемого процесса, а дифференциальные уравнения заменя­ются алгебраическими и трансцендентными. Помимо этого, рассмотрена эффек­тивность равновесных аппроксимаций в случаях, когда строгое сведение неравно­весных и необратимых явлений к равновесиям невозможно.

При формулировке новых модификаций МЭПС предложены два подхода к исключению из модели переменной времени, в том числе: 1) замена в уравнениях движения искомых параметров потенциалами и подстановка полученных формул в выражение характеристической термодинамической функции; и 2) непосредст­венное использование правых частей представленных в «автономной форме» дифференциальных уравнений движения. Наиболее перспективным оказался вто­рой подход, отличающийся простотой его реализации. Кроме того, предложен еще один оригинальный способ «чисто термодинамической» записи ограничений на скорости реакций, лимитирующих результаты суммарного процесса, заклю­чающийся в выражении констант равновесия этих реакций через их стехиометри- ческие коэффициенты.

Исследованные способы учета ограничений на макроскопическую кинетику в термодинамических моделях реализованы в следующих модификациях МЭПС:

-     образования вредных веществ при сжигании органических топлив и, в ча­стности, с одновременной записью ограничений на образование термических, то­пливных и быстрых оксидов азота;

-      шлакования поверхностей нагрева в факельных топках;

- фазовых переходов в атмосфере, сопровождающихся образованием раство­ров поллютантов на влажной поверхности аэрозолей при ограничениях на радиу­сы последних;

-нестационарного потокораспределения в многоконтурных гидравлических системах.

Для реализации перечисленных моделей развиты соответствующие вычисли­тельные методы и алгоритмы [121]. Они основаны на возможности сведения ре­шаемых задач к одноэкстремальным задачам выпуклого программирования. Све­дение достигается путем линеаризации предлагаемых систем ограничений. Пред­ложенные модификации МЭПС и вычислительные методы реализованы в виде вычислительной системы ТЕОДОР (акроним от «термодинамическое обоснование достижимости равновесий»). Вычислительная система использует мета-язык, обеспечивающий как выполнение многовариантных и взаимосвязанных расчетов непосредственно исследователем, так и программную совместимость с внешними модулями. Достоинством ТЕОДОР является ее открытость, возможность добав­ления физико-математических моделей, учитывающих специфику изучаемого объекта. Эти модели могут записываться на любом известном исследователю языке программирования.

Модели и методы для прогнозирования развития энергетических технологий

Актуальность прогнозных технологических исследований в энергетике обу­словлена, во-первых, важным местом энергетики в обеспечении поступательного социально-экономического развития страны, во-вторых, определяющей ролью научно-технического прогресса (НТП) в развитии самой энергетики и, в-третьих, резкими изменениями условий финансирования и государственного управления НТП в энергетике при переходе к рыночным формам хозяйствования.

Наблюдаемый в мире рост научного интереса к проблемам НТП в энергетике связан, с одной стороны, с постоянными и значительными изменениями во «внешней среде» (социальной, экономической, природной), предъявляющими но­вые требования к энергетике, и, с другой, с ускорением НТП в смежных областях экономики, что неизбежно сказывается на развитии энергетических технологий. Ответная реакция энергетики проявляется, прежде всего, через иннова­ционную деятельность — разработку и внедрение новых технологий и энергоноси­телей, востребованных рынком. В силу известных причин целесообразно сделать данный процесс управляемым.

Долгосрочное прогнозирование развития энергетики решает две важные про­блемы: (1) своевременное выявление тенденций в изменении внешних (для энер­гетики региона, страны, мира) условий, в особенности, неблагоприятных, к кото­рым нужно готовиться заранее, и количественная оценка соответствующих по­следствий (в т.ч. отдаленных) принимаемых решений; и (2) заблаговременная подготовка рекомендаций по адекватной реакции энергетики на эти воздействия с учетом большой инерционности в разработке новой энергетической техники. По­скольку НИОКР в энергетике в силу специфики энергетической техники являются длительными и дорогостоящими, закономерна постановка задачи о рациональном расходовании ресурсов на эти цели. Для этого надо иметь ясное представление о том, какие технологии, когда, где и в каком объеме потребуются.

Обоснование на современном уровне направлений НТП в энергетике требует серьезной научной поддержки в виде соответствующих методов и моделей. Не­сколько подходов к решению задачи развиваются в ИСЭМ СО РАН в настоящее время. Они основаны на применении оригинальной методологии и инструментов прогнозных технологических исследований в энергетике, предложенных в 1980-х гг. Л.С.Беляевым, Б.М.Кагановичем и С.П.Филипповым. В данном раз­деле излагаются некоторые результаты исследований, выполненных в последние годы и направленных на разработку адекватных моделей и методов.

СИСТЕМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АКТУАЛЬНЫХ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГЕТИКИ

К началу XXI века энергетика развитых стран мира, в том числе России, дос­тигла существенного количественного роста, в результате которого во многих странах сформировалась развитая энергетическая инфраструктура на базе систем нефте-, газо-, угле-, электро- и теплоснабжения, обеспечивающая надежное и ка­чественное энергоснабжение отраслей экономики и населения. В то же время на рубеже веков в энергетике наметился ряд радикальных изменений, связанных с существенным повышением эффективности традиционных и появлением новых энергетических технологий, которые к середине XXI могут принципиальным об­разом изменить структуру систем энергетики и их свойства. Эти тенденции на­кладываются на происходящие сейчас процессы глобализации и либерализации в энергетических отраслях. Все сказанное требует пересмотра методических основ комплексного обоснования развития энергетики и энергоэффективных техноло­гий, управления системами энергетики, а также разработки основополагающих положений энергетической политики России и ее регионов и механизмов реали­зации этой политики.

Системные исследования актуальных проблем энергетики с учетом изложен­ных аспектов развиваются в Институте систем энергетики им. Л.А.Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН по следующим двум научным направлениям:

  • Теория создания энергетических систем, комплексов и установок и управ­ления ими;
  • Научные основы и механизмы реализации энергетической политики Рос­сии и ее регионов.

В данной главе излагаются основные результаты ИСЭМ СО РАН, получен­ные в последние годы в указанных двух научных направлениях. Эти результаты связаны с системными исследованиями эффективных энергетических технологий и установок, изучением свойств систем энергетики и совершенствованием управ­ления ими, анализом проблем энергетической безопасности России, исследовани­ем взаимосвязей топливно-энергетического комплекса (ТЭК) и экономики, фор­мированием энергетической политики на востоке России, развитием математиче­ских методов и информационных технологий для системных исследований акту­альных проблем энергетики.