Вестник Московского энергетического института (Вестник МЭИ). Теоретический и научно-практический журнал.
Методы спектров токов диэлектрической абсорбции для диагностики состояния силового электротехнического оборудования
Диагностике и мониторингу как наиболее прогрессивным методам повышения эффективности эксплуатируемого энергетического оборудования присущи актуальность и колоссальная востребованность. В сложившейся обстановке в энергетике, когда средний возраст оборудования катастрофически приближается к предельно допустимому, оценка состояния парка силового оборудования превращается в жизненно важную потребность. Практика оценки состояния такого рода оборудования с помощью вычисления значений индексов здоровья HI (Health Index) или технического состояния (ИТС), эксплуатирующая парадигму, в основе которой лежит аксиома, что от 70 до 75% информации о состоянии контролируемого оборудования содержится в масле, имеет ряд существенных ограничений, которые, в первую очередь, связаны с отсутствием достаточного количества исходных данных, являющихся основными носителями информации. К другой причине относят трудности определения значений весовых коэффициентов, требующие непосредственное участие экспертов. Не менее значимы проблемы, связанные с учетом условий эксплуатации и характером работы оборудования. Использование методов и алгоритмов искусственного интеллекта (ИИ), значительно повышающих точность и надежность вычисленных значений HI, приводит к заключению, раскрывающему необходимость «фундаментального сдвига» эксплуатируемой парадигмы. Сделана попытка представить результаты такого рода исследований (оценки состояния сложного энергетического оборудования) при наличии «фундаментального сдвига» парадигмы, с использованием для этого возможности современных методов диэлектрической спектроскопии. Положив в основу методы построения спектра токов диэлектрической абсорбции, удалось исключить перечисленные трудности, в том числе и использование опыта эксперта.
Исследование процесса охлаждения тонких криогенных струй азота и аргона применительно к микроскопии в мягком рентгеновском диапазоне
Создана экспериментальная установка и в ходе экспериментов подтверждена возможность получения криогенных монодисперсных мишеней из жидких струй азота и аргона. Установлено, что стабильный монодисперсный поток мишеней может быть получен до тех пор, пока струя полностью не замёрзнет. Для изучения влияния изменения температуры струи на стабильность капельного потока в программной среде PHOENICS численным методом исследовано изменение с течением времени температуры поверхности и внутренней части жидких струй азота и аргона в зависимости от диаметра струи, скорости, начальной температуры струи и внешнего давления. В соответствии с результатами численных исследований при инжекции тонких жидких струй азота или аргона в область низкого давления струи не успевают сразу замёрзнуть и могут быть разбиты на монодисперсные мишени. Использование таких мишеней в лазерно-плазменных источниках мягкого рентгеновского излучения позволит изучить живые клеточные культуры и различные нанобиообъекты в жидкой среде или в воздухе с предельным разрешением в несколько микрометров.
Эффективность абсорбционных систем охлаждения тригенерационных комплексов
Тригенерационные комплексы существенно экономят энергоресурсы, и их выбор, как правило, экономически обоснован, поэтому изучению тригенерации уделяется много внимания в современных исследованиях. Системы охлаждения названных комплексов существенно влияют на их эффективность. Цель настоящей работы — изучение систем охлаждения в трех тригенерационных комплексах на производствах, использующих технологию высокотемпетурного выдува и формования пластиковой тары с помощью термопластавтоматов. Объекты исследования располагаются в трех разных регионах России. Поставленная цель достигается путем решения следующих задач: оценки эффективности использования топливно-энергетических ресурсов, расчета глубины использования выхлопных газов от генерирующего оборудования, определения теплового коэффициента термодинамических циклов абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин. На основании проведенного исследования сформулированы предложения по повышению эффективности системы охлаждения путем комбинированной утилизации теплоты. Абсорбционные циклы комбинированного типа с двухступенчатой генерацией (тип 2-4) показали прирост эффективности выработки холода на 17…31% с COP = 0,69…0,77 до COP = 0,92…0,94 за счет уменьшения потерь при трансформации тепла и увеличения глубины утилизации бросовой теплоты. Практическая значимость полученного результата состоит в снижении нагрузки на парокомпрессионные холодильные машины, необходимые для выработки холода при пиковых нагрузках, и, соответственно, снижении затрат на первичные энергоресурсы.
Гибридная модель разделения акустических источников на основе глубокой кластеризации
Необходимость решения задачи разделения акустических источников возникает во многих областях и приложениях техники, технологий и цифровой обработки акустических сигналов, таких как разделение звука в музыкальных сигналах, кодирование звука, распознавание речи, автоматическая транскрипция речи и музыки и фильтрация нежелательных звуков. Наибольший интерес представляет локализация одновременно нескольких перекрывающихся источников. Представлена гибридная модель разделения сигналов, полученных с помощью ортогональной микрофонной решетки небольшого размера в замкнутой реверберирующей среде. Предлагаемый подход основан на использовании двунаправленной рекуррентной нейронной сети глубокого обучения. Идеальная бинарная маска, полученная на известных сигналах каждого из источников, участвует в вычислении функции потерь. Функция потерь представляет собой норму Фробениуса между оцененной матрицей близости и целевой матрицей близости. К выходным данным обученной модели на следующем этапе применен алгоритм кластеризации для оценки целевой маски и восстановления сигналов отдельных источников. Модель обучена на трех наборах данных с учетом различных сценариев моделирования, а затем протестирована на коротких акустических сигналах длительностью 500 мс. Модель, обученная с учетом охвата всех возможных местоположений источников в помещении и включения соответствующих импульсных характеристик помещения, показала эффективную способность к обобщению, превосходя ту же модель, обученную с учетом размещения источников в фиксированных местах, достигая улучшения метрик PESQ и STOI на 2,8 и 11,5% и метрик SDR, SIR, SAR — на 3,1; 3,9 и 2,3 дБ, соответственно.
Математическая модель процессов потребления и генерирования реактивной мощности ветроэнергетической установкой при параллельной работе с энергосистемой
Современные ветроэнергетические установки часто создают с асинхронными генераторами, которые являются и потребителями, и источниками реактивной мощности. В связи с этим при исследованиях была поставлена цель — разработать такую математическую модель, которая позволила бы установить компенсируемую реактивную мощность, изменяющуюся в зависимости от поступающей скорости ветра и конструктивных особенностей ветроэнергетической установки. Для ее составления взята модель одномассовой электромеханической системы. Существенное изменение скорости и направления ветра в течение года приводит к возникновению пульсаций активной и реактивной мощностей ветроэнергетических установок с асинхронными двигателями. Пульсации отображены на приведенных осциллограммах для двух случаев: когда средняя скорость ветра близка к 13 и 8 м/с. Разработанная математическая модель процессов потребления и генерирования реактивной мощности учитывает моменты потерь энергии в трансмиссии и генераторе, изменения скорости ветра и напряжения сети, нелинейность параметров генератора и трансформатора. Проведено сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными для ветроэнергетических установок USW56-100. Анализ графических процессов изменения реактивной мощности в одном и том же диапазоне времени позволяет сделать вывод о высокой степени совпадения. Основными факторами, обусловливающими потребление реактивной электроэнергии из электросистемы, являются перенапряжения на составных частях ветроэнергетической установки, нелинейность магнитной цепи генератора, наличие системы защиты, способствующей электромагнитной совместимости
Мировой опыт и перспективы ветровой и солнечной энергетики
Настоящее исследование посвящено мировому опыту развития возобновляемой энергетики, свидетельствующему, что в 2022 г. глобальная установленная мощность возобновляемой энергетики достигла 3372 ГВт, и наблюдался самый большой на сегодняшний день рост ее мощности — в мировом масштабе было добавлено почти 295 ГВт мощностей на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), что увеличило глобальную мощность возобновляемой энергетики на 9,6% и обеспечило беспрецедентные 83% ее глобального прироста, в основном, благодаря росту генерации на основе солнечной и ветровой энергии. Проанализированы экономические и технологические проблемы, связанные с увеличением доли генерации на основе ВИЭ в энергосистемах. Цена на сырье, используемое в солнечных панелях и ветряных турбинах, увеличилась за последний год. Повсеместное использование возобновляемых источников энергии требует ввода дополнительных балансирующих мощностей и аккумуляторов энергии, строительства высоковольтных линий электропередачи на большие расстояния, а также более тесных межсистемных связей, чтобы справиться с дисбалансом между генерацией и нагрузкой.
Солнечная панель, сенсибилизированная органическим красителем
Цель настоящей работы — получение экспериментального образца фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) третьего поколения — солнечной панели, сенсибилизированной красителем. Методология проведения работы включает в себя анализ информационных источников по представленной тематике, синтез основных компонентов солнечной панели с применением органического красителя, извлеченного из ягод малины, изготовление экспериментального образца на их основе и проведение экспериментов по определению его характеристик. Для успешного достижения поставленной цели использован междисциплинарный подход, включающий исследования, связанные с областями физики, химии и инженерного дела. В результате выполнения научной работы синтезирован опытный образец солнечной панели третьего поколения, успешно реагирующий на изменение величины внешней освещенности, построена его вольт-амперная характеристика (ВАХ), а также рассчитаны значения максимальной мощности и КПД при определенных условиях. Полученные результаты могут быть использованы для создания инновационных высокоэффективных образцов ФЭП. Установлено, что подобные солнечные панели на основе органических красителей показывают пока относительно низкие величины КПД, однако, ввиду своей доступности и дешевизны технологии, их производство открывает широкие возможности для исследований, совершенствования методологии, а также дальнейшего развития солнечной энергетики.
Применение тензиометрического метода для определения содержания мазута в технических и природных водах
Исследование посвящено изучению потенциальных возможностей тензиометрического метода для эффективного и оперативного выявления присутствия мазута в теплоносителе и природных водах объектов энергетики. Важность мониторинга обусловлена широким распространением мазута как основного или резервного топлива на тепловых электрических станциях и котельных, где его использование связано с риском непредвиденного попадания в рабочие среды и окружающую среду. Проведен анализ методов определения нефтепродуктов, применяемых в энергетике: гравиметрического, ИК-спектрофотометрии, флуориметрического, газовой хроматографии и хромато-масс-спектрометрии, органолептического. Каждый из перечисленных методов имеет ряд недостатков: трудоемкость процедуры, потребность в квалифицированном персонале, дороговизна оборудования, токсичность используемых реагентов, невозможность автоматизации процесса измерения. Следовательно, возникла необходимость в разработке простого и экономически оправданного метода. Проведены экспериментальные исследования методом Вильгельми, включающие измерения тензометрическим анализатором жидкости ПАЖТ-1 поверхностного натяжения воды при добавлении мазута. Установлено наличие прямой зависимости между уменьшением поверхностного натяжения и концентрацией мазута, причем рост температуры повышает чувствительность метода. Полученные результаты открывают перспективы для оперативной диагностики загрязнения в энергетике. Показана возможность получения калибровочных кривых для выявления минимальных следов мазута, что подтверждает целесообразность внедрения тензиометрии в процесс технологического контроля электростанций.
Вопросы электробезопасности при применении электропроводящего железобетона в фундаментах опор контактной сети переменного тока
Существующие системы заземления опор контактной сети требуют постоянного контроля и обслуживания. Проблемная зона — искровые промежутки, газоразрядные приборы защиты, узлы крепления эксплуатационного заземляющего спуска к рельсу и пр. Для решения проблемы разработан специальный электропроводящий бетон для фундамента металлических опор, применение которого исключает необходимость наличия проблемных узлов. Рассмотрены вопросы электробезопасности при применении электропроводящего железобетона в фундаментах опор контактной сети в зависимости от расстояния до тяговой подстанции, сопротивления верхнего слоя земли, варианта прикосновения человека к опоре и влажности окружающей среды. Исследование проведено на основе теоретических и практических данных об электропроводящем бетоне с помощью специального программного комплекса имитационного моделирования по прикосновению человека к опоре, находящейся под потенциалом контактной сети переменного тока. Спроектирована схема замещения, смоделирован процесс контакта человека с металлической опорой, находящейся под потенциалом 27,5 кВ, а также получены результаты условий электробезопасности предлагаемого решения и построены зависимости протекающего тока через тело человека и напряжения прикосновения от расстояния до тяговой подстанции, сопротивления верхнего слоя земли, варианта прикосновения человека к опоре и от влажности окружающей среды. Результаты работы могут быть использованы для создания фундаментов металлических опор из электропроводящего железобетона, используемых в области железнодорожного электроснабжения, что даёт возможность применения их в качестве естественных заземлителей, повысит надёжность за счёт уменьшения эксплуатационных издержек, а также безопасность работ на путях. Результаты исследования показали соответствие условиям электробезопасности при применении электропроводящего железобетона в фундаментах опор контактной сети.
Многоуровневый силовой полупроводниковый стабилизатор напряжения и частоты асинхронного генератора на основе H-мостов
Исследовано применение многоуровневого инвертора напряжения на базе H-мостового преобразователя для стабилизации частоты и амплитуды напряжения асинхронного генератора (АГ) с короткозамкнутым ротором при работе на автономную нагрузку. Преобразователь реализован на полностью управляемых ключах, что позволяет ему регулировать активную и реактивную мощности емкостного и индуктивного характеров. Применение H-мостового преобразователя даст возможность снизить уровень напряжения на шине постоянного тока по сравнению с традиционным инвертором напряжения. Предложенная система управления реализована на основе dq-преобразования с использованием ПИ-регулятора с управлением по напряжению на шине АГ. Разработана компьютерная модель инвертора напряжения и система управления для трехуровневого H-мостового преобразователя при номинальной мощности, при работе в режимах пониженной и повышенной мощностей АГ, а также изменении скорости ветра на ветротурбине. Результаты моделирования демонстрируют эффективность работы созданной системы управления для инвертора напряжения на базе H-мостового преобразователя
Синтез алгоритмов автоматического управления системами теплоснабжения с использование модели теплового баланса
Цель настоящего исследования – изучение возможности применения дополнительных стохастических методов и прогнозирования спроса в автоматизированных системах управления с целью повышения их эффективности В качестве стохастического метода использован анализ статистических архивных данных по теплопотреблению исследуемого объекта и климатических данных в месте расположения данного объекта с применением упрощенной искусственной нейронной сети. Проведенные численные эксперименты на основании 675-ти уникальных типов конфигураций искусственной нейронной сети позволяют сделать вывод об оптимальных параметрах по критерию наименьшей среднеквадратичной ошибки для применения на данном исследуемом объекте. По итогам тестирования и обработки результатов получены зависимости спрогнозированного количества теплоты, которое может потреблять исследуемый объект. Проведено сравнение вычисленных данных с результатами прогнозирования, полученными детерминированным методом анализа и реальными данными о теплопотреблении объекта за рассматриваемый период. Выполнено формирование «идеализированной» кривой разгона, описывающей объект, и графика переходного процесса. Применение разработанной методологии на примере уточнения настойки теплового пункта здания высшего учебного заведения в г. Москве позволяет достичь рассчитанного эффекта в 11,60% относительно теплопотребления объекта без изменения настроек ПИД-регулятора. Также можно применять данную методику на различных объектах инфраструктуры и жилого фонда г. Москвы с целью повышения эффективности автоматизированных систем управления системами теплоснабжения
Исследование режимов работы турбин, использующих конструкцию противовращения каскадов
Одна из ключевых задач, которая стоит перед инженерами в процессе проектирования турбин, заключается в повышении внутреннего коэффициента полезного действия агрегата турбины. Как правило, такие задачи решаются путем увеличения температуры газа перед турбиной, совершенствования систем охлаждения и материалов, из которых она изготавливается. Однако, ввиду высокой степени совершенства современных энергетических установок, приращение КПД такими методами даже на считанные проценты оборачивается огромными капиталовложениями. Так, каждую декаду медианное значение коэффициента полезного действия актуальных ГТУ увеличивается в среднем на 2,9%. В связи с этим, особо перспективными можно считать иные конструктивные схемы турбин, в частности, — конструкции с противоврашением каскадов турбокомпрессора (или биротативности турбокомпрессора). Исследована целесообразность применения технологии противовращения каскадов турбин на примере авиационных газотурбинных двигателей. Проведены оптимизационные расчеты квазидвумерных математических моделей течения потока газа внутри проточной части турбины трех схем исполнения для двух разных классов газотурбинных двигателей. По полученным данным построены следующие графики зависимостей различных видов коэффициента полезного действия: от степени реактивности и от угла входа потока в исследуемую ступень. По полученным данным сделаны следующие выводы. Применение технологии противовращения каскадов без направляющего аппарата в составе многоступенчатой турбины ведет к незначительному снижению коэффициента полезного действия (на 0,5%), однако фиксируется достаточно существенное снижение массы и габаритов турбины (на 5%). Для турбины с малым количеством ступеней применение схемы биротативной турбины с направляющим аппаратом первой ступени противовращающегося каскада может увеличить коэффициент полезного действия турбины на 2% с уменьшением количества лопаток в первой противовращающейся ступени на 21%. Полученные данные могут быть полезны при проектировании перспективных турбин как наземного, так и авиационного типов на этапах эскизного проектирования и выбора конструктивной схемы изделия.
Исследование спектральных характеристик комбинированной облучательной установки
Выполнен анализ результатов исследования влияния оптического излучения на развитие и рост птицы. На его основе был осуществлен выбор источников излучения для проектирования комбинированной облучательной установки для облучения птицы. Проведены исследования спектральных характеристик спроектированной установки. Измерения светотехнических характеристик лампы типа КГ 220-230-300 и светодиодного модуля проходили в ЦКП «Светотехническая метрология» института электроники и светотехники на фотоколориметрической измерительной установке, предназначенной для измерения светового потока, коррелированной цветовой температуры, координат цветности в системах XYZ. Измерение спектра излучения лампы ЛЭ 15А и ДБ 15 проведено с помощью высокочувствительного спектрорадиометра OL770UV/VIS. Даны рекомендации по использованию разработанной облучательной установки
К юбилею Наталии Константиновны Морозовой
Термодинамический анализ доменного производства металлургического комбината
Проведен термодинамический анализ различных схемных решений очистки доменного газа при использовании газовой утилизационной бескомпрессорной турбиной (ГУБТ). Рассмотрены мокрая схема на холодном и подогретом доменных газах, сухая схема, включающая испарительный скруббер. С помощью разработанных и апробированных методик расчета влажного насыщенного доменного газа и процесса расширения газа в ГУБТ определены параметры различных энергоносителей, участвующих в технологических процессах доменного производства. Представлены результаты расчетов расхода первичных и вторичных энергоресурсов в доменной печи, воздушных подогревателях дутья, агрегатах теплоэлектроцентрали комбината. Проведена оценка величины энергопотребления различных установок, установлены потоки эксергии доменного газа, пара, уходящих газов производства. Составлены материальный, энергетический (тепловой) и эксергетический балансы. По результатам создания материального баланса получены значения расходов сырья, топлива, воздуха на производство, а также выхода чугуна. Энергетический баланс выведен на основе расчета потоков физической и химической энергии отдельных энергоресурсов и материалов. При составлении эксергетического баланса учтены потери от необратимости процессов горения и теплоотдачи в окружающую среду. После определения балансов проведено сравнение мокрых схем с предлагаемым вариантом сухой очистки по термодинамической эффективности. Найден эксергетический КПД производства. Представлены результаты, доказывающие высокий потенциал сухой очистки доменного газа в схеме с ГУБТ как эффективной альтернативы высокозатратной традиционной мокрой схеме.
Численное моделирование газодинамики и массообмена в камере приготовления азотного защитного газа
Рассмотрена модель камеры смешения, предназначенной для обеспечения технологических процессов металлургического производства слабовосстановительной смесью газов N₂ + 2–5% H₂. Представлена геометрия станции смешения, разработаны физическая модель и математическое описание для расчёта распределений скоростей и давления газового потока, концентрации азота в камере смешения и на выходе в основной трубопровод после смешения потоков. Результаты численного моделирования проанализированы при изменении входных параметров газов (расхода, концентрации) с целью достижения равномерного распределения водорода и азота в смеси, требуемых скоростей и давления на выходе. Определены оптимальные режимы вдува газов для достижения равномерной концентрации на выходе из камеры смешения, что позволит сохранить необходимые свойства холоднопрокатной стали после ее отжига.
Оценка распределения радиолитического водорода в парогазовом объеме реактора ВВЭР-1000
Рассмотрена задача расчетного моделирования выхода и накопления радиолитического водорода в парогазовом объеме корпуса реактора в течение планово-предупредительного ремонта. На основе расчетной оценки выхода водорода с поверхности теплоносителя, моделирования массопереноса водорода и кислорода, поступающего из разгерметизированных чехлов средств управления и защиты, проведен анализ безопасности с точки зрения образования взрывоопасных концентраций водородо-кислородной смеси. Исходя из проведенных расчетов, оценено время накопления водорода и кислорода в объеме реактора до концентраций, обусловливающих превышение порога воспламенения водородо-кислородной смеси. Предложенная расчетная методика и полученные оценки могут быть использованы для дальнейших расчетов и анализа при обосновании мер по удалению водорода из объема корпуса реактора для обеспечения его безопасной эксплуатации.
Оценка влияния паровой пленки на перемешивание расплава с водой при их первоначально стратифицированной конфигурации
Выполнен линейный анализ устойчивости трехслойной стратифицированной гидродинамической системы вода (сверху) — пар — расплав (снизу). Сформулированы кинематические и динамические условия на поверхностях раздела вода — пар и пар — расплав, и на их основе получено дисперсионное уравнение, связывающее круговую частоту возмущений с волновым числом. Анализ данного уравнения позволил определить область неустойчивости указанной системы и найти волновое число самой быстрорастущей гармоники. Полученные результаты применены для оценки размера пузырьков, образующихся на поверхности раздела пара и воды вследствие развития неустойчивости Рэлея–Тейлора. Полученные теоретические результаты соответствуют экспериментальным наблюдениям в подобных системах. Оценены высоты выбросов капель расплава в воду вследствие коллапса образующегося парового пузырька. Полученные значения показывают возможность формирования области перемешанной смеси расплава с водой при растекании расплава под слоем воды, в которой может произойти сильный паровой взрыв.
Оценка качества кластеризации на основе вероятностей соответствий
Предложен метод оценки точности кластеризации по предсказанной и истинной кластеризациям. Последняя получена в результате ручной разметки исходных, подлежащих кластеризации данных. Суть метода заключается в том, чтобы каждую метку предсказанной кластеризации можно было заменить на метку истинной кластеризации и затем вычислить точность кластеризации как частное от деления общего числа точных предсказаний на общее число предсказаний. Заменяющая метка берется в результате случайного выбора из общего числа меток, равного числу кластеров, с использованием вероятностей соответствий предсказанных и истинных меток. В общем случае предсказанный кластер содержит экземпляры данных разных истинных кластеров и, следовательно, одной предсказанной метке соответствуют несколько истинных. Вероятность соответствия предсказанной и истинной меток определяется как частное от деления количества экземпляров данных с истинной меткой, присутствующих в предсказанном кластере, на общее число экземпляров данных в этом кластере. Приведены алгоритмы вычисления точности кластеризации на основе вероятностей соответствий и экспериментальные оценки точности кластеризации наборов данных MNIST и Iris. Алгоритм кластеризации — KMeans.
Параллельная реализация метода опорных векторов в моделях с общей и распределённой памятью
В настоящее время метод опорных векторов (англ. Support Vector Machine, SVM), предложенный советскими математиками В.Н. Вапником и А.Я. Червоненкисом, является одним из самых популярных алгоритмов бинарной классификации данных. Для использования бинарных алгоритмов в задаче классификации существуют два подхода: One-vs-all (OVA) и One-vs-one (OVO). Суть OVA состоит в том, что бинарные классификаторы строятся по числу классов, и все классификаторы обучаются различать каждый класс от остальных. В OVO создается отдельный классификатор для каждой пары классов. OVO лучше справляется с несбалансированными данными и точнее разделяет классы, но у него есть недостаток — квадратичная зависимость числа классификаторов от количества классов. Следовательно, очень важно иметь программные решения, которые позволят максимально использовать возможности вычислительной системы. Рассмотрена проблема распараллеливания метода опорных векторов в моделях вычислений моделях с общей и распределенной памятью с использованием технологий параллельного программирования OpenMP, oneTBB и MPI. Анализируемая задача актуальна для создания высокопроизводительных информационных систем (ИС) управления технологическими процессами, в частности, интеллектуальных систем поддержки принятия решений реального времени (ИСППР РВ). Результаты работы свидетельствуют о высокой эффективности использования модели вычислений с распределенной памятью и технологии MPI для реализации модификации метода OVO–SVM.