1 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» Кафедра «Тепловые энергетические установки» (наименование) СИМУЛЯТОРЫ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ ЭНЕРЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплинам: «Турбины тепловых и атомных электростанций», «Специальные компьютерные технологии в энергетике» основной образовательной программы подготовки бакалавров по направлению 13.03.01 – «Теплоэнергетика и теплотехника». «Компьютерные технологии в науке» основной образовательной программы подготовки магистров по направлению 13.04.01 – «Теплоэнергетика и теплотехника». «Специальные технологии проектирования транспортных и транспортно-технологических машин и оборудования» основной образовательной программы подготовки бакалавров по направлению 23.03.03 – «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов». Комсомольск-на-Амуре 2016 2 УДК 519.6 Попов, А. Ю. Симуляторы тепловых схем энергетического оборудования : методические указания по выполнению лабораторных работ / А. Ю. Попов. – Комсомольск-на-Амуре, ФГБОУ ВО «КнАГТУ», 2016. – 19 с. Рецензент … Редактор … _________________________________________________________ Подписано в печать … Формат Редакционно-издательский отдел Федерального государственного бюджетного учреждения высшего образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27. Полиграфическая лаборатория Федерального государственного бюджетного учреждения высшего образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27. 3 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 4 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ .................................................................................... 4 2. ОСНОВЫ РАБОТЫ В СИСТЕМЕ ХАЙСИС ............................................ 5 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ .............................................................. 10 3.1. Меню Файл ............................................................................................... 10 3.2. Диспетчер базиса ..................................................................................... 11 3.3. Пример задания материального потока ................................................. 14 3.4. Пример добавления операции ................................................................ 16 4. СИМУЛЯТОРЫ .......................................................................................... 18 4.1. Газотурбинный двигатель ГТД 15 ......................................................... 19 4.2. Паротурбинный цикл Ренкина ............................................................... 19 4.3. Двух-компрессорный газотурбинный двигатель мощностью 12 МВт ........................................................................................... 20 5. ТРЕНАЖЕРЫ .............................................................................................. 20 5.1. Паротурбинный цикл со смешивающим подогревателем питательной воды .............................................................................................. 21 5.2. Паротурбинный цикл с промежуточным перегревом пара ................. 21 5.3. Газотурбинный двигатель с регенеративным подогревателем ........... 22 4 ВВЕДЕНИЕ Моделирование элементов и построение на их основе тепловых схем в теплоэнергетике позволяют проводить оценку их эффективности, оценку влияния независимых параметров энергоносителя на зависимые параметры. Математические модели применяют как симуляторы и тренажёры для обучения студентов особенностям работы элементов теплотехнического оборудования и тепловых схем в целом. Данные методические указания предназначены для изучения основ моделирования тепловых схем в системе ХАЙСИС (HYSYS), а также основ создания и принципов работы в среде виртуальных тренажёров и симуляторов паротурбинных и газотурбинных двигателей. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Программы семейства ХАЙСИС разрабатывались на основании тщательно продуманной концепции о том, как должно быть организовано математическое обеспечение для технологических расчётов. Концептуальные представления привели к необходимости разработать инструмент, который обладал бы следующими качествами: • интегрированная расчётная среда; • интуитивное и интерактивное моделирование; • открытая и расширяемая архитектура. В своей работе специалист не может быть ограничен каким либо одним программным средством. Как правило, результаты, полученные с помощью одной программы, передаются в другую, где к ним добавляется специфическая информация и т.д. В лучшем случае должен существовать механизм для такой передачи информации, в худшем случае информацию приходится вводить повторно, теряя время и рискуя совершить ошибки. В любом случае может оказаться, что информация, которую получили во второй программе, заставит пересмотреть решения, принятые ранее при работе с первой программой, и процесс может оказаться итерационным... В интегрированной расчётной среде ХАЙСИС все необходимые программы работают в единой системе, что позволяет избежать описанного выше процесса "проб и ошибок". Программа ХАЙСИС использует всю мощь объектноориентированного подхода к программированию и событийноориентированной графической среды, чтобы предоставить разработчику полностью интерактивную моделирующую среду, в которой: • вычисления проводятся автоматически, как только оказывается задан или рассчитан соответствующий объем исходных данных; • доступ пользователя к нужной информации никак не ограничивает- 5 ся. В любое время, находясь в любой точке схемы, можно осуществить доступ к любой информации, даже если процесс проведения расчёта ещё не окончен. Как только новая информация оказывается доступной программе (она может быть рассчитана или задана пользователем), эта информация немедленно передаётся программой во все экраны, где ее присутствие предусмотрено. 2. ОСНОВЫ РАБОТЫ В СИСТЕМЕ ХАЙСИС При работе с программой можно пользоваться одним из четырёх имеющихся интерфейсов: • Графическая среда (PFD) – содержит графическое представление рассчитываемой схемы, показывает топологические связи между схемными объектами. При необходимости в любое время для любого потока или оператора схемы можно вывести на экран значения технологических параметров. Графическая среда с разработанным тренажёра тепловой схемы паротурбинного цикла Ренкина представлена на рис. 2.1. Рис. 2.1. Графическая среда (PFD) с тренажёром паротурбинного цикла Ренкина 6 • Рабочая тетрадь (Workbook) – окно, в котором информация, описывающая технологические объекты, представлена в виде таблиц. Пользователь имеет возможность создать отдельную страницу для каждого типа объектов: потоков, сепараторов, труб, регуляторов и т.д. На каждой из этих страниц можно выводить информацию с разной степенью детализации (см. рис. 2.2). Рис. 2.2. Окно рабочей тетради (Workbook) • Специализированное окно (Property View) – окно, содержащее набор страниц, описывающих данный объект – оператор или поток. Специализированное окно потока представлено на рис. 2.3. Рис. 2.3. Специализированное окно потока 7 • Сводка (Summary) – выводятся все установленные операторы и потоки. • «Палитра» объектов – содержит объекты, компоненты, потоки и связанные с ними специализированные операции. Слово «объект» в ХАЙСИС используется для обозначения отдельной операции и потока. Информацию, связанную с объектом, можно получить различными способами (рабочая тетрадь, графический экран, специализированное окно, графики и т.д.). Процедура инспекции объекта (щелчок правой кнопкой мыши) является важным инструментом доступа к информации об объекте. Изображение объекта в графическом экране PFD связано с соответствующими командами, относящимися к объекту (печать, прямой доступ к специализированному окну и т.д.). Любое количество элементы интерфейса ХАЙСИС можно открыть одновременно. Независимо от того, где пользователь находится в данный момент – задаёт ли информацию или устанавливает новый поток – информация автоматически передаётся всем элементам интерфейса рабочего стола программы (см. рис. 2.4). Рис. 2.4. Интерфейс рабочего стола программы ХАЙСИС 8 Кнопки, расположенные в панели инструментов, позволяют сразу выполнять наиболее часто встречающиеся команды. В табл. 2.1 приведен перечень кнопок, которые встречаются в разных вариантах конфигурации панели инструментов. Таблица 2.1 Кнопки панели инструментов 9 «Специализированное окно» состоит из нескольких страниц, каждая из которых отображает те или иные свойства объекта, к которому относится специализированное окно. По умолчанию специализированное окно модальное (описание модальных окон приведено ниже), но щелкнув по «шпильке», его легко превратить в немодальное. Все специализированные окна имеют одну структуру. Доступ к страницам осуществляется с помощью закладок. Перемещаться по страницам окна можно с помощью мыши, выбрав имя закладки. Закладки В каждом специализированном окне имеется четыре или пять закладок, с помощью которых группируются страницы, описывающие различные аспекты объекта. Имена закладок выводятся внизу окна (см. рис. 2.5). Рис. 2.5 Закладки объекта Страницы Как правило, с помощью одной закладки можно вызвать более чем одну страницу. В левой части окна имеются несколько имён страниц текущей закладки. Имя текущей страницы выделено подсветкой. Список определяется выбранной закладкой и не изменяется при переходе от одной страницы к другой. Поля Поле – это часть окна, в котором можно задать или просмотреть информацию, например, имя потока, температуру и т.д. Поля могут быть единичными или состоять из нескольких полей. Во многих случаях с единичным полем может быть связан список выбора, на это указывает направленная вниз стрелка, расположенная рядом с полем. Щелчок по стрелке позволяет получить список возможных 10 вариантов. Если же поле состоит из нескольких полей, то список выбора можно найти в поле редактирования. Выделенная позиция Текущее активное положение курсора всегда выделено подсветкой. Как правило, выделяется два уровня: 1) активное окно будет отличаться от других цветом заголовка, 2) активное поле выделено рамкой. Модальные и немодальные окна Находясь в модальном окне, пользователь не имеет возможности выйти за пределы этого окна. Прежде чем перейти в другое окно, необходимо закрыть модальное. Эта возможность позволяет избежать загромождения рабочего экрана множеством открытых окон. 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ Чтобы начать моделирование новой схемы, необходимо сначала открыть в программе ХАЙСИС новую расчётную задачу. Это можно сделать либо с помощью меню Файл (File), либо с помощью кнопки Новая задача (New Case). 3.1. Меню Файл В данном меню содержатся основные команды, связанные с сохранением задачи, выводом на печать и т.д. (см. табл. 3.1) Таблица 3.1 Основные команды меню Файл 11 3.2. Диспетчер базиса Приступая к решению новой задачи, пользователь определяет пакеты свойств потоков, которые будут использоваться в задаче, при помощи «Диспетчера базиса» (Simulation Basis Manager). «Диспетчер базиса» появляется на экране при открытии программы ХАЙСИС. Ниже описаны шаги, которые нужно выполнить для организации пакета свойств. В диспетчере базиса нажмите кнопку «Добавить» и выберите компонент, участвующий в расчёте, например, H2O (см. рис. 3.1). Рис. 3.1. Выбор компонента H2O 12 Далее необходимо полностью определить термодинамический пакет свойств на странице «Пакеты фл.». В группе «Выбор пакета свойств» следует выбрать пакет, который будет использоваться в задаче. (см. рис. 3.2). Рис. 3.2. Выбор термодинамического пакета Закройте окно и вернитесь в диспетчер базиса. В окне «Диспетчера базиса» нажмите кнопку «Войти в среду моделирования» (см. рис. 3.3). Рис. 3.3. Вход в среду моделирования 13 В расчётной среде задачи строится вся схема: задаются потоки и операции. Среда моделирования включает в себя Графическую среду (PFD) и «Палитру» объектов (см. рис. 3.4.). Рис. 3.4. Среда моделирования HYSYS Для задания потоков и операций следует использовать «Палитру» объектов. Она открывается и закрывается с помощью меню «Блок-схема» (Flowsheet) или клавишей F4. В главной схеме и подсхеме появляется «Палитра» объектов, содержащая все операции, имеющиеся в ХАЙСИС (за исключением специфических объектов). 14 Все кнопки палитры объектов можно разделить на следующие группы: • Потоки • Ёмкости (2 и 3-фазный сепаратор, хранилище) • Теплообменное оборудование • Изменение давления (компрессор, детандер, насос) • Сепараторы твёрдых частиц • Реакторы • Упрощённые колонны • Подсхемы • Логические операции 3.3. Пример задания материального потока Выберите на «Палитре» объектов материальный поток и расположите его на рабочем поле (рис. 3.5). Рис. 3.5. Выбор материального потока После этого двойным щелчком мыши на материальном потоке откройте немодальный диалог его параметров. Необходимо задать состав потока (даже если в поток входит лишь один компонент) и условия работы потока. Состав задаётся в массовых или мольных долях. Суммарный состав потока должен быть равен единице. Условия работы потока задаются в размерностях, которые можно назначить в настройках программы (либо выбрав систему единиц измерения, либо для каждого параметра индивидуально). Укажите условия. Например: Температура 550 0С, Давление 13 МПа, Расход 2,5 кг/с (см. рис. 3.6). 15 Рис. 3.6. Состав потока и условия работы потока 16 3.4. Пример добавления операции Выберите на «Палитре» объектов необходимый компонент (например, отсек турбины) и расположите его на рабочем поле (рис. 3.7). Рис. 3.7. Добавление объекта Далее добавьте материальный и энергетический потоки на рабочее поле и перейдите в режим присоединения (см. рис. 3.8). Рис. 3.8. Режим присоединения объектов Соедините компоненты рабочего поля посредством мыши. При подводе курсора мыши к компонентам рабочего поля появляются маркеры входа и выхода соединительных линий. Эти операции можно выполнить, не переходя в режим присоединения – прижимая клавишу Ctrl. Результат присоединения приведен на рис. 3.9. 17 Рис. 3.9. Результат присоединения объектов Изменение цвета объекта свидетельствует об успешном присоединении потоков. Для завершения расчета схемы необходимо указать недостающие исходные данные – давление за отсеком турбины (в материальном потоке 2 пункт, условие «Давление»), например, 2 кПа. Схема расчитана, элементы и потоки схемы изменили свой цвет (см. рис. 3.10). Результаты расчета можно просмотреть в Рабочей тетради схемы или сформировав отчет (включает в себя условия потоков и объектов схемы). Печать графической схемы или сформированного отчета возможна из пункта главного меню Файл. Рис. 3.10. Вид рассчитанной схемы 18 Просмотр результатов доступен также при подводе курсора к элементам схемы, при этом выводятся подсказки на основные параметры потоков и объектов (см. рис. 3.11). Рис. 3.11. Просмотр результатов 4. СИМУЛЯТОРЫ Симуляторы предназначены для обучения основам преобразования тепловой энергии в энергетических установках и обучения основам взаимодействия теплоэнергетического оборудования. Примечание: Для магистров по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника». Построить симулятор в ХАЙСИС. Недостающие данные взять из паспортных характеристик теплоэнергетической установки. Для бакалавров по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника» и «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» – используя симулятор, оценить влияние независимых переменных на термический КПД двигателя. Построить графические зависимости. Исходные данные приведены в таблицах схем. 19 4.1. Газотурбинный двигатель ГТД 15 4.2. Паротурбинный цикл Ренкина 20 4.3. Двух-компрессорный газотурбинный двигатель мощностью 12 МВт 5. ТРЕНАЖЕРЫ Используя существующий тренажёр, получить основные знания, умения и навыки, связанные с эксплуатацией ПТУ данного типа, касающиеся вопросов тепловой эффективности, смежных параметров свежего пара и степени сухости пара за турбоагрегатом. Примечание: Для магистров по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника». Построить тренажёр в ХАЙСИС. Недостающие данные взять из паспортных характеристик этой тепловой схемы. Для бакалавров по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника» и «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» – используя тренажёр, оценить влияние независимых переменных на термический КПД тепловой схемы. Исходные данные приведены в таблицах схем. 21 5.1. Паротурбинный цикл со смешивающим подогревателем питательной воды 5.2. Паротурбинный цикл с промежуточным перегревом пара 22 5.3. Газотурбинный двигатель с регенеративным подогревателем
