Математическое моделирование технологических объектов и систем глазами и руками студента
Традиционно Росатом уделяет особое внимание подготовке кадров и поддержке всестороннего развитию молодых талантов — в том числе по инженерно-математическому направлению. В предыдущих статьях мы подробно рассказывали, как моделировать в REPEAT — собственной разработке Инженерно-технического центра «ДЖЭТ». Но мы не только моделируем на REPEAT сами, но и учим этому ребят со студенческой скамьи. Открытые в ведущих вузах страны образовательные центры на базе REPEAT — Школы моделирования — становятся для студентов мощным центром цифровых компетенций, а также обеспечивает их знакомство с отечественной технологией тренажеростроения, основанной ИТЦ «ДЖЭТ» более 30 лет назад и применяемой до сих пор. Подробнее о нашем проекте Школа моделирования читайте ниже.
Забегая вперед, скажу — сегодня мы открываем цикл статей, посвященных труду в области математического моделирования от наших студентов — учащихся Школ моделирования. Наблюдая за прогрессом начинающих IT-инженеров в освоении искусства математического моделирования на REPEAT, мы решили, что на глазах зарождается научная школа в области развития цифровых двойников и других digital направлениях — и базируется она на отечественном ПО. Вместе мы открываем новые возможности программного обеспечения REPEAT, и с нетерпением ждем новых достижений и открытий, которые предстоит осуществить вместе со студентами и преподавателями нашего общего проекта Школа Моделирования.
Начнем публиковать поводы для гордости с кейсов, разработанных командой Кубанского государственного технологического университета — это талантливые студенты кафедры теплоэнергетики и теплотехники и их не менее талантливые преподаватели. Вместе они прокладывают свой собственный путь в области изучения и разработки цифровых двойников, а REPEAT им в этом активно помогает.
Ссылка на телеграм-канал REPEAT: https://t.me/repeatlab
Проект Школа моделирования АО ИТЦ «ДЖЭТ»
Проект был инициирован в 2022 году и нацелен на сокращение сроков адаптации молодых специалистов в производственной среде компаний за счет получения практических навыков ещё на этапе обучения в вузах, а также формирование постоянного кадрового резерва для нужд отрасли в сфере математического моделирования.
Открывая центры компетенций в лучших технических вузах страны, ДЖЭТ продолжает оказывать всеобъемлющую поддержку эффективной организации учебного процесса — предоставляет вузу программные продукты для осуществления образовательной деятельности, проводит стажировку преподавательского состава, передает учебно-методические материалы, занимается консультированием и поддержкой как преподавательского состава, так и студентов.
Студенты, осваивая современные технологии на уникальной платформе моделирования REPEAT, имеют возможность получить навыки работы на российском цифровом продукте в части математического моделирования и программирования.
Работа Школы моделирования тесно связана во взаимодействии с существующими или потенциальными заказчиками. Студенты получают шанс принимать участие в решении бизнес-задач коммерческих компаний уже со студенческой скамьи, что дает им неоспоримое преимущество при трудоустройстве и выделяет их на ИТ-рынке. Подобный опыт позволяет сформировать сильный локомотив для цифровой трансформации ключевых отраслей экономики в будущем.
По итогам обучения всем выпускникам Школы моделирования вручаются сертификаты о прохождении курса, а студенты, представившие проекты высокого уровня, рекомендованы для приоритетного трудоустройства в АО «ИТЦ «ДЖЭТ» и другие организации Госкорпорации «Росатом».
В ходе обучения в Школе студенты овладеют навыками моделирования и другими компетенциями, включая:
— разработка моделей объектов и технологических систем;
— создание цифровых двойников;
— проведение виртуальных испытаний проектируемого оборудования.
По итогам обучения слушатели могут получить навыки эксплуатации атомных электростанций, знания в области проектировании и инжиниринга и широкие цифровые компетенции в целом.
Сеть инженерно-математических школ ДЖЭТ активно расширяется. В 2022 году было открыто две Школы моделирования: в Казанском государственном энергетическом университете (КГЭУ) и Томском политехническом университете (ТПУ). В общей сложности в Школу было отобрано 25 студентов старших курсов. В течение двух учебных семестров студенты обучались по 4 академических часа еженедельно. В конце учебного года был проведен итоговый срез знаний, демонстрирующий уровень подготовленности студентов в части освоения программных продуктов ДЖЭТ. По результатам промежуточных и итоговых срезов на работу в ДЖЭТ уже принято 5 студентов Школ: четыре студента ТПУ трудоустроены в региональный офис ДЖЭТ в г. Томск, один студент КГЭУ релоцирован и трудоустроен в головной офис в г. Москва. Дальнейшее развитие выпускников Школы моделирования проходит на реальных проектах копании, под чутким наставничеством опытных инженеров.
Осенью 2023 года состоялось открытие еще четырех Школ моделирования на базе технических вузов: НИУ МЭИ (Москва), ДГТУ (Ростов-на-Дону), КубГТУ (Краснодар), УРФУ (Екатеринбург).
Итак, представляем вам труд на тему развития цифровых двойников в теплоснабжении — где они занимают особую роль. В эпоху цифровизации перед инженерами и разработчиками стоят сложные задачи. Цифровые двойники в управлении системами открывают новые возможности для инжиниринга. Студенты кафедры ТЭТ КубГТУ в рамках «Школы моделирования», под руководством Дмитрия Батько, успешно разработали модель центрального теплового пункта, продемонстрировав подход к численным методам. Учитывая многофакторность и сложность взаимодействий внутри системы, применение инструмента математического моделирования позволяет наладить более эффективный контроль и управление теплоснабжением объекта, и снизить риск аварийных ситуаций.
ЧАСТЬ 1: ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Батько Д.Н. старший преподаватель кафедры ТЭТ КубГТУ, Арушанян Р.Р. старший преподаватель кафедры ТЭТ КубГТУ, Деневич А.А. студент 4курса КубГТУ, Розина Д.Е. студент 4курса КубГТУ
Кубанский государственный технологический университет, Краснодар
В данной работе приведены результаты математической модели центрального теплового пункта (ЦТП) с помощью Системы Автоматического Проектирования Физических Инженерных Расчетов (САПФИР) разработанной АО «ИТЦ «ДЖЭТ». Верификация расчетных и экспериментальных данных, показала хорошую сходимость основных параметров. Сравнение полученных данных производились для десяти режимов работы. Анализ результатов расчетов показал достаточную точность модели (погрешность не превышает 1%).
Ключевые слова: центральный тепловой пункт, математическая модель, эффективность работы системы теплоснабжения.
Основная задача теплоснабжения — это качественное и энергоэффективное снабжение тепловой энергией потребителей. Для эффективного теплоснабжения необходимо обеспечить каждого потребителя необходимым количеством тепловой энергии с минимальными потерями и затратами. На сегодняшний день потребление тепловой энергии значительно отличается от расчетных значений. Ненормативный отпуск тепловой энергии с централизованным теплоснабжением обусловлен проблемами эксплуатации и состоянии тепловых сетей в России.
Математическое моделирование в теплоснабжении позволяет разрабатывать и оптимизировать требуемые режимы работы и эксплуатации оборудования, позволяющие решать поставленные задачи.
В данной работе приводятся результаты разработки и верификации математической модели центрального теплового пункта с помощью Системы Автоматического Проектирования Физических Инженерных Расчетов (САПФИР) разработанной АО «ИТЦ «ДЖЭТ».
Объектом моделирования был выбран ЦТП, обеспечивающий систему отопления двух групп потребителей. ЦТП подключен к тепловым сетям АО «Краснодартеплосеть». Принципиальная расчетная схема приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 — Принципиальная расчетная схема
1 — пластинчатый теплообменный аппарат потребителя №1; 2 — пластинчатый теплообменный аппарат потребителя №2; 3 — регулирующий клапан потребителя №1; 4 — регулирующий клапан потребителя №2; 5- циркуляционные насосы потребителя №1; 6 — циркуляционные насосы потребителя №2; 7 — подпиточные насосы потребителя №1; 8 — группа расширительных мембранных баков общим объемом 2,4 м3 потребителя №2; 9 — группа расширительных мембранных баков общим объемом 2,4 м3 потребителя №1.
Подключение отопительной системы выполнено по схеме с независимым присоединением к тепловой сети. Потребитель №1 присоединен через пластинчатый теплообменный аппарат тип НН — 41 фирмы ООО «Ридан» с площадью нагрева 44,55 м2. Потребитель №2 — через пластинчатый теплообменный аппарат тип НН — 41 с площадью нагрева 38,35 м2. Проектный расход теплоносителя потребителя №1 G1=62,5 м3/ч обеспечивают циркуляционные насосы IL80/150–7,5/2 фирмы WILO с частотным регулированием. Расход теплоносителя потребителя №2 G2=53,6 м3/ч. обеспечивают циркуляционные насосы IL80/140–7,5/2.
Температура теплоносителя в системе отопления регулируется для каждого потребителя двухходовым регулирующим клапаном VFS2 Ду50 (KVS=40) c электроприводом AMV35 фирмы Danfoss. Расчетные параметры теплоносителя системы отопления меняются по графику 95/700С в зависимости от температуры наружного воздуха.
При разработке математической модели составлена схема теплового пункта с параметрами элементов, заданными в соответствии с данными завода-изготовителя и проектной документации.
Для трубопроводов определены геометрические параметры (диаметры на входе и выходе не изменялись). Моделирование насосов осуществлялось по расходно-напорной характеристике.
Регулирующие клапана настраивались по паспортным данным завода-изготовителя на соответствующую пропускную способность. Теплообменный аппарат моделировался двумя элементами. Каждый элемент является частью независимого греющего и нагреваемого контура теплоносителя. Теплогидравлический режим теплообменных аппаратов проверялся в программе поверочного расчет производителя теплообменных аппаратов ООО «Ридан».
Верификация математической модели ЦТП производилась на 10 режимах работы. Согласно температурному графику задавалась температура теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети, температура теплоносителя в обратном трубопроводе от потребителей, расход в греющем и нагреваемом контуре поддерживался согласно проектной документации. Производилась фиксация температуры теплоносителя в подающем трубопроводе к потребителю и температуры теплоносителя в обратном трубопроводе. Результаты измерений сравнивались с данными температурного графика, утвержденного АО «Краснодартеплосеть», проектной документацией и поверочного расчета теплообменников (по программе ООО «Ридан»).
Результаты сравнения расчетных и проектных данных приведены в таблице 1. Анализ полученных данных показывает, что математическая модель ЦТП адекватна. При выбранной степени сложности модели получены достаточно хорошие совпадения основных параметров. Максимальное расхождение результатов расчета и проектных параметров составляет 0,66%.
Таблица 1 — Сравнение расчетных и проектных данных
Выводы:
Математическая модель ЦТП, разработанная в программе «САПФИР», предоставленной АО «ИТЦ «ДЖЭТ», показала высокую точность расчетов (относительная погрешность не превышает 1%).
На следующим этапе с помощью математической модели ЦТП будут проведены исследования режимов работы действующего теплового пункта с целью определения влияния изменения параметров тепловой сети (температура, давление) на эффективность теплоснабжения потребителей.
Список литературы:
Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов.- 7-е изд., стереот. — М.: МЭИ, 2001. — 472 с.
Шкаровский, А.Л. Теплоснабжение: учебник / А.Л. Шкаровский. — 2-е изд., стер. — Санкт-Петербург : Лань, 2020. — 392 с. — ISBN 978–5–8114–5222–4.
Итак, важность математического моделирования технологических систем и объектов в современных условиях цифровизации трудно переоценить. Результаты работы Школы моделирования КубГТУ и реализованной ими математической модели 1D центрального теплового пункта, несомненно, станут отправной точкой для будущих исследований и разработок в этой важной области.
Мы благодарим всех участников этого проекта за их труд и усердие. Ваши рассуждения, расчеты и исследования не только заслуживают высокого признания, но и стали вкладом в прогресс, расширив горизонты наших знаний. Мы с нетерпением ожидаем продолжения этой увлекательной научной саги!
Вдохновенные этим примером, мы нацеливаемся развивать и улучшать программное обеспечение REPEAT, чтобы все больше молодых ученых могли применять его и делать собственные открытия. Впереди много интересного! Присоединяйтесь к нам в этом увлекательном путешествии по миру математического моделирования и откройте для себя новые горизонты познания.
