Том 26, № 3 (2022)

Цель исследования заключается в развитии системного подхода к оценке динамических форм взаимодействий элементов механических колебательных систем, используемых в качестве расчетных схем технических объектов транспортного или технологического назначения. Методологической основой исследования является структурное математическое моделирование, в рамках которого механическая колебательная система (с конечным числом степеней свободы) сопоставляется со структурной схемой эквивалентной в динамическом отношении системы автоматического управления. Объектом исследования служит семейство механических колебательных систем с конечным числом степеней свободы, находящихся под воздействием связных силовых гармонических возмущений. В качестве предмета исследования выступает совокупность динамических состояний технического объекта, вызванных приложением на различных частотах синфазных внешних силовых возмущений, которые характеризуются коэффициентом связности. Для семейства цепных механических колебательных систем с двумя степенями свободы разработан метод интерпретации совокупности динамических состояний в виде ориентированных графов. Разработан формальный метод построения графа совокупности динамических состояний на основе амплитудно-частотных характеристик передаточных функций системы. Показано, что в рамках разработанной интерпретации графы динамических состояний могут рассматриваться как своеобразные инварианты, сохраняющиеся на множествах параметров механических колебательных систем. На методологической базе структурного математического моделирования разработана концепция динамических инвариантов, в рамках которой совокупность динамических инвариантов может быть использована для обобщенной оценки многообразия динамических состояний и форм динамических взаимодействий элементов механических колебательных систем. Предложенная концепция динамических инвариантов расширяет методологию структурного математического моделирования применительно к задачам системного анализа обеспечения безопасности работы технических объектов транспортного и технологического назначения, находящихся в условиях связных вибрационных нагружений.

Целью работы является анализ корректности применения метода двух измерений при определении параметров схем замещения элементов электрической сети для высших гармонических составляющих. Исследования проведены на имитационной модели точки общего присоединения в MATLAB Simulink, включающей в себя искажающую нагрузку в виде трехфазного выпрямителя, неискажающую линейную нагрузку и обобщенную энергосистему без источников искажений. Параметры схемы замещения в виде активных двухполюсников, состоящих из источника тока искажения и проводимости, определялись с помощью метода двух измерений параметров режима. Рассмотрены режимы с изменением активных и реактивных мощностей исследуемой искажающей нагрузки и нагрузок во внешней электрической сети. Установлено, что результаты определения параметров схемы замещения при изменении мощности нагрузки на 20% и более являются нестабильными (разброс до 400% от фактических значений). Следовательно, данные значения параметров не являются достоверными, так как зависят от величины мощности внешней нагрузки. Вместе с тем имитация случайного изменения параметров нагрузок в пределах 10% от начального значения позволила корректно определить параметры схемы замещения. Показано, что схема замещения неискажающей линейной нагрузки всегда состоит только из проводимости, в то же время в схеме замещения искажающей нагрузки может присутствовать ненулевая проводимость на рассматриваемой гармонической составляющей. Таким образом, установлено, что метод двух измерений будет давать приемлемые по точности результаты (отклонение от фактических значений менее 1%) не при разовом изменении параметров режима на существенную величину, а при непрерывном контроле малых естественных изменений параметров режима электроэнергетической системы. Результаты исследования представляют интерес при решении задачи оценки влияния потребителей на качество электроэнергии в реальном времени, поскольку исходными данными для последней задачи являются параметры схемы замещения.

Цель – исследование изменения технологической схемы основного конденсата на энергетическую и экономическую эффективность эксплуатации энергоблока №5 ТЭЦ-10 ООО «Байкальская энергетическая компания» с применением его настроенной математической модели. Математическое моделирование исследуемого энергоблока выполнялось в программно-вычислительном комплексе «Система машинного построения программ». Построенная математическая модель была верифицирована по результатам замеров контрольных параметров в нескольких режимах работы в соответствии с трехэтапной методикой идентификации математических моделей сложных теплоэнергетических установок. Авторами предложен оригинальный подход модернизации тепловой схемы основного конденсата энергоблока с целью снижения удельного расхода топлива на собственные нужды. Идея заключается во включении в схему основного конденсата дополнительного насоса уплотнений питательных электронасосов блока 1Кс-20-110, который позволит решить проблему неправильного выбора конденсатных насосов данного энергоблока. Показано, что перераспределение потока основного конденсата между конденсатными насосами энергоблока и предлагаемым насосом уплотнений 1Кс-20-110 приводит к снижению удельного расхода топлива на выработку электроэнергии на 0,32 г.у.т/кВт∙ч в диапазоне электрических нагрузок от 137 до 150 МВт. В результате КПД нетто энергоблока увеличится на 0,03%. Также следует отметить, что данная модернизация позволит снизить расход электроэнергии на собственные нужды при нахождении питательного электронасоса в режиме аварийного резерва на остановленном энергоблоке. На основании выполненных энергетических и экономических расчетов было показано, что экономия электроэнергии по данным 2019 г. могла составить 82653 кВт∙ч, а общая экономия средств за год оценивается в 78030 руб. Таким образом, проведенные исследования демонстрируют высокую эффективность применения аппарата математического моделирования при изучении и оптимизации действующих теплоэнергетических установок.

Цель – представить модификацию метода анализа иерархий для повышения его эффективности при использовании в задачах многокритериального сравнения структур генерирующих мощностей локальных энергорайонов при их развитии. В работе рассматривается многокритериальная задача выбора наиболее перспективного соотношения установленных мощностей электростанций, входящих в состав единой структуры генерирующих мощностей при развитии локального энергорайона Хабаровского края. В роли энергоисточников выступают тепловая, солнечная, ветровая и дизельная электростанции. В качестве критериев оценки альтернативных вариантов были приняты следующие: нормированная стоимость электроэнергии, оценка экологической эффективности; оценка общественного мнения о последствиях, связанных со строительством электростанций. Для решения многокритериальной задачи предложено использовать метод анализа иерархий. При рассмотрении применения оригинального метода анализа иерархий для решения поставленной задачи установлено, что реализация этапа парных сравнений альтернатив при их большом количестве представляет ощутимую нагрузку на лицо, принимающее решение. Так, уже при оценке 10 альтернатив по 5 критериям лицу, принимающему решение, необходимо провести 225 парных сравнений, что в итоге может дать неприемлемый индекс согласованности результатов. Кроме этого, необходима процедура, направленная на учет неопределенности предпочтений лица, принимающего решения. В качестве решения предложена методика заполнения матриц парных сравнений альтернатив по критериям, которая заключается в построении интервальной или нечеткой модели предпочтений лица, принимающего решения, в отношении пар оценок по критерию. В качестве апробации предложенной методики приводится численный пример решения поставленной задачи. Получен наилучший вариант энергоструктуры, состоящей из электростанций: тепловой – 30 МВт, солнечной – 35 МВт, дизельной – 39 МВт. Предложенная методика обеспечивает высокую согласованность результатов парных сравнений альтернатив. Кроме этого, использование модифицированного метода анализа иерархий позволяет учитывать нелинейный характер предпочтений лица, принимающего решения, относительно оценок альтернатив по критериям.

Цель – повышение точности прогнозирования электропотребления предприятия за счет анализа и предварительной обработки входных данных, а также оценка влияния выбора признаков на результаты различных моделей прогнозирования. В качестве объекта, для которого составляется прогноз, было выбрано деревообрабатывающее предприятие Нижнего Новгорода. В работе сравниваются два типа методов машинного обучения: нейросетевые и ансамблевые модели. Рассмотрен один из способов выделения наиболее значимых параметров (признаков) временного ряда для улучшения результата следующих ансамблевых моделей на базе деревьев решений: адаптивный бустинг (AdaBoost), градиентный бустинг (Gradient Boosting) и случайный лес (Random Forest). Определение наиболее важных признаков исходного временного ряда осуществлено с помощью расчета коэффициентов корреляции между электропотреблением в прогнозируемый час и в предшествующие часы. Установлено, что в рассматриваемом объекте для построения прогноза наиболее важными признаками являются значения потребляемой энергии в те часы, которые отстают от прогнозируемого часа на кратное число суток. В качестве дополнительного признака используется график планово-профилактических работ деревообрабатывающих станков. Результаты показали, что при выборе правильной методики отбора признаков ансамбли деревьев решений способны превосходить искусственные нейронные сети по результатам: наименьшая средняя ошибка нейросетевой модели на тестовой выборке составляет 7,0%, в то время как для одной ансамблевой модели (градиентного бустинга) получено значение ошибки в 5,5%. Показано, что использование графика ремонтных работ также повышает точность прогноза: для рассмотренных ансамблевых моделей снижение ошибки составило от 20 до 30%.

Цель – повышение эффективности контроля и автоматизированного управления технологическим состоянием электролитических ячеек при рафинировании меди путем распознавания и идентификации короткого замыкания между электродами. Для проведения экспериментальных работ использовался лабораторный стенд, состоящий из двух последовательно включенных в электрическую цепь ячеек. Метод обнаружения короткого замыкания основан на получении инфракрасного излучения с помощью сканирующего тепловизора (Оptris PI 400i / PI 450i) при определении участков с высокими значениями температур поверхности электрода и электролита. Алгоритм обнаружения короткого замыкания был разработан и протестирован с помощью программного обеспечения MATLAB при использовании функций Image Processing Toolbox MATLAB. Предложен способ распознавания и идентификации (при помощи сканирующего цифрового тепловизора) короткого замыкания между электродами электролизной ячейки. Способ позволяет комплексно оценить площадь контакта, определить время начала замыкания и степень нагрева электродов в зоне короткого замыкания, установить значения температур на всех участках, включая и температуру электролита во всем объеме ячейки. Предложен алгоритм поиска мест коротких замыканий в электролизере, заключающийся в сборе и сопоставлении полученных данных для регулирования межэлектродного расстояния (обеспечивающего устойчивый энергетический режим всей электролизной серии) и определении точного положения каждого катода в ячейке с помощью пороговой обработки инфракрасных изображений, полученных тепловизором. Показано, что быстрая идентификация мест коротких замыканий в электролизере (с начала контакта между электродами) и регистрация скорости роста площади дендритного срастания и температуры электролита позволяют своевременно устранять технологические нарушения во время работы электролизной ванны. Таким образом, разработанный способ идентификации короткого замыкания для комплексного определения и распознавания общего технологического состояния электролизной ячейки при электролитическом рафинировании меди позволяет достигать устойчивого энергетического режима с минимальными отклонениями по температуре процесса.

Цель – разработка цифрового двойника трубчатого выщелачивателя с программой автоматического расчета качества алюминатного раствора на основе материального баланса для улучшения качества управления процессами гидрохимии на глиноземном комбинате АО «РУСАЛ Ачинск». Визуализация мнемосхемы процесса выщелачивания нефелинового спека выполнена с помощью программного комплекса Wonderware InTouch. Созданы Quick-сценарии для отображения анимации процесса. В качестве входных параметров были приняты температура раствора, расходы спека и оборотного раствора, химический состав сырья. В качестве основных возмущающих воздействий использовали температуру воздуха, вибрации и неисправность оборудования. Выходными параметрами приняты: выходы шлама и алюминатного раствора, потребляемая приводом мощность и кремниевый модуль получаемого раствора. С помощью производственных лабораторных данных сведен материальный баланс спека и оборотного раствора, на его основе разработаны алгоритм моделирования изменений в процессе выщелачивания и программа расчета качества алюминатного раствора с помощью встроенных в InTouch возможностей создания скриптов на собственном языке программирования. Разработан виртуальный двойник трубчатого выщелачивателя на основе действующего аппарата, используемого в АО «РУСАЛ Ачинск». Показано, что программа на основе простой балансовой модели предсказывает качество выходного продукта (алюминатного раствора) при изменении состава сырья (спека и оборотного раствора) и изменении скорости подачи в аппарат сырьевых материалов и отображает результаты расчетов с помощью мнемосхемы процесса. Таким образом, разработанный интерфейс позволяет имитировать различные технологические операции, производимые в трубчатом выщелачивателе: слив раствора, сброс шлама, изменение входных потоков; при этом возможно наблюдать как текущие изменения параметров процесса, так и архивные графики, а также подбирать оптимальный состав сырья для получения алюминатного раствора лучшего качества.

Виктор Владимирович Ёлшин, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автоматизации и управления Иркутского национального исследовательского технического университета, 3 октября 2022 года отметит два Юбилея – 75-летие со дня рождения и 50-летие научно-педагогической деятельности.