Том 30, № 4 (2022)

Магистральный нефтепровод ввиду его пространственной протяженности может рассматриваться как объект управления с распределенными параметрами (ОРП). Зависимости от времени и координаты скорости потока и давления в трубопроводе рассматриваются в качестве управляемых выходных величин ОРП. Краевая задача математического моделирования процесса трубопроводного транспорта нефти в стандартной форме представлена в виде линейного дифференциального уравнения в частных производных второго порядка. В работе представлено решение краевой задачи математического моделирования нестационарного течения нефти по магистральному трубопроводу при наличии внутренних сосредоточенных источников давления в виде функций, описывающих зависимости от времени и пространственной координаты давлений и средних по сечению трубопровода скоростей потока нефти. Для представления решения краевой задачи в форме интегралов свертки получены функции Грина и стандартизирующие функции, что позволяет использовать негладкие (разрывные) зависимости для описания программ изменения во времени величин внутренних сосредоточенных источников давления. Полученные решения позволяют использовать методы теории оптимального управления системами с распределенными параметрами для решения задач оптимального управления процессом трубопроводного транспорта нефти.

Обзор посвящен анализу подходов и методов применения имитационных моделей при организации технического обслуживания и ремонта сложных технических объектов и систем. Развитие концепции «Индустрия 4.0» и Интернета вещей предполагает переход от периодического и профилактического технического обслуживания к прогнозному обслуживанию на основе исследования процессов при эксплуатации объектов. В статье показано, что системные модели на сетях Петри удобны для описания и анализа технологических процессов и обслуживания оборудования. Виртуальные испытания и виртуальный ввод в эксплуатацию являются одним из этапов проектирования и производства технических объектов повышенной сложности. В связи с этим актуально создание имитационных моделей в составе цифровых двойников агрегатов и узлов для исследования технических состояний. Проведенный анализ показал эффективность использования временных стохастических раскрашенных сетей Петри как цифровых двойников для виртуальных испытаний. На основе иерархических сетей Петри можно строить сложные модели, описывающие взаимосвязанные процессы между подсистемами и агрегатами изделий. Разработана общая модель в виде иерархической сети, предназначенная для исследования процессов старения, износа и деградации агрегатов и элементов технического объекта, а также формирования стратегии прогнозного обслуживания. Модель включает диаграмму Ганта выполнения производственных задач, множество активных и резервных агрегатов, модули технического обслуживания и ремонта. Рассмотрены примеры имитационных моделей на сетях Петри для различных технических систем. Приведены решения для гибких производственных систем, железнодорожных мостов, морских ветряных турбин, парка самолетов, группы роботизированных автомобилей, комплекса компьютерной техники предприятия. Рассмотрены модели различных стратегий технического обслуживания и показана общность моделей, основанных на иерархических сетях Петри. Проведен анализ существующих программных средств для реализации временных стохастических раскрашенных сетей Петри. В заключение сделан вывод о перспективности применения имитационных моделей на сетях Петри для организации технического обслуживания и ремонта сложных технических объектов и систем.

Рассматривается проблема создания теплозащитного покрытия для информационно-измерительных приборов и систем различного назначения, подвергающихся внешнему высокотемпературному воздействию в условиях аварийных ситуаций, связанных с пожаром. В качестве решения проблемы предлагается использование теплозащитных материалов, содержащих активные добавки, которые обеспечивают теплозащитный эффект, способствующий преломлению тепловых потоков, направленных на нагрев защищаемого объекта. Теплозащитный эффект обеспечивается эндотермической реакцией, которая происходит в материале, когда достигается температура разложения выбранного компонента. Следует отметить, что температура, при которой должна происходить реакция с поглощением тепла, должна быть ниже температуры поражения защищаемого объекта. В таком случае тепловые потоки, проходящие через слой теплозащитного материала, будут преломляться, так как тепло будет затрачиваться на разложение эндотермического наполнителя. Прогрев материала будет осуществляться за счет матрицы материала и продуктов разложения. Исходя из задач, для выполнения которых необходимо применение теплозащитного материала, определяется количество эндотермического наполнителя. Соответственно, с увеличением промежутка времени, в течение которого необходимо ликвидировать пожар, содержание эндотермического наполнителя также увеличивается. Применение теплозащитного материала актуально для аварийных регистраторов полетных данных, так как при авиакатастрофе с высокой вероятностью возможно возникновение пожара, который может привести к потере информации, необходимой для определения причин аварийной ситуации.

Рассмотрены вопросы компьютерного моделирования электромагнитных и гидродинамических процессов в электромагнитном кристаллизаторе расплава кремния периодического действия. Процесс кристаллизации протекает в условиях дополнительного подогрева вихревыми токами в расплаве. Основной задачей электромагнитного взаимодействия токов в расплаве и поля индуктора является создание отталкивающего усилия для исключения механического контакта кремния с поверхностью футеровки. При решении этой проблемы в расплаве происходит выделение тепла и формирование вектора сил, приводящих к перемешиванию жидкого кремния. Эти процессы сказываются на переносе тепла между нижней, верхней и боковой поверхностями цилиндра, форму которого принимает расплав. Для повышения качества кристаллической структуры слитка обеспечивается формирование градиента температуры с помощью управления тепловыми потоками за счет толщины стенок футеровки, подогрева верхней поверхности и отвода тепла от нижнего основания. Появление возмущающего воздействия в этих условиях способно нарушить баланс тепловых потоков и привести к созданию термонапряжений в слитке, сопровождающихся микротрещинами. Одновременное моделирование всех процессов, протекающих в электромагнитном кристаллизаторе кремния, в настоящее время на персональном компьютере нереализуемо.

Целью работы является определение параметров электро- и гидродинамических процессов в расплаве для оценки влияния тепло- и массопереноса жидкого кремния на движение фронта кристаллизации.

При моделировании процесса гидродинамики в расплаве рассмотрено несколько вариантов геометрии, начиная от максимального объема жидкой фазы и заканчивая тонким верхним слоем в верхней части. При конической форме индуктора распределение вектора сил в расплаве зависит от осевой координаты, что приводит к значительному уменьшению составляющих скорости по мере снижения толщины жидкой фазы.

Рассмотрена задача определения условий, при которых применение частотного преобразователя в станции управления погружными насосами приводит к снижению затрат электрической энергии и становится эффективным с энергетической точки зрения. Приведены аналитические выражения, позволяющие рассчитать удельные затраты электрической энергии при механизированной добыче нефти для случая, когда режим работы и дебит скважины обеспечиваются дросселированием устьевого штуцера. При этом особое внимание уделено определению скорости вращения погружного асинхронного двигателя, обеспечивающей требуемое расположение рабочей точки на напорной характеристике насоса. Приведены также формулы, позволяющие рассчитать удельные затраты электрической энергии при механизированной добыче нефти для случая, когда режим работы и дебит скважины задаются частотным преобразователем станции управления. Найдено аналитическое выражение для определения скорости вращения и частоты питающего напряжения, обеспечивающих требуемую рабочую точку насоса при частотном регулировании погружного электродвигателя. Предложено с помощью приведенных аналитических выражений итерационным методом производить расчет производительности насоса, при которой удельные затраты электроэнергии на добычу кубометра жидкости будут равны как в случае использования частотного преобразователя в станции управления, так и без него. Приведен пример расчета такого граничного значения производительности насоса для гипотетической скважины. Показано, что уменьшение требуемого дебита относительно граничного значения производительности насоса приводит к снижению удельных затрат электрической энергии при механизированной добыче нефти в случае применения частотного преобразователя в станции управления погружным насосом.

Рассмотрена система автоматического управления коэффициентом реактивной мощности системы электроснабжения предприятия, в составе которой одна часть трансформаторных подстанций оснащена регулируемыми конденсаторными установками, а вторая – нет. Показаны ее преимущества по сравнению с системой управления коэффициентом мощности: во-первых, более низкие требования к ее погрешности; во-вторых, учет отношения реактивной энергии к активной при расчете потребителя с поставщиком за электроэнергию. Дана оценка погрешности регулирования коэффициента реактивной мощности на стороне высшего напряжения трансформаторов главной понизительной подстанции, где установлены расчетные счетчики, при стабилизации коэффициента реактивной мощности на стороне низшего напряжения этих трансформаторов. Рассмотрен синтез системы автоматического управления коэффициентом реактивной мощности, построенной в функции мощности потребителей и потерь мощности в трансформаторах, и выполнена оценка ее погрешности. Предложенная система управления предназначена для систем электроснабжения с комбинированной нагрузкой, применение которой позволит потребителю избежать штрафных коэффициентов к тарифу за активную электроэнергию, а в конечном итоге понизить потери при транспортировке электроэнергии и повысить пропускную способность электрической сети.