9601

Оптимизация при проектировании СЭУ

Контрольная

Энергетика

Оптимизация при проектировании СЭУ Основное содержание процесса проектирования СЭУ. Структура оптимизационной модели. Модели системы ограничений. Ограничительные требования надзорных органов: Правила регистра судоходства, санитарный надзор, по...

Русский

2013-03-13

83 KB

14 чел.

Оптимизация при проектировании СЭУ 

Основное содержание процесса проектирования СЭУ. Структура оптимизационной модели. Модели системы ограничений. Ограничительные требования надзорных органов: Правила регистра судоходства, санитарный надзор, пожарная безопасность, техника безопасности, правила по защите окружающий среды при эксплуатации судов и СЭУ. Модели объектов проектирования. Модели критериев эффективности. Анализ устойчивости оптимальных решений в условиях прогнозирования на срок жизни судна.

Программное обеспечение и методики обоснования проектных решений по СЭУ.

Заключение: основные направления развития методов проектирования СЭУ.

8.1. Основное содержание процесса проектирования СЭУ. Структура оптимизационной модели. Модели системы ограничений. Ограничительные требования надзорных органов: Правила регистра судоходства, санитарный надзор, пожарная безопасность, техника безопасности, правила по защите окружающий среды при эксплуатации судов и СЭУ

Основное содержание процесса проектирования СЭУ это обоснование принимаемых технических решений. Как было показано выше в разделах 1 – 6 настоящего пособия в процессе эскизного проектирования СЭУ обосновываются: выбор тепловой и конструктивной схемы, число и типоразмер главных двигателей, размеры и тип движителя, выбор типоразмера передачи мощности, размеры валопровода, схема комплектации и типоразмеры основного оборудования вспомогательных установок – ВКУ, СЭС, утилизационного комплекса, опреснительной установки, принципиальных схем систем и комплектации их вспомогательным оборудованием, методов регулирования вспомогательного оборудования на заданные параметры, компоновка оборудования систем в функциональные агрегаты, расположение комплекта оборудования СЭУ в МКО судна. Принимаемые решения должны быть лучшими из возможных. И это должно быть доказано по значениям функции предпочтительности (функции цели, критерия эффективности).

Процесс обоснования принимаемых технических решений не заканчивается с завершением этапов эскизного и технического проектирования СЭУ. Он начинается раньше этих этапов (обоснование главных параметров судна) и завершается только на этапе списания судна. Весь жизненный цикл судна посвящен обоснованию тех или иных решений. Решения этапа эскизного проектирования перечислены выше. На других этапах обосновываются другие решения и это основное содержание этих этапов проектирования.

Обоснование технических решений при проектировании СЭУ возможно только с применением САПР, так как в процессе обоснования необходимо многократно повторять вычисления с использованием тех же зависимостей для сравнения между собой большого числа альтернативных вариантов, проверки их работоспособности – допустимости по спектру ограничений, проверки устойчивости выводов об оптимальности выбранных вариантов в течение всего срока службы судна, в условиях возможного изменения конъюнктуры рынков, стоимости валют, цен на топливо и т.д.

Проведение оптимизационных исследования, а только так и можно назвать принятие каждого технического решения по СЭУ, основывается на применении оптимизационных моделей, которые обобщенно можно представить состоящими из:

1) моделей объектов проектирования;

2) моделей системы ограничений;

3) моделей критериев эффективности.

Модели объектов проектирования – это закономерности принятия технических решений, выраженные в форме алгоритмов проектирования. Среди параметров объекта проектирования выделяются контролируемые параметры, изменение которых приводит к изменению выбора. Изменение этих параметров, в пределах допуска на их изменение, позволяет находить лучший вариант, принадлежащий области допустимых решений и предпочтительный по значению критерия эффективности – оптимальный вариант, в случае, если доказано, что лучшего варианта не найти. Совокупность контролируемых параметров, однозначно определяющих предпочтительный вариант, называют оптимальным решением – отыскание этого вектора это и есть решение оптимизационной задачи.

Модели системы ограничений внесены в алгоритмы проектирования. По ним производится проверка допустимости (работоспособность) выбираемого варианта технического решения. Обеспечение достижения требуемых параметров назначения и выполнение указанных ограничений это есть критерий работоспособности. Ограничения на принятие возможного технического решения отражают с одной стороны допустимые диапазоны технических параметров, например, диапазоны изменения допустимого числа цилиндров в составе агрегата, см. зависимость (8) из темы 2, а с другой ограничения, накладываемые руководящими документами компетентных организаций. Таких документов достаточно много. Это Правила Регистра судоходства, Санитарные правила, Правила по технике безопасности, Правила по защите окружающей среды и среды обитания, Правила пожарной безопасности и др. руководящие документы. Каждый из них вводит ограничения в соответствии с разрабатываемым направлением. Цель ограничений, установленных Правилами Регистра судоходства – предотвращение тяжелых отказов, сопровождающихся возможной потерей судов и грузов, человеческими жертвами, в тяжелых условиях эксплуатации на воде, в отрыве от баз, возможно в условиях шторма, плохой видимости и т.д. В этих условиях важно не потерять ход, что определяется надежной работой пропульсивной установки, и управляемость, что обеспечивается работой рулевого устройства, питаемого энергией от судовой электростанции. Надежная работа пропульсивной установки обеспечивается запасами прочности винта и валопровода, наличием нескольких цилиндров в составе двигателя. Безотказная работа судовой электростанции обеспечивается резервированием, параметры которого установлены в Правилах Регистра.

8.2. Модели объектов проектирования

Как было указано выше модели объектов проектирования – это закономерности принятия технических решений, выраженные в форме алгоритмов проектирования. Например, это правила выбора допустимого варианта главного двигателя, см. зависимость (8) из темы 2 и головной модуль САПР эскизного проектирования СЭУ – модель WYBORDWS, см. выше тему 7.

Особенностью СЭУ является исключительно широкое применение типовых технических решений, типоразмерных рядов комплектующего оборудования, типовых конструктивных и тепловых схем, схем энергетических систем и т.д. Это обеспечивает получение гарантированных результатов в кратчайшие сроки, обеспечивающие постройку судна за год – полтора от момента возникновения замысла о его создании. Качество стандартного оборудования превосходит качество оборудования индивидуального изготовления, хотя бы за счет снижения стоимости вследствие увеличения серийности. Да и прочие показатели у серийного оборудования лучше – надежность, энергетическая эффективность, масса и габариты и др. вследствие более качественной отладки на испытаниях и опытной эксплуатации. Вследствие этого задача оптимизации СЭУ – задача целочисленная, состоящая в выборе оборудования из типоразмерных рядов, промежуточных образцов просто нет.

Это в свою очередь приводит к невозможности применения методов направленного поиска оптимального решения. Нерациональным также является применение методов случайного поиска в связи со значительным количеством экстремумов внутри области допустимых решений – каждый типоразмер оптимален в номинальной точке использования и при отклонении от этой точки эффективность снижается. Исходя из сказанного, принят следующий алгоритм оптимизации технических решений по СЭУ:

– обосновываются параметры выбора комплектующего оборудования. Примером модели обоснования требуемой мощности главного двигателя является зависимости (1) и (2), см. тему 1. Для судовой электростанции расчетная мощность на длительных эксплуатационных режимах хода и стоянки определяется с применением зависимостей (1.27) и (1.28);

– формируются альтернативные варианты анализируемого технического решения. Выбор всех возможных агрегатов из типоразмерного ряда МС с мощностью превышающей требуемую не более, чем на один цилиндр данного типоразмера, рассматривается в разделе 7, см. табл. 7.1 и 7.2;

– из расширенной выборки получают ограниченную выборку вариантов, предпочтительных по совокупности показателей качества и из анализа опыта проектирования, построенных судов. Для МОД типа МС по каждому из допустимых агрегатов приводится краткий перечень существенных показателей качества: типоразмер и число цилиндров в составе агрегата, мощность на режиме НМДМ, масса и длина агрегата, удельный расход топлива, удельные годовые приведенные затраты. Анализ этой совокупности позволяет выбрать для дальнейшего анализа ограниченную совокупность агрегатов МОД;

– для каждого из отобранных вариантов вычисляется критерий эффективности и по его значению выбирают оптимальный вариант в условиях принятых при проведении исследования. Среди отобранных для анализа агрегатов МОД один принимается за базовый и с ним производится сравнение всех остальных агрегатов с определением согласованного критерия эффективности – приращения прибыли по судну от применения альтернативного агрегата по сравнению с базовым;

– выполняется расчетное исследование устойчивости оптимального варианта к изменению нечетких переменных состояния конъюнктуры рынка. Из анализа диапазонов предпочтительности вариантов определяется вариант целесообразный для реализации на данном судне. Поскольку судно, энергетическая установка которого проектируется, будет эксплуатироваться еще 20 – 25 лет, неправомерно предполагать, что конъюнктура рынка, фрахтовые ставки, стоимость оборудования и др. факторы будут оставаться неизменными. Наоборот, справедливо предположить, что они будут меняться. Поэтому, вариант, оптимальный при одном сочетании неопределенных переменных, возможно будет не лучшим. Это явление анализируется при направленном варьировании неопределенных переменных в диапазонах их вероятного изменения. Вариант, остающийся оптимальным в большем диапазоне изменения неопределенных переменных, может быть принят оптимальным с большей вероятностью, чем прочие варианты.   

8.3. Модели критериев эффективности

Для транспортных судов критерием оптимальности является критерий экономической эффективности: для судовладельца наилучшим является вариант судна, обеспечивающий получение наибольшей прибыли П на капитал Кс, вложенный в его приобретение, или их отношения – нормы прибыли или уровня рентабельности:

Нпр = ( П / Кс ) * 100 % .                                                            (2.1)

Годовой объем прибыли можно представить как разницу между доходами от эксплуатации судна Д и расходами на его функционирование Р:

П = Д - Р .                                                                                   (2.2)

Доходы от эксплуатации судна поступают в виде платы за перевозку грузов:

Д = Рг * Kгп * Lпл * Fr * Zр ,                                                                    (2.3)

где Рг - грузоподъемность судна, т; Kгп - коэффициент технического использования грузоподъемности - средневзвешенный коэффициент загрузки судна; Lпл - величина линии, на которой эксплуатируется судно, мили; Fr - фрахтовая ставка, доллары за тонно-милю, зависящая от вида перевозимого груза и бассейна эксплуатации судна. В случае перевозки разнородных грузов необходимо осреднение этой величины; Zр - среднее число рейсов за год.

Расходы, связанные с эксплуатацией судна, разделяют на первоначальные, или единовременные, и текущие, или постоянные. Первые выступают в виде капитальных вложений – стоимости постройки или приобретения судна Кс. Годовые текущие расходы Ртек – сумма расходов на топливо Рт, смазочные и обтирочные материалы Рсм, амортизацию Ра, текущий ремонт Рр, снабжение Рсн, содержание экипажа Рэк, навигационных Рн и косвенных Ркос расходов:

Ртек = Рт + Рсм + Ра + Рр + Рсн + Рэк + Рн + Ркос.                                    (2.4)

Различия между капитальными и текущими расходами достаточно условны. Судовладелец приобретает суда на капитал, взятый под проценты в банке. За пользование капиталом производятся ежегодные платежи:

О = Кс · Но ,                                                                                               (2.5)

где Но - норматив годовых отчислений за пользование капиталом, равный в общем случае учетной банковской ставке.

Даже если судно приобретается за деньги судовладельца, он вправе, кроме прибыли от эксплуатации судна, рассчитывать на получение отчислений О, иначе ему выгодней положить деньги в банк под проценты. Эта идея реализуется путем расчета  приведенных затрат, которые фактически и являются расходами по эксплуатации судна:

Зпр = Р = Ртек + Ен · Кс ,                                                                             (2.6)

где Ен - прогноз учетной банковской ставки.

Таким образом, в качестве глобального, рассчитываемого по объекту верхнего иерархического уровня, критерия эффективности для обоснования технических решений по подсистемам судна и в том числе по СЭУ и по пропульсивному комплексу, может быть принята норма прибыли по судну:

Нпр = ( ( Рг · Kгп · Lпл · Fr · ZрЗпр ) / Кс ) · 100 % .                                          (2.7)

При помощи глобальных критериев могут обосновываться лишь крупные технические решения, изменения которых приводят к изменениям критерия, превышающим погрешность его определения. На разных стадиях проектирования судна эта погрешность различна, особенно она велика на ранних стадиях. Учитывая, что на этих этапах стоимость судна определяется с погрешностью до 30%, в этот доверительный интервал укладывается любое техническое решение по СЭУ и можно сделать вывод о неприменимости глобальных критериев, рассчитываемых по объекту верхнего уровня, для оптимизации технических решений по судовым энергетическим установкам и их комплектующему оборудованию.

Достоверным критерием эффективности является так называемый локальный критерий, рассчитываемый по объекту проектирования – тому техническому решению, которое обосновывается. В качестве локального критерия могут выступать приведенные затраты по объекту проектирования. Недостатком этого критерия является то, что не обязательно минимум приведенных затрат, например, по судовой электростанции, совпадает с максимумом прибыли по транспортному судну. В расчете локального критерия не учитываются изменения системных параметров, таких, как изменение массы, изменение габаритов и др. Локальный критерий не является объективным.

Одновременно достоверным и объективным является согласованный критерий – полное приращение прибыли по транспортному судну с учетом не только приведенных затрат, но и влияния системных параметров. Значение согласованного критерия [5, 24]  складывается из приращения локального критерия и поправки на изменение системно-важных параметров объекта проектирования:

      Krсогл = Kr лок + ,        (2.14)

где  - частные производные глобального критерия эффективности по  i –м системно-важным параметрам объекта проектирования. Они могут приниматься по данным базового варианта и при анализе решений обладающих малой значимостью являются линейными функциями системных параметров; Pi - конечные приращения системно-важных параметров.

Системными параметрами СЭУ и её комплектующего оборудования являются: полная масса, габаритные характеристики, затраты мощности на собственные нужды, энергетическая эффективность, эксплуатационная надежность. Кроме этого для отдельных элементов СЭУ выделяются специфические системно-важные параметры. Например, для таких элементов как главные судовые двигатели важными факторами являются энергия вторичных энергоносителей – выхлопных газов, продувочного воздуха, пресной воды и циркуляционного масла, а также связи с оборудованием энергетических систем, вспомогательной котельной установки, судовой электростанции и опреснительной установки. Для любого оборудования влияние его технических и системных параметров на величину глобального критерия эффективности реализуются через изменения трех составляющих: полных (приведенных) затрат Рп, влияющих на расходы, полной массы Gп и размеров МКО, способных оказать влияние на доходы от эксплуатации судна.

Увеличение прибыли от перевозки полной массы оборудования Gп (суммы рабочей массы оборудования Gi и массы запасов рабочих тел на работу оборудования в течение рейса Gт) по сравнению с базовым вариантом DDGоб:

 DDGоб = ( Gпб Gп) = kG (D Gр–1)б ( Gпб Gп),            (2)

где kG – коэффициент, учитывающий возможность использования дополнительной грузоподъемности.

Габаритные характеристики относятся к системно важным для таких элементов СЭУ как агрегаты главных двигателей, дизель-генераторные агрегаты и валогенераторы. Эти элементы, в случае их расположения последовательно по длине МКО, могут оказать влияние на длину последнего L, что способно привести к увеличению грузовых отсеков, увеличить грузовместимость судна и повлиять на объем прибыли:

DDLоб = ( Lб L) = kL(D Lгр–1)б ( Lб L),             (3)

где kL  – коэффициент использования изменения длины МКО для перевозки дополнительного груза.

 Эксплуатационная надежность способна оказать влияние на величину критериев эффективности только одной из своих составляющих – долговечностью, характеристика которой – назначенный ресурс Тр непосредственно используется при установлении нормативов отчислений на амортизацию и входит в выражение для приведенных затрат. Показатели безотказности и ремонтопригодности могут не учитываться ввиду резервирования оборудования СЭУ, а также соотношения математических ожиданий среднего времени безотказной работы Tср бор и восстановления Tср вос : Tср бор>> Tср вос.

 

8.4. Методики и программы для обоснования проектных решений по СЭУ

В процессе технико-экономического обоснования проектных решений по СЭУ возникает необходимость не только разрабатывать альтернативные варианты технических решений, но и многократно сравнивать варианты между собой с применением согласованных критериев эффективности. Это сравнение проводится как при существующей конъюнктуре рынка, стоимостях валют, фрахтовых ставок и др. составляющих критерия эффективности, но и при направленном варьировании указанных влияющих факторов, так как они являются нечеткими переменными.

Для этого нужны программные комплексы способные обеспечить определение следующих составляющих критериев эффективности и критериев эффективности в целом:

 – программные комплексы для расчета первоначальной стоимости судна, СЭУ, главного двигателя, комплектующего оборудования вспомогательных установок – СЭС – ДГ, ВГ, УГТ, УТГ, электрических кабелей; ВКУ – ВПГ, УПГ, ВГК, УВГК, ВТС продувочного воздуха, котлов-инсенираторов, сепараторов пара, трубопроводов пара; ОУ – УОУ, ПОУ, ОУ мгновенного вскипания, ОУ обратного осмоса, установки кондиционирования воды; вспомогательного оборудования систем СЭУ – насосов, теплообменных аппаратов, сепараторов, компрессоров и др. Для этой цели разработаны модели WERT и SOSTAW, описанные в [12];

– программные комплексы для расчета составляющих текущих расходов и глобального критерия эффективности (удельных приведенных затрат) – модель LOHN;

– программные комплексы определения фрахтовых ставок и доходов от эксплуатации судна – модель DOXOD;

– программные комплексы для расчета критериев согласованной системной эффективности – модели SOGLKRIT – обобщенная модель для произвольного объекта оптимизации,  [11] – модель для согласованной оптимизации пропульсивных комплексов; [25] – модель для согласованной оптимизации состава судовой электроэнергетической установки;  [26] – модель для согласованной оптимизации состава судовой вспомогательной котельной установки; [27] – модель для согласованной оптимизации состава судовой опреснительной установки.

Заключение: основные направления развития методов проектирования СЭУ

Вполне очевидно одно из генеральных направлений развития методов проектирования СЭУ – повсеместное внедрение машинных методов анализа, позволяющих глубже анализировать возникающие проблемы, просматривать больше альтернативных вариантов, каждое решение проверять на изменение показателей судна и СЭУ, исследовать устойчивость оптимальных решений к изменению конъюнктуры рынка, условий оптимизации.

Важной проблемой является разработка нового этапа проектирования судов и СЭУ – контрактного проектирования. В диссертации [28] показана возможность получения такого решения и создание САПР контрактного проектирования СЭУ в рамках проектирования судна.

Важной проблемой, пока еще решенной очень приблизительно, остается автоматизированное проектирование расположений СЭУ. В настоящее время имеется возможность применить объемное макетирование МКО, автоматизированную прокладку трубопроводов и кабельных трасс, автоматизированный анализ эффективности вариантов расположений и компоновок.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41860. Окислительно-восстановительное титрование. Иодометрическое определение пероксида водорода. Иодометрическое определение растворённого в воде кислорода 65.63 KB
  Сформировать умения по стандартизации раствора тиосульфата натрия; выполнению иодометрического определения пероксида водорода; иодометрического определения растворенного в воде кислорода. При этом к определяемому веществу добавляют взятое в заведомом избытке точное количество стандартного раствора иода. Какую среду сильнокислую слабокислую должен иметь раствор после добавления серной кислоты Почему при добавлении крахмала амилозы к раствору иода появляется синее окрашивание Какие ещё вещества могут взаимодействовать с иодом...
41861. Определение удельной теплоты плавления олова 286.55 KB
  Температура при которой вещество плавится называется температурой плавления вещества. Температура плавления для данного вещества при одинаковых условиях одинакова. Однако это не значит что в процессе плавления к телу не надо подводить энергию.
41862. Диаграмма Парето 48.04 KB
  Например если на складе находится большое число деталей проводить контроль всех деталей без всякого различия неэффективно. Но если разделить детали на группы по их стоимости то на долю группы наиболее дорогих деталей группа А составляющих 2030 от общего числа деталей придётся 7080 от общей стоимости всех деталей. На долю группы самых дешёвых деталей группа С составляющей 4050 от всего количества деталей придётся всего 510 от общей стоимости. Контроль деталей на складе будет эффективным если контроль деталей группы А будет...
41863. Редактирование рабочей книги. Построение диаграмм 976.65 KB
  Изучение способов работы с данными в ячейке. Изучение возможностей автозаполнения. Построение диаграмм. Создание и сохранение таблицы (рабочей книги). Форматирование содержимого ячеек, выбор диапазона ячеек и работа с ними, редактирование содержимого ячеек.
41864. Функционально-стоимостной анализ в конструкторской подготовке производства 296 KB
  Функционально-стоимостной анализ — метод, позволяющий отбирать наилучшие технические решения при создании и освоении новой техники (технологии), увязывать в единый комплекс вопросы обеспечения функциональной полезности и качества новой техники (технологии)
41865. Гистограмма. Характерные типы гистограмм 82 KB
  Результаты измерений вводим в электронную таблицу. В ячейку А1 вводим заголовок работы. Начиная с ячейки А3 вводим в столбец порядковые номера измерений с 1 по 100 например при помощи команды ПравкаЗаполнитьПрогрессия . В ячейки В3:В102 вводим значения коэффициента деформации из табл.
41866. Графики. Построение и виды графиков. 53.14 KB
  На третьем шаге вводим заголовки диаграммы и осей основные линии сетки по осям удаляем легенду. Характер изменения выручки а также прогноз даёт линия тренда построить которую можно открыв контекстное меню на ломаной линии и выбрав команду Добавить линию тренда. В открывшемся диалоговом окне на вкладке Тип показаны возможные типы линии тренда. Чтобы выбрать тип линии наилучшим образом аппроксимирующий данные можно поступить следующим образом: поместить на диаграмме линии тренда всех приемлемых типов т.
41867. Построение фигур и линий в CorelDRAW. Рабочая среда и интерфейс пользователя 549.49 KB
  Модель кривой В основе принятой в CorelDRW модели линий лежат два понятия: узел и сегмент. По характеру предшествующих сегментов выделяют три типа узлов: начальный узел незамкнутой кривой прямолинейный и криволинейный. В средней части строки состояния для кривой выводится обозначение класса объекта Кривая на слое 1 а также количество узлов этой кривой. Вместо этого задается расположение узлов будущей кривой и появляется возможность уже в процессе построения воздействовать на положение направляющих точек в каждом из них.
41868. Табличный процессор Excel. Ознакомление. Форматирование таблиц в Excel 202.96 KB
  Название ошибки Значение ошибки ДЕЛ 0 Деление на нуль Н Д Неопределенные данные ИМЯ Программа не может распознать имя использованное в формуле ПУСТО Задано пересечение областей не имеющих общих ячеек ЧИСЛО Возникли проблемы с числом ССЫЛКА Формула неправильно ссылается на ячейку например если ячейки были удалены ЗНАЧ Аргумент или операнд имеет недопустимый тип ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ: Задание Создать таблицу в соответствии с предложенным вариантом по образцу. Создайте таблицу в соответствии с вашим вариантом по образцу Для...