Matematické modely v procesním inženýrství

Matematické modely v procesním inženýrství • Věda pro praxi • OP VK CZ.1.07/2.3.00/20.0020

Michal Touš AMathNet, Pavlov, 6. - 8. 6. 2011

Ústav procesního a ekologického inženýrství Fakulta strojního inženýrství Vysoké učení technické v Brně Technická 2896/2, 616 69 Brno

1. Procesní inženýrství

2. Matematické modely energetických systémů

3. Další využití matematiky na ÚPEI

4. Shrnutí

Osnova 1. 2. 3. 4.

Procesní inženýrství – co si pod tím představit? Matematické modely energetických systémů Další využití matematiky v problémech řešených na ÚPEI Shrnutí





4. Shrnutí

Procesní inženýrství Vývoj, návrh, řízení a ekonomika procesů v těchto oblastech: • Energetický průmysl • Petrochemický průmysl • Procesy zaměřené na ochranu životního prostředí • Potravinářský průmysl • Farmaceutický průmysl • …

Cílem je ze surovin získat požadovaný produkt. suroviny


proces

produkty




4. Shrnutí

Proces voda

potravinářský proces

ječmen

chmel

odpad vlhká biomasa 50 % obj. vody Ústav procesního a ekologického inženýrství Fakulta strojního inženýrství Vysoké učení technické v Brně Technická 2896/2, 616 69 Brno

termická likvidace sušení

zredukovaný odpad bez nebezpečných látek suchá biomasa 10 % obj. vody




4. Shrnutí

Osnova 1. 2. 3. 4.






Jednotky pro energetické využití odpadů

ZEVO Malešice

Termizo Liberec


SAKO Brno

4. Shrnutí




Jednotky pro energetické využití odpadů Výroba elektřiny Výroba tepla

Výroba páry

Spálení odpadu


Čištění spalin

4. Shrnutí




4. Shrnutí

Modelování výroby v provozu spalovny Termizo Modelování s využitím provozních dat → regresní analýza Příklad: jednoduchý model parní turbíny Parní turbína v Termizu

Model této turbíny 3600 3400 3200

Výkon TG (kW)

3000 2800 2600 2400 2200

Očekávané normální 3000

2000 1800

2500

1600 2000 Poč.pozor.

1400 1200 1000 22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

1500

44 1000

46

48

50

Pára na TG [t/h] 500

0 -700


-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600




4. Shrnutí

Modelování výroby v provozu spalovny Termizo Modelování s využitím provozních dat → regresní analýza Příklad: model předehřevu spalovacího vzduchu Výměník tepla pro předehřev vzduchu


Model spotřeby tepla pro předehřev vzduchu




4. Shrnutí

Modelování výroby v provozu spalovny Termizo Výsledek – nástroj pro simulaci provozu spalovny Termizo s ekonomickými efekty





Využití paliv v provozu plzeňské teplárny • Hlavní zdroj tepla pro město Plzeň • Kogenerační výroba elektřiny a tepla • Paliva: • hnědé uhlí • dřevní štěpka • pivovarské mláto • řepkové řízky z výroby oleje • atd.


4. Shrnutí




4. Shrnutí

Optimalizace využití palivové základny provozní data → regresní analýza → technicko-ekonomický model → optimalizace

typ paliva

x j , k ,t

- množství dávkovaných paliv

typ kotle

Optimální využití biomasových paliv Závisí na: • cenách paliv • výrobě tepla • výši zelených bonusů • ceně emisních povolenek

měsíc 12 Množství paliva [kt]

Cíl: maximalizace zisku Rozhodovací proměnné:

10 8 6 4 2

0 1

2

3

dřevní štěpka


4

5

6

7

pivovarské mláto

8

9

10

11

podsítná frakce

12




4. Shrnutí

Stochastické programování Náhodný parametr: velikost poptávky po teple v průběhu roku

Generování scénářů poptávky z historie:

yts  ht  x yts je poptávka v měsíci t pro scénář s ht historická poptávka v měsíci t x realizace X R  a, b 


Rozdělení zisku při realizaci 100 scénářů poptávky.




4. Shrnutí

Stochastické programování Náhodný parametr: velikost poptávky po teple v průběhu roku

Generování scénářů poptávky z historie:

yts  ht  x yts je poptávka v měsíci t pro scénář s ht historická poptávka v měsíci t x realizace X R  a, b 


Rozdělení množství využité biomasy při realizaci 100 scénářů poptávky.




4. Shrnutí

Osnova 1. 2. 3. 4.






4. Shrnutí

Turbulentní vířivé difúzní spalování zemního plynu Cíle • analýza tepelných toků do stěn spalovací komory • ověření možnosti CFD predikce tepelných toků do stěn vodou chlazené spalovací komory

Zkušebna – spalovací komora Vizualizace isoploch koncentrace metanu a tepelného toku do stěny spalovací komory Ústav procesního a ekologického inženýrství Fakulta strojního inženýrství Vysoké učení technické v Brně Technická 2896/2, 616 69 Brno




4. Shrnutí

Vývoj modelu tvorby spreje Cíl: vyvinout zjednodušený ale dostatečně přesný model spreje pro predikci tvorby spreje Použití Euler –Lagrange přístupu Modely • Primární atomizace • Sekundární atomizace • Kolize • Odporová síla


Atomizace kapek




4. Shrnutí

Metody plánování experimentů při zkouškách hořáků Cíle: • Vyšetřit vliv konstrukčních prvků hořáku a provozních podmínek spalování na tvorbu emisí,aj. Např. vliv průměru palivové trysky a výkonu na tvorbu NOx. • Minimalizovat počet finančně náročných experimentů • Nalézt matematický model pro predikci zkoumané veličiny

V případě hořáků uvažováno 9 faktorů ovlivňujících sledovanou veličinu → plný plán cca 20 000 měření pro model druhého řádu → zkrácený plán cca 150 měření

Vliv průměru trysky a výkonu na tvrobu emisí NOx. Ústav procesního a ekologického inženýrství Fakulta strojního inženýrství Vysoké učení technické v Brně Technická 2896/2, 616 69 Brno




4. Shrnutí

Osnova 1. 2. 3. 4.






4. Shrnutí

Shrnutí 1.

2. 3.

Energetické systémy: • Provozní data → Regresní analýza → model → optimalizace • Technicko-ekonomické optimalizace energetických systémů • Stochastické modelování a optimalizace CFD • Model spalování zemního plynu • Model spreje při spalování kapalných paliv Další statistické metody – plánování experminetu při zkouškách hořáků


Děkuji za pozornost Michal Touš [email protected]


Matematické modely v procesním inženýrství

Recommend Documents