Matematické modely v procesním inženýrství

Transkript

1 Matematické modely v procesním inženýrství Věda pro praxi OP VK CZ.1.07/2.3.00/ Michal Touš AMathNet, Pavlov,

2 Osnova 1. Procesní inženýrství co si pod tím představit? 2. Matematické modely energetických systémů 3. Další využití matematiky v problémech řešených na ÚPEI 4. Shrnutí

3 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 Proces voda ječmen potravinářský proces chmel odpad termická likvidace zredukovaný odpad bez nebezpečných látek vlhká biomasa 50 % obj. vody sušení suchá biomasa 10 % obj. vody

5 Osnova 1. Procesní inženýrství co si pod tím představit? 2. Matematické modely energetických systémů 3. Další využití matematiky v problémech řešených na ÚPEI 4. Shrnutí

6 Jednotky pro energetické využití odpadů ZEVO Malešice Termizo Liberec SAKO Brno

7 Jednotky pro energetické využití odpadů Výroba elektřiny Výroba tepla Výroba páry Spálení odpadu Čištění spalin

8 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 Výkon TG (kw) Očekávané normální Pára na TG [t/h] Poč.pozor

9 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

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

11 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.

12 Množství paliva [kt] Optimalizace využití palivové základny provozní data regresní analýza technicko-ekonomický model optimalizace Cíl: maximalizace zisku Rozhodovací proměnné: x j, k, t - množství dávkovaných paliv typ paliva typ kotle měsíc Optimální využití biomasových paliv Závisí na: cenách paliv výrobě tepla výši zelených bonusů ceně emisních povolenek dřevní štěpka pivovarské mláto podsítná frakce

13 Stochastické programování Náhodný parametr: velikost poptávky po teple v průběhu roku Generování scénářů poptávky z historie: s y h x s y t h t x t t je poptávka v měsíci t pro scénář s historická poptávka v měsíci t Rozdělení zisku při realizaci 100 realizace X R a, b scénářů poptávky.

14 Stochastické programování Náhodný parametr: velikost poptávky po teple v průběhu roku Generování scénářů poptávky z historie: s y h x s y t h t x t t je poptávka v měsíci t pro scénář s historická poptávka v měsíci t realizace X R a, b Rozdělení množství využité biomasy při realizaci 100 scénářů poptávky.

15 Osnova 1. Procesní inženýrství co si pod tím představit? 2. Matematické modely energetických systémů 3. Další využití matematiky v problémech řešených na ÚPEI 4. Shrnutí

16 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

17 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

18 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 měření pro model druhého řádu zkrácený plán cca 150 měření Vliv průměru trysky a výkonu na tvrobu emisí NOx.

19 Osnova 1. Procesní inženýrství co si pod tím představit? 2. Matematické modely energetických systémů 3. Další využití matematiky v problémech řešených na ÚPEI 4. Shrnutí

20 Shrnutí 1. Energetické systémy: Provozní data Regresní analýza model optimalizace Technicko-ekonomické optimalizace energetických systémů Stochastické modelování a optimalizace 2. CFD Model spalování zemního plynu Model spreje při spalování kapalných paliv 3. Další statistické metody plánování experminetu při zkouškách hořáků

21 Děkuji za pozornost Michal Touš