Автоматизированная система подготовки и сжигания топлива в двигательной установке с микро-взрывной фрагментацией капель топлив

Представлены результаты по разработке автоматизированной системы управления двигательной установкой, предназначенной для сжигания топливных эмульсий в условиях вторичного измельчения.
Основным преимуществом разработанной системы является наличие программно-оперативного комплекса на базе SCADA-системы, который повышает качество регулирования и быстродействия системы, а также позволяет вовремя отреагировать на любую сложную ситуацию в процессе эксплуатации системы.

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………… 11
1 НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА ……………………………………… 14
1.1 Цель и задачи исследований …………………………………………………………….. 18
1.2 Исследуемые материалы ………………………………………………………………….. 19
1.2.1 Неперемешанные двухжидкостные капли ……………………………………… 20
1.2.2 Перемешанные капли топливных эмульсий …………………………………… 21
1.3 Характеристики распада и зажигания ………………………………………………. 22
1.4 Влияние температуры греющей среды (теплового потока) ……………….. 24
1.5 Влияние концентрации горючей жидкости……………………………………….. 25
1.6 Одиночные и группа капель топливных эмульсий в свободном падении
……………………………………………………………………………………………………………… 27
1.7 Распыл топливной эмульсии в дизельном двигателе …………………………. 30
1.8 Расчет погрешностей измерений ………………………………………………………. 32
1.9 Использование результатов исследований………………………………………… 34
2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ АСУ ПОДГОТОВКИ И СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В
ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ С МИКРО-ВЗРЫВНОЙ
ФРАГМЕНТАЦИЕЙ КАПЕЛЬ ТОПЛИВ …………………………………………………. 36
2.1 Системный анализ объекта автоматизации ……………………………………….. 36
2.2 Анализ нормативных документов …………………………………………………….. 42
2.3 Разработка структуры КТС автоматизированной системы управления 44
2.3.1 Определение перечня функций, архитектуры и состава комплекса
технических средств АСУ …………………………………………………………………… 44
2.3.2 Проектирование структурных схем КТС измерительных каналов на
лабораторном стенде дизельного ДВС ………………………………………………… 48
2.3.3 Техническое задание на проектирование и разработку АСУ
лабораторного стенда дизельного ДВС ……………………………………………….. 50
2.3.4 Проектирование структурных схем КТС АСУ на основе
микропроцессорной техники ………………………………………………………………. 54
2.3.5 Оценка погрешностей измерительных каналов …………………………… 55
2.4 Разработка функциональной схемы системы управления ………………….. 56
2.5 Составление опросных листов на приборы и средства автоматизации . 58
2.6 Выбор технических средств системы управления, составление
спецификации ……………………………………………………………………………………….. 59
2.6.1 Составление спецификации ТСА ………………………………………………… 59
2.6.2 Выбор ТСА ………………………………………………………………………………… 59
2.7 Составление перечня входных и выходных сигналов ……………………….. 73
2.8 Проектирование схемы внешних проводок ………………………………………. 74
2.9 Разработка принципиальной электрической схемы щита управления .. 76
2.10 Составление перечня элементов щита управления ………………………….. 79
2.11 Разработка сборочного чертежа щита управления …………………………… 79
2.12 Составление спецификации щита управления ………………………………… 81
2.13 Разработка фрагментов информационного, математического и
программного обеспечений……………………………………………………………………. 83
2.14 Разработка мнемосхем SCADA-системы ………………………………………… 84
2.15 Выводы по разделу Проектирование АСУ подготовки и сжигания
топлива в двигательной установке с микро-взрывной фрагментацией капель
топлив …………………………………………………………………………………………………… 86
3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ НАСТРОЙКИ РЕГУЛЯТОРА ………………………… 88
3.1 Идентификация объекта управления ………………………………………………… 88
3.2 Расчет оптимальных параметров настройки (ОПН) ПИ-регулятора ….. 90
3.2.1 Обоснование и выбор ОПН регулятора ………………………………………….. 90
3.2.2 Расчет и построение переходного процесса, оценка его качества……. 92
3.3 Вывод по разделу Расчет параметров настройки регулятора …………….. 96
4 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ…………………………………………………………………………. 98
4.1 Анализ конкурентных технических решений ………………………………….. 100
4.2 FAST-анализ ………………………………………………………………………………….. 102
4.2.1 Выбор объекта FAST-анализа …………………………………………………… 102
4.2.2 Описание главной, основных и вспомогательных функций,
выполняемых объектом …………………………………………………………………….. 102
4.2.3 Определение значимости выполняемых функций объектом ………. 103
4.2.4 Анализ стоимости функций, выполняемых объектом исследования
…………………………………………………………………………………………………………. 104
4.2.5 Построение функционально-стоимостной диаграммы объекта и ее
анализ ………………………………………………………………………………………………. 105
4.2.6 Оптимизация функций, выполняемых объектом ……………………….. 105
4.3 Планирование научно-исследовательских работ …………………………….. 106
4.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) ………………………… 113
4.4.1 Расчет материальных затрат НТИ ……………………………………………… 113
4.4.2 Амортизация …………………………………………………………………………….. 114
4.4.3 Основная заработная плата исполнителей …………………………………. 114
4.4.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) ….. 118
4.4.5 Накладные расходы ………………………………………………………………….. 119
4.4.6 Формирование затрат научно-исследовательского проекта ……….. 119
4.5 Ресурсоэффективность …………………………………………………………………… 120
4.6 Вывод по разделу Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение ……………………………………………………………………………… 121
5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ……………………………………………….. 123
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …. 124
5.1.1 Специальные (характерные при эксплуатации объекта исследования,
проектируемой рабочей зоны) правовые нормы трудового
законодательства ………………………………………………………………………………. 124
5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны …. 125
5.2 Профессиональная социальная безопасность ………………………………….. 125
5.2.1 Анализ вредных и опасных факторов ………………………………………… 125
5.3 Экологическая безопасность…………………………………………………………… 134
5.3.1 Анализ влияния объекта исследования на окружающую среду ….. 134
5.3.2 Обоснование мероприятий по защите окружающей среды ………… 134
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………….. 135
5.4.1 Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект
исследований ……………………………………………………………………………………. 135
5.4.2 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка
порядка действия в случае возникновения ЧС …………………………………… 136
5.5 Выводы по разделу Социальная ответственность ……………………………. 137
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………… 138
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ………………………………….. 140
Приложение A Researches of micro-explosion and puffing effects in two-fluid
droplets …………………………………………………………………………………………………… 151

Графический материал: на отдельных листах

ФЮРА.421000.002 С1 Схема структурная
ФЮРА.421000.002 С2 Схема функциональная
ФЮРА.421000.002 ОЛ1 –
ФЮРА.421000.002 ОЛ16 Опросные листы
ФЮРА.421000.002 ЗС1 Спецификация приборов
и средств автоматизации
ФЮРА.421000.002 ЗС Заказная спецификация приборов
и средств автоматизации
ФЮРА.421000.002 С4 Схема монтажная
ФЮРА.421000.002 Э4 Схема принципиальная электрическая
ФЮРА.421000.002 Э7 Схема расположения блоков зажимов в щите
ФЮРА.421000.002 ПЭ Перечень элементов щита управления
лабораторным стендом дизельного ДВС
ФЮРА.421000.002 СБ Сборочный чертеж щита управления
ФЮРА.421000.002 ВО Вид общий щита управления
ФЮРА.421000.002 СБС Спецификация щита управления лабораторным
стендом дизельного ДВС

В рамках магистерской диссертации была разработана
автоматизированная система подготовки и сжигания топлива в двигательной
установке с микро-взрывной фрагментацией капель топлив.
В ходе научных исследований было выявлено, что применение эффектов
микро-взрывной фрагментации топлив позволит обеспечить их интенсивное
вторичное измельчение до нескольких сотен и даже десятков микрометров.
Это приводит к кратному росту площади поверхности испарения и
химического реагирования, тем самым снижению инерционности зажигания
топливных композиций, повышению полноты их выгорания, минимизации
расхода топлива и равномерному распылению топлива в камере сгорания.
Спроектированная система является трехуровневой. Полевой уровень
включает датчики измерения температуры, давления, расхода, уровня,
концентрации, а также запорную арматуру и исполнительные механизмы. На
среднем уровне располагается контроллер фирмы Siemens, на верхнем уровне
– АРМ оператора, щит серверный, панель визуализации и принтер.
В ходе выполнения магистерской диссертации разработана проектная
документация: схема структурная, схема функциональная, схема
принципиальная электрическая щита управления, схема монтажная внешних
проводок, сборочный чертеж и общий вид щита управления.
Пояснительная записка к проекту содержит подробное описание
основного оборудования, приборов и технических средств автоматизации, а
также мнемосхема и алгоритмы управления. При выборе приборов
руководствовались каталогами и сайтами производителей.
Также выполнены разделы «Социальная ответственность» и
«Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение».
Основные публикации автора работы:
1. Antonov D., Bellettre J., Tarlet D., Massoli P., Vysokomornaya O., Piskunov M.
Impact of holder materials on the heating and explosive breakup of two-component
droplets // Energies. – 2018.
2. Antonov D.V., Piskunov M.V., Strizhak P.A. Breakup and explosion of droplets of
two immiscible fluids and emulsions // International Journal of Thermal Sciences. –
2019.
3. Antonov D.V., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A., Rybdylova O., Sazhin S.S. Micro-
explosion and autoignition of composite fuel/water droplets // Combustion and Flame.
– 2019.
4. Antonov D.V., Piskunov M.V., Strizhak P.A. Explosive disintegration of two-
component drops under intense conductive, convective, and radiant heating // Applied
Thermal Engineering. – 2019.
5. Antonov D.V., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Comparison of the characteristics of
micro-explosion and ignition of two-fluid water-based droplets, emulsions and
suspensions, moving in the high-temperature oxidizer medium // Acta Astronautica –
2019.
6. Antonov D.V., Piskunov M.V., Strizhak P.A. Child droplets produced by micro-
explosion and puffing of two-component droplets // Applied Thermal Engineering. –
2020.
7. Antonov, D.V., Fedorenko, R.M., Kuznetsov, G.V., Strizhak, P.A. Modeling the
micro-explosion of miscible and immiscible liquid droplets // Acta Astronautica. –
2020.
8. Antonov, D., Piskunov, M., Strizhak, P., Tarlet, D., Bellettre, J. Dispersed phase
structure and micro-explosion behavior under different schemes of water-fuel
droplets heating // Fuel. – 2020.