В статье рассмотрена программа по автоматизации и минимизации тепловых потерь при нагреве мазута в стальном вертикальном резервуаре, с улучшенной технологией нагрева. Представлена программа которая рассчитывает: вероятную температуру при его хранении в течении времени, потери теплоты, количество теплоты необходимое для подогрева мазута от начальной до конечной температуры, коэффициент теплопередачи от мазута в резервуаре в окружающую среду. Программа «Контроль» позволяет автоматизировать и ускорить процесс расчетов.
Актуальность разработки обусловлена значительными энергозатратами на поддержание температурного режима хранения мазута. Современные требования к энергоэффективности и экологической безопасности требуют оптимизации этих процессов.
Свой вклад мы внести не только новой программой, но и изменению подхода, а если сказать точнее - улучшению. Основная задача, которую мы поставили перед собой, автоматизация, во всех смыслах этого слова, необходимо избавиться от рутинных действий. Тепловые потери, одно из физических явлений от которого избавиться нельзя, задача не решаема, эту модель можно сравнить с вечным двигателем. Главная цель — минимизация тепловых потерь методом изменения методики нагревания на основе физико-химических свойств хранимого вещества и самой емкости хранения.
Создание программного комплекса для автоматизации расчетов тепловых потерь с учетом реальных эксплуатационных факторов.
Основные задачи:
· Разработка математической модели
· Создание алгоритмов расчета
· Реализация пользовательского интерфейса
· Верификация результатов
Материалы и методы
Программа "Контроль", разработанная на языке Python 3.10, представляет собой инструмент для обработки и анализа данных, использующий библиотеки PyQT5, Numpy, Matplotlib и Math. Эти библиотеки обеспечивают функциональность, необходимую для реализации сложных математических моделей, статистического анализа и визуализации данных.
Технологический подход
PyQT5
Библиотека PyQT5 служит основой для создания графического интерфейса пользователя и управления событиями. Она поддерживает архитектуру сигналов и слотов, что позволяет эффективно организовывать взаимодействие между компонентами приложения. Кроссплатформенность библиотеки обеспечивает совместимость с операционными системами
· Windows
· macOS
· Linux (Astra)
Numpy
Numpy является ключевым инструментом для работы с многомерными массивами и матрицами, что критично для выполнения линейной алгебры, статистических расчетов и обработки больших данных. Векторизация операций, реализованная в Numpy, позволяет значительно ускорить вычисления, минимизируя использование циклов и повышая производительность. Это особенно важно при интеграции с датчиками, которые передают данные в реальном времени.
Matplotlib
Matplotlib, в свою очередь, обеспечивает визуализацию данных, позволяя создавать графики и диаграммы, которые помогают в интерпретации результатов. Интеграция с Numpy позволяет динамически обновлять графики на основе поступающих данных, что критично для мониторинга и анализа в реальном времени. Возможность сохранения графиков в различных форматах (PNG, PDF, SVG) упрощает дальнейшую работу с результатами.
Math
Библиотека Math предоставляет обширный набор математических функций, включая тригонометрические, логарифмические операции и работу с углами. Это позволяет выполнять сложные вычисления, необходимые для анализа данных и построения математических моделей, таких как регрессионный
PyQt5 обеспечивает кроссплатформенный графический интерфейс, что позволяет применять программу как в среде Windows, так и в Linux-системах. Использование PyQt5 в инженерных приложениях позволяет добиться высокой интерактивности и гибкости интерфейса за счёт применения архитектуры сигналов и слотов, а также встроенных механизмов обработки событий. Это делает библиотеку особенно ценной при разработке специализированных программ для научно-технических задач, где требуется одновременная работа с большими объёмами расчётных данных, их визуализация и корректировка параметров в режиме реального времени.
В проекте «Контроль» реализованы отдельные вкладки для каждого расчётного блока (температурный анализ, расчёт теплопотерь, визуализация коэффициента теплопередачи и пр.), что обеспечивает логическое разделение данных и упрощает навигацию для оператора. Благодаря реализации модели событий достигается высокая отзывчивость системы даже при значительных вычислительных нагрузках.
Использованы уравнения теплопроводности, конвективного теплообмена и методы численного анализа.
Программа включает более 80 математических формул, сгруппированных в отдельные расчётные блоки, выполняемые последовательно или параллельно в зависимости от вводных данных. Основные функции:
· Расчёт температуры мазута во времени с учётом внешних и внутренних факторов (уравнение теплопроводности);
· Определение тепловых потерь в системе хранения (термодинамический анализ);
· Вычисление потребности в теплоте для нагрева от исходной до целевой температуры;
· Расчёт коэффициента теплопередачи по законам теплопроводности и конвекции;
· Визуализация температурных изменений и тепловых потоков в виде интерактивных графиков и диаграмм;
· Прогнозирование потребления энергии в зависимости от сезонных факторов и характеристик резервуара;
· Интеграция с датчиками (в перспективе) для получения входных данных в реальном времени
Рекомендации по хранению мазута
Традиционно мазут рекомендуется хранить при температуре 60 градусов Цельсия. Этот метод широко используется, однако он имеет свои недостатки, такие как повышенные тепловые потери, определяемые законом Фурье, и риск ухудшения качества мазута из-за термической деструкции.
Программа предлагает новую технологию нагрева, при которой средняя температура мазута составляет 20 градусов, а в ядре — 60 градусов. Такой подход, основанный на принципах термодинамической неравновесности, позволяет мазуту надолго сохранять свои физико-химические свойства, что делает его более стабильным и эффективным для использования. Это также снижает риск образования осадка и других нежелательных изменений в качестве продукта.
Результаты и выводы
В рамках тестирования программы была внедрена технология «холодного хранения с горячим ядром», которая обеспечила снижение энергопотребления на 58% за счёт уменьшения времени непрерывного подогрева. Программа «Контроль» показала точность расчётов и стабильность при работе с массивами данных, полученными в ходе опытной эксплуатации.
Её использование способствует достижению высокой энергоэффективности, снижению эксплуатационных затрат и повышению надёжности хранения мазута в условиях производственных и оборонных объектов.
Таким образом, программа станет важным инструментом для предприятий, стремящихся к оптимизации своих процессов и повышению конкурентоспособности на рынке.
Разработана математическая модель, учитывающая: Теплофизические свойства мазута, параметры резервуара, внешние условия, создан алгоритм расчета с погрешностью <5%
Реализован интерфейс с функциями: Ввода параметров, визуализации результатов, экспорта данных, подтверждено снижение энергозатрат на 58%
Разработанное решение демонстрирует значительные
преимущества по сравнению с традиционными методами расчета:
Точность расчетов повышена на 15-20% относительно ручных методов (по данным верификации на тестовых примерах)
Время выполнения полного цикла расчетов сокращено с 1-2 часов до 3-7 минут Реализованная технология "холодного хранения с горячим ядром" показала эффективность, согласующуюся с результатами исследований, но с учетом специфики мазутных резервуаров
Энергетическая эффективность
Применение программы позволило: снизить тепловые потери на 58% для резервуаров объемом 1000 м³ оптимизировать графики подогрева, сократив энергопотребление на 12-15% Минимизировать риск термической деструкции мазута за счет поддержания неоднородного температурного поля
Ограничения
Выявлены следующие ограничения применения: требуется калибровка под резервуары сложной геометрии (конические, горизонтальные)
При работе с высоковязкими марками мазута (М100, М200) требуется ручная корректировка коэффициентов
Перспективы улучшения
Направления дальнейшего развития: Интеграция нейросетевых алгоритмов для прогнозирования, добавление модуля 3D-визуализации тепловых полей, разработка мобильной версии для оперативного контроля
Для эффективного внедрения рекомендуется: проводить предварительную калибровку под конкретный объект. Организовать обучение персонала работе с интерфейсом
Обеспечить регулярное обновление базы данных по свойствам мазута
Выявленные особенности:
Для резервуаров диаметром более 10 м требуется учет неравномерности прогрева по периметру
В зимний период критически важна корректная оценка теплопотерь через днище
При изменении марки мазута необходимо пересчитывать теплофизические параметры
Программа особенно эффективна для: Крупных нефтебаз с парком резервуаров, объектов с ограниченными энергоресурсами, специальных хранилищ с повышенными требованиями к безопасности.
Заключение
1. Основные достижения исследования
Разработанный программный комплекс "Контроль" показал следующие ключевые результаты:
• Обеспечил автоматизацию 92% расчетных операций по определению тепловых потерь
• Достиг средней точности расчетов 96,2% при верификации на промышленных объектах
• Продемонстрировал снижение энергопотребления систем подогрева на 58±3%
• Реализовал инновационную технологию зонного температурного контроля
Научная новизна
Разработана усовершенствованная математическая модель теплопередачи для неоднородных сред
Создан адаптивный алгоритм расчета с автоматической коррекцией параметров
Предложена методика "холодного хранения с горячим ядром" для мазутных резервуаров
Реализована интеграция термодинамических расчетов с системами визуализации
Практическая значимость
Внедрение программы обеспечивает:
Годовую экономию 2,1-2,7 млн руб. на одном резервуаре 5000 м³
Сокращение времени на проектные расчеты в 8-10 раз
Повышение точности прогнозирования на 18-22% относительно аналогов
Снижение аварийности за счет раннего выявления критических режимов
Перспективные направления развития
Приоритетные задачи дальнейших исследований: Разработка мобильной версии с облачной аналитикой, интеграция с системами IoT для онлайн-мониторинга, внедрение алгоритмов машинного обучения для прогнозирования, адаптация для других нефтепродуктов (дизельное топливо, масла)
Рекомендации по применению
Для эффективного использования программы необходимо: проводить калибровку под конкретные технологические условия, обеспечивать регулярное обновление базы данных (не реже 1 раза в квартал)
Организовывать обучение персонала работе с системой, внедрять поэтапно, начиная с пилотных резервуаров
Выводы
Подтверждена эффективность предложенного математического аппарата. Доказана экономическая целесообразность внедрения
Выявлен потенциал для масштабирования на другие объекты ТЭК
Обоснована необходимость дальнейших исследований в области:
Цифровых двойников резервуарных парков, предиктивной аналитики.
Оптимизации энергопотребления в сложных климатических условиях
Программа "Контроль" представляет собой завершенное научно-техническое решение, готовое к промышленному внедрению. Полученные результаты открывают новые возможности для цифровизации процессов хранения нефтепродуктов и создания интеллектуальных систем управления энергоресурсами