Бум в энергетике, использующей возобновляемые ресурсы, привел к бурному развитию соответствующих технологий. Например, сегодня активно начинают применяться интеллектуальные измерительные комплексы, в том числе для контроля качества электроэнергии. Профессор кафедры «Метрология и взаимозаменяемость», доктор технических наук Александр КОМШИН из МГТУ им. Н.Э.Баумана как раз работает в этом направлении. Он подходит к объектам своих исследований всесторонне, учитывая влияние на них даже космической погоды. «Поиск» поинтересовался деталями проекта молодого ученого, поддержанного грантом Президента России.
– Александр, вам, можно сказать, повезло – работаете на очень популярном сегодня направлении.
– Да, мы видим, как стремительно развивается энергетика, использующая возобновляемые источники энергии. Солнечные элементы все шире применяются в зданиях, домах и даже игрушках. Активно растет число ветряных установок. Сегодня есть элементы такой энергетики в жилом секторе и бизнес-центрах. Более того, в России уже сложилась целая отрасль ветроэнергетики: в Ульяновске, Ростове-на-Дону, Ставропольском крае и многих других регионах есть ветроустановки большой мощности – от 2,5 до 4 мегаватт.
Энергетика на возобновляемых источниках так бурно развивается, что в стране появились десятки новых предприятий по производству компонентов (лопастей, башен), в ведущих университетах страны открылись соответствующие кафедры и направления подготовки.
А, например, в МГТУ им. Н.Э.Баумана вместе с Ассоциацией развития возобновляемой энергетики даже организовали всероссийский конкурс студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Возобновляемая энергия планеты-2020». Не отстает и ставшая традиционной, но также нуждающаяся в инновациях гидроэнергетика.
– Что представляют собой интеллектуальные измерительные комплексы, которыми вы занимаетесь?
– Измерение – как вы знаете – это совокупность операций для определения количественного значения физической величины. Используя его результаты, человек, машина или система получают информацию, необходимую для принятия решения. Поясню на повседневном примере. Каждое утро вы изучаете прогноз погоды: температуру воздуха, влажность, давление, возможно, получаете штормовое предупреждение. И на основании этой информации принимаете решение, как одеваться, брать ли зонтик, соблюдать ли какие-то дополнительные меры безопасности.
Термин «интеллектуальные измерительные комплексы» появился как следствие развития измерительных систем, включающих систему машинного обучения, обработки данных и искусственного интеллекта. Главная идея при создании и развитии подобных комплексов заключается в том, что должно быть обеспечено необходимое и при этом достаточное количество датчиков и систем для принятия решений, необходимых в управлении технологическим процессом или оборудованием.
На кафедре метрологии и взаимозаменяемости Бауманского университета мы разрабатываем интеллектуальные измерительные комплексы для теплоэнергетики, гидроэнергетики, станкостроения, транспортных систем. Используем при этом фазо-хронометрический метод. Его автор и идеолог – заслуженный работник высшей школы, доктор физико-математических наук, профессор Михаил Иванович Киселев.
В ходе работы на тепловых электростанциях нам удалось впервые в мире измерить крутильные колебания тяжелых валопроводов массой около 150 тонн. Это было сделано с учетом современных норм и новых возможностей микропроцессорных защитных систем возбуждения. Представьте, тяжелый вал вращается, да еще и покачивается. И вот эти малые колебания мы можем измерить. Это дает возможность управлять работой сложного механизма, определять нарушения, видеть предвестники технических аварий и проводить диагностику.
Если говорить про конструкционные материалы, из которых делают детали (струнные элементы, пружины, валопроводы и т. д), то мы придумали способ измерения и методику контроля прямо в процессе эксплуатации. Был еще ряд интересных решений, связанных с гидроэнергетикой, станкостроением, подшипниками качения: во всех этих случаях в основе – получение информации об объектах в режиме реального времени. Можно сказать, что результаты измерений сложной технической системы похожи на кардиограмму сердца человека.
– Какие задачи перед вами стоят в ходе этих исследований?
– Тут мы решаем целый комплекс теоретических и прикладных задач. Начинаем с того, что анализируем аварии технических систем. Такая работа требует внимательного исследования, в том числе того, как на объекте функционируют измерительные комплексы. Нужно понять, что они меряют и как определить, достаточно ли приборов и датчиков, могут ли они дать нужную информацию для диагностики и оценки технического состояния.
Новизна нашей работы в том, что мы исследуем, как влияют на объекты альтернативной энергетики геомагнитный, гелиофизический, сейсмический и другие природные факторы. На следующем этапе определяем, как, например, температура или сейсмика сказываются на точности измерений параметров функционирования и надежности сложных технических объектов энергетики и машиностроения.
Например, всем понятно, что при увеличении температуры размеры деталей машин увеличиваются. Наша задача – выяснить, насколько при этом меняются частота вращения, токи, уровень вибрации, параметры нагружения и т. п.
– А какие именно изменения при этом происходят в технике?
– Начальное, «нулевое», положение циклической технической системы гидроагрегата, турбоагрегата, ветроустановки отличается от его состояния в процессе эксплуатации. Это связано с происходящими внутри него деградационными процессами (постепенной обкаткой, приработкой, износом, повышенным износом, разрушением).
Наш подход позволяет исследовать любые циклические системы с помощью измерения характеристик фазы и времени. Он предполагает очень точное определение угла вращения (положение колеса, коленчатого вала или вала с зубчатым колесом) и измерение вариации времени, которые соответствуют этому положению. Мы используем свойство сохранения объема произвольной области в фазовом пространстве.
Фундаментально алгоритм связан с методом сечений Пуанкаре. Положение системы (например, значение угла поворота ротора) измеряется в разные моменты времени с фиксированным шагом. Итоговая картина представляет собой сечения поверхности в фазовом пространстве, по которой движется (эволюционирует) система.
– Почему вы решили использовать эти методы именно в ветроэнергетике и гидроэнергетике?
– До этого мы получили новые интересные результаты для традиционной энергетики, станкостроения и транспортного машиностроения. При создании интеллектуальных измерительных систем защитили несколько кандидатских и одну докторскую диссертации, еще несколько готовятся нашими аспирантами.
Реализовать наш подход в энергетике, которая связана с возобновляемыми источниками, решили, понимая, какие проблемы перед ней сегодня встают. Просто уверены, что это направление актуально. По данным Европейской ассоциации развития возобновляемой энергетики, уже в 2015 году ввод мощностей в этой отрасли превысил ввод на предприятиях с традиционными видами генерации. А в 2030 году на долю ветровых, солнечных, электро- и других подобных станций, не считая гидроэлектростанций, будут приходиться около 30% мирового производства электроэнергии.
Ну, а гидроэнергетика для нашей страны – традиционное направление. Россия богата водными ресурсами, мы не можем не использовать это преимущество.
– Вы исследуете даже то, как влияет на объекты техносферы космическая погода…
– Речь идет о природном явлении, обусловленном солнечно-земными связями – геомагнитных индуцированных токах (ГИТ). Их величина определяется уровнем возмущения магнитного поля Земли, скоростью его изменения и свойствами подстилающей поверхности в месте расположения системы.
В последние десятилетия неоднократно наблюдались крупные аварии, вызванные негативным влиянием этих токов. Электромеханическая система, как антенна, реагирует на малейшие возмущения. Электростанции, например, могут подвергаться таким воздействиям, как грозовые импульсы. Самые мощные возмущения геомагнитного поля, приводящие к возбуждению интенсивных ГИТ в проводящих конструкциях, происходят в полярных широтах. В результате может случиться каскадное отключение электричества.
Проблема защиты объектов техносферы от влияния ГИТ до конца не изучена, хотя исследуют ее в 20 странах. В нашей научной группе по этому направлению готовится к защите кандидатская диссертация, отдельные результаты которой недавно опубликованы в статье журнала, индексированном Scopus. В ней показана взаимосвязь влияния космической погоды на работу технической системы на основании результатов фазохронометрических измерений.
– Расскажите, подробнее об этом, пожалуйста.
– Геоиндуцированные токи возникают в результате воздействия мощного магнитного возмущения в магнитосфере Земли. Влияние оказывают магнитные бури, вспышки на Солнце, северное сияние и т. п. Мы впервые получили результаты фазохронометрических измерений на станциях в процессе эксплуатации и обнаружили корреляционные связи между ними и результатами измерений ГИТ (которые, в свою очередь, получены из открытых источников баз данных ИПГ им. академика Е.К.Федорова, ИЗМИРАН, центров данных магнитных обсерваторий по всему миру, включая Японию и США).
Кроме того, наша группа смогла впервые определить, как влияют на энергогенерирующее оборудование (турбоагрегат ТЭЦ) грозовые импульсы. Интересно, что до этого никому не удавалось зафиксировать это воздействие и количественно его измерить.
Таким образом, мы получили новый инструмент для исследования крупных объектов тяжелого машиностроения прецизионными высокоточными методами. Выводы, которые мы сделали, по-другому заставят взглянуть на процессы проектирования и конструирования, производства, эксплуатацию, географию размещения, оптимальные режимы работы с наибольшим коэффициентом полезного действия, повысят надежность и безопасность сложных технических энергетических комплексов.
– Как будет выглядеть ваш конечный продукт?
– Это будет измерительный комплекс, часть системы автоматизированного управления, предполагающей обработку данных с применением нейронных сетей. На основе результатов его измерений (периоды, фазы, напряжения, токи, температуры, частоты) определяются оптимальные режимы функционирования технической системы (ветротурбина, гидротурбина, редуктор, двигатель, подшипник качения), обеспечиваются необходимое качество электрической энергии, минимальный износ оборудования, повышается его надежность и в перспективе осуществляется переход к диагностике по фактическому состоянию. Потребителем нашего продукта станут компании энергетического сектора.
Читайте по теме. Стоимость ветряной электроэнергии должна сравняться с традиционной к 2036 году
