Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 24 )

Предполагается, что состояние химической реакции в определенной таким образом подсистеме термической опасности целевого объекта определяет возможность теплового взрыва в целевом объекте. Поэтому подсистема термической опасности целевого объекта – это то, что нас интересует при исследовании термической безопасности объекта. Определение ее состояния в каждый момент времени, т. е. определение движения термически опасной химической реакции в пространстве ее состояний – главная задача, решение которой определяет состояние объекта исследования в целом с позиций его термической безопасности, в том числе, наличие или отсутствие в объекте исследования теплового взрыва. Именно с целью решения этой задачи создается математическая модель и отображающая ее имитационная модель подсистемы термической опасности целевого объекта и проводится ее исследование с применением имитационного моделирования.

Выделение из целевого объекта подсистемы термической опасности – первый этап в представлении целевого объекта в виде математической модели для применения в TSS.

Условия, определяющие протекание химической реакции в подсистеме термической опасности, определяются совокупностью условий, существующих при функционировании целевого объекта. Для их конкретизации используется сценарный подход с помощью введения понятия сценария функционирования целевого объекта. Каждый сценарий функционирования целевого объекта - совокупность условий, возникающих при определенной последовательности отдельных логически связанных событий на данном этапе функционирования целевого объекта. В общем случае, такими условиями являются граничные условия, определяющие взаимодействие подсистемы термической опасности с внешней средой. Следует подчеркнуть, что такие сценарии необходимы не только для режимов нормального (регламентного) функционирования, но и для ситуаций аварий. Примеры таких аварийных ситуаций – отказ системы охлаждения реактора, ситуация внешнего пожара, попадание в реактор извне химических веществ, не предусмотренных технологией и т. д. Требуется тщательно и системно продумать возможные сценарии развития нештатных ситуаций с учетом зависимых от исходного события последствий, возможных отказов, ошибок и наложений. Анализ возможности теплового взрыва для каждого такого сценария – отдельная самостоятельная задача.

Таким образом, при такой постановке анализ термической безопасности целевого объекта сводится:

к определению состояния химической реакции в химическом реакторе подсистемы термической опасности в каждый момент времени в условиях соответствующего сценария функционирования целевого объекта; принятию решения по этим данным о наличии теплового взрыва и сохранении целостности реактора подсистемы термической опасности в этих условиях.

В свою очередь, состояние подсистемы термической опасности определяется:

характеристиками термически опасной химической реакции; характеристиками химического реактора в подсистеме термической опасности; условиями функционирования целевого объекта, представленными соответствующим сценарием.

Предполагается, что:

внутренние элементы и подсистемы целевого объекта не оказывают воздействия на подсистему термической опасности (между ними отсутствует энергетическое, материальное и информационное взаимодействие); такие элементы и подсистемы могут не рассматриваться при анализе термической безопасности; внешняя по отношению к целевому объекту среда может взаимодействовать с подсистемой термической опасности, создавая или воспринимая материальные и энергетические потоки.

Таким образом, сложная задача анализа термической безопасности целевого объекта превращается во множество более простых задач анализа состояния подсистемы термических опасностей на множестве возможных сценариев условий функционирования целевого объекта, в том числе, сценариев проектных аварий. Структура объекта, используемого как модель для анализа термической безопасности целевого объекта - оригинала, в данном случае существенно упрощается, а решаемая сложная задача анализа термической безопасности целевого объекта конкретизируется в совокупность более простых задач. Адекватность представления целевого объекта его моделью подсистемы термической опасности (только для задач анализа термической безопасности!) подтверждается многолетним успешным практическим опытом.

Следует подчеркнуть, что задачу обеспечения термической безопасности целевого объекта можно ставить только в случае выявления на этапе идентификации опасностей наличия в целевом объекте термически опасных химических реакций. При их отсутствии постановка такой задачи бессмыслена, т. к. в этом случае термическая безопасность объекта (или процесса) априори обеспечена.

Представленные здесь соображения, основанные на общих принципах системного подхода [3] обладают достаточно высокой степенью общности. Для любого конкретного целевого объекта, проблемы, ситуации они могут и должны быть конкретизированы. Такая привязка к рассматриваемой проблеме производится исследователем. Он должен наполнять конкретным содержанием общие формулировки и принципы, указанные выше.

Такой конкретизацией является:

представление реактора подсистемы термической опасности его математической моделью с учетом его геометрии и условий внутреннего и внешнего тепломассообмена; представление термически опасной химической реакции ее кинетической моделью; представление сценария функционирования целевого объекта соответствующими начальными и граничными условиями; формализация требований обеспечения термической безопасности для целевого объекта.

Сегодня имитационное моделирование является наиболее эффективным способом решения проблем термической безопасности. Суть этого подхода заключается в нахождении с помощью моделей определенных характеристик исследуемых систем, на основании которых принимается решение об обеспеченности термической безопасности реального объекта. Целевое назначение моделирования в этом случае – проигрывание с использованием имитационных моделей различных ситуаций, возникающих при функционировании объекта, и оценки возможности возникновения теплового взрыва и его последствий [1].

Возможности современной вычислительной техники часто создают иллюзию, что ее использование гарантирует возможность исследования с помощью моделирования систем любой сложности. Однако не следует переоценивать возможности такого подхода. Не нужно забывать тот факт, что в основе любой модели лежит трудоемкое по затратам времени и материальных ресурсов предварительное изучение объекта-оригинала и процессов в нем. И от того, насколько детально изучен реальный объект самым существенным образом зависит конечный итог и успех моделирования конкретного объекта, а затраты труда и времени на выполнение этого этапа исследования являются определяющими для всего исследования в целом.

Исследования по термической безопасности относятся к прогностическим методам исследования, т. е. к исследованиям, направленным на предвидение, прогнозирование развития объектов и явлений, установлению наиболее вероятных сценариев развития будущих событий. В таких исследованиях широко используется метод экстраполяции, т. е. распространение каких – либо закономерностей (качественных и количественных), установленных в определенной временной, пространственной области или диапазоне условий функционирования объекта на другой диапазон (прогнозный). Главное, что всегда нужно помнить и никогда не забывать, что только правильный эксперимент, опыт, практика являются критериями истины при моделировании объекта или процесса. Поэтому результаты моделирования, по возможности, должны быть проверены и подтверждены экспериментально.

При исследовании проблемы термической безопасности целевого объекта в рамках настоящей книги математическое моделирование используется для решения следующих задач:

оценки возможности теплового взрыва при заданных условиях функционирования объекта (такую постановку задачи принято называть “что будет, если...”); определение условий функционирования объекта, исключающих возможность теплового взрыва на данном временном интервале (такая постановка задачи часто называется “как сделать, чтобы...”).

Исследованию подлежат как условия нормального функционирования объекта (далее – регламентные условия), так и условия функционирования объекта в различных аварийных ситуациях (проектные аварийные ситуации).

В настоящей книге мы не рассматриваем проблему последствий аварий теплового взрыва, связанных с разрушением целевого объекта (воздействие образующихся ударных волн, выброс токсических и пожароопасных химических продуктов и т. д.). Эти вопросы достаточно широко освещены в литературе [5-8] и представляют собой самостоятельную задачу, которую мы не рассматриваем.

Дадим определение некоторым терминам, которые постоянно используются далее. Смысл их общеизвестен, приводимые ниже определения соответствуют [15, 16] и только фиксируют значения этих терминов применительно к настоящей монографии.

Модель — условный образ объекта исследования, конструируемый исследователем так, чтобы отобразить характеристики объекта, существенные для исследования.

Моделирование — метод исследования процессов или явлений на их моделях (математических или физических) или реальных установках.

Математическая модель - система математических выражений, описывающих характеристики объекта моделирования.

Математическое моделирование - метод исследования процессов или явлений путём построения их математических моделей и исследования этих моделей с помощью ЭВМ.

Имитационное моделирование — метод математического моделирования, при котором используют прямую подстановку чисел, имитирующих внешние воздействия, параметры и переменные процессов, в математические модели процессов и аппаратов.

Объект - любая вещь, явление или процесс, на которые направлена предметно-практическая, управляющая и познавательная деятельность субъекта (наблюдателя); объект существует вне нас и независимо от нас.

Внешняя среда - объекты, не принадлежащие рассматриваемому объекту, но оказывающие на него влияние.

Система - объект, представляющий собой совокупность элементов, обладающую свойством целостности при данном рассмотрении.