10.4. Общая характеристика пакета расчетных методик по водоподготовке в средах Mathcad и Excel

На рис. 10.10 показано содержание сайта, на котором хранится Интернет-версия данной книги.

Рис. 10.10. Содержание сайта с Интренет-версией книги

Кроме текста самой книги, который непрерывно исправляется и дополняется, на сайте помещена и другая информация, которая будет полезна читателям. В частности, помещен трехмерный анимированный атлас водоподготовительного оборудования, открыт форум работников химических цехов электростанций, на котором они смогут обсуждать не только содержание книги, но и другие проблемы, связанные с совершенствованием процесса водоподготовки, даны ссылки на сайты фирм поставляющих оборудование, материалы и реагенты в химцеха.

На рис. 10.11 показан список Mathcad-документов, которые могут быть "скачаны" с данного сайта. Для этого необходимо дважды щелкнуть по имени нужного файла. После этого файл тут же откроется в среде программы Mathcad, если она установлена на компьютере того, кто обращается к данному сайту, либо будет предложено сохранить данный файл на компьютере с которого ведется запрос. Правее имени Mathcad-файла даны ссылки на рисунки (файлы с расширением _*.gif) - "заморозки" соответствующих Mathcad-документов. Считать по ним нельзя (нет на компьютере пользователя программы Mathcad), но просмотреть документ можно.

Рис. 10.11. Список Mathcad-документов по расчету процессов водоподготовки

Можно также "скачать" архив всех файлов сайта (файл с расширением zip), а затем раскрыть (разархивировать) его и работать с отдельными файлами. Так следует поступать, если компьютер читателя не подсоединен к сети Интернет и приходится "скачивать" программы в Интернет-кафе, например. Возможна также пересылка пакета программ через электронную (осhkov@twt.mpei.ac.ru) или обычную (111250, России, Москва, Красноказарменная, 14, МЭИ, каф. ТВТ) почту.

Если на компьютере пользователя не установлена программа Mathcad, а ее установка сопряжена с некоторыми трудностями, то можно воспользоваться укороченной версией Mathcad Explorer, которая также хранится на указанном сайте. Но в этом случае открыть и работать можно только с программами, сохраненными для 8-й версии Mathcad.

Программы на сайте разбиты на пять групп. Ниже дана краткая характеристика некоторых программ.

Общие вопросы. Программа Basa_Water.mcd хранит базу данных по водным источникам России и стан СНГ (реки, озера, моря, водохранилища). Данные по составу воды хранятся в Excel-таблице, которая внедрена в Mathcad-документ. Данные в таблице допустимо корректировать и дополнять. После выбора источника водоснабжения из предложенного списка средствами Mathcad будут рассчитаны (с опорой на механизм размерностей) и выданы на экраны основные технологические показатели качества воды с построением средствами Excel круговой диаграммы по ионному составу.

Программа Hard_Alc.mcd и Hardness_Degree.mcd ведут расчет таких важнейших показателей воды как жесткость и щелочность с выводом ответа в разных единицах, включая и устаревшие градусы жесткости (немецкие, французские, английские и американские).

В программе Chem_Const.mcd хранятся функции пользователя, возвращающие значение K_w (см. рис. 10.6), констант диссоциации угольной кислоты по первой и второй ступеням, произведения растворимости карбоната кальция (арагонит) и гидроксида магния в зависимости от температуры. Эти константы будут использованы в последующих расчетах.

В программе Form_CO2.mcd ведется расчет долей углекислоты, гидрокарбонат- и карбонат-ионов в воде в зависимости от значения рН. Такие же зависимости строятся и для других соединений, добавляемых в пароводяной тракт электростанции - фосфатов (Form_Fosf) и боратов (Form_Bor).

Программа Buff_solution.mcd позволяет построить кривую титрования буферного раствора (раствора с анионами слабой угольной кислоты) и проследить переходы - резкое снижение значение рН раствора по разным индикаторам - фенолфталеину и метилоранжу.

В Mathcad-документе Solubility.mcd сплайн-интерполяцией создаются функции пользователя, возвращающие значение растворимости некоторых химических соединений, включая и те, какие применяются в практике водоподготовки.

Программа Calc_Q_VPU.mcd позволяет определить проектную производительность водоподготовительной установки тепловой электростанции. Интерфейс программы (ввод исходных данных) показан на рис. 10.2.

Два Mathcad-документа (C_H2SO4.mcd и C_NaOH.mcd) хранят функции, связывающие плотность и концентрацию серной кислоты и едкого натра - основных реагентов, используемых для регенерации ионитных фильтров в схеме обессоливания.

Предочистка. Два Mathcad-документа (Calc_IK_Ravnov_Posl_Pribl.mcd и Calc_IK_Ravnov_Progr.mcd) позволяют рассчитать равновесные концентрации ионов в воде после известкования и коагуляции. В расчете решается система восьми нелинейных алгебраических уравнений, корень которой - искомые равновесные концентрации. В первый документ (Calc_IK_Ravnov_Posl_Pribl.mcd) заложен метод последовательных приближений с ручным переносом последнего приближения в предпоследнее (см. рис. 10.12).

Рис. 10.12. Ручной перенос последнего приближения в предпоследнее при расчете процессов известкования и коагуляции

Сами операторы в блоке последовательного приближения показаны на рис. 10.13

Рис. 10.13. Операторы в блоке приближения к ответу при расчете процессов известкования и коагуляции

Во втором документе (Calc_IK_Ravnov_Progr.mcd) последовательное приближение к решению реализовано в программно созданной функции пользователя, возвращающей параметры известково-коагулированной воды в зависимости от заданного значения рН. Эта функция при ее параметрическом вызове позволяет построить графические зависимости рН известкованной воды и других ее параметров от дозы извести и/или температуры.

Программа Calc_IK_Real.mcd позволяет рассчитать реальные, а не равновесные концентрации ионов в воде после известкования и коагуляции. Здесь учитываются не только недостижение равновесия в осветлителе, но и тот факт, что из него вымывается мелкий шлам карбоната кальция, который искажает анализ на жесткость и щелочность и повышает нагрузку на ионобменные фильтры.

В Mathcad-документах Calc_Mech_Filtr_1.mcd и Calc_Mech_Filtr_2.mcd представлен расчет механических фильтров, удаляющих грубодисперсные примеси, выносимые из осветлителя.

Ионный обмен. В документ Front_ionit.mcd заложен алгоритм построения фронта фильтрования и выходной кривой ионитного фильтра в зависимости от характеристики ионообменного материала. Решается дифференциальное уравнение в частных производных методом характеристик [21]. Программа генерирует анимационные клипы, иллюстрирующие процесс заострения или размывания фронта фильтрования в зависимости от вида изотермы адсорбции фильтрующего материала - (см. клипы 1 и 2 на сайте www.vpu.ru).

Две программы (N_D_Filter_1.mcd и N_D_Filter_2.mcd) позволяют выбрать фильтры 1-й и 2-й ступени ионирования из стандартного ряда, выпускаемого промышленностью. Исходными данными для расчета являются производительность ступени и рекомендованная скорость фильтрования. Выбранное сочетание диаметра стандартного фильтра и их количества обеспечивают реальную скорость фильтрования, близкую к рекомендованной (см. рис. 10.7).

Подобный расчет (проектирование) ведется и по программе N_D_H_Filtr_Stoim.mcd. Но здесь параметром выбора является не близость реальной скорости фильтрования к рекомендуемой, а минимум стоимости группы фильтров, в которую входят стоимости самих фильтров, запорной арматуры и ионообменного материала. Скорость же фильтрования (при всех включенных фильтрах и при одном отключенном на регенерацию фильтре) является ограничением. Расчет (проектирование) ведется методом перебора: меняются диаметр стандартного фильтра и их количество, отбрасываются варианты, не проходящие по скорости, а в оставшемся множестве выбирается элемент с минимальной выше отмеченной стоимостью.

Три программы (Ep_SU.mcd, Ep_AH_31.mcd и Ep_AB_17.mcd) содержат функции, возвращающие рабочие обменные емкости ионитов (сульфоуголь, слабоосновный анионит АН-31 и сильноосновный анионит АВ-17) в зависимости от условий регенерации и качества подаваемой на фильтры воды. В функции заложен алгоритм трехмерной сплайн-интерполяции табличных данных, полученных через обработку графических зависимостей.

Двухмерная сплайн-интерполяция заложена в программу Calc_SiO3.mcd с функцией, возвращающей остаточную концентрацию кремнекислоты в воде, выходящей из анионитного фильтра второй ступени. Эта концентрация зависит от условий регенерации фильтра - от удельного расхода едкого натра.

Mathcad-документ с именем Calc_A_2.mcd содержит расчет технологических параметров анионитного фильтра второй ступени, некоторые характеристики которого задаются (рабочая обменная емкость и остаточная концентрация примеси в фильтрате) двумя предыдущими документами Ep_AB_17.mcd и Calc_SiO3.mcd. Рассчитываются: время фильтроцикла (взрыхление, пропуск регенерационного раствора и отмывка), расход регенерата, воды собственных нужд и др.

Аналогичный, но более сложный расчет заложен в Mathcad-документ с именем Calc_FSD.mcd, по которому рассчитываются основные технологические параметры фильтра смешанного действия с выносной регенерацией, входящего в состав блочной обессоливающей установки по очистке конденсата турбины.

Экономика. Mathcad-документ с именем Reag_Sost_Sebest.mcd позволяет рассчитать реагентную составляющую себестоимости обессоленной воды в зависимости от производительности водоподготовительной установки и цены основных реагентов - коагулянта, извести, серной кислоты и едкого натра. Расчет ведется с использованием единиц стоимости, которые связываются с единицей физической величины, не задействованной в данном расчете (см. рис. 10.14).

Рис. 10.14. Расчет реагентной составляющей себестоимости химочищенной воды

Экология. Mathcad-документ с именем Calc_Oil_Water.mcd содержит расчетные формулы и поясняющие рисунки для проектирования установки по очистке замазученных сточных вод электростанции. Обсчитывается нефтеловушка и напорный флотатор.

На рис. 10.15 показана структура электронной таблицы Excel с расчетом водоподготовительной установки, включающей предочистку (известкование и коагуляцию) и двухступенчатое обессоливание. Саму таблицу можно скачать, "щелкнув" по строке "VPU.xls", отображенной на рис. 10.10.

Рис. 10.15. Структура книги в среде Excel с расчетом водоподготовительной установки

Структура Excel-таблицы продублирована также на сайте, отображенном на рис. 10.16.

Рис. 10.16. Содержание сайта с описанием Excel-книги расчета водоподготовительной установки

Электронная таблица Excel является некой "предшественницей" пакета Mathcad. Если в среде Mathcad расчетные формулы располагаются на рабочем листе свободно, то в среде Excel - в ячейках, расположенных на пересечении строк и столбцов. Если для расчета в среде Excel знак "=" становится до формулы, то в среде Mathcad - после. Если пользователь Excel расширяет набор инструментов, используя язык программирования Visual Basic for Application (VBA - см. рис. 10.17), то пользователь Mathcad - собственный встроенный ящик программирования. Но главное отличие Mathcad от Excel состоит в том, что документ Mathcad почти полностью повторяет документ, написанный "вручную". Тем не менее, Excel остается распространенным компьютерным инструментом решения задач.

Рис. 10.17. VBA-функция в среде Excel с оценкой изменения значения pH по ступеням водоподготовки

Расчет водоподготовительной установки в среде Excel состоит из 17 рабочих листов (электронных таблиц), трех диаграмм и шести модулей, два из которых - процедуры, вызываемые по событию, и четыре - функции, вызываемые по имени (см. рис. 10.15 и рис. 10.16).

На рис. 10.17 в качестве примера показана функция, написанная на языке VBA и встроенная в расчет, по которой ведется оценка значения рН воды по ступеням ионирования.