Информационные технологии. 47

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский национальный технический университет

РЕСПУБЛИКАНСКИЙ ИНСТИТУТ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра «Информационные технологии»

ВЫПУСКНАЯ РАБОТА

по курсу «Информационные и компьютерные технологии в образовании и научных исследованиях (базовый курс)»

Использование компьютерных технологий при разработке учебно-методических материалов по дисциплине «Строительство ТЭC и АЭС»

Аннотация

В данной работе рассматриваются основные задачи выпускающей кафедры «Гидротехническое и энергетическое строительство» по подготовке специалистов в строительстве ТЭС и АЭС, а также вопрос использования компьютерных технологий ППС при подготовке учебно-методических материалов по дисциплине «Строительство ТЭС и АЭС».

Содержание

Введение

Кафедра в составе университета была основана в 1920 году. За время ее существования было подготовлено более 3000 специалистов работающих в различных отраслях водного хозяйства (гидроэнергетика, мелиорация, водный транспорт и т.д.). В том числе ок. 200 чел. из стран дальнего зарубежья, Защищено диссертаций: докторских – 6,  кандидатских  – 115.

В разные годы на кафедре работали такие известные  ученые: Дорошевич М.В., Шестопалов О.С., Винокуров Ф.П., Перышкин Г.А., Шимко К.И., Филиппович И.В., Левкевич Е.М. и др.

Среди выпускников кафедры – 15 заслуженных строителей и мелиораторов республики. 38 выпускников кафедры принимали участие в строительстве важнейших гидротехнических объектов Кубы, Монголии, Сирии, Нигерии, Алжира, Ирака, Вьетнама, Туниса, Египта.

Сегодня кафедра  готовит инженеров-строителей по следующим специальностям:

"Водохозяйственное строительство" – 1-70 04 01 

специализации:   1. Гидротехническое строительство.

                               2.Водные пути и порты.

Форма обучения—только дневная. Платная и бюджет. Срок обучения—5 лет.

"Строительство тепловых  и атомных станций" – 1-70 07 01. 

специализация:

 Форма обучения—дневная. Бюджет. Срок обучения—5 лет.

Подготовка студентов ведется в соответствии с современными международными требованиями и необходимостями, а так же с учетом особенностей РБ.

Специалисты, выпускаемые кафедрой, становятся широко востребованными в строительно-монтажных, эксплуатационных, проектных и научно-исследовательских организациях водохозяйственной, энергетической и промышленной отраслей, а так же могут руководить любым из видов строительных работ.

Кафедра поддерживает активные творческие связи как с ведущими научно-производственными учреждениями республики: ГПО "Белмелиоводхоз", концерны Белэнерго и Белэнергострой, Управление морского и речного транспорта, ПО Беларуськалий, ПО Белводпуть, РУП Белгипроводхоз, ВНИПИэнергопром и др., так и с аналогичными в дальнем зарубежье.

1 ВВЕДЕНИЕ В КУРС СТРОИТЕЛЬСТВА ТЭС И АЭС

Энергетика является одной из основных отраслей хозяйства любой страны, которая обеспечивает возможность человека жить в существующих природных условиях и в значительной степени определяют степень комфортности этой жизни. Энергетика непосредственно влияет на темпы развития экономики страны и на рост национального валового внутреннего продукта.

На современном этапе развития мирового сообщества можно выделить три основных направления энергетики:

• энергетика, базирующаяся на использовании органического топлива;
• энергетика, основанная на использовании возобновляемых источников энергии;
• ядерная энергетика.

За последнее столетие человечество израсходовало свыше 500 млрд. т. условного топлива, что больше, чем расход за предыдущие 19 веков [1]. Однако, прогнозные запасы природного топлива в мире составляют более 600 трлн. м3, реальные запасы нефти оценочно составляют 140 млрд. т, а запасы угля приблизительно 15 трлн. т, что позволяет говорить о том, что в XXI веке энергетический голод не угрожает человечеству [11]. Основной проблемой, связанной с использованием органического топлива, является загрязнение окружающей среды с возможными необратимыми последствиями для всей планеты. Продукты сгорания органического топлива накапливаются в окружающей среде, создавая опасность нарушения теплообмена планеты с космосом и возникновения необратимых глобальных последствий.

Решение этой проблемы базируется на использовании экологически чистых источников энергии, к которым относятся возобновляемые источники энергии и ядерная энергия.

Возобновляемые источники энергии, во-первых, неравномерно распределены по территории земного шара, во-вторых, во многих развитых странах уже практически полностью используются (так гидроэнергетический потенциал США, Норвегии, Франции и др. используется более чем на 90%) и будут не в состоянии покрыть ожидаемый рост спроса на продукцию энергетики, обусловленный следующими обстоятельствами [13]:

• неравномерностью душевого энергопотребления в различных странах мира. В Бангладеш и Танзании, например, потребление электроэнергии на     1 человека составляет меньше 100 кВт-ч/год, а в Швеции – 15 000. Стремление всех стран к развитию экономики и повышению благосостояния населения приведет к росту энергопотребления;
• демографическим ростом развивающихся стран, население которых в обозримом будущем превысит 90% населения мира;
• необходимостью обеспечения энергетической независимости стран, не имеющих необходимого количества собственных энергетических ресурсов.

Ядерная энергетика использует невозобновляемый источник энергии, но является экологически чистым способом производства тепловой и электрической энергии с практически неограниченным ресурсом на длительную перспективу.

По состоянию на июнь 2004 г. на атомных электростанциях во всем мире находилось в эксплуатации 442 ядерных реактора суммарной электрической мощностью 363 819 МВт, на стадии строительства было 27 энергоблоков суммарной мощностью 22 676 МВт. Общая картина состояния ядерной энергетики в мире и распределение производства электроэнергии на АЭС по странам приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Мировая ядерная энергетика: ядерные реакторы в эксплуатации и в процессе строительства

Как видно из таблицы 1, общий опыт эксплуатации всех ядерных реакторов составил 11 364 года. При этом развитие ядерной энергетики происходило неравномерно. В 70-е годы прошлого столетия ядерная энергетика бурно развивалась, затем, вследствие замедления экономического роста и нарастания инфляционных процессов, снизился темп потребления энергии, цены на нее возросли и многие промышленно развитые страны стали вкладывать капиталы в мероприятия по энергосбережению.

Произошедшие серьезные аварии на АЭС "Три-Майл-Айленд" (США) и Чернобыльской АЭС (СССР) потребовали пересмотра систем безопасности АЭС и дополнительного вложения капиталов в эти системы, что привело к росту цен и снижению конкурентоспособности АЭС. Все это привело к застою в развитии ядерной энергетики в промышленно развитых странах, имеющих достаточные мощности, использующие органическое топливо.

В настоящее время наметился новый этап развития ядерной энергетики, который обусловлен следующими обстоятельствами:

• отсутствием энергетической независимости стран, не имеющих собственных ресурсов органического топлива;
• возрастанием проблем, связанных с выбросами парниковых газов и глобальным потеплением климата.

Широкомасштабное развитие ядерной энергетики, связанное с решением этих проблем, потребует решения следующих основных задач:

• безопасность АЭС. Возможность решения этой задачи подтверждается мировым опытом эксплуатации АЭС, который насчитывает более 11 000 реакторо-лет, из которых в течение примерно 8 000 реакторо-лет не было крупных аварий после 1986 г.;
• накопление высокоактивных и долгоживущих отходов;
• связь ядерной энергетики с опасностью распространения ядерного оружия.

Основным назначением электрических станций является выработка электрической энергии, а также обеспечение промышленных предприятий и жилых зданий паром и горячей водой.

Тепловые электрические станции (ТЭС), предназначенные только для производства электроэнергии, называются конденсационными электрическими станциями (КЭС). КЭС, работающие на органическом топливе, строят обычно вблизи мест добычи топлива.

Тепловые электрические станции, на которых отработавший пар наряду с выработкой электроэнергии используется для теплоснабжения, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Обычно ТЭЦ строятся вблизи потребителей теплоты – промышленных предприятий, жилых и общественных зданий.

На атомных электростанциях, также как и тепловых электростанциях, осуществляется процесс превращения энергии пара в электрическую. Различие между АЭС и ТЭС состоит лишь в том, что в первом случае для выработки пара используется энергия, выделяющаяся при распаде радиоактивных элементов (применяемых в качестве топлива), во втором – при горении органического топлива.

Атомные электростанции строятся недалеко от крупных промышленных потребителей электроэнергии, так как затраты на транспортировку ядерного топлива не велики, вследствие небольшой его массы (в тысячи раз меньше, чем на ТЭС), а передача электроэнергии на большие расстояния связана со значительными ее потерями и значительными капиталовложениями на строительство линий электропередач.

При выборе площадок для строительства ТЭС и АЭС необходимо учитывать много факторов, но в первую очередь необходим источник воды, надежно обеспечивающий техническое водоснабжение электростанций, так как тепловые и атомные электростанции являются крупными потребителями воды. Хозяйственно-питьевое водоснабжение ТЭС и АЭС осуществляется аналогично прочим промышленным предприятиям и в данном пособии не рассматривается. Использование водных ресурсов для технического водоснабжения должно осуществляться с учетом потребностей других отраслей хозяйства (т.е. должен соблюдаться принцип комплексного использования водных ресурсов) и регулироваться водным кодексом РБ.

2 ВОДОСНАБЖЕНИЕ ТЭС И АЭС

2.1 Потребление воды на ТЭС и АЭС

На тепловых и атомных электростанциях вода используется как:

• рабочее тело в паровом цикле производства электроэнергии (пар, конденсат, питательная вода);
• добавочная вода (для восстановления потерь рабочего тела в цикле электростанции);
• теплоноситель (сетевая вода теплосети);
• техническая вода;
• огнетушащее вещество, растворитель для приготовления пенораствора при пожаротушении;
• растворитель для приготовления химических растворов водоподготовки;
• транспортирующая среда при гидрозолоудалении, гидроуборке главного корпуса, мазутонасосных, помещений пересыпки твердого топлива.

Техническая вода используется для отвода теплоты от отработавшего пара в конденсаторах турбин, в системе гидрозолошлакоудаления, для маслоохладителей турбин и газоохладителей генераторов, охлаждения подшипников вспомогательных механизмов (мельниц, дымососов, вентиляторов, питательных насосов и др.), для отвода теплоты в системах расхолаживания реакторов, из бассейнов выдержки и других аналогичных целей.

Основными потребителями технической воды на ТЭС и АЭС являются конденсаторы турбин, которые потребляют около 90 % общего расхода технической воды. На долю других потребителей технической воды приходятся нижеперечисленные расходы в процентах от расхода в конденсаторах:

Подачу воды к потребителям, не допускающим перерыва в охлаждении, например, к главному циркуляционному насосу, обеспечивающему циркуляцию теплоносителя в реакторе, к теплообменникам системы аварийного охлаждения активной зоны обеспечивают системы и оборудование, которые напрямую связаны с безопасностью АЭС и называются ответственными потребителями. К ним относятся системы безопасности АЭС, спецвентиляции помещений реакторного отделения, спецгазоочистки, поддержание условий нормальной эксплуатации, а также оборудование дизельных станций. В  этих системах основными потребителями технической воды являются теплообменные аппараты, подшипники насосов, агрегаты дизель-генераторных станций.

В результате использования технической воды на электростанциях образуются:

• стоки химического цеха (засоленные воды);
• золошлаковая пульпа при гидрозолоудалении;
• нефтесодержащие стоки;
• подогретая (по сравнению с источником воды) сбросная вода конденсаторов турбин.

Сбрасывать в расположенный рядом с электростанцией водный объект (река, водохранилище, озеро и т.д.) без предварительной очистки можно только воду из конденсаторов турбин.

Сброс подогретой воды в водоемы (озера, водохранилища) может вызывать их "тепловое" загрязнение, которое возникает из-за несоответствия объема водоема и мощности электростанции и приводит к интенсификации неблагоприятных процессов, ухудшающих качество воды и затрудняющих ее использование в хозяйственных целях.

Существует две основных схемы водоснабжения ТЭС и АЭС: прямоточная и оборотная.

В прямоточной системе техническая вода забирается из водного источника и после использования на электростанции и соответствующей очистки сбрасывается в тот же источник.

В оборотной системе технического водоснабжения вода, будучи забранной из водного источника, циркулирует по замкнутому кругу, не возвращаясь в источник. Дополнительный забор воды из источника осуществляется только для восполнения ее потерь на электростанции.

2.2 Технико-экономические  показатели систем водоснабжения

При прочих равных условиях наиболее глубокий вакуум в конденсаторе турбины, а значит и ее максимальную мощность дает прямоточная система водоснабжения. Далее в порядке уменьшения вакуума идет система водоснабжения с водохранилищем-охладителем, с градирней и с воздушно-конденсационной установкой Геллера.

Если не учитывать стоимость отчуждаемой территории под охладители, то наиболее капиталоемкой системой водоснабжения является воздушно-конденсационная установка, затем с градирней, с водохранилищем-охладителем и, наконец, прямоточная система. Учет стоимости отчуждаемой земли вызывает значительное увеличение капиталовложений в систему водоснабжения с водохранилищем-охладителем.

Основные технико-экономические показатели систем технического водоснабжения приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Основные технико-экономические показатели систем технического водоснабжения электростанции

С точки зрения охраны окружающей среды и экологической безопасности наиболее совершенными являются системы с воздушно-конденсационными установками и с градирнями, так как в случае серьезной аварии и разгерметизации первого контура возможность прямого стока радиоактивных вод в естественные водоемы будет исключена, если АЭС располагается на значительном расстоянии от них, в основании сооружения залегают маловодопроницаемые грунты и выполнена соответствующая вертикальная планировка площадки АЭС.

Основной недостаток этих систем водоснабжения заключается в ограниченном диапазоне температур наружного воздуха, в котором они эффективно и устойчиво работают. При повышении температуры наружного воздуха до 30 °С и более происходит повышение температуры охлаждающей воды и значительное снижение мощности электростанции. При низких температурах наружного воздуха (ниже -20 °С) необходимы специальные мероприятия  по предотвращению обледенения градирен и замерзанию воды в системе воздушно-конденсационной установки.

Выбор системы технического водоснабжения должен производиться на основании технико-экономического сравнения всех возможных вариантов. Сравниваемые варианты должны быть приведены к одинаковым показателям по производству электроэнергии и воздействию на окружающую среду. К производству должен приниматься вариант с минимальными приведенными затратами.

3 ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ  И ЗАДАЧИ КОМПЬЮТЕРНЫХ, ТЕХНОЛОГИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

При разработке учебно-методических материалов по дисциплине «Строительство ТЭC и АЭС» используются компьютерные технологии, основной целью которых является:

• широкий доступ к информационной базе данных;
• создание комбинированных занятий;
• повышение уровня мотивации студентов;
• возможность представления материала в графической, динамической и экспериментальной форме, что практически невозможно осуществить с использованием доски и мела;
• возможность обмена опытом с другими  вузами;
• возможность одновременной проверки знаний студентов;
• одновременное воздействие на слуховые и зрительные рецепторы, что способствует более эффективному запоминанию информации.

Основной задачей профессорско-преподавательского состава при подготовке учебно-методического материала являются грамотное использование компьютерных технологий для повышения уровня знаний студентов и правильного их использования в дальнейшей практической деятельности в качестве инженеров-строителей, по строительству зданий и сооружений ТЭС и АЭС.

4 ПЕРЕЧЕНЬ И КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ОСНОВНЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ОБУЧЕНИИ СТУДЕНТОВ

В процессе подготовки учебно-методических материалов по дисциплине «Строительство ТЭC и АЭС» используются следующие компьютерные программы:

• Microsoft WORD;
• Microsoft EXCEL;
• Microsoft PowerPoint;
• MathCad;
• PascalABC;
• C#;
• программный комплекс ЛИРА Cофт;
• SCAD Office;
• AUTOCAD;
• NormaCS «Строительство. Версия Мах»;
• NormaCS «Энергетика и теплотехника»

В учебном процессе широко применяется пакет MS Office.

Текстовый редактор Word необходим для составления отчетов, рефератов, пояснительных записок к курсовым и дипломным проектам. Студенты изучают ГОСТы по оформлению текстовых документов, что необходимо в дальнейшем  для работы специалиста любого уровня. Умение составлять электронные бланки, использовать функции ассистента слияния, работать с табличными данными поднимает престиж инженерно-технического работника.

Электронные таблицы Excel позволяют решить абсолютное большинство инженерных задач. Кроме непосредственных вычислений линейного и циклического программирования, оформленных в виде макросов, приложение позволяет произвести первичную обработку результатов научных исследований (построение различных диаграмм и линии тренда, подбор функциональной зависимости с оптимальными отклонениями и т.д.), решать задачи подбора параметра и оптимизации функции (перевозок, расходования стройматериалов, производства строительных конструкций). Особое внимание уделяется работе со списками. Фактически, это работа с небольшой базой данных, имеющейся на каждом предприятии (по персоналу, по запасам строительных материалов, по вводу объектов строительства и др.). Возможность определенным образом отбирать информацию, сортировать, фильтровать, подводить итоги по различным признакам в несколько шагов за очень короткий срок (в пределах 5 минут) крайне востребована временем и с успехом реализуется специалистом.

Приложение Power Point широко используется для составления электронных презентаций. Сегодня ни одна научная конференция, ни одно мероприятие по обмену информацией немыслимы без презентаций. В учебном и процессе в виде презентаций представлены студенческие рефераты, доклады на конференциях и заседаниях, пособия-инструкции по выполнению отдельных разделов и расчетов курсового и дипломного проектирования, разделы лекционного курса, наглядные профориентационные заметки, отчетные материалы по практикам и общественным мероприятиям.

Студенты также знакомятся с настольной базой данных MS Access, усваивая принцип и приобретая навыки обработки большого объема табличной информации.

Университетская подготовка предусматривает умение студентов работать с программными пакетами по обработке результатов исследований и наблюдений. Будущие специалисты знакомятся с пакетами Maple, MathCad, MathLab, но наиболее подробно изучают работу с функциями и построение диаграмм в программе MathCad.

Основы программирования на кафедре студенты изучают на алгоритмическом языке Pascal.

Ряд преподавателей кафедры прослушал курс программирования на алгоритмическом языке C Sharp (C#) и успешно внедрил в учебный процесс программы тестирования знаний студентов по дисциплинам, составленные в Visual-среде.

Программный комплекс ЛИРА (ПК ЛИРА) – это многофункциональный программный комплекс для расчета, исследования и проектирования конструкций различного назначения. 

ПК ЛИРА с успехом применяется в расчетах объектов строительства, машиностроения, мостостроения, атомной энергетики, нефтедобывающей промышленности и во многих других сферах, где актуальны методы строительной механики. ПК ЛИРА входит в перечень программных средств, аттестованных советом по аттестации программных средств Госатомнадзора России.  

Программные комплексы семейства ЛИРА имеют более чем 40-летнюю историю создания, развития и применения в научных исследованиях и практике проектирования конструкций. Программные комплексы семейства ЛИРА непрерывно совершенствуются и приспосабливаются к новым операционным системам и графическим средам. Новейшим представителем семейства ЛИРА является ПК ЛИРА версии 9.6. 

Кроме общего расчета модели объекта на все возможные виды статических нагрузок, температурных, деформационных и динамических воздействий (ветер с учетом пульсации, сейсмические воздействия и т.п.) ПК ЛИРА автоматизирует ряд процессов проектирования: определение расчетных сочетаний нагрузок и усилий, назначение конструктивных элементов, подбор и проверка сечений стальных и железобетонных конструкций с формированием эскизов рабочих чертежей колонн и балок. 

ПК ЛИРА позволяет исследовать общую устойчивость рассчитываемой модели, проверить прочность сечений элементов по различным теориям разрушений. ПК ЛИРА предоставляет возможность производить расчеты объектов с учетом физической и геометрической нелинейностей, моделировать процесс возведения сооружения с учетом монтажа и демонтажа элементов. 

ПК ЛИРА состоит из нескольких взаимосвязанных информационных систем.

Система ЛИР-ВИЗОР