XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Представлена разработка программного модуля на языке программирования С# с графическим интерфейсом Windows Forms для расчета кпд по обратному принципу для топливо сжигающих установок, паровых котлов. Актуальность разработки специализированного программного модуля для определения коэффициента полезного действия (КПД) топливосжигающих установок (котельные, ТЭЦ, промышленные печи) по обратному балансовому методу (через оценку потерь) обусловлена следующими ключевыми факторами:

• Растущие требования энергоэффективности и экологии. В условиях ужесточения нормативов по энергосбережению (ФЗ-261) и выбросам, необходимы точные и оперативные инструменты для оценки реальной эффективности работы установок. Прямой метод расчета КПД (по полезной энергии) часто сложнее и требует большего числа точных измерений. Метод по потерям (обратный баланс), фокусирующийся на основных каналах тепловых потерь, является более практичным и широко применяемым.

• Потребность в стандартизации и унификации расчетов. На предприятиях расчеты часто выполняются вручную или в разрозненных таблицах, что приводит к методическим ошибкам, неоднородности данных и сложностям при сравнительном анализе работы разных агрегатов или одного агрегата во времени.

• Энергетикам и технологам требуется быстро оценить влияние изменений режима работы, качества топлива или состояния оборудования на КПД. Автоматизированный расчет по обратному принципу позволяет мгновенно пересчитывать КПД при вводе новых данных по температуре уходящих газов, составу газов, избытку воздуха.

Разработка данного модуля направлена на решение практической задачи повышения энергоэффективности за счет внедрения универсального, точного и быстрого инструмента для расчета ключевого показателя — КПД, что напрямую влияет на снижение себестоимости продукции, потребления топлива и экологической нагрузки. Программа реализует полный цикл расчета КПД: от загрузки или ручного ввода исходных данных (температуры, состав газов) до автоматического вычисления всех составляющих теплового баланса (q2, q3, q5) и итогового КПД по обратному методу. Система минимизирует ручные расчёты и ошибки, обеспечивая точный, быстрый и стандартизированный анализ эффективности топливосжигающей установки.

Ключевые слова:

КПД, топливосжигающие установки, расчет по потерям, программный модуль, C#, Windows Forms, энергоэффективность, паровые котлы, автоматизация расчетов, стандартизация, тепловые потери.

DEVELOPMENT OF A SOFTWARE MODULE FOR CALCULATING THE INVERSE PRINCIPLE OF EFFICIENCY FOR FUEL-BURNING INSTALLATIONS Shepotkovsky A.A., Ananchenko I.V.

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Saint Petersburg State Institute of Technology (Technical University)", Saint Petersburg, e-mail: anantchenko@yandex.ru, artem3071@icloud.com

The development of a software module in the C# programming language with a Windows Forms graphical interface for calculating the efficiency by the reverse principle for fuel-burning units, steam boilers is presented. The relevance of the development of a specialized software module for determining the efficiency factor (efficiency) of fuel-burning units (boiler rooms, CHP, industrial furnaces) by the reverse balance method (through the assessment of losses) is determined by the following key factors:

• Growing requirements for energy efficiency and the environment. With stricter regulations on energy conservation (Federal Law No. 261) and emissions, it is necessary to have accurate and timely tools for assessing the actual efficiency of installations. The direct method of calculating efficiency (based on useful energy) is often more complex and requires more precise measurements. The loss method (reverse balance), which focuses on the main channels of heat loss, is more practical and widely used.

• The need for standardization and unification of calculations. At enterprises, calculations are often performed manually or in scattered tables, which leads to methodological errors, data heterogeneity, and difficulties in comparing the performance of different units or the performance of a single unit over time.

• Energy engineers and technologists need to quickly assess the impact of changes in operating mode, fuel quality, or equipment condition on efficiency. Automated calculation based on the inverse principle allows for instant recalculation of efficiency when new data is entered.

The development of this module is aimed at solving the practical problem of increasing energy efficiency by introducing a universal, accurate, and fast tool for calculating the key indicator, efficiency, which directly affects the reduction of production costs, fuel consumption, and environmental impact. The program implements a complete cycle of efficiency calculation, from loading or manually entering initial data (temperatures and gas composition) to automatically calculating all components of the thermal balance (q2, q3, q5) and the final efficiency using the inverse method. The system minimizes manual calculations and errors, providing an accurate, fast, and standardized analysis of the efficiency of a fuel-burning installation.

Keywords:

Efficiency, fuel-burning installations, calculation by losses, software module, C#, Windows Forms, energy efficiency, steam boilers, automation of calculations, standardization, heat losses.

Введение. В условиях роста требований к энергоэффективности и экологической безопасности промышленных предприятий точный и оперативный расчёт коэффициента полезного действия (КПД) топливосжигающих установок становится критически важной задачей. Наиболее практичным и широко применяемым в эксплуатационной практике является обратный балансовый метод, при котором КПД определяется через оценку тепловых потерь. Программный модуль автоматизирует данный расчёт. Он позволяет на основе входных параметров (температур уходящих газов, состава дымовых газов) в реальном времени вычислять составляющие потерь (q2, q3, q5) и КПД, минимизируя ручные операции.

Целью работы является разработка на языке C# с использованием Windows Forms специализированного программного обеспечения для автоматизации полного цикла расчёта коэффициента полезного действия (КПД) топливосжигающих установок методом обратного теплового баланса через оценку потерь [1].

Актуальность разработки обусловлена критической важностью контроля энергоэффективности на фоне ужесточения экологических норм и требований к энергосбережению. Поскольку обратный балансовый метод (расчёт КПД через потери) является промышленным стандартом для оценки эффективности топливосжигающих установок, автоматизация данного анализа становится практической необходимостью. Она позволяет перейти от трудоёмких ручных расчётов и разрозненных таблиц к стандартизированной, быстрой и точной оценке. Это даёт возможность энергетикам и технологам оперативно анализировать влияние режимов работы, качества топлива и состояния оборудования на КПД, выявлять резервы для оптимизации, снижать затраты на топливо и минимизировать экологическую нагрузку. Внедрение такого инструмента напрямую способствует решению задач импортозамещения и цифровизации в энергетической отрасли [2].

Математическое описание. Для топливосжигающей установки коэффициент полезного действия (КПД, %) рассчитывается по обратному балансовому методу через расчет основных тепловых потерь, который рассчитывается по формуле [2]:

где  — полезно использованная теплота, %;

 — потери тепла с уходящими газами, %;

 — потери тепла от химической неполноты сгорания, %;

 — потери тепла от наружного охлаждения, %.

Потери q2 с уходящими дымовыми газами, связанны с тем, что продукты сгорания, имеющие высокую температуру, не удается охладить до той же температуры, которую имел использованный для горения воздух. Эти потери рассчитываются по упрощенной эмпирической формуле Зигерта (Стандарт DIN) с использованием коэффициентов [3]:

где  — потери тепла с уходящими газами, %;

 — расчетная концентрация диоксида углерода в дымовых газах, %;

 — температуры дымовых газов и воздуха, подаваемого на горение, °C;

 — эмпирические коэффициенты, зависящие от вида сжигаемого топлива.

Концентрация в дымовых газах зависит от доли углерода в топливе и рассчитывается по формуле [2]:

где  — наибольшая концентрация углекислого газа в дымовых газах при полном сжигании топлива (%);

 — измеренная концентрация кислорода в дымовых газах, %.

Потери от химически неполного сгорания (недожога) топлива зависят, главным образом, от качества перемешивания топлива и воздуха, а также от содержания горючих остатков в дымовых газах (СО + Н2 + СН). Эта сумма концентраций представляется в виде эквивалентной концентрации оксида углерода (СОЭКВ), из-за малости остальных составляющих.

Потери рассчитываются по формуле [3]:

Где  — показатель для расчета недожога, зависящий от вида топлива;

СО — измеренная концентрация оксида углерода (угарного газа) в дымовых газах, %.

Потери теплоты в окружающую среду при номинальной производительности определяют по нормативным данным в зависимости от мощности котлоагрегата и наличия дополнительных поверхностей нагрева

Потери рассчитываются по следующей формуле [3]:

Где  — показатель для расчета недожога, зависящий от вида топлива;

СО — измеренная концентрация оксида углерода (угарного газа) в дымовых газах, %.

Потери q5 включают теплоту, отдаваемую обмуровкой и другими частями топливосжигающего агрегата окружающему воздуху. Эти потери незначительно влияют на процессы сжигания топлива, поэтому их можно не учитывать при сравнительной оценке работы котлов и других тепловых агрегатов. В этом случае, за основу принимается коэффициент использования топлива (КИТ) равный [3]:

Основные потери при горении, определяющие эффективность и качество сжигания топлива, это потери тепла с уходящими газами и потери, вызванные недожогом топлива.

Результаты исследования. Разработан программный модуль на C# с графическим интерфейсом Windows Forms, автоматизирующий полный цикл расчёта КПД методом обратного баланса. Система выполняет расчёт тепловых потерь (q₂, q₃, q₅) и определяет коэффициент полезного действия для топливосжигающих установок.

Интерфейс приложения представлен на рисунке 1. Он включает модуль загрузки данных, выбор типа топлива, ввод ключевых измеряемых параметров (температура дымовых газов, содержание CO и O₂) и управление учётом нормативных потерь. Формула расчёта КПД по обратному балансу выведена наглядно для пользователя.

Вычислительное ядро программы реализует полный цикл определения эффективности установки. На основе входных данных производятся расчёты содержания CO₂, тепловых потерь с уходящими газами q₂, от химического недожога q₃ и от наружного охлаждения q₅. Все промежуточные расчёты и итоговое значение КПД отображаются в структурированном виде.

Для контроля корректности ввода все значения сверяются с установленными диапазонами измерений датчиков. Система стандартизирует процедуру расчёта КПД, исключает арифметические ошибки и обеспечивает оперативный анализ энергоэффективности работы котла при изменении режимных параметров или вида топлива [4].

Рисунок 1 – Главное окно программы расчета

Перспективным направлением является развитие системы в универсальную платформу мониторинга и оптимизации энергоэффективности. Это включает расширение библиотеки типов топлива и методик расчёта, а также внедрение дополнительных методов теплового баланса. Практическую значимость усилит интеграция с промышленными системами сбора данных (АСУ ТП, SCADA) для онлайн-мониторинга КПД в реальном времени и создание модуля прогнозного анализа для моделирования оптимальных режимов работы. Переход к клиент-серверной архитектуре с облачными сервисами обеспечит централизованное управление данными с нескольких объектов, широкую доступность и возможности для совместной работы инженеров и технологов. Создание специализированных модулей и отчётов позволит применять систему для автоматизированного энергоаудита, экологического контроля и выполнения требований государственных стандартов в различных отраслях — от коммунальной теплоэнергетики до нефтегазовой и металлургической промышленности.

Выводы

Разработано программное обеспечение, автоматизирующее полный цикл расчета коэффициента полезного действия методом обратного теплового баланса. Система с графическим интерфейсом Windows Forms включает модули для ввода параметров, вычислительное ядро для определения тепловых потерь (q₂, q₃, q₅) и структурированный вывод результатов. Её внедрение стандартизирует процедуры расчёта КПД, сокращает время анализа, минимизирует арифметические ошибки и делает сложные балансовые расчёты доступными для инженеров-энергетиков и технологов. Перспективы развития связаны с интеграцией с системами АСУ ТП для онлайн-мониторинга, расширением библиотек топлива и методик, а также переходом к клиент-серверной архитектуре для создания универсальной платформы управления энергоэффективностью.

Литература:

1. Новиков О.Н., Артамонов Д.Г., Шкаровский А.Л., Кочергин М.А., Окатьев А.Н. Энергоэкологическая оптимизация сжигания топлива в котлах и печах регулированием соотношения «топливо-воздух». // Промышленная энергетика, 2000, № 5, с. 57-60

2. Ананченко, И. В. Разработка прототипа android - приложения калькулятора оценки эффективности сжигания топлива / И. В. Ананченко, А. А. Шепотковский // World science: problems and innovations : Сборник статей LXXVIII Международной научно-практической конференции, Пенза, 30 апреля 2024 года. – Пенза: Международный центр научного сотрудничества "Наука и Просвещение", 2024. – С. 60-65. – EDN THUNCT.

3. Ананченко, И. В. Передача показаний с датчиков на web сервер по сети Wi-Fi с использование микроконтроллера ESP8266 / И. В. Ананченко, А. А. Шепотковский // Наука и современное образование: актуальные вопросы, достижения и инновации : сборник статей IX Международной научно-практической конференции, Пенза, 27 марта 2024 года. – Пенза: Наука и Просвещение (ИП Гуляев Г.Ю.), 2024. – С. 18-21. – EDN OCPJFR.

4. Новиков, О. Контроль эффективности и качества промышленного сжигания топлива / О. Новиков, И. Ананченко, Н. Минчев // Энергетическая политика. – 2024. – № 3(194). – С. 54-65. – DOI 10.46920/2409-5516_2024_3194_54. – EDN JADVFJ.

Код для цитирования: Скопировать