Введение к работе
Актуальность темы исследования. Повышение эффективности,
безопасности и надежности являются приоритетными целями организаций,
эксплуатирующих системы газо-, нефте- и продуктопроводов. Желаемые
результаты в этих направлениях могут быть достигнуты, в частности, решением
ряда проблем на основе разработки новых методов и алгоритмов адаптивного
математического моделирования фактических режимов эксплуатации
магистральных трубопроводных систем (ТПС) посредством идентификации параметров математических моделей, а также ситуационного анализа on-line данных, поставляемых системами диспетчерского контроля и управления (СДКУ), с целью оперативного обнаружения утечек и несанкционированных врезок.
Задача идентификации параметров математических моделей приобрела
новое содержание на современном уровне компьютеризации и информатизации
систем магистрального транспорта газа, нефти и нефтепродуктов. Решение задач
планирования, развития и управления этими системами опирается на
использование специализированных программно-вычислительных комплексов.
Обоснованность решений, принимаемых на основе компьютерного
моделирования, зависит от адекватности математических моделей. Со временем техническое состояние и технологические характеристики объектов системы ухудшаются. В частности, ухудшение показателей прочности, устойчивости материала трубопроводов приводит к необходимости снижения максимально разрешенного рабочего давления. Различные виды отложений на внутренних стенках труб приводят к уменьшению эффективного сечения потоков, увеличению гидравлических потерь, как следствие снижению пропускной способности трубопроводов. Долгая эксплуатация силового и другого оборудования ТПС приводит к ухудшению их режимно-энергетических характеристик. Эти факторы и изменения тем или иным образом необходимо учитывать в математических моделях как стационарных, так и нестационарных режимов эксплуатации ТПС. Целям адаптации моделей к факту служат эмпирические коэффициенты. Перед использованием моделей эти коэффициенты необходимо идентифицировать – оценивать на основе замеров параметров течения (давления, расхода, температуры и т.д.). Использование в моделях недостоверных значений параметров приводит к ошибочным результатам расчетов, снижает обоснованность и эффективность управленческих решений, что в свою очередь
4 может привести к нештатным и аварийным ситуациям. В то же время оценка
фактических значений эмпирических коэффициентов позволяет в некоторой
степени судить о текущем техническом состоянии объектов системы и может
оказаться полезной не только при моделировании, но и при решении других задач.
Например, учет этой информации при планировании ремонтов может позволить
снизить интенсивность отказов и продлить срок службы оборудования. Это
особенно важно, если трубопроводы не приспособлены к внутритрубной
дефектоскопии. Для газопроводных систем протяженность таких трубопроводов
составляет более 63 тыс. км (40 % от общей протяженности), в том числе
газопроводов-отводов – 36,4 тыс. км (82 % от общей протяженности).
Актуальность оперативного обнаружения утечек и несанкционированных врезок объясняется масштабом последствий разгерметизации трубопроводов и хищений углеводородного сырья и нефтепродуктов. Утечки и незаконные врезки в газо-, нефте- и продуктопроводы могут приводить к серьезным экологическим проблемам, наносят экономический и репутационный ущерб эксплуатирующим организациям.
Таким образом, теоретические исследования и разработка математических
методов идентификации параметров моделей и оперативного обнаружения утечек
и несанкционированных врезок являются актуальными. Решение этих задач и
реализация их в системах поддержки принятия решений автоматизированных
систем диспетчерского управления безусловно будет способствовать повышению
эффективности, безопасности и надежности трубопроводного транспорта газа,
нефти и нефтепродуктов. Современное информационное обеспечение
(контрольно-измерительные приборы, системы телеметрии и автоматизации, компьютерное оснащение) позволяет ставить и решать эти задачи.
Наиболее злободневной проблемой для систем нефте- и продуктопроводного
транспорта является идентификация утечек и несанкционированных врезок. Для
систем магистрального транспорта газа первостепенным представляется вопрос
идентификации параметров математических моделей. Поэтому в диссертации
методы параметрической идентификации демонстрируются на примере
газотранспортных систем (ГТС), а идентификация утечек – на примере нефте- и продуктопроводных систем. Однако предлагаемые идеи могут быть применены для тех и других ТПС, а также в смежных технологических областях.
5 Степень разработанности темы исследования. В работе отмечен и
проанализирован вклад отечественных и зарубежных учёных в разделы науки,
связанные с темой диссертационного исследования:
Евдокимов А.Г., Казак А.С., Карасевич А.М., Меренков А.П., Новицкий Н.Н., Самойлов Р.В., Сарданашвили С.А., Ставровский Е.Р., Сухарев М.Г., Тевяшев А.Д., Хасилев В.Я., Цыпкин Я.З., Bard Y., Eickhoff P., Ljung L. и др. в области математической постановки и методов идентификации параметров технических систем и, в частности, ТПС;
Новицкий Н.Н., Панкратов В.С., Сидлер В.Г., Сиперштейн Б.И. и др. в области анализа идентифицируемости ТПС;
- Байков И.Р., Зарицкий С.П., Китаев С.В., Лопатин А.С., Поршаков Б.П., Сарданашвили С.А., Шаммазов И.А., Щуровский В.А. и др. в области идентификации параметров и режимной диагностики оборудования ГТС;
Берман Р.Я., Корельштейн Л.Б., Леонтьев Е.В., Новицкий Н.Н., Панкратов В.С., Самойлов Р.В., Сарданашвили С.А., Синицын С.Н., Ставровский Е.Р., Сухарев М.Г. и др. в области разработки и программной реализации математических моделей и вычислительных алгоритмов расчета режимов магистрального транспорта газа;
Жуковский Н.Е., Кутуков С.Е., Лурье М.В., Сарданашвили С.А., Шаммазов А.М., Griebenow G., Klein W.R., Zhang J. и др. в области трубной гидродинамики и идентификации утечек и несанкционированных врезок в газо-, нефте- и продуктопроводы;
Бродский Б.Е., Дарховский Б.С., Никифоров И.В. и др. в области методов обнаружения разладки случайных процессов.
Цели и задачи диссертационной работы. Целью работы является повышение эффективности, безопасности и надежности эксплуатации систем трубопроводного транспорта газа, нефти и нефтепродуктов на основе совершенствования и разработки методов, вычислительных алгоритмов и программ адекватного математического моделирования технологических режимов магистральных газо- и нефтепродуктопроводных систем, а также оперативного обнаружения утечек и несанкционированных врезок в трубопроводы.
Достижение поставленной цели потребовало решение следующих задач.
1. Критический анализ существующих методов повышения достоверности и адекватности результатов моделирования стационарных и нестационарных
6 технологических режимов систем трубопроводного транспорта газа, нефти и
нефтепродуктов, распознавания утечек и несанкционированных врезок на основе
анализа on-line данных эксплуатации ТПС.
-
Разработка математических методов и алгоритмов адаптации математических моделей ТПС магистрального транспорта газа, нефти и нефтепродуктов к фактическим режимам их эксплуатации на основе использования информационно-вычислительных ресурсов СДКУ.
-
Разработка эффективного метода распознавания утечек и несанкционированных врезок в газо-, нефте- и продуктопроводы на основе анализа on-line данных СДКУ эксплуатации ТПС.
-
Разработка рекомендаций по приложению разработанных алгоритмов параметрической идентификации к решению режимно-технологических задач эффективной, безопасной и надежной эксплуатации систем трубопроводного транспорта газа, нефти и нефтепродуктов.
Научная новизна. Основные научные результаты состоят в следующем.
-
Впервые построены математические модели параметрической идентификации крупномасштабной ГТС произвольной конфигурации при стационарных и штатных нестационарных режимах течения газа, ориентированные на существующее информационное обеспечение.
-
Для идентификации параметров ГТС при стационарных и нестационарных течениях газа созданы рабочие алгоритмы, отвечающие текущему уровню компьютерного оснащения организаций-операторов. Путем вычислительных экспериментов на модельных и реальных данных исследована эффективность алгоритмов, сформулированы рекомендации по их применению к решению задач параметрической и структурной идентификации.
-
Разработана новая методика диагностики изменения технического состояния объектов ГТС, основанная на обработке результатов параметрической идентификации с помощью методов скорейшего обнаружения разладки случайных процессов.
-
Впервые предложена методика распознавания и поддержания уровня работоспособности объектов ГТС, основанная на идентификации коэффициентов, характеризующих их техническое состояние.
7 5. Разработана новая стохастическая модель и метод идентификации утечек
нефти и нефтепродуктов на основе анализа on-line данных эксплуатации ТПС. Их
эффективность доказана обработкой реальных телеметрических измерений.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в развитии теории гидравлических цепей в части идентификации параметров математических моделей ГТС, а также методов режимной диагностики оборудования газо-, нефте- и продуктопроводных систем. Разработанная методика распознавания и поддержания уровня работоспособности объектов ГТС представляет собой ранее не встречающийся результат в теории надежности. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при создании отраслевых программно-вычислительных комплексов. Их реализация не требует существенных финансовых затрат организаций-операторов и будет способствовать повышению эффективности, надежности и безопасности ТПС.
Методология и методы исследования. В ходе выполнения работы
использованы: методология системного анализа; методы теории гидравлических
цепей; математической статистики; конфлюэнтного анализа; теории случайных
процессов, в частности, процедуры скорейшего обнаружения разладки случайных
процессов; теории надежности; статистического моделирования (методы Монте-
Карло); численного интегрирования обыкновенных дифференциальных
уравнений; численного решения задач оптимизации; вычислительного
эксперимента; объектно-ориентированного программирования.
Положения, выносимые на защиту:
-
Математические модели и рабочие алгоритмы идентификации параметров крупномасштабных ГТС при стационарных и штатных нестационарных режимах течения флюида на основе анализа on-line данных эксплуатации ТПС.
-
Методика диагностики изменения технического состояния объектов ГТС.
-
Методика распознавания и поддержания уровня работоспособности объектов ГТС.
-
Стохастическая модель и метод идентификации утечек нефте- и нефтепродуктов.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обуславливается использованием признанных в научном сообществе математических моделей и широкого спектра методов прикладной математики, подтверждается проведенными вычислительными экспериментами на
8 модельных и реальных данных, получением патента РФ на изобретение и
свидетельства о регистрации программного обеспечения.
Основные результаты диссертации докладывались на 9 международных и
всероссийских научных семинарах и конференциях:
Всероссийский научный семинар «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем»: XIV заседание, г. Белокуриха, Алтайский край, 8-13 сентября 2014 г.; XV заседание, г. Иркутск, 5-11 сентября 2016 г.;
Международный научный семинар им. Ю.Н. Руденко «Методические вопросы исследования надёжности больших систем энергетики»: 88-е заседание, г. Сыктывкар, Республика Коми, 4-9 июля 2016 г.; 89-е заседание, г. Чолпон-Ата, Кыргызская республика, 11-15 сентября 2017 г.;
2nd International Conference of Skoltech Center for Energy Systems organized jointly with International Institute for Energy Systems Integration Shaping research in integrated gas-, heat- and electric- energy infrastructures, г. Москва, 30-31 мая 2016 г.;
11-я Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (газ, нефть, энергетика), г. Москва, 20-23 октября 2015 г.;
XI Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», г. Москва, 8-10 февраля 2016 г.;
Международные молодежные научные конференции «Нефть и газ – 2014», г. Москва, 14-16 апреля 2014 г.; «Нефть и газ – 2015», г. Москва, 14-16 апреля 2015 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 научных работах: в 4-х статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ; в 4-х статьях в рецензируемых научных изданиях, не входящих в список ВАК; в 3-х тезисах международных и всероссийских конференций; получен 1 патент РФ на изобретение и 1 свидетельство о регистрации программного обеспечения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 160 наименований и 3 приложений. Работа изложена на 149 страницах основного текста и 23 страницах приложений. Основной текст работы содержит 26 рисунков и 10 таблиц.