Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Безаварийное теплообеспечение населения как актуальная социально-экономическая и техническая задача 12
1.1 Проблемы повышения эффективности и надежности теплосетей на современном этапе развития коммунального хозяйства 12
1.2 Особенности эксплуатации тепловых сетей в Советском районе г. Новосибирска (Академгородка СОР АН) 31
Глава 2 Модели аварийных ситуаций и мониторинга работоспособности трубопроводного транспорта 41
2.1 Проблемы описания аварий трубопроводного транспорта как риска неблагоприятных ситуаций 43
2.2 Методы принятия управленческих решений по предотвращению аварийных событий на трубопроводном транспорте 58
2.3 Обобщенная модель транспортной системы теплоснабжения жилмассива 64
Глава 3 Система мониторинга аварийных ситуаций трубопроводного транспорта 80
3.1 Моделирование динамики развития процессов коррозии трубопроводов как основного фактора, приводящего к аварии 80
3.2 Основные подходы и результаты реализации автоматизированного мониторинга аварийного состояния трубопровода 112
Заключение 122
Литература 126
- Особенности эксплуатации тепловых сетей в Советском районе г. Новосибирска (Академгородка СОР АН)
- Методы принятия управленческих решений по предотвращению аварийных событий на трубопроводном транспорте
- Обобщенная модель транспортной системы теплоснабжения жилмассива
- Основные подходы и результаты реализации автоматизированного мониторинга аварийного состояния трубопровода
Введение к работе
Актуальность диссертационного исследования. Россия обладает развитой сетью трубопроводного транспорта водо и теплообеспечения предприятий и жилищ, относимых к коммунальной отрасли экономики. Систему централизованного трубопроводного транспорта теплоносителя составляет около 200000 км, в том числе 90% транспортной инфраструктуры образуют водяные теплосети, по которым ежегодно передается около 2000 млн. Гкал тепловой энергии.
Столь масштабная трубопроводная структура ЖКХ объясняется тем, что практически вся страна находится в климатической зоне с преобладанием низких температур достаточно длительный период. Например, в Новосибирской области, средняя расчетная температура наружного воздуха в зимнее время принимается на уровне - 41С, а максимальная продолжительность отопительного сезона составляет 272 дня. Температурный режим функционирования теплосети установлен на уровне 150/70С, со срезкой на 125С. Около четверти магистралей являются теплонапряженными, практически весь зимний период
там держится 138С и давление \А-\5кгс/ 2. В остальной части сохраняются
/ см
средние показатели: 107 С, 11кгс/ 2. Средний уровень потерь в теплосети со-
/ см
ставляет около 10% с колебаниями от 14% до 8,6%. При общем удовлетворительном состоянии тепловых сетей около 44,6% трубопроводов служат более 20 лет и являются потенциально опасными. По данным Счетной палаты Российской Федерации в 2007 году: «Тепловые потери в трубопроводах магистральных тепловых сетей составляют около 10-11 произведенной энергии, а суммарные потери с учетом распределительных сетей - до 30%. На каждые 100 км. теплопроводов ежегодно регистрируется более 70 повреждений. Повреждаемость тепловых сетей постоянно растет и составляет в среднем 2,5-3 шт. на каждый километр трассы в год, что на порядок превышает аналогичные показатели стран Западной Европы». В 2004 году в г. Новосибирске было выявлено 423 повреждения, в 2005 году - 415, а в 2006 году - 469 повреждений. В 2007 году
4 на ряде участков испытательное давление было снижено с 20 до 16кгу г,
что привело к снижению числа повреждений до 280 шт./год. Недостаток ресурсов пытаются компенсировать «щадящими» режимами функционирования, что приводит к естественному «недотопу» значительной части жилищ.
Усиление внимания государства к развитию социальных функций в условиях децентрализованной рыночной экономики актуализирует проблему бесперебойного теплообеспечения населения страны в условиях существенного физического износа трубопроводного транспорта. Вместе с тем, эффективное решение этой социально-экономической и технической задачи оказалось затруднено в силу следующих обстоятельств:
системы трубопроводного транспорта ЖКХ в период плановой экономики создавались и эксплуатировались в условиях финансирования «по остаточному принципу», что проявлялось в некачественном проектировании, в использовании труб с отклонениями от стандартов, в многочисленных нарушениях тепло и водо изоляции;
в условиях рыночной экономики эксплуатация и развитие трубопроводных систем ЖКХ была передана в частные структуры, а их содержание в большей мере возложено на жителей муниципальных образований. Во время организационной перестройки управления транспортными системами ЖКХ была утрачена часть проектной документации, снизился объем ресурсов направляемых на сопровождение системы;
трубопроводный транспорт вводился в эксплуатацию в середине XX века и к настоящему времени находится в состоянии «критического износа», однако средств на его восстановление у собственников нет. Так, при общей изношенности трубопроводов г. Новосибирска свыше 60%, объем замены теплотрасс в 2002 году составил 2,3% общей протяженности, в 2003 году 1,7%, в 2004 году 1,5%, в 2005 году 1,6%.
4) выборочное обследование потребителей показало, что отсутствуют
достоверные данные о тепловых нагрузках. Для большинства объектов тепло-
5 обеспечения, энергопаспортизация не проводилась вообще. В такой ситуации достаточно сложно составить энергобаланс системы, следовательно, контролировать и регулировать расход энергоресурсов. При этом в силу развития строительства новых объектов нарастает дефицит пропускной способности теплома-гистралей, связанный с инженерным обеспечением перспективных территорий.
5) образовавшиеся частные предприятия, эксплуатирующие трубопроводный транспорт малочисленны, малоресурсны, не имеют возможности содержать высоко квалифицированных специалистов и решать задачи комплексного управления надежностью трубопроводов в автоматизированном режиме. Постановки задач прогноза аварийных ситуаций на трубопроводном транспорте ЖКХ не осуществлялись и в литературе практически отсутствуют сведения об их решении.
На этом фоне возрастает актуальность и важность задач по эффективной эксплуатации существующих магистралей трубопроводного транспорта, сохранению уровня их надежности в условиях ограниченных ресурсов. Очевидно, что выполнение этих задач обеспечивается взаимоувязанным решением организационных и технических (технологических) проблем управления системами транспорта и распределения теплоносителя (СТРТ), к которым отнесем автоматизированный мониторинг состояния трубопроводной системы на основе прогноза аварийного состояния фрагментов трубопроводного транспорта, как наиболее значимых факторов устойчивого теплоснабжения. Однако, до настоящего времени нет достаточно аргументированных и научно обоснованных методов прогноза аварийных событий для объектов типа трубопроводный транспорт и, следовательно, нет рациональных методов принятия решений по их предотвращению. Известные нам методики в основном базируются на моделях оценки «риска аварии», возможно эффективных в управлении ликвидацией чрезвычайных ситуаций, управлении финансовой деятельностью и других направлений экономики, но мало полезных в системах мониторинга трубопроводного транспорта, которые, прежде всего, являются техническими системами. Иссле-
дование этих проблем и разработка моделей автоматизированного мониторинга состояния трубопроводной сети ЖКХ и отражены в настоящей работе.
Актуальность настоящего исследования подтверждает и то обстоятельство, что в конце XX века в Советском районе г. Новосибирска была внедрена «автоматизированная графическая системы «Дежурный генеральный план Академгородка»», осуществляющая контроль и диспетчеризацию распределения теплоносителя потребителям. Решение задач мониторинга аварийных событий трубопроводного транспорта - есть логическое продолжение этого проекта направленное на повышение эффективности функционирования инженерных транспортных потоков, как в части снижения аварийности, так и в части выбора и реализации планов оптимального теплоснабжения.
Степень изученности проблемы. В силу широкого использования СТРТ в стране и практически одинаковых условий эксплуатации проблема обеспечения безопасности и эффективного функционирования трубопроводного транспорта ЖКХ поднимается, прежде всего, в прикладном и, соответственно, теоретическом плане. Однако в силу сложившихся к настоящему времени условий эксплуатации СТРТ ЖКХ работы по постановке и реализации задач методологического обоснования оперативного прогнозирования, планирования и осуществления мероприятий по предотвращению аварий ведутся в ограниченном объеме. Об этом свидетельствуют труды Ю.С. Гайстера, С.А. Михайлова, А.С. Некрасова, В.Г. Семенова, К. Ф. Ридера, B.C. Ромейко, В.И. Шарипова. Вопросы коммунальной энергетики рассмотрены в трудах А.А. Ахтырского, А. Бло-хина, М.Б. Иванова, А. С. Чистовича, С.С. Мазанова. Общее положение дел в целом по отрасли охарактеризовал академик В.Е. Накоряков, который констатировал, что «отечественная энергетика стала быстро терять свои преимущества. Не пошли ей на пользу ни начатая в 1992-1993 гг. децентрализация, ни акционирование вкупе с приватизацией». Эти проблемы и возможные пути выхода из кризиса теплообеспечения населения подробно обсуждались на международной конференции, состоявшейся 11-13 марта 2008 года, «Тепловые сети. Современные практические решения»1, в которой приняло участие около 250
Организатор конференции некоммерческое партнерство «Российское теплоснабжение»
7 специалистов из 65 регионов России и ближнего зарубежья. В тоже время имеется достаточный объем публикаций, отражающих решение аналогичных проблем в технологических процессах транспорта нефти и газа, обеспечения надежности функционирования химических аппаратов (В.Н. Бабенко, П.Г Белов, Б.Г Волик, Ф.Э. Гербек, А.И Гражданкин, Э.М. Гутман, Ц.И. Залкинд, Р.С. Зайнуллин, В.И. Измалков, Р.С. Кузнецов, Я.М. Колотыркин, А.Е. Кузьмак, А.В. Кожеуров, Р.Г. Маннапов, В. Маршалл, СИ. Орлов, В.И Позняк, В.П. Чи-пулис, Л.И. Фрейман). Очевидно, что предложенные в этой литературе решения могут быть использованы и в исследуемой проблеме.
Определенную методологическую ценность имеют работы посвященные описанию аварий трубопроводного транспорта как рисков управленческого персонала. Среди этих работ выделим труды А.Б. Логова, Р. Крумгольца, которая побудила нас подробно исследовать возможность представления аварий СТРТ с рисковых позиций. С другой стороны можно сослаться на мнение Цветкова В.А., утверждающего, что к настоящему времени не существует разработанной теории риска промышленных аварий, равно как и риска других неблагоприятных явлений. Наконец, отметим работы М.М. Андрияшева, И.Е. Идельчика, А.П. Зегжды, И.С. Квасова, В.Г. Лобачев, Л.Ф. Мошнин, М.А. Сомова, М.Я. Панова, Ф.А. Шевелева, В.Я. Хасилева, В.И. Щербакова разработавших модели потокораспределения и методы расчета водопроводных сетей с учетом влияния гидравлических сопротивлений и утечек транспортируемого агента. Особый интерес для развития целей настоящей работы представляют труды А.С. Алексеева, И.И. Гейци, В.Д. Набивича, В.П. Пяткина, С.Я. Панасю-ка, посвященные разработке и реализации автоматизированных систем контроля и диспетчеризации трубопроводного транспорта Академгородка (г. Новосибирск).
Цель исследования. Разработка математического обеспечения подсистемы мониторинга СТРТ ЖКХ в составе «Автоматизированной информационно-графической системы «Дежурный генеральный план Академгородка»» (г. Новосибирск), использующей модели бифуркационной динамики развития аварийной ситуации трубопроводного транспорта.
Сформулированная цель достигается выполнением следующих задач:
Анализ современного состояния трубопроводной инфраструктуры ЖКХ, выявление экономических, социальных, технологических и психологических факторов появления аварий трубопроводного транспорта.
Изучение актуальной научно методологической и нормативной литературы, опыта эксплуатации трубопроводного транспорта, в том числе с использованием автоматизированного контроля и диспетчеризации. Изучение моделей коррозионного поражения труб, в том числе, и по исследованиям в других отраслях промышленности.
Разработка модели потокораспределения теплоносителя для исследования влияния режимных параметров на устойчивость функционирования трубопроводной системы.
Построение модели прогноза аварийного события, как следствия коррозии в системе «вода - стенка трубы», исследование факторов определяющих траекторию движения системы к аварийному состоянию.
Реализация системы мониторинга аварии в составе автоматизированной информационно-графической системы «Дежурный генеральный план Академгородка»» (г. Новосибирск).
Объект исследования — системы мониторинга трубопроводного транспорта водо и теплоснабжения ЖКХ.
Предмет исследования - модели, методы и информационные системы мониторинга аварийных событий трубопроводного транспорта водо и теплоснабжения ЖКХ.
Методология работы. Выполнение задач диссертационного исследования осуществлялось на основе комплексного использования методов системного анализа, моделирования и конструирования элементов технологии мониторинга состояния СТРТ, экспериментальной отработки и анализа полученных результатов. При построении моделей потокораспределений применены модели на основе графов, анализ моделей достижения аварийных событий осуществлен с использованием теории катастроф.'
Научная новизна
1. Определены условия, при которых аварийные события трубопроводного транспорта рассматриваются как рисковые. Показано, что рисковый подход к
9 описанию аварийных событий необходим в системах прогноза и управления природными ЧС, в то время как техногенные аварии, как правило, проявляются как результат старения (износа) технологических аппаратов либо нарушений технологических режимов. Следовательно, при надлежащем оперативном учете производственных факторов (мониторинге) техногенные аварии могут быть предсказаны с помощью математических моделей развития аварийных ситуаций.
2. Предложена графовая модель потокораспределения, позволяющая
обосновать перечень параметров мониторинга аварийных событий СТРТ.
Разработана модель динамики формирования аварийного события как следствия коррозионного поражения материала трубопровода в системе «вода-стенка трубы», использующая теорию катастроф и бифуркаций. Разработанная модель позволяет исследовать траектории «достижения» аварийных событий, факторы, определяющие характер движения системы «теплоноситель — стенка трубы» к аварии, обосновать закономерности развития аварийных процессов, полученные ранее статистическими методами.
Разработана структура задач программного обеспечения мониторинга для реализации в автоматизированной системе контроля и диспетчеризации функционирования трубопроводного транспорта ЖКХ информационно-графической системы «Дежурный генеральный план Академгородка»» (г. Новосибирск).
Автор выносит на защиту следующие положения:
Техногенные события типа «аварии трубопроводного транспорта» есть следствие естественного старения (деградации) технологического объекта (аппаратуры), которое при надлежащем использовании проектно — конструкторской документации и оперативного контроля технологических параметров функционирования могут быть достаточно надежно предсказаны в отличие от «рисковых» решений, проявляющихся как рефлексия ЛПР в условиях недостатка информации в момент принятия управленческого решения.
Графовая модель потоко (тепло) распределения позволяет описать трубопроводную инфраструктуру ЖКХ с любой степенью детализации, что создает предпосылки для анализа влияния технологических факторов на
10 режимы транспорта теплоносителя и условия идентификации фрагментов трубопроводной сети с существенно отклоняющимися режимами функционирования, что в свою очередь обеспечивает первичный мониторинг системы (мониторинг на уровне фрагмента сети).
Процессы возникновения аварийных событий вследствие коррозии в системе «теплоноситель — стенка трубы» (ТСТ) являются нелинейными и могут быть объяснены на основе теории катастроф. Стремление ТСТ к аварийному состоянию описываются бифуркационными траекториями, что позволяет обосновать принципы мониторинга на уровне коррозийных процессов.
Разработанная подсистема мониторинга аварийных состояний в составе «Автоматизированной информационно-графической системы «Дежурный генеральный план Академгородка»» (г. Новосибирск) повысила точность идентификации «аварийных труб» на прогнозный интервал «один год» на 12%.
Практическая значимость. Уточнены понятия «риск», «управление риском» техногенной аварии, разработана структура автоматизированной системы мониторинга трубопроводного транспорта ЖКХ на основе моделей теп-лораспределения и бифуркационного движения системы «теплоноситель -стенка» трубы к зоне повышенной опасности и событию аварии. Модели динамики СТС, описывающие процесс перехода системы по четырем выделенным областям функционирования: «норма», «среднее», «предаварийное», «авария» упрощают алгоритмы мониторинга, повышают достоверность прогноза и, следовательно, уточняют выбор наиболее опасных фрагментов трубы в смысле прорыва её стенки. Алгоритмы и структура подсистемы мониторинга аварийных событий СТС использованы для развития аналогичных автоматизированных систем диспетчеризации трубопроводного транспорта. Разработанные модели и теоретические положения могут быть использованы в учебном процессе в системах высшего и среднетехнического профессионального образования, а также для повышения квалификации специалистов ЖКХ, обслуживающих трубопроводный транспорт.
11 Обоснованность и достоверность научных положений и выводов: обеспечивается корректной постановкой задачи прогнозирования техногенной аварии с использованием моделей теории катастроф, многочисленных экспериментальных данных полученных в процессах анализа надежности оборудования химической, нефтехимической промышленности, транспорта нефти и газа.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается корректной постановкой задачи прогнозирования техногенной аварии с использованием моделей теории катастроф, многочисленных экспериментальных данных полученных в процессах анализа надежности оборудования химической, нефтехимической промышленности, транспорта нефти и газа.
Реализация работы. Результаты использованы при выполнении договора НИР № 37 от 12.10. 2005 г. выполняемым Новосибирским филиалом Государственной академии профессиональной переподготовки и повышения квалификации руководящих работников и специалистов инвестиционной сферы для ФГУП Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова. Методика оценивания рисков принята и утверждена.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции «Тепловые сети. Современные практические решения», состоявшейся 11-13 марта 2008 года в г. Москве, всероссийских, межвузовских и региональных конференциях в гг. Новосибирске (2005, 2006 г.), Барнауле (2006 г.), Тюмени (2008 г.), Якутске (2006, 2007 г.), Всероссийском совещании по теплоэнергетике (г. Кемерово, 2005), семинарах работников ЖКХ в г. Новосибирске (2006 г.), г. Томске (2008 г.) и Якутске (2005-2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложенных на 134 страницах. Библиографический список содержит 97 источник. В работе имеется 28 рисунков и 8 таблиц.
Особенности эксплуатации тепловых сетей в Советском районе г. Новосибирска (Академгородка СОР АН)
В разделе 1.1 настоящей работы были приведены сведения о проблемах эксплуатации систем теплообеспечения Новосибирской области, которые не отличается от аналогичных проблем страны, осуществлен анализ современных подходов к решению проблем снижения аварийности трубопроводного транспорта одновременно с повышением его эффективности. В Советском районе г. Новосибирска в силу объективных обстоятельств к началу двадцать первого века удалось решить некоторые задачи оперативного контроля состояния трубопроводного транспорта, что, на наш взгляд, создает предпосылки для совершенствования методов, алгоритмов и программ, направленных на повышение эффективности теплообеспечения населения и промышленных предприятий Академгородка.
Работы по проектированию и внедрению диспетчерского комплекса, именуемого «Автоматизированной информационно-графической системой «Дежурный генеральный план Академгородка»» (ДГП), были инициированы администрацией Советского района г. Новосибирска и Президиумом Сибирского отделения РАН. Основная цель создаваемой автоматизированной системы была сформулирована как повышение оперативности и качества социально - экономического управления на основе обобщения, систематизации плановых решений, принимаемых различными управленческими структурами района. Совместная деятельность ученых СО РАН, проектировщиков, программистов при активном участии представителей заказчика, творческое использование опыта подобных автоматизированных систем, разрабатываемых и внедряемых мэриями Москвы, Санкт-Петербурга, администрациями областей, городов страны и сибирского региона, позволила в сжатые сроки внедрить эффективную информационную систему сбора и обработки данных для принятия управленческих решений на региональном уровне.
В системе была учтена специфика Академгородка, как ведущего научного центра страны, определяющая повышенные требования к социально экономическому и культурному развитию района, отраженные в конкретных задачах организационной и хозяйственной деятельности администрации. Фактором, определяющим успешность разработки и внедрения ДГП, на наш взгляд, явились организационные мероприятия направленные на осуществление единой технической политики и методическое руководство в обеспечении эффективного уровня содержания инженерных систем и жилищно-коммунального хозяйства. С этой целью в 1997 году создана Служба главного инженера (СГИ) СО РАН, основной задачей которой является обеспечение потребителей тепловой и электрической энергией, водой и отведением стоков, сжатым воздухом и оборотной водой на технические нужды, а так же рациональное использование производственных мощностей, инженерных сооружений и передаточных устройств.
В структуру СГИ были введены следующие подразделения: УЭТС, УВКХ, Опытный завод, РСУ, УЖХ, ПЖРЭУ (1-7) ННЦ, ГИПРОНИИ, т.е. практически все основные службы жизнеобеспечения СО РАН29. Целью деятельности УВКХ является предоставление услуг по водоснабжению и канализации приоритетно учреждения, предприятиям и организациям СО РАН, а так же населению ННЦ. Обслуживание населения осуществлялось по жилым зонам -микрорайонам, представляемых как комплекс жилых домов, зданий общественно-бытового назначения (магазин, столовая, детский сад, школа), организаций и учреждений. Были определены основные виды деятельности УВКХ: - обеспечение потребителей питьевой, оборотной водой и стоками в пределах существующих лимитов и мощностей инженерных сетей; - техническое перевооружение, реконструкция и капитальный ремонт во-допроводно-канализационных сетей и сооружений; - проведение анализов исходных продуктов (воды и стоков); - разработка методов и технологий глубокой очистки, получение высокой чистоты и разделения веществ в отводящих стоках, согласно требуемых ГОСТов; — эксплуатация и ремонт всех сетей; — эксплуатация водозаборных скважин; — эксплуатация канализационных насосных станций. В состав потребителей коммунальных услуг предприятий, отнесенных службе главного инженера к моменту разработки и внедрения ДГП, кроме населения (60%) входят также учреждения СО РАН (59.5%), в том числе организации муниципального подчинения (13%), НГУ (4.5%), НВУ (3.5%), СО АМН и НИИ ПК (3%), предприниматели и прочие потребители (16.7%). Принадлежность потребителей различным ведомствам (федеральным, муниципальным) и управляющим кампаниям стало причиной первоочередного решения задач контроля и регулирования оплаты коммунальных услуг, планирования и мониторинга развития социальной сферы и жилмассива в целом. Как следует из литературных источников этого периода, создание информационно-графической системы управления «Дежурный генеральный план» Академгородка ННЦ Советского района, позволило за счет информационного совершенствования наладить взаимодействие и улучшить координацию и оперативное управление объекта-ми . К 1996 году в стадии эксплуатации, разработки и опытной эксплуатации находилось восемь подсистем31, в том числе подсистемы: 1. Учета и контроля исполнения документов. В подсистеме осуществлялся учет входящей корреспонденции, производился анализ писем и обращений граждан, контроль исполнения документов и оценка исполнительской дисциплины. 2. Анализа деятельности организаций, входящих в структуру СГИ.
Подсистема осуществляла ежеквартальный расчет комплексной оценки деятельности предприятий и организаций СГИ. 3. Население. Подсистема осуществляла сбор данных о социально экономическом уровне и жизнеобеспечении населения района для анализа социальных проблем в масштабах района. 4. Жилищно-коммунальное хозяйство. Подсистема обеспечивала учет и контроль расчетов с квартиросъемщиками, анализ использования жилого фонда. 5. Здравоохранение. Оценка состояния и тенденции изменения здоровья населения, реализацию лечебно-диагностических и профилактических мероприятий. 6. Паспорт территориальных объектов. Учет и обработка паспортных данных предприятий и организаций района. 7. Паспорт района. Хранение и выдача (по запросу) показателей социально-экономического развития района. 8. Капитальное строительство. Расчет перспективных планов капитального строительства, их актуализация и контроль выполнения. Не останавливаясь на дальнейшем описании спектра решаемых задач, рассмотрим особенности реализации задач: контроля состояния трубопроводной инфраструктуры и диспетчеризации транспорта тепла потребителям. Образующей структурой разработанной автоматизированной системы стал «один из первых в СССР аппаратно-программный комплекс с одноименным названием, «Дежурный Генплан» АСУ Академгородка на базе ЭВМ СМ 1403, 1420, где впервые были использованы в качестве основных подсистем подсистемы с функциями: прием, предварительная обработка (оцифровывание контуров метрики объектов, формирование семантики, формирование базы данных), отображение метрики и семантики и оперативное обеспечение потребителей графической (топографической) информацией».
Методы принятия управленческих решений по предотвращению аварийных событий на трубопроводном транспорте
В терминологических основах современной теории управления, изложенных в рекомендациях Комитета по научно-технической терминологии АН СССР, управление понимается как процесс, включающий в себя: а) выработку альтернативных управляющих воздействий, б) принятие решения о выборе из них наиболее эффективных, в) осуществление управляющих воздействий с целью достижения желаемых результатов функционирования управляемого объекта.
В настоящей работе под объектом управления будем понимать выделенную по некоторым правилам техническую или организационную структуру,, обладающую свойствами системы, которая рассматривается как предмет познания и практической деятельности. Множество параметров, характеризующих свойства объекта управления, называются параметрами объекта. Значения параметров определяются по качественной или количественной шкалам. Как было установлено в разделе 2.1 настоящей работы, риск — есть мера опасности объекта, т.е. качество объекта, но не сам объект, т.к. опасность рассматривается как свойство, определяющее угрозу или возможность возникновения вреда при определенных обстоятельствах. Однако, согласно сказанному выше, управлять можно и необходимо самим объектом, а не его признаками и свойствами. Следовательно, как считают многие исследователи, риск не может быть объектом управления, т.к. не может функционировать, и не имеет результатов функционирования. Возможность формального допущения о рассмотрении меры опасности, как объекта управления, очевидно, не состоятельна. По мнению Белова П.Г. [12, 13], «правильнее толковать опасность как свойство (не источник и
не ситуацию) чего(кого)-либо причинять кому(чему)-нибудь ущерб, а техногенный риск - как количественную меру опасности, характеризующую одновременно априорную вероятность либо апостериорную частоту проявления потенциальной или реальной (уже актуализированной) опасности и размеры связанного с нею ущерба». Согласно Козлитину A.M. и Попову А.И., «под опасностью чаще всего понимается угроза природной, техногенной, социальной, военной, экономической и другой направленности, осуществление которой может привести к ухудшению состояния здоровья или смерти человека, а также нанесению ущерба окружающей среде [40]. По масштабам распространения опасности варьируются от угрозы отдельному человеку до опасности глобальных катастроф. К основным показателям опасности относят интенсивность и риск. Интенсивность опасности — степень ее напряженности, которая выражается скоростью возможного наступления угрожаемого события, его количественной и качественной характеристиками. Количественная характеристика включает повторяемость угроз за определенный период времени и масштабы их проявления. Качественная оценка состоит в силе разрушительного воздействия ожидаемого события. Риск - вероятность наступления опасности с конкретными последствиями и неопределенной величиной ущерба»[40].
В этой связи, управление процессами снижения уровня техногенной опасности (управление процессами снижения уровня риска) может быть представлено следующим алгоритмом: 1) определить максимально обоснованный набор сведений, обстоятельств, параметров, определяющих состояние опасности производства; 2) разработать способы контроля части параметров, стремясь к минимизации, тех факторов, которые контролировать невозможно вследствие неизвестности соответствующей причинно-следственной связи; 3) построить и реализовать модели комплексной обработки данных с целью прогноза аварийной ситуации; 4) принять решение: о высокой вероятности наступления события «авария» на некотором участке технологического процесса; о мерах (сценарии) предотвращения прогнозируемой аварийной (опасной) ситуации; об отсутствии угрозы аварии о продолжении наблюдения за состоянием потенциально опасного объекта.
Однако, выполнение этого довольно простого алгоритма связано с тем, что информация, которую необходимо иметь для принятия управленческих решений объективно или не доступна, или имеется не в полном объеме, или значительным образом зашумлена, или не своевременна. Тем самым создается ситуация неопределенности и возникновение решений с высокой долей риска.
Как следует из литературы, формирование требований к системе управления безопасностью (СУБ), в том числе, определение задач, уточнение объектов и параметров СУБ в разрезе автоматизированной обработки информации системой, реализованной в Советском районе г. Новосибирска (см. раздел 1.2 настоящей работы), целесообразно провести, следуя приведенной ниже трехэтап-ной схеме: I) Моделирование процессов возникновения аварийной ситуации и социально — экономического ущерба от её возникновения.
Обобщенная модель транспортной системы теплоснабжения жилмассива
Системы теплообеспечения жилмассивов относят к классу транспортных восстанавливаемых систем жизнеобеспечения длительного действия. Они представляют собой сложные разветвленные трубопроводные системы с глубокими внутренними связями, функционирующими под воздействием многих случайных факторов. Опыт эксплуатации систем транспорта и распределения тепла (СТРТ) показывает, что они функционируют в условиях топологических, структурных и режимных возмущений, обусловленных аварийным отключением элементов, присоединением новых участков, сетевых фрагментов, пользователей с собственной сетевой инфраструктурой, источников, потребителей и т.п. Свойство изменчивости структуры СТРТ усугубляется чрезвычайной разветв-ленностью маршрутов подачи тепла потребителю, что приводит к необходимости совместного решения систем уравнений больших размерностей медленно протекающих процессов деградации транспортной инфраструктуры и относительно быстро меняющихся гидравлических процессов как следствий изменений параметров узлов подачи, распределения и отбора тепла пользователями. Из сказанного следует, что для оперативного анализа состояния рассматриваемого технологического объекта необходимо осуществлять сбор, хранение и обработку значительных массивов данных для каждого фрагмента транспортной сети и СТРТ в целом. Ранее мы показали, что для СТРТ эта задача не решалась и лишь в последнее время появилась необходимость и технические предпосылки решения подобных задач.
Опыт эксплуатации систем теплоснабжения свидетельствует о значительном возрастании с течением времени гидравлического сопротивления металлических труб при соответствующем уменьшении их пропускной способности. Это обусловлено интенсивной коррозией внутренней поверхности труб с отложением на ней продуктов коррозии и в ряде случаев появлением сквозных проржавлений, влекущих за собой утечки воды. «Жесткое» выполнение нормативных требований, регламентирующих режим обеспечения тепла потребителям при значительных потерях его (см. анализ в главе 1) приводит к значительному перерасходу энергоресурсов и значительным возмущениям режимов СТРТ.
Обобщенная модель системы трубопроводного транспорта тепла должна описывать взаимодействие множества узлов генерации теплоэнергии G(gx,g2, gn), множество потребителей теплаР{рх,р2, рп), множества узлов распределения тепла между потребителями U(ux,u2, ип)и множества транс портных коммуникаций между всеми узлами трубопроводной сети W(whl,w2, w„).
Если множества G, Р, U считать узлами ориентированного графа, а множество W — его ребрами, то обобщенная модель трубопроводного теплотранс-порта будет представлена некоторым достаточно большим графом (мегаграфом в трактовке Щербакова В.И.45). Фрагмент такого графа приведен на рисунке 2.1.
Узлы теплогенерации (ГУ) могут описывать предприятия по производству тепла - котельные, подпитывающие теплосистему насосные станции (УП). В качестве потребителей рассматриваются производственные предприятия, с собственными «тепловыми сетями», по которым осуществляется разводка тепла между производственными зданиями и внутри их, а также жилища граждан с внутридомовой разводкой сетей теплообеспечения квартир. Узлы распределения тепла разбивают мегаграф на подграфы магистральных, внутрикварталь-ных, придомовых и внутридомовых сетей.
Дадим содержательную интерпретацию элементов построенного графа. Ребра графа, описывающего теплосистему, это трубы, обеспечивающие транспорт тепла и в соответствии с функциональным назначением, различающимися множеством характеристик и параметров. К числу наиболее значимых параметров, определяющих функционирование труб и, следовательно, подлежащих учету в графовой модели СТРТ отнесем: длину трубы L и её диаметр D. Длина трубы определяется как фрагмент сети от одного узла раздачи теплоносителя до следующего; давление жидкости на входе Рети (или) выходе Рвых трубы длины L; температуру теплоносителя на входе Овхи (или) выходе С?8" трубы длиной L; расход жидкости через поперечное сечение трубы Gs.
Кроме того, при описании функционирования ребра модели должно быть учтено множество факторов, определяющих состояние трубы в каждый момент эксплуатации. В том числе для повышения эффективности трубопроводного транспорта и для прогноза аварий труб необходимо знание факторов зашлаковывания и коррозионного зарастания труб, питтинговой коррозии, утечки жидкости через коррозионные, сварные и другие трещины, а также в связи с нарушением гидроизоляции, потери тепла за счет некачественной теплозащиты и т.д. Свойства этих факторов определяются проектными, конструктивными, технологическими и эксплуатационными характеристиками, условиями эксплуатации, качеством ремонтных и строительных работ, связанных с обслуживанием трубопроводов. Некоторый анализ проблем выявления и, тем более, количественного описания этих факторов был осуществлен нами в главе 1 диссертации. Из этого анализа в частности следует, что «отремонтированная труба»46 приводит к необходимости расширения структуры построенного графа на два дополнительных узла и три дополнительных ребра: «старая», «новая», «старая» труба. Обратим также внимание, что перечисленные параметры функционирования трубопроводной системы относятся к одному ребру (одной трубе), а модель рассматриваемого объекта, представленная мегаграфом должна описывать и обрабатывать сотни либо тысячи трубных элементов, что в настоящее время в условиях ЖКХ не представляется реальным.
Основные подходы и результаты реализации автоматизированного мониторинга аварийного состояния трубопровода
Так при сварке стальных труб сварочный шов всегда имеет определенное количество микротрещин. Крупные трещины обнаруживаются в процессе опрессовки труб и повторно обвариваются. В процессе эксплуатации трубы подвергаются различным механическим воздействиям (тепловое расширение, сжатие, вибрации, прогиб и т.д.) которые также образуют микротрещины. Микротрещины в процессе эксплуатации трубопроводов имеют тенденцию развиваться, объединяться между собой и образовывать сквозные каналы от внутренней к внешней поверхности, трубы. Такие микроотверстия называют также микросвищами. Через образовавшиеся микротрещины во внешнюю среду непрерывно выводится некоторое количество горячей воды, которая далее должна поглощаться землей либо атмосферой. Но наличие теплоизоляции затрудняет процесс высыхания трубы. Поэтому в районе микросвищей стенка трубы оказывается во влажной кислородсодержащей среде и корродирует особенно эффективно под действием наведенных в образовавшемся электролите интенсивном поле блуждающих токов, образующихся вследствие нахождения трубопроводов в соседстве с электрифицированными путями, подземными трубопроводами различного назначения, высоковольтными кабелями, надземными линиями электропередач [7, 9, 21].
При подземной закладке труб без защитного бетонного короба слой тепло и гидроизоляции рано или поздно прорывается чем угодно: сдвигами почвы, корнями деревьев, химическими ингредиентами почвы. Грунтовая влага со всеми солями и кислотами по щелям, по прорывам проникает в материал тепло-защиты и образует электролитическую ванну, в которой металл корродирует в районе щелей и неплотностей окраски, а также в районе микросвищей [24, 27]. В этих местах из-за отсутствия равномерного омывания стенки трубы потоком жидкости образуются глубокие раковины, рано или поздно локально разъедающие стенку трубы на всю её толщину. Появляется точечный локальный прорыв трубы, который обнаруживается не сразу. Однако через этот прорыв начинается утечка теплоносителя вначале незначительная, но со временем все более увеличивающаяся. Уходящая горячая вода ускоряет разрушение защиты и самой трубы вокруг этого места вплоть до аварийного прорыва. Заметим, что утечка воды изменяет давление теплоносителя в трубопроводе (см. раздел 2.3 работы), что можно фиксировать современными средствами контроля и своевременной обработкой данных на ЭВМ. Эта задача рассматривается как реальная для систем автоматизированного мониторинга.
Внутренняя коррозия стенки трубы в основном определяется качеством водоподготовки в котельной или на ТЭЦ, в том числе наличием в воде ионов хлора. На крупных электростанциях вода проходит через специальный цех водоподготовки, в котором она очищается от всякого рода вредных ионов и дегазируется. В малых котельных, которыми изобилуют городки и поселки водоподготовки нет в принципе. Вода идет - сетевая - со всеми возможными естественными примесями, включая ионы хлора и кислород. При внутренней коррозии основным процессом является равномерное утоньшение трубы изнутри за счет переноса частиц металла потоком воды. В транспортных трубопроводах, где ионы хлора не устранены, развивается щелевая коррозия. Ионы хлора циркулируют в щели, вынося ближе к потоку ионы металла, превращая щель в сквозные отверстия. Щели в системах имеются около любого резьбового соединения, щелями являются микротрещины в окрестности сварки. Процесс ускоряется в период смены режима отопления [53, 54]. Даже час пребывания трубы без воды в кислородсодержащей атмосфере приводит к серьезному ржавлению внутренней поверхности труб. Поток смываемой со стенок ржавчины регулярно наблюдается после включения горячего отопления. Микрочастицы ржавчины накапливаются в окрестностях вентилей, тройников, колен, в узо-стях, забивая проходы. В этой пористой среде накапливаются растворенные в воде нефтепродукты, с концентрацией не менее 5 микрограмм на литр, которые образуются из-за вымывания элементов смазки подвижных деталей насосов, вентилей. Смесь коксуется и может в ряде случаев перекрывать канал. Для проталкивания воды в нужном объеме через частично перекрытые загрязнениями сечения - приходится повышать давление, что также может быть зафиксировано современными средствами контроля и обработки данных. Соседние участки, особенно ослабленные щелевой или внешней коррозией, могут не выдержать.
Неравномерность коррозионного разрушения поверхностей металлов в различных точках при одинаковых внешних условиях обусловлена неоднородностью физико-химических свойств реальных металлов и сплавов, проявляющаяся в их электрохимической гетерогенности. По данным работы [41], электрохимическая гетерогенность поверхности металла может быть вызвана микронеоднородностью структуры металла, например, различием в составе или ориентации отдельных кристаллов, наличием границ зерен и инородных включений, субмикронеоднородностыо металла (местные несовершенства кристаллической решетки вследствие дислокаций или включения других атомов в решетку основного металла).
