Введение к работе
Актуальность работы. От надежности функционирования трубопроводных систем топливно-энергетического комплекса (ТЭК) зависит стабильность работы всех отраслей промышленности. Участившиеся за последние десятилетия аварии на энергетических объектах ТЭК связаны со старением трубопроводов, ростом динамики режимов транспорта газов и жидкостей, развитием и усложнением трубопроводных систем. Используемые в настоящее время автоматизированные системы диспетчерского управления и сбора данных не проводят анализа полученной информации с точки зрения раннего распознавания аварийной ситуации. Они не позволяют определять параметры технологических режимов работы трубопроводного транспорта, обеспечивающих строгое выполнение требований промышленной безопасности энергообъектов ТЭК.
Поэтому в настоящее время является актуальной задача разработки интеллектуальных компьютерных систем автоматизированного контроля и управления режимами транспорта газа (жидкости) по трубопроводным сетям, работающим в режиме реального времени. Использование компьютерных газодинамических и гидравлических симуляторов в ТЭК в первую очередь направлено на развитие следующих особо важных производственных направлений:
проведение автоматического анализа текущих и прогнозных параметров нестационарного транспорта продуктов по трубопроводным сетям с точки зрения соблюдения технологических, эксплуатационных, конструктивных, экологических и иных ограничений для предотвращения возникновения или раннего обнаружения нештатных и аварийных ситуаций на промышленных объектах ТЭК;
разработка алгоритмов управления режимами работы перекачивающего оборудования трубопроводных сетей, обеспечиваюгцих снижение энергетических затрат на транспортирование продуктов при сохранении производственных заданий НА их транспорт и одновременном соблюдении соответствующих ограничений, связанных с требованиями промышленной безопасности.
Необходимость поиска эффективного и научно обоснованного решения данных производственных задач определила следующую основную цель данной диссертационной работы.
Целью работы являлись разработка и реализация автоматизированных методов построения технологических режимов транспортирования газов и жидкостей по трубопроводным сетям энергообъектов ТЭК, обеспечивающих строгое выполнение требований их безопасного функционирования при одновременном снижении энергетических затрат на транспортирование. Данные методы базируются на постановке и решении математической задачи условной оптимизации стационарных и нестационарных режимов транспорта продуктов по трубопроводным сетям с применением компьютерных газодинамических или гидравлических симуляторов.
I и>с. национальная]
I БИБЛИОТЕКА }
| СПтрвда й Q у\
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработан, научно обоснован и верифицирован новый метод оперативного технологического анализа безопасности установившихся режимов транспорта природного газа через компрессорные станции (КС) сложной структуры с применением компьютерных симуляторов. Данный метод построен на математической формализации описания процессов транспортирования газа через КС сложной структуры при требовании соблюдения ограничений, обеспечивающих промышленную безопасность энергообъекта ТЭК, в виде системы нелинейных алгебраических равенств и неравенств (СНАРН). При формализации максимально учитываются особенности технологической схемы КС и режимов ее эксплуатации, включая возможность возникновения помпажа в системе «технологические трубопроводы - группа центробежных нагнетателей газоперекачивающих агрегатов КС - рециркуляционный канал». Управляющие параметры безопасных технологических режимов транспорта газа автоматически получаются в результате численного решения задачи поиска внутренней точки множества, описываемого СНАРН. Если такое решение найти не удается, то делается заключение о возникновении аварийной ситуации. При этом математическое моделирование позволяет указать на ограничения, выполнение которых нарушается, и оценить степень их нарушения.
-
Разработан, научно обоснован и верифицирован новый метод построения технологических режимов транспортирования природного газа через индивидуальную КС сложной структуры, обеспечивающий строгое выполнение требований ее безопасного функционирования при одновременном снижении энергетических затрат. Автоматическое определение управляющих параметров безопасных технологических режимов стационарного транспортирования газа, обеспечивающих одновременное снижения энергетических затрат, формализуется в виде задачи условной оптимизации. Целевая функция данной задачи описывает суммарные энергетические затраты на транспортирование газа через индивидуальную КС сложной структуры. Для обеспечения промышленной безопасности в качесззе функции-ограничения оптимизационной задачи применяется СНАРН, описанная в пункте 1. Решение задачи проводится с использованием модификации известного гибридного метода оптимизации. При этом первый шаг гибридного метода, предполагающий решение подзадачи динамического программирования, изменен на алгоритм направленного исключения недопустимых вариантов конфигураций работающего оборудования КС, что позволило существенно сократить общее время решения поставленной задачи условной оптимизации.
-
Впервые разработана, научно обоснована и верифицирована на решении тестовых и производственных задач компьютерная технология снижения энергетических затрат на безопасные режимы транспорта природного газа через последовательные сети компрессорных станций сложной структуры.
Ее структуру можно условно разделить на две составляющие. Первая составляющая расширяет функциональные возможности методов оперативного технологического анализа и оптимизации индивидуальной КС сложной структуры
(см. пункты 1 и 2) на их последовательную сеть, работающую в установившемся режиме. Вторая составляющая включает в себя принципиально новый метод снижения затрат на нестационарные режимы работы трубопроводной сети газотранспортного предприятия при строгом одновременном выполнении требований безопасности его функционирования. Данный метод базируется на постановке и решении специальной задачи общего нелинейного програхммирова-ния, формализующей проблему снижения затрат на прогнозном временном отрезке при соблюдении требований промышленной безопасности объектов ТЭК. 4. С помощью разработанных методов были получены новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о безопасном функционировании объектов трубопроводных систем ТЭК и методах оптимизации их работы как в установившихся, так и неустановившихся режимах. К таким результатам относятся: расчетные оценки параметров безопасных оптимальных стационарных, квазистационарных и нестационарных режимов транспорта природного газа по сетям газотранспортных предприятий; расчетные оценки оптимальных режимов функционирования теплофикационных сетей тепловых электростанций (ТЭС); расчетные оценки параметров неустановившихся режимов транспорта газа через индивидуальные КС с использованием газодинамической модели технологических газопроводов (ТГ), построенной на базе адаптации полной системы уравнений газовой динамики к описанию течений в длинных трубопроводах; безаварийные прогнозные сценарии оптимального функционирования сетей КС газотранспортных предприятий в условиях их нормальной эксплуатации, при ремонте и реконструкции.
Практическая ценность работы. Выносимые на защиту методы были реализованы в виде программно-математического комплекса «CorNet» и его упрощенной специализированной версии «AMADEUS», применяемых для повышения промышленной и пожарной безопасности и снижения затрат на функционирование трубопроводных систем энергообъектов. Эти комплексы используются для решения практических задач обеспечения безопасности и анализа работоспособности энергообъектов, как в России, так и за рубежом. .
Он успешно применялся при решении задач ОАО «ГАЗПРОМ», Госгор-технадзора РФ, Минатома РФ, Международной газотранспортной компании «SPP-DSTG» (Словакия), Сандийских национальных лабораторий (США), Фраунгоферовского института неразрушающего контроля (Германия) и др.
Достоверность изложенных в диссертации основных положений обеспечивается: научным обоснованием использования современных методов вычислительной механики и математической оптимизации для решения задач снижения затрат на функционирование и повышение безопасности промышленных энергообъектов; научным обоснованием адекватности применяемых математических моделей моделируемым реальным объектам и процессам; научным обоснованием применимости и эффективности методов численного анализа разработанных моделей; результатами натурных и численных экспериментов; многолетней практикой успешного применения рассматриваемых в диссертации методов на реальных объектах ТЭК, как в России, так и за рубежом.
Автор защищает:
-
Метод оперативного технологического анализа безопасности установившихся режимов транспорта природного газа через компрессорные станции сложной структуры с применением компьютерных симуляторов.
-
Метод построения технологических режимов транспортирования природного газа через индивидуальную КС сложной структуры, обеспечивающий строгое выполнение требований ее безопасного функционирования при одновременном снижении энергетических затрат.
-
Компьютерную технологию снижения энергетических затрат на безопасные режимы транспорта природного газа через последовательные сети компрессорных станций сложной структуры.
-
Новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о безопасном функционировании объектов трубопроводных систем ТЭК и методах оптимизации их работы как в установившихся, так и неустановившихся режимах.
Личный вклад автора заключается:
в разработке, обосновании и верификации на тестовых и производственных задачах математической модели транспортирования природного газа через КС сложной структуры, работающей в режиме реального времени;
в разработке, обосновании и верификации на тестовых задачах алгоритма оценки возможности возникновения помпажа в системе «технологические трубопроводы - группа центробежных нагнетателей газоперекачивающих агрегатов КС - рециркуляционный канал»;
в разработке на базе модели КС сложной структуры (см. пункт 1) унифицированной расчетной схемы, позволяющей описывать различные технологические схемы КС;
в разработке, обосновании и верификации на тестовых и производственных задачах алгоритма применения унифицированной расчетной схемы КС сложной структуры;
в разработке, обосновании и верификации на тестовых и производственных задачах алгоритма выбора конфигурации и параметров режимов совместной работы газоперекачивающего оборудования индивидуальных КС сложной структуры;
в разработке, обосновании и верификации на производственных задачах алгоритма снижения энергетических затрат на нестационарные режимы транспорта газа через индивидуальные КС сложной структуры и их последовательные сети при строгом соблюдении заданных ограничений в результате постановки и решения специальной задачи общего нелинейного программирования.
Апробация работы. Основное содержание диссертации и результаты применения предложенных в ней методов повышения эффективности численного анализа и оптимизации, предназначенных для снижения затрат на трубопроводный транспорт и повышения безопасности и эффективности сложных трубопроводных систем представлены и обсуждены: на 14-том конкурсе РАН для молодых ученых и студентов (сентябрь 2002г., Москва, РАН), Международной конференции «Complex Pipeline System 2002 (High precision gas
dynamics computation)» (17 - 19 июня 2002 года, г. Смоляница, Словакия), Второй международной конференции «AMADEUS Computation System for Complex Pipeline System 2003 (High precision gas dynamics computations)» (06-09 октября 2003 года, г.Нитра и г.Смоляница, Словакия), Международной конференции по безопасности и надежности «Safety and Reliability International Conference KONBiN-2003» (2003г., Гданьск, Польша), Десятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (02-03 марта 2004 года, г.Москва). Публикации. По теме диссертации автором опубликовано двенадцать работ. Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка источников из 60 наименований и 3 приложений. Содержит 167 страниц, 14 таблиц, 43 рисунка.
