Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и перспективы совершенствования управления технологическими процессами газоснабжения 9
1.1. Аналитический обзор работ по развитию систем управления процессами транспорта и распределения газа 9
1.2. Современные методы моделирования, расчета и оптимизации газопроводных систем 17
1.3. Краткий анализ зарубежной практики управления газопроводными системами 27
2. Формализация и математическое описание системы распределения природного газа 33
2.1. Особенности функционирования городского газового хозяйства 33
2.2. Общая характеристика системы распределения природного газа как технологического объекта управления 38
2.3. Математическая формализация и моделирование системы распределения природного газа 45
3. Основные задачи оперативного управления технологическими процессами в системе распределения природного газа 64
3.1. Оперативное распределение ресурсов природного газа 64
3.2. Оперативное управление системой распределения природного газа по давле'нию 75
Стр.
3.3. Определение необходимого числа контролируемых пунктов системы распределения природного газа 99
3.4. Анализ влияния запаздывания получения технологической информации на качество моделирования 109
4. Основные результаты практического внедрения 114
4.1. Разработка метода и устройства для дистанционной настройки регуляторов давления газа 114
4.2. Разработка метода и технологической установки ограничения подачи газа 122
4.3. Разработка средств телемеханической техники для системы оперативного управления технологическими процессами распределения природного газа . 135
4.4. Автоматизированная система управления технологическими процессами распределения природного газа "Газраспределитель" 140
4.5. Оценка технико-экономической эффективности результатов работы 157
Общие выводы 165
Литература
- Современные методы моделирования, расчета и оптимизации газопроводных систем
- Общая характеристика системы распределения природного газа как технологического объекта управления
- Оперативное управление системой распределения природного газа по давле'нию
- Разработка метода и технологической установки ограничения подачи газа
Введение к работе
Важным фактором повышения эффективности и качества общественного производства является существенное изменение структуры топливно-энергетического баланса в сторону увеличения в нем доли природного газа. Замена газом других, менее эффективных видов топлива позволила за последнее десятилетие получить экономию эксплуатационных расходов свыше 10 млрд. руб Гі4І. Использование природного газа улучшает условия труда, повышает его производительность, позволяет осуществлять принципиально новые технологические процессы. В среднем, в сырьевых, технологических и энергетических процессах переход на природный газ дает экономию в размере от 2 до 50 руб. на I т.у.т. [94І.
Решениями ХШ съезда КПСС [і] предусмотрено осуществление программы форсированного развития добычи природного газа с доведением ее объема в 1985 году до 600-640 млрд. куб.метров, сооружение мощных магистральных газопроводов с высокой степенью автоматизации и эксплуатационной надежности. Подчеркнута необходимость поднять эффективность и надежность работы Единой системы газоснабжения страны / ЕСГ/,
Городские системы распределения природного газа / СРПГ/ - конечное звено Единой системы газоснабжения. Это сложные системы с разветвленными и многократно закольцованными газопроводами высокого, среднего и низкого давления, включающие газораспределительные станции, газорегуляторные пункты и большое число промышленных, а также коммунально-бытовых газопотребителей [l4, 22, 48, 58,ЮЗ] .
В [14]указывается, что рост городского газового хозяйства и усиливающиеся тенденции к централизации управления требуют новых современных средств и методов совершенствования процессов управления сложными многоотраслевыми системами.
Объективная необходимость совершенствования методов оперативного управления технологическими процессами распределения природного газа обусловлена целым рядом взаимодействующих аспектов, к важнейшим из которых относятся следующие I, 4, 6, 45, 86, 98І:
- экономический аспект, связанный с ростом масштабов всего социалистического производства и распределительных систем газоснабжения, в частности, переходом от экстенсивных к интенсивным методам развития экономики, углублением плановых основ ее ведения, что предъявляет новые, более высокие требования к системам управления;
- математический аспект, связанный с необходимостью выработки оптимальных решений в сложных условиях управления динамичными технологическими процессами газоснабжения, когда технологические процессы и технический уровень объектов управления непрерывно совершенствуются и усложняются;
- информационный аспект, связанный со значительно возросшими объемами обрабатываемой технологической информации, когда интенсивность информационных потоков в системе управления процессами при применении традиционных средств контроля и управления превышает психо-физиологжческие возможности диспетчера-технолога;
- кибернетический аспект, связанный с необходимостью улучшения систем управления вследствие многообразия режимов, увеличения числа связей как внутри СРПГ, так и между магистральными транспортными системами ЕСГ,появления новых кибернетических средств автоматической обработки информации, уменьшения допустимых сроков принятия решений;
- энергетический аспект, связанный с поиском наиболее эффективных путей и методов распределения располагаемых ресурсов природного газа среди предприятии и отраслей промышленности, использующих газ как топливо и как сырье, необходимостью экономного потребления и уменьшения утечек газа, улучшения учета и контроля за расходованием газа ;
- социальный аспект, связанный с безопасной эксплуатацией газопроводов и газоиспользующих агрегатов, а также возросшими объемами коммунально-бытового газопотребления.
Все вышеизложенное свидетельствует об актуальности проблемы совершенствования задач оперативного управления технологическими процессами газоснабжения и создания на их основе автоматизированных систем управления технологическими процессами распределения природного газа - АСУ ТП РВТ.
В основу научных разработок задач оперативного управления технологическими процессами городского газоснабжения должен быть заложен системный подход, который представляет собой упорядоченный способ оценки сложных организационно-экономических и технических свойств СРБГ в единой их взаимосвязи для правильной постановки задач и целей управления, а также установления возможности их реализации соответствующими средствами и методами [32, 67J.
Настоящая работа посвящена теоретической и экспериментальной разработке технологических основ новых, более эффективных систем управления распределением природного газа в масштабе городского газового хозяйства, в том числе и автоматизированных.
Научная новизна работы заключается в формализации и математическом описании СРБГ, разработке методов оперативного управления СРПГ по давлению, рационального распределения ограниченных ресурсов газа, установления максимально-допустимого уровня запаздывания информации и оптимального числа точек контроля, разработке специализированных технических средств передачи, контроля и отображения технологической информации, дистанционного управления настройкой локальных устройств регулирования по давлению и расходу /ограничению газопотребления/.
Практическая полезность работы заключается в том, что в результате ее впервые в СССР создана АСУ ТП РПГ "Газораспределитель" с соответствующим математическим, информационным и техническим обеспечением. Система "Газораспределитель" введена в эксплуатацию в конце 1980 г. в г. Ворошиловграде и успешно функционирует в настоящее время. Экономический эффект от ее эксплуатации составляет 270 тыс.руб. в год. В настоящее время выполнена работа по проектированию такой системы для г. Северо-донецка, завершается проектирование для г. Харькова и ведется проектирование для г.г. Киева и Днепропетровска.
По материалам исследований опубликовано 14 печатных работ и 5 научно-технических отчетов. Работа выполняется в соответствии с заданием 0.01.II.04.01.Н4 проблемы 0.01.II "Разработать и внедрить рекомендации по оптимальному распределению природного газа в условиях лимитных ограничений" /постановление ГКНТ СССР и Госплана СССР от 08.12,81 г. В 491/244/.
Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Основные направления работ по АСУ жилищно-коммунальным хозяйством в П пятилетке" /г.Вильнюс, 1980 г./, Всесоюзном совещании "Опыт телемеханизации систем газоснабжения городов /Ворошиловград, 1980г./, Всесоюзной научно-технической конференции "Пути дальнейшего повышения эффективности газового хозяйства" /г.Баку, 1981г./, Всесоюзной конференции "Управление большим городом" /г.Москва, 1981г./, Всесоюзной конференции "АСУ технологическими процессами в городском хозяйстве" /г.Москва, 1982г./, Научно-практическом семинаре "Автоматизированная система управления городским хозяйством г. Киева" /г. Киев, 1982г./, Республиканском семинаре "Совершенствование эксплуатации систем газоснабжения с помощью ЭВМ" /г.Киев,1982 г./, ряде других конференций и научных семинаров. Работа экспонировалась на ВДНХ УССР и награждена Дипломом I степени.
Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Объем диссертации -166 стр., список литературы - 133 наименований.
Современные методы моделирования, расчета и оптимизации газопроводных систем
Вопросы оперативного управления и контроля функционирования магистральных газопроводов с применением вычислительной техники обстоятельно освещены в книге Кучина Б.Л. Г59J . Автор рассматривает газовую промышленность как большую сложную систему, состоящую из множества элементов и связей между ними: как внутренних, так и внешних. С позиции системного анализа формируется иерархия целей системы и граф типа "средство-цель". Рассмотрен статистический анализ изменения основных компонентов оперативной диспетчерской информации - давления и расхода газа, который выполнялся с использованием критериев Пирсона и Колмогорова. Исследования автора показали, что распределение технических параметров близко к нормальному. Здесь следует отметить, что такое заключение справедливо для магистральных газопроводов, обслуживающих большое число абонентов, в качестве которых фигурируют города и промышленно-жилые агломерации. В пределах же города газопотребление отдельных потребителей регулируется с учетом лимитных ограничений, что приводит к большим отклонениям от нормального распределения.
В качестве математической модели изотермического нестационарного движения газа по горизонтальному газопроводу автор использует систему нелинейных уравнений в частных производных которая в упрощенном виде сводится к гиперболическому оператору.
Автор показывает правомерность дальнейшего упрощения этой системы за счет отбрасывания инерционного члена и перехода к параболической системе вида или, что иногда бывает удобнее, к уравнению В рассматриваемой работе разработан достаточно точный метод линеаризации этого уравнения.
Большое внимание в работе уделено вопросу оперативных расчетов значения коэффициента сопротивления магистральных газопроводов. Для расчета фактического значения А в условиях стационарного режима принята формула Г27[
и рассмотрены адаптивные методы оценки фактического коэффициента сопротивления при идентификации Д в пространстве состоя-НИЙІ Разработана расчетная процедура для диагностики состояния магистрального газопровода по изменению статистического коэффициента , связанного с фактическим сопротивлением магистрального газопровода. Эта процедура основана на использовании модифицированного метода Вальда Ї25, 114] . Такой подход представляется достаточно эффективным и для диагностики состояния городских систем распределения природного газа.
В работе Сухарева М.Г. и Ставровского Е.Р. Гюб] найдены и исследованы классы инвариантных, в том числе автомодельных, решений для нестационарных и неизотермических течений, рассмотрены вопросы краткосрочного прогноза газопотребления и оптимального планирования эксплуатационных режимов систем трубопроводного транспорта газа.
В работе Гарляускаса A.M. [зо] рассматриваются общие научные положения по формированию Единой газоснабжающей системы с обоснованием системных связей, структуры и взаимосвязей основных задач, сформированы критерии оптимизации системы, разработан общий методологический подход на основе блочных методов определения оптимальных решений, получено наиболее адекватное математическое описание элементов и звеньев системы газоснабжения, основанное на уточненной линеаризации газодинамических уравнений.
Общая задача оптимизации представляется в виде ряда за дач отдельных блоков и задачи центра, управляющего распределе нием по блокам. Задача блока сводится к нахождению локально оптимального значения функционала, соответствующего минимуму затрат, а задача центра - к нахождению глобального минимума.
При этом по объектам низшего уровня формируются эквивалентирую щие характеристики, представляющие зависимость экстремума при нятого функционала от распределяемого центром ограниченного ресурса. Уточнение линеаризации газодинамических уравнений сво дится к замене Тогда система газодинамических уравнений приобретает вид где Gr - массовый расход, а f - площадь поперечного сечения. В качестве критерия эффективности работы системы газоснабжения автором предложено выражение где p[ - отношение производительности L -го состояния системы к заданной /плановой/; Pi - вероятность появления І-го состояния; 171 - количество состояний, которые характеризуются технологически допустимым снижением производительности. При решении многих задач оперативного управления широко используются методы моделирования, расчета и оптимизации газопроводных систем, которые характеризуются повышенной сложностью их реализации. Как показано в работах [49, 50, бб хорошие перспективы по совершенствованию и повышению эффективности решения задач оперативного управления представляют идеи и методы теории эволюционной самоорганизации.
В работе Абрамовой Х.Я. Г2] выполнена оценка предельных режимов функционирования газоснабжающей системы: максимальной пропускной способности схемы или ее участков и максимально возможной подачи газа заданному подмножеству потребителей.
Общая характеристика системы распределения природного газа как технологического объекта управления
Отдельные ступени объединяются в одну систему промежуточными газорегуляторными агрегатами /ГРА/, представляющими собой одноконтурные системы автоматической стабилизации давления газа на входе низшей ступени. Эти промежуточные агрегаты совместно с запорно-предохранительной арматурой и средствами контроля устанавливаются в наземных сооружениях, образуя промежуточные газорегуляторные пункты /ПГРП/. Часть ПГРП, стабилизирующих давление на входах четвертой ступени, называют городскими газорегуляторными пунктами /ГГРП/.
Природный газ из системы поставщика подается в СРПГ через ГРА, являющиеся основным элементом магистральных газорегулятор-ных станций /МГРС/. На выходе ГРА должно поддерживаться давление, обусловленное договором с поставщиком.
Отбор газа из отдельных ступеней СРПГ в газоиспользующие системы потребителей, которые называются абонентскими системами, осуществляется через ГРА, установленные в абонентских газо-регуляторных пунктах /АГРП/, или непосредственным подключением газоиспользующих агрегатов. Первым из указанных способов осуществляется подключение абонентов к газопроводам СВД и ССД, вторым - к СНД. На входах в системы крупных потребителей могут дополнительно устанавливаться контрольно-регулирующие пункты /КРП/, осуществляющие функции регулирования подачи газа /ограничения расхода/ и информационно-измерительные функции.
Обобщенная структурная схема СРПГ представлена на рис.2.1. Из магистральных газопроводов природный газ через МГРС посту пает в городские распределительные сети. Крупные СРПГ имеют несколько точек питания и несколько МГРС, принадлежащих одному или разным поставщикам. Многоточечное питание СРПГ существенно повышает надежность газоснабжения.
Городское газовое хозяйство /ГТХ/ функционирует в сложных условиях, когда при значительной неравномерности газопотребления внутри города необходимо обеспечивать соблюдение заданных режимов по давлению газа и осуществлять регулирование расхода для большого числа разнородных газопотребителей при одновременной компенсации неравномерности газопотребления в целом по городу или области, соблюдении фондовой и лимитной дисциплины.
Достижение основной цели деятельности ГТХ - бесперебойного снабжения газом потребителей - обеспечивается выполнением ряда функций, основными из которых являются следующие: - непрерывный контроль за бесперебойной подачей газа; - регулирование и стабилизация режимов газопотребления; - контроль за соблюдением лимитной дисциплины; - выработка оптимальных вариантов локализации аварий на линейных участках газопроводов; - выдача сообщений о введении режимов ограничения в осенне-зимний период; - учет расхода газа и коммерческие расчеты с абонентами; - эксплуатация газопроводов и сооружений на них; - проведение профилактических и капитальных ремонтов газопроводов и оборудования; - ведение технической паспортизации элементов СРПГ; - ведение внутренней и внешней статистической отчетности.
Анализ существующих структур управления, информационных потоков, имеющих место при выполнении основных функций ГГХ, и наличия имеющихся средств управления применительно к наиболее крупным городам Украины выявил ряд существенных недостатков, снижающих эффективность функционирования СРПГ и сдерживающих их дальнейшее развитие.
К основным объектам, являющимися источниками оперативной информации, относятся МГРС, ПГРП, ГГРП, а также потребители всех категорий. Сбор оперативной информации осуществляется посредством опроса объектов по телефону, обхода трасс газопроводов и ГРП обходчиками, приема заявок о неисправности или авариях от эксплуатационного персонала и населения, а также с помощью средств телемеханической техники, установленных на ряде ГРП. Оперативная информация регистрируется в соответствующих документах и журналах работниками различных служб ГГХ.
В настоящее время как оперативная, так и нормативно-справочная информация хранится в различных службах ГГХ. Отсутствие централизации хранения информации приводит к появлению ошибок из-за несогласованного и несвоевременного внесения изменений. Следует также отметить, что нет единой системы классификации и кодирования элементов технологической информации. Как правило, в различных службах ГГХ существуют свои внутренние системы классификации и кодирования информации. На регистрацию информации при заполнении документов и последующую ее обработку уходит значительное количество времени. С одной стороны это обусловливается низкой оперативностью сбора информации, с другой - большим её объемом.
Оперативное управление системой распределения природного газа по давле'нию
Матрица, составленная экспертами, может оказаться и несостоятельной из-за нечеткости суждений. Для улучшения состоятельности рекомендуется соблюдать условие /3.26/.
В общем искомый набор значений /Д &... А/ должен удовлетворять системе уравнений /3.22/ и /3.23/. При состоятель ности матрицы X умножение ее на р даст вектор л/3 , т.е. lb является решением уравнения Xfi=n/ /3.27/
Число Г) является максимальным собственным числом состоятельной матрицы X » а остальные ее собственные числа равны нулю, поскольку X имеет единичный ранг и сумма всех собственных п значений равна следу матрицы J Хц = Г) 1=1 —
В общем случае, умножаяX на Р , мы не получим вектор пр из-за погрешностей в оценках xd-y . В теории матриц установлено, что собственные значения являются непрерывными функциями элементов. Наибольшее из: собственных значений будет близко к п , а все остальные будут близки к нулю. Таким образом, получив решение уравне H"a X/ = W / , /3.28/ можно судить о его качестве по тому, насколько Am близко к П .
Полученные коэффициенты важности могут быть введены в функции полезностей для учета факторов, отличных от стоимостных. Например, функцию полезности газа для L -го предприятия можно представить в виде: 0 //(Р) = А & " /3-29/ где Зі - коэффициент важности I -го потребителя, измеренный рассмотренными выше способами; ftf? / - функция "абсолютной" полезности, характеризующая в стоимостном выражении полезность распределяемого ресурса газа для L -го потребителя. Коэффициенты важности измерены в шкале отношений, т.е. с точностью до постоянного сомножителя. Можно показать, что для аддитивной критериальной функции решение задачи будет одним и тем же, т.е. что выполняется соотношение: т {Iл г я=А (тхШ ш$ Таким образом, решение задачи оптимального распределения будет одним и тем же для векторов коэффициентов важности я (A-JbJ , а общая полезность распределения определяется также с точностью до постоянного сомножителя.
Задача оптимального распределения природного газа рассматривалась здесь как статическая, хотя такое предположение условно и в общем случае ущерб потребителя зависит от общего времени ограничения. С учетом зависимости функций полезности от времени задача усложняется. Однако ясно также, что подаваемое потребителю количество газа не может меняться непрерывно. Из этого следует, что динамическая задача на определенных интервалах времени может быть сведена к статической.
Таким образом, задача оптимального распределения ресурса, в принципе, может быть сведена к однокритериальной статической детерминированной задаче принятия решений /3.8/-/ЗЛ0/. Как видно из рассмотренной математической модели, эта задача полностью совпадает с общей постановкой задачи математического программирования. Поэтому при решении задач подобного класса можно использовать соответствующие методы.
Поставленная задача распределения природного газа не относится к числу классических задач оптимизации. Решение поставленной задачи зависит от функций полезности газа для потребителей, общего количества потребителей, а также от требуемой точности и быстроты решения.
Более общим случаем является выпуклость критериальной функции и ограничений, т.е. выполнение условия: 9 (А р О- ) Ь) A Vfc) +Н) rfcj , /3.31/ где Л - скаляр; о А 1; р, ft &
В данном случае успешно применяются методы возможных направлений, Особенностью данной функции является ее моноэкстремаль-яость, что позволило разработать эффективные методы, гарантирующие нахождение экстремума.
Однако функции полезности не обязательно являются выпуклыми. Ввиду квантового характера потребления газа большинством промышленных предприятий можно предположить ступенчатый вид этих функций. Это означает, что оптимизируемая критериальная функция в области допустимых значений может иметь несколько локальных экстремумов,
В настоящее время не существует методов решения задач нелинейного программирования, которые гарантировали бы нахождение глобального экстремума в полиэкстремальных задачах математического программирования. Для невыпуклых сепарабельных критерии льных функций при линейных ограничениях разработан метод динамического программирования, гарантирующий отыскание глобального экстремума. Сепарабельной функцией называется функция п переменных, которая может быть представлена в ЕИДЄ суммы или произведения П функций одной переменной: % (Ї) = s я fc) « ъФ= о UP)
В первом случае функция называется аддитивной, а во втором -мультипликативной сепарабельной функцией. В сформулированной задаче оптимального распределения газа критериальная функция аддитивна и имеются только линейные ограничения, что определяет выбор метода решения. Суть метода состоит в замене /7 -мерной задачи большим количеством одномерных задач.
Разработка метода и технологической установки ограничения подачи газа
Как указывалось выше, основным назначением СРПГ является бесперебойное снабжение газом потребителей системы в условиях значительной неравномерности. Как показано в [46, 51,57,96,115 наиболее важным при решении данной задачи следует считать вопрос покрытия пиковых расходов природного газа при снижении температуры наружного воздуха,
В работах [87,88, 96, II6J проанализированы причины возникающих при этом затруднений и намечены пути их устранения, Единственной разумной стратегией в данных условиях является выработка управляющих воздействий, направленных на поддержание лимитной дисциплины в городе за счет избирательного и наиболее эффективного / в смысле минимизации ущерба/ ограничения промышленных потребителей, т.к. на эту категорию потребителей приходится основная часть распределяемого газа. Решение указанной задачи является основной целью оперативного управления СРПГ в холодный период года. Одним из важных факторов для выполнения поставленной задачи является создание специальных технических устройств принудительного ограничения подачи газа потребителям с пункта оперативного управления. Основными требованиями к таким устройствам являются следующие : - поддержание необходимого по технологии давления при вхождении потребителя в лимит; - простота настройки на новые режимы ограничения; - широкий диапазон регулирования расхода и давления газа; - возможность дистанционного управления; - простота в эксплуатации и недефицитность комплектующих изделий; - защищенность от преднамеренных воздействий со стороны персонала ограничиваемого предприятия; - возможность работы во взрывоопасном помещении. В общем виде алгоритм работы такого устройства ограничения можно записать следующим образом: Рт = Рэ a Const, если Qr « Qfl ; 5/ Рт РэзтГаг- о)еояи Qr QA) где Р_ и рл - текущее и договорное давление на входе потребителя; Q и U - текущий и лимитный расход газа потребителя, С учетом вышеизложенного была разработана и внедрена в ПО "Ворошиловградгаз" на ГГРП te 1039 экспериментальная технологическая установка ограничения подачи газа, принципиальная схема которой представлена на рис.ЧЛ [51, 7і] ,
Экспериментальная технологическая установка состоит из последовательно включенных расходомерного участка с камерной диафрагмой, ограничительного клапана на базе регулятора РДУК-2, буферной емкости, запорно-предохраните льного клапана и технологического регулятора давления типа РДУК-2. Конструктивные схемы такой установки приведены на рис.4.5 - 4.7.
Известно, что регуляторы давления газа могут обеспечивать необходимое давление на выходе и определенный расход газа, если давление на входе не меньше некоторой величины, которая называется минимально-допустимой. Если на входе технологического регулятора давление равно минимально-допустимому для требуемого технологического режима газоснабжения, то попытка увеличить расход приводит к снижению давления у газоиспользующих агрегатов. Это является важным дисциплинирующим фактором. Так, если при отсутствии такого устройства на вводе потребитель, превышающий установленный лимит газопотребления, нарушает режимы других потребителей, то при установке устройства он нарушает только собственный технологический режим.
Для поддержания на входе технологического регулятора минимально-допустимого давления в установке использован второй регулятор давления, названный ограничительным клапаном. Для повышения устойчивости и бесперебойности подачи газа через такую установку специальное устройство препятствует полному закрытию ограничительного клапана, между клапаном и технологическим регулятором установлена емкость, а также специальное устройство, уменьшающее гидродинамическую обратную связь между вторым и первым по ходу газа регуляторами и представляющее собой коническое сопло с рассекателем.
