Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы оптимизации систем газораспределения 18
1.1. Текущее состояние систем газораспределения. 18
1.2. Проблемы эксплуатации и развития систем газораспределения . - 22
1.3. Обзор работ по проблематике диссертационного исследования- 26
1.4. Обзор исследований в области оптимального проектирования газораспределительных сетей
Глава 2. Экономическая оценка, гидравлический и надежностный расчеты газораспределительной сети - 41
2.1. Критерии экономической оценки газораспределительных систем 41
2.2. Анализ ценообразования и выбор критерия для оценки экономической эффективности при строительстве газораспределительных сетей . - 44
2.3 Получение математической зависимости стоимости прокладки газораспределительных сетей от их диаметра- 53.
2.4 Анализ структуры эксплуатационных затрат на содержание газораспределительной системы. 61
2.5 Гидравлический расчет газопроводов. 64
2.6 Расчет показателя надежности газораспределительной сети . 67
Выводы по главе 2 68
Глава 3. Метод итерационного поиска 69
3.1. Построение оптимальной конфигурации газораспределительной сети различными математическими методами- 70
3.2. Образование границы допустимых решений 80
3.3. Усовершенствование метода итерационного поиска 82
Глава 4. Примеры применения метода итерационного поиска для решения задач конфигурирования газораспределительной сети . 100
4.1. Выбор схемы газоснабжения 100
4.2. Решение задачи конфигурирования газораспределительной сети с фиксированной точкой подключения к магистральному газопроводу (задача №1) . 102
4.2.1 Решение задачи №1 путем построения дерева Штейнера 104
4.2.2 Решение задачи №1 методом поисковой оптимизации 106
4.2.3 Сравнительный анализ решений задачи №1 116
4.3. Решение задачи конфигурирования газораспределительной сети при условии свободного выбора точки подключения к магистральному газопроводу (задача №2) 118
4.3.1 Решение задачи №2 путем построения дерева Штейнера 119
4.3.2 Решение задачи №2 методом поисковой оптимизации 121
4.3.3 Сравнительный анализ решений задачи №2 123
4.4. Решение задачи конфигурирования газораспределительной сети методом поисковой оптимизации при условии ограни ченного выбора точки подключения к магистральному газопроводу (задача №3) 127
Глава 5 Анализ факторов, влияющих на оптимальную конфигурацию сети газораспределения - 132
5.1 Объемы потребления газа абонентами сети 134
5.2 Условие подключения проектируемой сети к внутренним сетям газораспределения потребителей 139
5.3 Количество ступеней регулирования по давлению газа 144
5.4 Материал труб газопроводов 146
Выводы по главе 5 149
Заключение 150
Литература 152
Приложение
- Проблемы эксплуатации и развития систем газораспределения
- Анализ ценообразования и выбор критерия для оценки экономической эффективности при строительстве газораспределительных сетей
- Образование границы допустимых решений
- Решение задачи конфигурирования газораспределительной сети с фиксированной точкой подключения к магистральному газопроводу (задача №1)
Проблемы эксплуатации и развития систем газораспределения
Отметим основные проблемы функционирования современных газораспределительных систем. Практика показывает, что рост газопотребления по существующим газораспределительным сетям происходит быстрее, чем их развитие. В этой связи большинству газораспределительных систем приходится работать в нерасчетных условиях, что ведет к частым нарушениям режимов газоснабжения потребителей. Это проявляется в нестабильности гидравлических па раметров (давление и расход газа) на входе в газоиспользующее оборудование. Как следствие, последнее работает в нерасчетном режиме, характеризующемся следующими отрицательными последствиями: - уменьшение коэффициента полезного действия; - увеличение содержания окиси углерода в продуктах сгорания, выбрасываемых в окружающую среду; - ухудшение температурного режима и, как следствие, снижение эффективности и срока службы оборудования, снижение условий комфортности потребителей. Существующие газораспределительные системы спроектированы в большинстве случаев таким образом, что из-за относительно небольшой доли газопотребления в коммунально-бытовом секторе и жилом фонде, последние испытывают дефицит газа в период зимних похолоданий из-за падения давления газа на входе в ГРП. Как правило, в этот период сетевые ГРП и ШРП работают в условиях нарушения гидравлических режимов из-за недопустимых входных параметров, вызванных, в том числе, вводом ограничения поставок или сверхлимитным отбором газа промышленными предприятиями. Стоит отметить высокую аварийность функционирования систем газораспределения за последние 10 лет, повлекшую за собой значительный совокупный ущерб. Наиболее крупными из аварий явились: 10 мая 2009 года на Озерной улице г. Москвы произошел взрыв газа на газопроводе[35], вызвавший сильнейший в истории послевоенной Москвы пожар, высота пламени которого достигала, по разным оценкам, от 200 до 300 метров.
Его тушили свыше 15 часов, пострадали пять человек, сгорели и получили повреждения более 80 автомашин , 14 автомобилей полностью сгорели. Понес огромный ущерб научно-исследовательский физико-химический институт имени Л.Я.Карпова, было полностью уничтожено очень дорогостоящее оборудование. В результате пожара пострадали кабель ные линии МГТС, из-за чего была прекращена телефонная связь на АТС «Внуково». Взрыв в доме номер 6 по улице Годовикова, произошел утром 7 декабря 2010 года. По версии столичной прокуратуры, причиной обрушения жилого дома стал взрыв бытового газа при проведении ремонтных работ в квартире номер 16 на четвертом этаже первого подъезда. В результате взрыва частично обрушилась фронтальная несущая стена, стены и лестничные пролеты. Подъезд семиэтажки был почти полностью разрушен. Погибли, по официальным данным, 4 человека. Несколько человек получили ранения. Десятки москвичей остались без жилья. Жильцы пострадавшего подъезда были временно отселены в гостиницы [36]. Крупное ЧП в Курортном районе Санкт-Петербурга произошло 31.01.2012 г.: в ряде домов Сестрорецка, из-за неисправного регулятора давления в газорегуляторном пункте, вспыхнули пожары. Несколько человек получили ожоги и отравления газом [37]. Таким образом, повышение безопасности функционирования газораспределительных систем является важной проблемой. Одним из возможных путей решения этой проблемы является проведение своевременной диагностики газовых сетей, выявление аварийно-опасных участков и их оперативная реконструкция.
Следствием существующего положения с техническим состоянием газораспределительных систем является острая необходимость оперативного проектирования новых и реконструкция изношенных сетей. Отсутствие эффективных методов оптимального проектирования новых и модернизации существующих газораспределительных систем является причиной низкого темпа их развития. В ряде случаев, по причине отсутствия системного подхода к принятию решений по развитию газораспределительных систем, без должного учёта таких важных факторов, как появление новых материалов и оборудования, современной ценовой динамики, принимаемые инженерные решения не только не приводят к положительному эффекту, но и усугубляют ситуацию, что в свою очередь влечет повышение конечной стоимости газа для потребителя. В настоящее время проектирование газораспределительных сетей производится согласно ряду нормативных документов (СНиП, ПБ, СП), которые содержат исключительно рекомендации по их безопасному проектированию и не включают в себя способы оптимизации их сметной стоимости. Это в условиях ограниченного финансирования приводит к существенному перерасходу средств и отодвигает сроки реализации проектов, осуществление которых дало бы ощутимый вклад в повышение качества функционирования газораспределительных систем. В некоторых случаях при принятии проектных решений учитываются такие параметры, как металлоемкость и материальная характеристика сети. Однако они не в полной мере отражают ее стоимость и не позволяют получить оптимальный результат при выборе варианта газораспределительной системы.
Таким образом, актуальной научной проблемой является разработка новых методов оптимизации газораспределительных систем, учитывающих всю совокупность рассмотренных факторов, с целью доработки существующих нормативных документов. Безопасность, надежность и экономичность функционирования газораспределительных сетей во многом определяются решениями, принимаемыми на стадии их проектирования. В современных условиях процесс проектирования газораспределительных сетей представляет собой комплекс весьма сложных мероприятий, требующих учета огромного числа параметров. Естественным в этом случае является применение CAD-систем (САПР). Однако в настоящее время на рынке программных продуктов, связанных с проектированием инженерных сетей, отсутствуют единые программные продукты, позволяющие производить весь комплекс проектных расчетов и формирования полного набора необходимой документации. Тем более отсутствует программный продукт, позволяющий производить оптимизацию технико-экономических показателей (ТЭП) проектов в автоматическом режиме. Сего
Анализ ценообразования и выбор критерия для оценки экономической эффективности при строительстве газораспределительных сетей
Часть исследователей для оценки экономической эффективности проектируемых газораспределительных сетей в качестве критерия эффективности используют такую величину, как металлоемкость. Однако, как показал проведенный мою анализ структуры стоимости прокладки газовых сетей, затраты на материалы, связанные с материальной характеристикой сети, являются всего лишь одной из составляющих в общей стоимости их прокладки. Учёт только этих затрат не позволяет качественно установить функциональную зависимость стоимости сооружения и последующей эксплуатации газораспределительной сети только от её материальной характеристики (металлоёмкости). Следовательно, для более корректного определения целевой функции, позволяющей осуществление поиска оптимального решения при выборе варианта газораспределительной сети, в качестве критерия рациональности должна приниматься сумма всех затрат, связанных со строительством объектов газоснабжения (К). Справедливость такого подхода продемонстрируем ниже.
Сооружение газораспределительной системы связано с затратами различных ресурсов: материалов, энергии, трудовых ресурсов и т. д. Все эти затраты можно разделить на 3 группы: I. затраты на проведение земляных работ; П. затраты на монтажные работы и пуско-наладочные мероприятия; III. затраты на материалы. Рассмотрим каждую из перечисленных групп подробнее: I. земляные работы (см. Приложение 4 «Локальная смета» п.1 по п.8 и п. 17, 18, 19 сметного расчета), проводятся независимо от материала трубопроводов газовых сетей и представлены следующим составом работ: разработка грунта в траншеях с погрузкой экскаваторами на автомобили-самосвалы и последующая его перевозка для временного складирования; крепление инвентарными щитами стенок траншей в устойчивых грунтах; также в стоимость земляных работ включена стоимость засыпаемого в траншею песка для строительных работ; засыпка траншей, пазух котлованов и ям вручную; перевозка грунта для обратной засыпки из пунктов временного складирования; засыпка траншей и котлованов спец. техникой; уплотнение грунта пневматическими трамбовками; вывоз автосамосвалами слежавшегося грунта с содержанием строительного мусора на постоянное хранение; размещение грунтов (насыпные, замусоренные, экологически чистые), полученных в результате производства земляных работ и не используемых для обратной засыпки. Затем, в случае использования стальных труб:
И. прокладка газопровода. Этот пункт включает в себя затраты на производство монтажных работ (см. Приложение 4 «Локальная смета» основные позиции 9-16 сметного расчета): укладка стальных труб с последующим пневматическим испытанием; нанесение весьма усиленной антикоррозионной изоляции из полимерных липких лент на стыки и фасонные части стальных трубопроводов; подвешивание подземных коммуникаций при пересечении их трассой газопровода при прокладке в населенных пунктах и на промышленных площадках; контроль сварных соединений просвечиванием рентгеновскими установками через две стенки трубопроводов. Так же при строительстве газопроводов высокого и среднего давления требуются дополнительные затрат, связанные с контролем качества выполненных работ: проверка качества изоляции искровым дефектоскопом на бровке; проверка качества изоляции прибором АНПИ {аппаратура нахождения повреждения изоляции подземных трубопроводов) и ИПИТ {искатель повреждений изоляции трубопроводов) в засыпанной траншее. Затраты на дополнительные работы для газопроводов среднего и высокого давления практически не зависят от их диаметра и численно равны 42-64 тыс. руб. на каждые 100 п.м., что составляет от 11,6% (Ду 50) до 2,7% (Ду 1000) от общих затрат для соответствующих диаметров. График функциональной зависимости денежных затрат на строительство газораспределительной сети от диаметра для среднего (высокого) давления аналогичен графику для газопроводов низкого давления и отличается от него лишь ординатой, увеличенной на указанную величину. Учитывая вышеизложенное, для упрощения расчетных операций и большей наглядности графиков, далее будут приводиться данные по стоимости для стального газопровода низкого давления (КСНд(с0), а пересчет капи
Образование границы допустимых решений
Область допустимых решений любой задачи определяется допустимыми значениями тех параметров, которые являются определяющими в данной задаче. Одни параметры могут иметь только одну границу допустимых значений (например, только из условия максимума или минимума), другие могут иметь определенный интервал допустимых значений. Ограничения, вытекающие из условия минимума, можно записать в виде: а ограничения, вытекающие из условия максимума - набор значений параметров, определяющих вид ограничений. Преобразуя неравенства (3.12) и (3.13) , получим: В работах [61],[48] показано, что точка оптимума в нелинейных задачах единственная и находится на границе допустимых решений. Поэтому важно правильно установить положение этой границы. При транспортировке газа к потребителю первоначальное давление газа в трубопроводе постепенно снижается за счет преодоления сил трения и местных сопротивлений. Гидравлический расчет газопроводной сети выполняется с целью определения минимальных диаметров газопроводов, обеспечивающих пропуск необходимого количества газа и его давление в необходимых пределах на входе у потребителей. Исходя из этого, в качестве ограничений, формирующих границу допустимых решений, примем минимальный предел абсолютного давления газа в газопроводе на входе к потребителям и к газорегуля-торному пункту (Р{).
При проектировании газораспределительных сетей, обязательно учитываемым параметром является показатель надежности газораспределительной системы (ЯСист) величина которого устанавливается в зависимости от категории потребителей и рекомендована в [21]. Учитываемые ограничения составлены из условия минимума и имеют вид системы неравенств (3.16): где: {Pj} - нормируемые величины минимального давления газа у ГРП и потребителей; {/?сист} - нормируемая величина минимально допустимой надежности системы газораспределения. Таким образом, в поставленной задаче совокупность условий (3.16) образует границу допустимых решений. В задачах рациональной трассировки сетей газоснабжения эффективность решения зависит от правильного выбора плана перебора вариантов. Известны два принципа поиска оптимума. В первом случае поиск ведется из допустимой области. В этом случае обязательным условием является аналитическое представление граничной поверхности. В нашей задаче такое представление затруднительно, поскольку граничные условия задаются в виде процедур технологических расчетов. В другом подходе поиск оптимума осуществляется из недопустимой области по так называемым «IJ,»-«F»-«I» процедурам [1,61]. В процессе «Ц» процедуры точка поиска из недопустимой области попадает в область допустимых решений.
В процессе «F» процедуры точка поиска из допустимой области попадает на границу допустимых решений, а в процессе «I» процедуры-- наоборот, отталкивается от границы допустимых решений в область недопустимых решений. Такое зигзагообразное движение повторяется до тех пор, пока точка оптимума не будет найдена. Отметим, что здесь и далее понятия «точка поиска» и «движение точки поиска» имеют абстрактный характер. Под термином «точка поиска» нужно понимать набор варьируемых параметров с определенными числовыми значениями, а под термином «движение точки поиска» - изменение числового значения хоть одного из варьируемых параметров в этой комбинации. Контроль над движением точки поиска производится с составлением промежуточных итераций. Промежуточными являются итерации, при которых комбинации варьируемых параметров отличаются от комбинации исходной итерации наращиванием только одного параметра. Например, в выражении (3.17) исходными являются первая и пятая строки для итераций, соответст где: Да, - приращение варьируемого параметра. В данной работе, с целью адаптации к задачам рационального проектирования газораспределительных систем, итерационная методика поисковой оптимизации несколько усовершенствована. Начальная точка в нашей задаче, в принципе, может занимать любое положение, как в области допустимых, так и недопустимых решений. Движение точки поиска от итерации (г) к итерации (г +1) контролируется одновременно тремя показателями - значением целевой функции 7 г), обобщенной невязки Я(г) и обобщенного избытка Я(г). Следует отметить две особенности, которые легли в основу переработки методики. Первая - иногда приращение любого варьируемого параметра по формуле (3.18) приводит к увеличению обобщенной невязки. Это означает, что переход в допустимую область по «Ц» процедуре только приращением варьируемых параметров невозможен. Выход из такого «тупика» удается найти пу
Решение задачи конфигурирования газораспределительной сети с фиксированной точкой подключения к магистральному газопроводу (задача №1)
Задача оптимизации газораспределительной сети предполагает, как условие, наличие заданной схемы сети, которую при проектировании, в соответствии с выбранными критериями, предстоит улучшать. Для того, чтобы исключить поиск оптимального проектного варианта сети в области неэффективных решений, важно с самого начала определиться со схемой газоснабжения подключаемых к газораспределительной сети абонентов. Рассмотрим довольно часто встречающуюся в практике проектирования задачу построения газораспределительной сети, обеспечивающей газом посёлки А и Б, расположенные по одну сторону от питающего газопровода высокого (среднего) давления. подключение посёлков к питающей газовой магистрали можно выполнить одним из двух способов: 1. Каждый посёлок подключается автономно, с трассировкой газопровода по кратчайшему пути к магистрали (на рисунке 4.1 схема подключения показана синим цветом). 101 2. Осуществляется общее подключение посёлков к магистральному газопроводу межпоселковым газопроводом, а газопроводы-вводы в посёлки подключаются уже к этому межпоселковому газопроводу (на рис. 4.1. схема показана зеленым цветом).
Следует отметить, что в первом случае надежность газоснабжения посёлков будет выше, чем во втором. Если требования надежности обеспечиваются в обоих вариантах подключения, то критерием выбора схемы газоснабжения служит минимальная протяженность газопроводов. Построение газораспределительной сети, соответствующей этому требованию, осуществляется введением дополнительных вершин, называющихся точками Штейне-ра. Чтобы получить условие выбора способа присоединения посёлков к питающей газовой магистрали, воспользуемся следующим свойством точки Штейнера: ребра, соединяющие вершины графа с точкой Штейнера, образуют угол 120. На рис. 4.2. приведен результат построения газораспределительной сети с использованием точки Штейнера (т.4). Алгоритм построения конфигурации газораспределительной сети с использованием точки Штейнера рассмотрен в параграфе 4.2.1 данной работы. отрезков 4-2, 4-3 и 4-1 при выбранном масштабе в сумме представляют общую длину газопроводов при втором варианте подключения Представленное неравенство (4.2) является условием для выбора схемы подключения двух посёлков, расположенных по одну сторону от питающей магистрали, по критерию минимальной суммарной протяженности сети. При соблюдении неравенства принимается решение о подключении сетей газоснабжения посёлков к питающей магистрали общим газопроводом. В противном случае рекомендуется автономное подключение поселков к магистральному газопроводу.
Если угол между направлениями 2-3 и 2-1а равен 120 или больше, то трасса газопровода пройдет через точки la-2-З. Задача оптимального проектирования транспортно-распределительной сети на заданной территории, в общем случае, состоит в определении конфи гурации этой сети, которая с его потребителями так, чтобы минимизировать некоторый целевой функционал. Существующие модели оптимизации, в традиционной постановке задачи, предполагают некоторую целевую функцию в виде построения связывающего дерева минимальной длины. Под длиной дерева понимается суммарная длина всех входящих в него ветвей. Решение такого типа задач основано на алгоритме, предложенном Примом и Краскалом [39], который служит базой для последующего этапа оптимизации сети при включении дополнительных точек Штейнера. Однако, ввиду больших размеров и разветвленности газораспределительных сетей, практическое решение таких задач методами перебора крайне трудоёмко и, поэтому, для них разрабатываются сложные алгоритмы решения. Нет сомнения, что обеспечение минимальной протяженности газораспределительной сети в целом приводит к экономическому эффекту. Однако, на наш взгляд, при построении целевой функции в качестве критерия оптимальности должна выступать не общая длина всех ветвей транспортно-распределительной сети, как считают некоторые исследователи, а срок окупаемости инвестиций в газораспределительную сеть, зависящий от затрат на ее строительство и эксплуатацию. Справедливость такой точки зрения покажем на примере решения задачи конфигурирования газораспределительной сети с фиксированной точкой подключения к магистральному газопроводу. Для этого исходные данные примем в следующих значениях: Задача Штейнера состоит в поиске минимального дерева - кратчайшей сети, соединяющей заданный конечный набор точек плоскости. Эта задача была частично решена Э. Торричелли и Б. Кавальєри, учениками Б. Касте л-ли, затем найденная ими конструкция была модифицирована Т. Симпсоном и окончательно уточнена Ф. Хейненом и Ж. Бертраном. В результате было получено геометрическое построение точки 4, ныне называемой точкой Штейнера, которая для трёх заданных точек 1, 2 и 3 даёт минимально возможную сумму длин отрезков 1-4, 2-4, 3-4. На рисунке 4.3 предложен геометрический способ определения местоположения точки Штейнера. Установив ГРП в точке 4 с координатами (X/, Y4) = (998,51; 824,34)м, выполним гидравлический расчет полученной сети газораспределения, определим необходимые диаметры её ветвей и стоимость сооружения газораспределительной сети. Результаты расчетов представлены в таблице 4.1.
