Введение к работе
Актуальность темы. Распределительные системы газоснабжения городов и населенных пунктов с численностью населения свыше 100 тысяч человек согласно Правилам безопасности систем газораспределения и газопотребления и СНиП 42-01-2002 должны содержать в своем составе автоматизированные системы управления технологическими процессами распределения газа (АСУ ТП РГ), а в качестве газорегулирующего оборудования - систему РП (ГРС, ГГРП, ГРП, ГРУ и т.д.). Таким образом, газорегулирующая и управляющая система транспорта газа строится на множестве РП, предназначенных для непосредственного регулирования давления в сетях и косвенного (через рабочее давление) регулирования расхода газа. Но даже такие ограниченные функции АСУ ТП РГ на практике сводятся лишь к сезонному (в большинстве случаев - одноразовому) корректированию рабочего давления после РП, причем преимущественно в ручном режиме. Регулирование расхода газа стихийно осуществляется самими газопотребителями со всеми вытекающими из этого последствиями (игнорированием остальных потребителей, стохастическим характером режима потребления, плохой предсказуемостью прогноза потребления и т.д.). Это приводит к тому, что при резких похолоданиях система оказывается не готова к подобным внешним (трудно предсказуемым) возмущениям и не в состоянии своевременно отреагировать.
Несмотря на большое количество работ по теории и практике моделирования потокораспределения вообще и развития процесса управления в частности (например, работы С. Г. Акопяна, В. А. Веникова, И. С. Квасова, А. П. Мерен-кова, В. П. Мешалкина, Н. Н. Новицкого, М Я. Панова, М. Г. Сухарева, А. Д. Тевяшева, В. Я. Хасилева и др.), проблема является по-прежнему актуальной.
Очевидно, система регулирования и управления газопотреблением нуждается в реконструкции, которая сводится к дополнительному оснащению элементами (исполнительными органами), непосредственно управляющими расходами газа, идущего на потребление. Обозначим эти элементы управляемыми из компьютерного центра дросселями (УД) или регуляторами расхода (РР), функционирующими в режиме мониторинга, что гарантирует постоянную готовность системы к перенастройке в случае внешних климатических и внутренних (ремонты, реконструкции) возмущений. Выработка управляющего сигнала на перенастройку системы в компьютерном центре относит реконструированную подобным образом систему регулирования и управления к классу кибернетических систем.
Из этого следует актуальность поставленной задачи, состоящей в необходимости разработки модели управления функционированием системы распределения природного газа, призванной обеспечить программную реализацию задач управления газопотоками на муниципальном уровне с приоритетным учетом интересов отдельных потребителей и групп однородных потребителей.
Понятие «параметрическое рассогласование» имеет своим аналогом термин «регулирование по ошибке», используемый в теории автоматического регулирования.
Целью диссертационной работы является разработка математической модели оперативного управления функционированием городских систем газоснабжения на основе принципа параметрического рассогласования.
Основные задачи работы:
разработка модели управления функционированием городских систем газоснабжения на основе принципа параметрического рассогласования;
разработка структуры функции ошибок;
разработка метода и алгоритма ускоренной выработки сигнала на перенастройку регулятора расхода;
разработка узловой схемы отбора и управления путевой нагрузкой в системах низкого давления;
разработка новой схемы координирования регуляторов расхода за пределами кольцевых структур;
подтверждение работоспособности новой модели управления результатами вычислительного и опытного моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана новая математическая модель управления функционирова
нием городских систем газоснабжения всех ступеней давления на основе прин
ципа параметрического рассогласования, имеющая следующие отличия:
а) в состав математической модели включена система нормальных урав
нений, сформированных на основе минимизации функции ошибок;
б) в системах среднего (высокого) давления впервые учтено гидравличе
ское взаимодействие регуляторов давления и расхода;
разработана (на основе принципа Лежандра-Гаусса) структура функции ошибок, включающая сумму квадратов ошибок, с системой функциональных ограничений в форме баланса расходов газопотоков через сеть;
разработан метод и алгоритм ускоренной выработки сигнала в компьютерном центре на гидравлическую перенастройку регулятора расхода;
разработана новая (узловая) схема отбора и управления по ошибке путевой нагрузкой в системах низкой ступени давления;
разработана новая эффективная схема установки регуляторов расхода на ответвлениях от кольцевых структур, перед отдельными (крупными) потребителями и группами (однородных, мелких) потребителей.
Достоверность результатов и эффективность механизма управления по ошибке подтверждена сопоставлением итогов численного моделирования, в основе которого заложены фундаментальные законы механики жидкости и газа, с опытными исследованиями на экспериментальной установке и реальными гидравлическими процессами в газопроводах.
Научная значимость работы состоит в возможности использования полученных результатов для разработки новых эффективных технологий оперативного управления по ошибке при функционировании городских систем газоснабжения.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов для повышения точности и оперативности ис-
полнения заданного прогноза режима газопотребления, приоритетном учете интересов отдельных потребителей (групп однородных потребителей). Реализация процесса управления функционированием сетевых систем по параметрическому рассогласованию допускает возможность учета на точность решения данной управленческой задачи погрешности измерительной аппаратуры, что заложено в сущности модели управления.
Результаты работы используются в учебном процессе кафедры теплога-зоснабжения Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международной научно-технической конференции «Высокие технологии энергосбережения» (г. Воронеж, 2007 г.), на 64-й всероссийской научно-практической конференции «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий» (г. Воронеж, 2010 г.), на ежегодных межвузовских научно-технических конференциях Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (г. Воронеж, 2007-2010 гг.).
На защиту выносятся следующие основные результаты диссертации:
новая математическая модель управления функционированием городских систем газоснабжения на основе принципа параметрического рассогласования;
структура функции ошибок и вытекающая из ее минимизации система нормальных уравнений;
метод и алгоритм оперативности управления функционированием по ошибке;
новая (узловая) схема отбора и управления по ошибке путевой нагрузкой в системах низкой ступени давления;
новая схема координирования регулятора расхода за пределами кольцевых структур.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных статей общим объемом 46 страниц (из них лично автору принадлежит 29 страниц). Две работы опубликованы в издании, включённом в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура».
В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] приведены результаты моделирования в форме дроссельных характеристик; в работе [2] предложена новая схема управления путевыми расходами в системах низкой ступени давления с демонстрацией модели управления по ошибке и точности исполнения заданного прогноза газопотребления.
Объем и структура диссертации. Диссертация общим объемом 128 страниц машинописного текста состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 111 наименований и приложения. В тексте диссертации содержится 15 таблиц и 34 рисунка.
