Введение к работе
Актуальность темы. Распределительные трубопроводные гидравлнче-гкне системы (ГС) тепло-, водо- и газоснабжения относятся к классу транспортных восстанавливаемых метасистем жизнеобеспечения городов к промышленных объектов, функционирующих в условиях переменности структуры, стохзстичностн потребления, дефицита целевого продукта (ЦЦ)> аварийных ситуаций. Особым типом ГС являются системы технологических трубопроводов для транспортирования токсичных, взрыво- в пожароопасных ве-цеств с высокой степенью химичесхой агрессивности в широком диапазоне гемператур и давлений. Высокие требования к надежности, управляемости, 5езопасности н экономичности ГС предопределили обширные исследования в области математического моделирования процессов подачи и распределения Щ. как наиболее эффективного средства решения инженерных задач управ-іення их развитием и функционированием. Несмотря на успехи достигнутые в «ории гидравлических цепей, при разработке методологического, алгорит-шчесхого и программного обеспечения отраслевых систем автоматизирован-юго проектирования н управления, здесь остается нерешенным целый ряд іроблем, имеющих важное теоретическое н прикладное значение.
Масштабы современных ГС и тенденции развития вынуждают квалифицировать их как сложные системы и в то же время прибегать к декомпози-[ионному подходу в решении практически всего спектра прикладных задач, іеизбежность которого очевидна, так ках объектом исследования .«зляется сетда не вся система, а только ее фрагмент (ИФС). Наибольший интерес іредставляютзадачи анализа возмущенного состояния, то есть тфогкоз пэто-ораспределения в системе при-аварийных ситуациях, ремскігх ила в ргзуль-ате любых других мероприятий, связанных с изменением их структурного остава или режима функционирования. Методы их решения чувствигшьны к роцедуре декомпозиции, поскольку теряют работоспособность, если в ре-ультате ее применения хотя бы одна из подсистем становится вырожденной, преемственность имеющегося опыта в электроэнергетических системах, на-ример кибернетическое (функциональное) моделирование маловероятна.
Не менее значимой в области эксплуатации ГС по праву считается sipo-дема диагностики утечек, под которой здесь подразумевается установление х координат и объемов. Различная природа утечек приводит к необходимо-гн сочетания в методах решения этого класса задач приемов идентификации оценивания состояния. В основе диагностики функционирующей системы гзкит обработка экспериментальных данных, причем чем они точнее я раз-ообразнее, тем надежнее результаты. К сожалению, существующие средства жгроля распределительных ГС далеки от совершенства и приходится ори-пироваться лишь на манометрическую съемку объектов. Проблема диагно-жки усугубляется в тем обстоятельством, что задачи этого класса относятся обратным, которые обычно оказываются некорректно постааленнкчи со
всеми вытекающими отсюда последствиями. Указанные трудности пока остаются непреодолимым препятствием при разработке методов их решения.
Ключевой проблемой в области проектирования (синтеза) ГС является конфликт между экономичностью и надежностью, и основные усилия здесь направлены на поиск средств его разрешения. Отказ от векторной оптимизации в пользу нормирования надежности, обеспечение которой достигается за счет различных вариантов резервирования, предполагает выполнение обширного вычислительного эксперимента с целью имитации возможных аварийных ситуаций в проектируемой системе. Цель большинства исследований этого направления ограничивается вопросами выполнения эксперимента, а взаимовлияние между системой и ее абонентами, как правило, игнорируется, что может существенно повлиять на результаты.
Несмотря на разнообразие вышеизложенных проблем, они тесно взаимосвязаны между собой, поскольку во всех случаях речь идет о корректности реализации декомпозиционного подхода, под которой в данном случае подразумевается наличие условий однозначности (для стационарных состояний -граничных условий), задающих характер взаимодействия ИФС и сопряженной с ним метасистемы, то есть позволяющих выполнять его автономное моделирование. Поскольку рассматриваемый цикл задач так или иначе носит характер прогноза, то для них должен быть установлен способ определения гра-~ яичных условий. Вышеизложенное дает основание считать, что исследования, направленные на решение указанных проблем, имеют актуальное научное и практическое значение.
Основные результаты научных исследований, изложенные в работе и развивающие методы решения перечисленных задач моделирования ГС выполнены в соответствии с проблемными направлениями программы " Архитектура и строительство": 7.2.4. Разработка теоретических и мето дологических основ повышения коэффициентов обеспеченности поддержания расчетных параметров систем жизнеобеспечения; 10.1.1. Повышение устойчивости и эксплуатационной надежности сетей и сооружений водоснабжения и водо-отведения; 10.2.1. Оптимизация теплогидравлических параметров работы коммунальных систем теплоснабжения с целью обеспечения стабильных и экономичных режимов отпуска тепла.
Цель работы - установить принцип и создать ца его основе методологию моделирования трубопроводных гидравлических систем как совокупность взаимосвязанных моделей, методов, алгоритмов и программного обеспечения, инвариантных к конфигурации исследуемого объекта в составе системы и инженерной постановке прикладных задач управления ее развитием и функционированием.
Поставленная цель достигалась в результате решения следующих задач: » исследование основ декомпозиционного подхода к моделированию транспортных энергетических систем, методов построения и преобразования макромоделей потокораспределения и взаимосвязи граничных условий с инженерной постановкой прикладных задач;
» выбор и обоснование метода построения моделей потокораспределения в гидравлических системах, учитывающих процесси гидромеханики и теплообмена.
разработка модели и метода решения задач прямого анализа инвариантного к процедуре выделения исследуемого фрагмента в составе гидравлической системы.
разработка алгоритма параметрического синтеза, обеспечивающего учет сетевых, технологических и режимных ограничений, на основе методов преобразования моделей потокораспределения..
» разработка методов и алгоритмов резервирования трубопроводных систем при проектироЕангш для обеспечения нормативных показателей надежности.
разрзботка Модели, метода и алгоритма диагностики коордішат и объемов утечек, использующих манометрическую съемку функционирующих систем.
разработка программного обеспечения для решения задач анализа и параметрического синтеза с промышленной апробацией и внедрением результатов на производства.
Методы исследования, Результаты, полученные в диссертационной ра-Зоте базируются на применении математического аппарата и методов теории :асгем и моделирования, теории сплошных сред, теории возмущений, вариационных принципах аналитической механики.
Научной новизной работы является комплекс математических моделей, методов и алгоритмов, основанных на функциональном эквивалентировании ітражаюшем принцип инвариантности мощности, и формирующих в сово-[упности методологию декомпозиционного подхода к моделированию, гид-одлических трубопроводных систем в задачах управления их развитием и функционированием.
На замиту выносятся: принцип построения моделей потокораспределения при декомпозиционном одходе к решению задач анализа и синтеза, заключающийся в энергетиче-ком (функциональном) эквивалентировании сопряженной с исследуемым ірагментом метасистемы;
комплекс моделей, методов и алгоритмов, основанных на функциональном квивалентирований и предназначенных для решения прикладных задач правления трубопроводными системами: имитационного и ситуационного оделирования, резервирования, диагностики утечек;
- программное обеспечение,, реализующее разработашгую методологию, результаты вычислительных эксперюненгов и материалы его промышленной апробации.
Практическая ценность к реализация результатов научных исследований. Теоретические положения, развиваемые в работе, способствуют повышению эффективности функционирования и развития трубопроводных систем жизнеобеспечения, поскольку создают основу разработки программного обеспечения автоматизированных систем управления для этих объектов без необходимости согласования их масштабов с ресурсами вычислительной техника и режимами ее эксплуатации. Предлагаемые методы и алгоритмы реализованы в пакете программ HYDROGRAPH, предназначенном для решения задач управления системами водо- и газоснабжения, при этом он может быть, адаптирован к системам теплоснабжения и системам технологических трубопроводов промышленных предпріитий. Програ'имно-Бычиолительяые комплексы из состава пакета внедрены в практику проектирования я эксплуатации трубопроводных систем в 8 организациях г. Воронежа, а также в учебный пррцесс Воронежской государственной архіггектурко-строіггельной академии, что подтЕёрадается гкіамя внедрения. К пакету программ разработано методическое обеспечение с форме учебного пособия, предназначенного для студентов я инженеров, специализирующихся в этой области.
Апробация работы. Результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались на: Всесоюзной школе-семинаре " Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем" (СЭИ СО АН СССР г. Иркутск 1990 г.); зональном семинаре "Проблемы проектирования и эксплуатации систем те-плогазоснабжения, рационального использования тепла промышленными и коммунальными потребителями" (Пенза 1987 и 1991 г.г.); региональном семинаре "Процессы теплообмена в энергомашиностроении" (ВГТУ г. Воронеж, 1995 г.); IV Международной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов" (Москва 1994 г.); научных семинарах Государственной академии нефти и газа им. Губкина (1997), Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (1990, 1993 гт), Воронежского государственного университета (1995 г.), Воронежской государственной архитектурно-строительной академии (1988-1996 гт).
Публикации По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы 355 наименований и 3-х приложений. Объем работы (без приложений н библиографического списка) - 290 стр.в том числе 275 стр. текста и 15 рисунков.
