Разработка методов и инструментальных средств для расчета технологически допустимых режимов работы трубопроводных сетей

Актуальность темы

Трубопроводные системы (тепло-, водо-, нефте-, газоснабжения и другие) представляют собой сложные, структурно неоднородные, многосвязные, пространственно разнесенные иерархические объекты. Функционирование таких систем осуществляется в условиях переменности структуры, параметров и режимов работы под воздействием многочисленных внешних и внутренних факторов систематического и случайного характера, что уже само по себе определяет сложность задач управления и актуальность его автоматизации на основе применения современных методов математического моделирования и вычислительной техники.

Становление рыночных отношений между поставщиками и потребителями, смежными системами и контролирующими органами ужесточают требования к эффективности и надежности трубопроводных систем (ТПС), к качеству и бесперебойности снабжения потребителей, выполнения договорных и экспортных поставок. Центральная проблема здесь состоит в противоречии между возросшими требованиями к экономической эффективности ТПС и низкой технологичностью процессов управления ими на фоне общего старения оборудования, существенного изменения структуры и уровня нагрузок, когда подавляющее большинство ТПС вынужденно работают в непроектных режимах, в узкой допустимой области, а зачастую и с ее нарушениями. Особенно остро проблемы технологичности управления стоят для ТПС сложной многоконтурной структуры вследствие жесткой гидравлической взаимосвязи режимов работы всех элементов.

Это, в свою очередь, выводит на передний план необходимость развития существующих и разработки специальных методов расчета и количественного обоснования технологически допустимых режимов работы ТПС, оптимизации режимов с гибким учетом технологических ограничений и требований, в том числе налагаемых на само управление как непрерывного, так и дискретного характера.

Вопросам расчета режимов ТПС различного типа и назначения посвящены многочисленные работы, что свидетельствует об их актуальности, сложности и многоплановости. Проведенный обзор научно-методической литературы в этой области, однако, показал практическое отсутствие работ, специально посвященных комплексному изучению вопросов допустимости режимов, методам учета технологических ограничений и критериев при их расчете и оптимизации.

Отсутствие соответствующих разработок сдерживает широкое применение методов оптимизации на практике (в том числе и по экономическим критериям), где все еще используются, в основном, методы расчета потоко-распределения со всеми сопутствующими недостатками, вытекающими из большой трудоемкости и слабой регламентированности отыскания допустимых и оптимальных решений на основе многовариантных расчетов потоко-распределения.

Второй, не менее важной, причиной, ограничивающей применение методов математического моделирования при управлении режимами ТПС, является недостаточный уровень использования потенциальных возможностей современных информационных технологий, обусловленный отсутствием универсальных средств интеграции этих технологий и методов решения ре-жимно-технологических задач для ТПС произвольного типа и назначения.

Наибольший эффект от разработки соответствующего методического и программного обеспечения может быть достигнут на межотраслевом уровне, вследствие большой степени общности содержательных и математических постановок задач расчета режимов ТПС различного типа и назначения. В принципе, это может быть обеспечено на базе сформулированного и развиваемого в ИСЭМ СО РАН научного направления — теории гидравлических цепей [50], с учетом накопленного здесь опыта в области математического моделирования, анализа и синтеза трубопроводных и гидравлических систем.

Цель и задачи работы. Цель работы — разработка методов и информационно-вычислительной среды для решения комплексной задачи расчета технологически допустимых гидравлических режимов многоконтурных ТПС.

Для достижения этой цели в работе ставились следующие задачи:

1. Формализация дискретно-непрерывной математической модели управляемого потокораспределения и задач комплексного расчета технологически допустимых гидравлических режимов.

2. Разработка и исследование алгоритма совместного поиска комбинаций насосных агрегатов и положения дросселирующих органов для обеспечения допустимости гидравлических режимов.

3. Разработка и исследование подходов для оптимизации режимов по технологическим критериям.

4. Создание программного модуля для расчета технологически допустимых гидравлических режимов на основе разработанных алгоритмов.

5. Разработка информационно-вычислительной среды как универсального интерфейса пользователя для компьютерного моделирования трубопроводных систем.

6. Апробация разработанного программного и алгоритмического обеспечения для расчета режимов трубопроводных систем на примере систем поддержания пластового давления.

Научная новизна. Впервые на межотраслевом уровне предпринята попытка комплексного исследования задачи расчета технологически допустимых гидравлических режимов многоконтурных ТПС, что позволило получить следующие результаты.

1. Построены новые дискретно-непрерывные модели управляемого установившегося потокораспределения, обеспечивающие возможность постановки и решения задач расчета допустимых и оптимальных гидравлических режимов при произвольных схемах соединения насосов на активных элементах расчетной схемы.

2. Разработан и реализован оригинальный алгоритм совместного поиска комбинаций насосных агрегатов и положения дросселирующих органов для обеспечения допустимости гидравлических режимов, основанный на сочетании методов последовательного, сужения области работы активных элементов и методов расчета допустимого режима ТПС по непрерывным переменным.

3. Предложено и исследовано три подхода для дискретно-непрерывной оптимизации режимов. В том числе разработан новый метод, основанный на многократном применении алгоритма поиска допустимого режима, обладающий свойством инвариантности к виду привлекаемых критериев, и потенциально, применимый в случае поиска решения по нескольким предварительно ранжированным критериям.

4. Разработана универсальная структура базы данных, а также инструментальное средство ее поддержки, обеспечивающие возможность интерактивной настройки баз данных на любые типы ТПС и классы решаемых задач с учетом возможности иерархического представления расчетных схем.

5. Создан универсальный графический интерфейс пользователя (информационно-вычислительная среда), обеспечивающий возможность интеграции информационного и вычислительного окружения для решенья задач компьютерного моделирования ТПС произвольного типа и назначения.

Практическая ценность и реализация работы. Разработанное методическое, алгоритмическое и программное обеспечение может быть использовано при разработке автоматизированных систем диспетчерского управления для решения задач планирования и оперативного управления гидравлическими режимами работы систем повышения пластового давления, систем тепло-, водои газоснабжения, трубопроводных систем технологического назначения и других. Оно также может быть использовано для анализа реализуемости проектных решений и управляемости проектных схем ТПС при возможных отклонениях от расчетных условий, а также в исследовательских и учебных целях.

Применение разработанного алгоритмического и программного продукта позволит обеспечить: 1) эффективность процессов расчета режимов при их планировании и диспетчерском управлении за счет сокращения непроизводительных затрат на поиск допустимых и оптимальных решений традиционными способами многовариантных гидравлических расчетов- 2) надежность решений по организации режимов за счет учета разнообразных технологических ограничений и требований- 3) повышение степени технологической приемлемости и реализуемости экономически оптимальных режимов.

Построенные математические модели, методы и алгоритмы поиска допустимых и оптимальных режимов реализованы в виде программного модуля, который был апробирован на реальных системах поддержания пластового давления (СППД) нефтяных месторождений Западной Сибири (Но-ябрьск, Самотлор, ПерьмОйл, Мамонтовнефть и др.).

Информационно-вычислительная среда (ИВС) и программный модуль для расчета допустимых и оптимальных режимов, совместно с комплексом программ «ДисППД» были использованы в ОАО «СибНИИЭНГ» (г.Тюмень) при разработке рекомендаций по оптимизации режимов СППД нефтяных месторождений Западной Сибири.

ИВС в составе ИВК «АНГАРА» внедрены в практику разработки эксплуатационных режимов и диспетчерского управления на предприятиях тепловых сетей ОАО «ИркутскЭнерго» (в городах Иркутск, Ангарск, Братск, Железногорск, Черемхово), других организациях страны, а так же за рубежом (Национальный диспетчерский центр энергосистемы Монголии).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях молодых специалистов ИСЭМ СО РАН в 2001;2004г., 2006 г., конференциях «Информационные и математические технологии» 2004;2007г., Всероссийских семинарах с международным участием «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем» (Туапсе, 2002 г.- Минск, 2004 г.- Санкт-Петербург, 2006 г.), международной конференции по проблемам энергетики в Улан-Баторе в 2005 г.

Отдельные результаты данной работы вошли в проект «Разработка методического обеспечения для решения задач организации энергоэффективных теплогидравлических режимов работы теплоснабжающих систем на базе методов теории гидравлических цепей и современных информационных технологий», занявший 2 место в конкурсе исследовательских грантов фонда «Глобальная энергия» в 2005 году. Глава 3 включена в программу ОЭММПУ РАН: «Разработка интегрированной информационно-вычислительной среды для компьютерного моделирования трубопроводных систем энергетики на базе методов теории гидравлических цепей».

Публикации. Основное содержание работы отражено в 17 публикациях [4,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,62,63,64,70,86,87], в том числе, в центральных изданиях 4, из них 1 в журнале «Известия. РАН. Энергетика», 3 — в коллективных монографиях. Еще 3 публикации находятся в печати.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (91 наименование) и приложения (на 27 страницах). Изложена на 122 страницах, содержит 26 рисунков, 4 таблицы. Приложение содержит 6 таблиц и 3 рисунка.

Основные выводы по главе 4:

1. Разработана методика поиска допустимых гидравлических режимов с использованием созданных автором расчетного модуля и ИВС.

2. Реализованный в виде программного модуля алгоритм поиска допустимых режимов, испытанный на ряде реальных СППД, показал высокую вычислительную эффективность и позволяет за несколько секунд находить допустимые гидравлические режимы достаточно крупных ТПС.

3. ИВС, созданная автором, совместно с расчетными модулями, разработанными в ИСЭМ СО РАН, представляют собой законченный программный продукт, который уже нашел широкое применение как на практике эксплуатации ТПС, так и в научных исследованиях отдела № 50 ИСЭМ СО РАН.

Заключение

.

Повышение эффективности функционирования ТПС не может быть обеспечено без повышения надежности и качества самого управления. Этим определяется актуальность и практическая значимость исследований, выполненных в диссертации, направленных на разработку и применение новых методов и программных комплексов для расчета и количественного обоснования технологически допустимых режимов работы ТПС. В работе получены следующие основные результаты.

1. Предложена формализация модели управляемого потокораспределения, которая в отличие от традиционных моделей доставляет необходимые степени свободы для отыскания допустимых и оптимальных гидравлических режимов за счет введения неизвестных, отвечающих всем наиболее распространенным типам дискретного и непрерывного управления на ТПС.

2. Разработан и реализован в виде программного модуля алгоритм решения комплексной задачи поиска допустимого режима, позволяющий одновременно определять допустимые комбинации включения насосного оборудования и положение дросселирующих органов. Данный модуль показал высокое быстродействие, исчисляемое секундами, при отыскании допустимых гидравлических режимов многоконтурных ТПС реальной размерности на ПК стандартной конфигурации.

3. Предложено и исследовано несколько подходов для дискретно-непрерывной оптимизации гидравлических режимов многоконтурных ТПС, основанных на сочетании алгоритмов расчета допустимого режима и метода ветвей и границ. В том числе предложен алгоритм, базирующийся на многократном применении процедуры поиска допустимого режима, особенностью которого является независимость от вида привлекаемых критериев, а также потенциальная применимость для последовательной оптимизации по нескольким ранжированным критериям.

4. Разработана универсальная структура базы данных, а также инструментальное средство ее поддержки, обеспечивающие возможность интерактивной настройки информационного окружения на любые типы ТПС и классы решаемых задач с учетом возможности иерархического представления расчетных схем.

5. Разработана универсальная информационно-вычислительная среда, обеспечивающая поддержку иерархических информационных и вычислительных моделей трубопроводных и гидравлических систем различного типа и назначения в рамках единого интерфейса пользователя.

6. Разработана методика практического применения созданного программного обеспечения для отыскания технологически допустимых гидравлических режимов ТПС. Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение прошло практическую апробацию на реальных системах поддержания пластового давления нефтяных месторождений.

7. Разработанная информационно-вычислительная среда нашла применение при создании информационно-вычислительных комплексов для планирования режимов и диспетчерского управления тепловыми сетями, внедренных или проходящих опытно-промышленную апробацию на предприятиях ОАО «Иркутскэнерго» на территории Иркутской области, в ряде других городов, а также за рубежом (в Национальном диспетчерском центре энергосистемы Монголии).