Разработка методов и инструментальных средств для расчета технологически допустимых режимов работы трубопроводных сетей (стр. 1 )

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИКИ им.

На правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ Александр Владимирович

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

Специальность 05.13.18.

Математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Специальность 05.13.18.

Математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ

Иркутск

– 2007

Работа выполнена в Институте систем энергетики им. (ИСЭМ) СО РАН (до 1998 г. Сибирский энергетический институт (СЭИ) СО РАН), г. Иркутск.

Научный руководитель –	доктор технических наук, Николай .Николаевич. Новицкий.
Официальные оппоненты –	доктор технических наук, профессор, Виктор. Романович. Чупин, кандидат технических наук, Олег .Н.Николаевич Войтов.
Ведущая организация –	Российский государственный университет нефти и газа им. .

Защита состоится ″ 0 9 ″ октября октября 2007 г. вВ 9 часов. 00 минут в аудитории 355 на заседании Диссертационного совета Д 003.017.01 при Институте систем энергетики им. СО РАН Иркутск-33, .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке иИнститута систем энергетики им. СО РАН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять Иркутск-33, , на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан ″ 097 ″ сентября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 003.017.01,

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Функционирование трубопроводных системы (тепло--,, водо-, нефте-, газоснабжения и др.) осуществляется в условиях переменности структуры, параметров и режимов их 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. Удовлетворение этих требований вступает в противоречие с низкой технологичностью процессов управления 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 эти проблемы 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 и оптимальных 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. На практике при решении указанных задач все еще используются методы расчета потокораспределения при всейсо всеми сопутствующими недостатками, вытекающими из большой трудоемкости и слабой регламентированности такого подходаотыскания допустимых и оптимальных решений этими методами.

Кроме того, пПрименение методов математического моделирования при управлении режимами ТПС также во многом сдерживается отсутствием универсальных средств интеграции новых информационных технологий и методов решения режимно-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 различных ТПС. Это может быть обеспечено на базе сформулированного и развиваемого в ИСЭМ СО РАН научного направления – теории гидравлических цепей, 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.  Программная реализация алгоритмов расчета технологически допустимых гидравлических режимов.

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

6.  Апробация разработанного программного и алгоритмического обеспечения для расчета режимов ТПС на примере систем поддержания пластового давления (СППД).

Научная новизна. Впервые на межотраслевом уровне предпринята попытка комплексного исследования задач 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 решения 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 СППД, ТПСсистем тепло-, водо - и 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 СППД нефтяных месторождений
Западной Сибири (Ноябрьск, 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 (г. Тюмень) при разработке рекомендаций по оптимизации режимов СППД нефтяных месторождений Западной Сибири.

ИВС в составе ПВК «АНГАРА» внедренаы в практику разработки эксплуатационных режимов и диспетчерского управления на предприятиях тепловых сетей (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 г., 2006г., Всероссийских конференциях «Информационные и математические технологии» г., Всероссийских Всероссийских семинарах с международным участием «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем» (Туапсе, 2002г.; Минск, 2004г.; Санкт-Петербург, 2006г.), международной конференции по проблемам энергетики в Улан-Баторе в 2005г.

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

Публикации. Основное содержание работы отражено в 17 публикациях, 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. Изложена на 1242 страницах, содержит 26 рисунков, 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследования, определена его научная новизна и практическая ценность.

В первой главе, имеющей обзорно-постановочный характер, дается краткая характеристика современных ТПС, сложившейся практики, проблем и способов управления режимами, уровня автоматизации и применения современных методов математического моделирования, вычислительной техники, новых информационных технологий. Выполнен анализ научно-методических работ в области расчета режимов ТПС. Дана содержательная постановка целей и задач исследования.

Задачи оптимизации режимов магистральных газо - и нефтепроводов исследовались в работах , . Наиболее развернуто задачи оптимизации потокораспределения и управления режимами работы многоконтурных инженерных сетей исследовались в работах и . В ИСЭМ СО РАН предлагалось для оптимизации режимов использовать метод многоконтурной оптимизации, разработанный первоначально для структурной оптимизации ТПС в рамках научной школы и .

Проведенный обзор литературы показал, что, несмотря на высокую актуальность данных задач, до настоящего времени нет работ, специально посвященных комплексному изучению вопросов допустимости, методам расчета и оптимизации режимов с учетом технологических ограничений и критериев.

Под технологически допустимым режимом (ТДР) понимается режим, удовлетворяющий технологическим ограничениям и требованиям, а задача его расчета состоит в нахождении управлений, обеспечивающих реализуемость этого режима при заданных граничных условиях.

В табл.1 предложена классификация задач расчета режимов (жирным выделены задачи, составляющие предмет работы), в которой каждая последующая задача является более сложной, предполагает учет большего числа факторов и, её можно рассматривать как очередной уровень обобщения. Необходимым условием существования решения для каждой последующей задачи является существование решения предыдущей, при этом каждая из представленных задач имеет самостоятельное практическое значение. (В табл. 1 жирным выделены задачи, составляющие предмет работы).

Табл.1. Классификация задач расчета режимов ТПС.

№	Задачи	ЦельРезультат решения
1	Потокораспределения	Расчет режима при заданных управляющих воздействиях
2	Расчета допустимого режима	Определение непрерывных управляющих воздействий для обеспечения допустимости режима
3	Поиска допустимого режима	Поиск допустимых комбинацийя насосного оборудования (дискретных управлений) в сочетании с управлениями непрерывного характера для обеспечения допустимого режима
4	Оптимизации режима по технологическим критериям	Расчет оптимальных (по заданному технологическому критерию) управляющих воздействий дискретно-непрерывного характера при соблюдении допустимости режима.
5	Многокритериальнойая оптимизациия режимов	Расчет оптимальных управляющих воздействий при соблюдении допустимости режима по системе ранжированных критериев

Примечание. Жирным шрифтом выделены задачи, составляющие предмет работы.

Основным объектом апробации разработанных методов и алгоритмов были выбраны СППД. Этот выбор обусловлен высокой энергоемкостью этих объектов (составляющей примерно 35% от всех энергозатрат на нефтедобывающих предприятиях России с общим годовым потреблением энергии порядка 15 млрд. кВт. ч), предполагающей значительную экономию от оптимизации режимов, а также ответственностью и сложностью принятия решений по управлению в условиях высоких давлений (до 200 атм.), что, в свою очередь, определяет важность учета технологических факторов.

Эффективность практического применения методов расчета технологически допустимых режимов напрямую зависит от возможности решения информационных и вычислительных задач в рамках единого интерфейса пользователя. Тем не менее, следует констатировать отсутствие информационно-вычислительной среды, обладающей свойствами расширяемости на произвольные классы задач и необходимого для них информационного окружения.

Во второй главе приводится описание разработанных моделей, методов и алгоритмов расчета допустимых и оптимальных гидравлических режимов работы многоконтурных ТПС.

Традиционные модели потокораспределения в гидравлических цепях с сосредоточенными параметрами представляют собой замкнутые системы линейных и нелинейных алгебраических уравнений. Необходимые степени свободы для поиска допустимых и оптимальных режимов могут быть доставлены путем введения в состав неизвестных значений управляющих воздействий. Наибольшую трудность при этом составляет необходимость учета дискретных управлений, связанных с переключениями насосов на активных элементах ТПС.

Под моделью активного элемента подразумевается агрегированная модель насосной станции (НС) в целом, когда в роли управляющих выступают как непрерывные параметры (дросселирование), так и дискретные.

Состояние каждого насосного агрегата (НА) характеризуется булевой переменной =[0,1], j=1,..,ki, i=1,..,nA,, где ki – -число НА на i-ой НС, nA – -число НС в ТПС. Комбинацией включенных насосов на i-ой НС будем называть конкретную реализацию вектора . Множеством всех возможных комбинаций включения НА на i-ой НС назовем все множество неповторяющихся векторов , тогда –– множество всех возможных комбинаций включения НА на всех НС.

Ниже для простоты выкладок индекс НС в параметре будем опускать.

Возможно три типа соединения НА: последовательное, параллельное и смешенноесмешан­ное, причем расчет характеристик при смешенномсмешанном соединении сводитсяможет быть сведен к расчету первых двух типов.

Для k последовательно подключенных разнотипных НА рабочая зона производительностей НС определяется из условия, что каждый из НА должен работать в рабочей зоне. Допустимость комбинации состоит в выполнении условия , где , , ­, – нижняя и верхняя границы производительности j-го НА.

Тогда параметры характеристики НС вычисляются из соотношений, вытекающих из решения системы уравнений по двум точкам на границахе рабочей зоны:

, ,

где j=1,..,k, , ., .

Для k параллельно подключенных разнотипных НА имеем:

,; ;,

;, ,;

где , , j=1,..,k.

Из приведенных соотношений (как для последовательного, так и для параллельного соединения НА) следует, что . С учетом того, что , где -плотность жидкости, - массовый расход на i-ой ветви, а перепад давлений на i-ой НС связан с напором как , получим эквивалентную характеристику НС вида: . Для учета возможности дросселирования на НС , где -относительное изменение сопротивления i-ой ветви с дросселирующим органом.

Таким образом, в обобщенном виде замыкающее соотношение для i-ой активной ветви ТПС можно представить в видекак:

.

С учетом полученных выражений, модель управляемого потокораспределения для общего случая дискретно-непрерывных управлений выглядит следующим образом:

(1)

(2)

где – ()-мерная вектор-функция, задаваемая уравнениями-аналогами первого и второго законов Кирхгофа относительно вектора неизвестных ; – – ()-мерный вектор параметров режима с допустимыми вектор нижнейих и верхнейих границами изменения допустимого изменения параметров режима;, , P – ()-мерный вектор узловых давлений; x – -мерный вектор расходов на ветвях; – векторы непрерывных и дискретных управляющих параметров;, A-матрица инциденций A –-матрица инциденций узлов и ветвей расчетной схемы;, P-вектор неизвестных узловых давлений, x-вектор расходов на ветвях, am –- m-ая строка матрицыполной матрицы инциденций;A, Q – ()--мерный вектор фиксированных узловых расходов;, Pm –- фиксированное давление в m-ом узле,; –- -мерная вектор- функция, задаваемая перечнем с аналитических выражений для замыкающими соотношениями, описывающими гидравлическихе характеристики элементов.