Введение к работе
Актуальность решаемых задач. Как известно, газовое хозяйство относится к инженерной инфраструктуре, является системой жизнеобеспечения и характеризуется большой потенциальной опасностью.
Главными требованиями к газораспределительной системе являлись и являются обеспечение надёжности, безопасности, эффективности в экономическом и экологическом плане, а также ее управляемости. Исходя из этого, в настоящее время большое внимание уделяется внедрению автоматизированных систем управления технологическими процессами распределения газа (АСУ ТП РГ). Это связано с ростом промышленного и жилищного строительства, а, следовательно, приводит к значительному увеличению расхода газа на различные потребительские нужды. Удовлетворение потребностей в газе происходит за счёт строительства газораспределительных сетей, а также за счёт модернизации старых систем путём их реконструкции. Реконструкция современными способами (реновация и санация при помощи полимерных материалов) позволяет сэкономить капитальные затраты и материальные ресурсы, в связи с чем возникают задачи по отысканию резервов, дающих возможность интенсифицировать работу существующих газораспределительных сетей. Одним из таких резервов является развитие и совершенствование оперативного управления процессами распределения и потребления газа на базе применения современных методов математического моделирования и программных средств.
В соответствии с п.4.9 СНиП 42-01-2002 "Газораспределительные системы" и Правилами безопасности систем газораспределения и газопотребления п. 2.6.1 газораспределительные сети городских поселений с населением свыше 100 тыс. человек должны иметь АСУ ТП РГ, обеспечивающую анализ и оптимальное управление режимами распределения газа. Однако традиционные методы оперативного управления замыкаются на регулировании и поддержании в системе давления и не затрагивают проблем обеспечения оптимального распределения газопотоков в системе газоснабжения. Современные задачи оперативного управления не ограничиваются требованиями по поддержанию давления в системе, необходимо также детально рассматривать вопросы регулирования расходов газа при выборе оптимального режима газопотребления. Это связано с тем, что управление потокораспределением и потреблением газа необходимо осуществлять в режиме мониторинга, учитывая реальную ситуацию у газопотребителей и объёмы поставки газа в систему газоснабжения, что невозможно обеспечить сезонной перенастройкой газорегуляторных пунктов (ГРП) или установок (ГРУ). В связи с этим появляется необходимость в централизованном регулировании расходов газа.
Несмотря на фундаментальные исследования в отечественной и зарубежной практике в области оперативного управления системами газоснабжения, вопросы обеспечения оптимальных режимов газопотребления не достаточно исследованы. В связи с чем, актуальной является проблема поиска рациональных способов управления функционированием СИТЄМ_ГаЗОСНЗ&жвння-И разработка метода оперативного управления распределеШеЙ^Щ&вДО&М^ЯТМИче-
1 zrz%4A
ского и программного обеспечения для решения ряда задач анализа в рамках АСУ ТП РГ. Значимость проблемы развития математического аппарата АСУ возрастает и требует создания таких моделей, которые бы давали адекватный результат решения, применимый в реализации процессов оперативного управления.
На основании вышеизложенного можно считать, что исследования, направленные на решение указанных проблем, имеют актуальное научное и практическое значение.
Работа выполнена в рамках Hill ВГАСУ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники'4 подпрограмма "Архитектура и строительство"
Объектом исследования является городская система газоснабжения сложной структуры.
Целью работы является разработка математической модели оперативного управления городской газораспределительной системой на основе факторного анализа и энергетического эквивалентирования.
Достижение поставленной цели будет обеспечено решением следующих задач исследования:
разработать математическую модель, формализующую факторный анализ системы газоснабжения на основе ее возмущенного состояния с учётом наиболее существенных факторов воздействия, приводящих к изменению режимов потребления газа;
разработать математическую модель оперативного управления в рамках АСУ ТП РГ на основе возмущённого состояния системы и условий энергетического эквивалентирования для реализации задач анализа потокораспределения и оптимизации режимов газопотребления в городских системах газоснабжения;
по результатам моделирования потокораспределения в области обратного анализа разработать алгоритм синтеза дроссельных характеристик системы газоснабжения;
разработать метод и алгоритм прогноза газопотребления в системе газоснабжения;
разработать программное обеспечение, реализующее перечисленные задачи анализа потокораспределения и потребления газа в области оперативного управления.
Научная новизна работы:
разработана регрессионно-топологическая модель оперативного управления городскими системами газоснабжения на основе модели возмущенного состояния и факторного анализа системы с учётом принципов энергетического эквивалентирования;
- разработан метод и алгоритм синтеза дроссельных характеристик системы газоснабжения на основе модели оперативного управления в форме зависимости газопотребления от сопротивления дросселей, учитывающий их взаимодействие в рамках априорно заданного режима потребления;
разработан метод и алгоритм предварительного и точного прогноза режимов потребления в городских системах газоснабжения, позволяющий осуществлять анализ и оптимальное управление режимами распределения газа;
разработан метод и алгоритм факторного анализа городских газораспределительных систем с учетом принципов энергетического эквивалентирования и факторов, определяющих режим газопотребления.
На защиту выносятся:
- математические модели факторного анализа и оперативного управления на
основе возмущенного состояния системы газоснабжения;
метод и алгоритм факторного анализа городских газораспределительных систем с учетом факторов, определяющих режим газопотребления;
дроссельные характеристики, полученные на основе математического моделирования, для осуществления точного прогноза газопотребления;
метод и алгоритм предварительного и точного прогноза газопотребления в системе газоснабжения;
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждены:
применением основных фундаментальных законов механики для жидкости и газа, подтвержденных статистической теорией и экспериментом;
соответствием результатов физического и численного эксперимента, выполненных с использованием современных приборов и методов испытаний, в том числе теории математической статистики со степенью достоверности 95%;
одновременным использованием нескольких методов исследований, позволяющих с разных сторон изучить одни и те же процессы и явления, положенные в основу предлагаемых решений.
Практическая значимость работы заключается в апробации и внедрении новых методик, обеспечивающих анализ и оптимальное управление режимами распределения газа в проектных организациях при проектировании и оптимизации систем оперативного управления газораспределительными сетями, а также в эксплуатационной практике в рамках АСУ ТП РГ. Основные результаты исследований используются в ООО "Проектная фирма «Икар»" и ОАО «Воронежоблгаз» Управление «Воронежгоргаз» в г. Воронеже (получены акты о внедрении). Разработанный программный продукт «Drosselgas» имеет удобную для пользователя оболочку и позволяет реализовать алгоритм предварительного и точного прогноза потребления газа. Внедрение в организациях, эксплуатирующих газораспределительные сети, представленного программного продукта позволит эффективно и быстро осуществлять управление газораспределительными системами при решепии текущих задач (изменения режима газопотребления в результате неравномерности потребления, ремонтов, реконструкции, реновации, санации газопроводов и т.д.)
Апробация работы: основные положепия диссертационной работы доложены на: ежегодных научно-технических конференциях ВГАСУ (г. Воронеж,
2000-2004), па 4-ой Международной научно-практической конференции (г. Санкт-Петербург, СП6ТПУ, 2002г.).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 11 научных статей и тезисов научных конференций общим объемом 34с. Личный вклад автора составляет 23 с. Три статьи /5,6,10/ опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций. В работах, выполненных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, автору принадлежит: в /1,2/ - анализ проблемы обеспечения надежности функционирования газораспределительных систем; в /3/ - экономические аспекты использования модели факторного анализа для газораспределительных систем; в /4/ - разработка методики проведения вычислительного эксперимента, обработка экспериментальных данных; в 151- методика построения дроссельных характеристик в рамках прямого анализа; в /6/ - постановка задачи исследования, теоретическое обоснование, обработка экспериментальных данных; в /7/ - разработка математической модели, формирование графических зависимостей; в /8/ - теоретическое обоснование перспективности осуществляемых прогнозов в рамках обратных задач анализа для целей оперативного управления системами газоснабжения; в /9/ - разработка методики проведения эксперимента, анализ полученных результатов эксперимента; в /10/ - актуальность применения методики прогноза режимов распределения и потребления газа, вычислительный эксперимент; в /11/ - синтез дроссельных характеристик в относительных координатах.
Объём и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка литературы из 150 наименований и 10 приложений. Общий объём 182 страниц, в том числе 126страниц основного машинописного текста, 49 рисунка, 6 таблиц.
