Разработка комплексной системы методов расчета и диагностики эксплуатационных параметров магистральных газопроводов для снижения энергозатрат

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 г.", принятыми ШТ съездом КПСС, перед газовой промышленностью поставлена задача форсированного развития отрасли с доведением добычи газа к 1985 г. до 600−640 млрд. м3/год. Наращивание производственных мощностей в газовой промышленности осуществляется в рамках развития Единой системы газоснабжения страны (ЕСГ СССР), объединяющей газовые промыслы, газотранспортные системы (ГТС) и газораспределительные сети в иерархически управляемый, но единый технологический объект особо большой мощности и производительности, обеспечивающий непрерывность технологических процессов добычи, транспорта и распределение газа. ЕСГ СССР является составной частью топливно-энергетического комплекса страныпостоянно возрастающая доля природного газа в топливно-энергетическом балансе превысила в настоящее время 21%.

Интенсивное развитие газовой промышленности, связанное со значительными капиталовложениями и затратами на собственные нужды, перемещение основных центров добычи газа в Западную Сибирь и вызванное этим увеличение протяженности транспорта газа, делает особенно актуальными проблемы снижения себестоимости процессов газоснабжения народного хозяйства.

Улучшение технико-экономических показателей газовой промышленности связано с двумя кардинальными направлениями: совершенствованием техники и технологии добычи, транспорта и распределения газа, направленным на снижение капиталоемкости объектов, повышение фондоотдачи и снижение эксплуатационных затратсовершенствованием диспетчерского управления газоснабжением, оптимизации режимов работы и развития ЕСГ СССР в целях повышения надежности газоснабжения и экономии энергетических ресурсов, расходуемых на собственные нужды.

Важнейшим средством совершенствования диспетчерского управления являются автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ) и автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) газоснабжения, создаваемые в отрасли, начиная с IX пятилетки.

Трубопроводный транспорт является важнейшим звеном ЕСГ СССР, сосредоточившим более 70 $ экономического потенциала отрасли. В связи с перемещением центров добычи газа на север Западной Сибири возрастает роль трубопроводного транспорта газа. В развитии ЕСГ СССР основное значение имеют трансконтинентальные газотранспортные системы, транспортирующие западно-сибирский газ по северному, центрально^ и южному направлениям. в Европейскую часть страны. Особую сложность представляет решение проблем диспетчерского управления потоками газа и режимами работы магистральных газопроводов в центре страны, где сложилась разветвленная и закольцованная сеть газопроводов с межсистемными перемычками. Наряду с концентрацией производственных мощностей за счет использования труб больших диаметров (1220 и 1420 мм), а также газоперекачивающих агрегатов большой единичной мощности (16 и 25 МВт), продолжается эксплуатация «старых» газотранспортных систем с различными технологическими параметрами. Диспетчерское управление в этих условиях требует применения специальных математических методов идентификации фактических и оптимизации прогнозных режимов транспорта газа.

Московское ордена Ленина производственное объединение по транспортировке и поставке газа эксплуатирует сложную сеть магистральных и распределительных газопроводов, представляющих собой территориально-технологическую подсистему ЕСГ СССР.

Транспорт газа по магистральным газопроводам объединения возрастет в XI пятилетке в 2,4 раза по сравнению с X пятилеткой и составит 282,3 млрд. м3.

ПО «Мострансгаз» обеспечивает магистральный транспорт газа по системам газопроводов Северный Кавказ-Центр, Средняя АзияЦентр, Горький — Центр, Гряз овец — КГМО и др., общая протяженность газопроводов составляет около 13 тыс. км в однониточном исчислении. Схема магистральных газопроводов объединения показана на рис. 1. В эксплуатации находятся 20 компрессорных станций с 50 компрессорными цехами, в которых установлен 241 газоперекачивающий агрегат с общей мощностью свыше 1500 тыс.кВт.

ПО «Мострансгаз» является сложным в технологическом отношении предприятием, что обусловлено прежде всего следующим: наличием на компрессорных станциях газоперекачивающих агрегатов различных типов и уровней надежностиотличием технологических схем обвязки агрегатов КС от типовыхналичием сложных многониточных-взаимосвязанных систем магистральных газопроводов, работающих в едином газодинамическом режиме (рис.2) — наличием кольцевых газопроводов московского промышленного узлапоступлением в систему магистральных газопроводов объединения газа из различных источников, различного качества, состава и, особенно, содержания газового конденсатафункционированием газопроводов в транспортно-распре делите льном режиме. магистрального газопровода Северный Кавказ — Центр.

— ю.

Транспорт газа связан со значительными затратами энергии на компримирование и расходом газа на собственные нудцы.

Так, энергозатраты в объединении составляют более 13% от эксплуатационных расходов. Поэтоаду в объединении обеспечению эффективности транспорта газа и снижению энергозатрат уделяется большое внимание.

Основные режимно-технологические задачи в Ш «Мострансгаз» решаются на базе информационно-вычислительного комплекса (ИВК), первого из введенных в эксплуатацию на производственном предприятии в газовой промышленности. В создании и совершенствовании этой системы непосредственное участие принимал автор диссертации [16, 19, 42, бб] в качестве разработчика технологической постановки задач, методологии и алгоритмов их решения. Задачи, поставленные и решаемые в диссертации, сформулированы., исходя из практических потребностей повышения эффективности эксплуатации газотранспортной системы ПО «Мострансгаз». Принципиальные решения по структуре информационно-вычислительного комплекса, выбор основных задач, их постановка и алгоритмы явились достаточно общими, приемлемыми для других газотранспортных предприятий.

Эффективность работы магистральных газопроводов в значительной степени зависит от контроля фактических параметров режима, в первую очередь, гидравлического состояния трубопроводов, влияющего на пропускную способность газопроводов и расход энергоресурсов на собственные нужды. Несмотря на наблюдающийся в последнее десятилетие существенный прогресс в области разработки методов диагностики и, идентификации для объектов транспорта газа, управление сложными взаимосвязанными газопроводами типа газотранспортной системы ПО «Мострансгаз» требовало их совершенствования без упрощения расчетной структуры. Значительные затраты машинного времени, необходимые на расчет КС, приводили к уменьшению числа анализируемых вариантов при решении оптимизационных задач, это влечет недостаточную обоснованность рекомендаций, выдаваемых на основе расчетов, и, как следствие, снижение экономической эффективности и надежности функционирования систем газоснабжения. Отсутствие универсальных методов расчета технологических объектов необоснованно повышает стоимость разработок АСУ ТП, увеличивает время проектирования, усложняет сопоставление и анализ результатов на различных уровнях управления. Особенно существенными эти факторы становятся в связи с расширяющимися масштабами внедрения автоматизированных систем управления транспортом газа.

Целью диссертации является разработка комплекса методов диагностики состояния внутренней полости действующих газопроводов и расчета газотранспортных систем, включающих компрессорные станции, линейные участки и технологические звенья сложной структуры, с учетом всех основных физических факторов (термодинамической неидеальности газа, неквадратичности течения, неизотермичности процесса газопередачи, распределенности параметров, разнотипности оборудования на КС).

Основные задачи исследования, связанные с разработкой единого подхода к проблеме г. расчета Р1'С • * в целях повышения эффективности дальнего транспорта газа, следующие: разработка и обоснование единого подхода к диагностике состояния внутренней полости многониточных магистральных газопроводов с учетом свойств реального газа и режима его теченияразработка методов и алгоритмов решения задач диагностики состояния внутренней полости многониточных газопроводов произволь ной конфигурации с учетом погрешности телеизмерений на базе методов параметрической статистической идентификацииисследование и обоснование границ применения различных модеI лей технологических объектов для решения широкого круга задач диспетчерского управления магистральными газопроводамиразработка комплексной системы унифицированных методов и алгоритмов для широкого класса моделей технологических объектов, линейных участков (ЛУ), КС, звеньев сложной структуры с КС, — ориентированных на использование в АСУ ТП транспорта газа,.

В рамках проведенных исследований получены следующие результаты.

Разработана комплексная система гидравлического расчета магистральных газопроводов (КСРМГ), предназначенная для решения широкого круга задач расчета и оптимизации режима ITC. Эффективность КСРМГ определяется ее универсальностью, ориентацией на технологические объекты сложной структуры, возможностью варьирования моделей технологических элементов, обоснованностью сходимости рекомендуемых вычислительных процедур.

Область применения такой системы существенно расширяется за счет возможности развития ее путем включения дополнительных расчетных блоков и удобства реализации.

В рамках КСРМГ разработаны методы и алгоритмы расчета линейных участков сложной конфигурации и многоцеховых КС. Впервые на основе математических моделей технологических объектов ITC, учитывающих основные физические факторы, предложены методы расчета сложных закольцованных звеньев ITC, включающих в качестве элементов простые газопроводы и КС. Разработаны соответствующие алгоритмы, программной реализацией которых подтверждена эффективность предложенного подхода. .

Решение задач диагностики технического состояния и режимов газопроводов осуществлено на основе сформулированного и реализованного в диссертации комплексного подхода к параметрической идентификации моделей транспорта газа. Обоснованы метода идентификации типизированных объектов ITC: сложных линейных участков многониточной структуры, сложных звеньев ГТС при работе КС по схеме «нитка на проход». Разработан универсальный метод оценки внутреннего состояния газопроводных систем произвольной конфигурации. Предложены методы, обеспечивающие нахождение оценок коэффициентов эффективности и теплопередачи, режимных параметров трубопроводов как в детерминированной постановке, так и с учетом погрешностей измерительной аппаратурыпредставлен общий алгоритм статистической параметрической идентификации и его модификации*- даны рекомендации по использованию методов в зависимости от конфигурации и технического состояния элементов газотранспортной-:систеш, состава и мест установки контрольно-измерительных приборов.

Задачи диагностики и расчета технологических объектов исследованы с единых позиций. Практическая ценность работы определяется следующими факторами.

Предложенные методы оценки изменения состояния внутренней полости каждой нитки магистрального газопровода произвольной конфигурации позволяют выявить участки газопровода, у которых гидравлическая эффективность ниже допустимой. На основе этих данных можно установить оптимальные сроки пропуска очистных устройств и заливки метанола. Своевременное принятие мер позволяет повысить производительность газопровода и снизить энергозатраты на транспорт газа, а также повысить стабильность работы газоперекачивающих агрегатов на КС в результате предотвращения возможности поступления жидкости и загрязнений в технологическую линию.

Применение быстродействующей программы расчета КС в информационно-вычислительных системах-дает возможность обеспечить регулярный контроль фактического режима работы КС, контролировать состояние каждого агрегата, расход топливного газа, рационально загружать агрегаты и повысить надежность и эффективность работы КС в целом.

Универсальность разработанного подхода позволяет широко использовать предложенные методы на различных объектах отрасли.

Разработанные методы, алгоритмы и программы апробированы на объектах ПО «Мострансгаз», результаты расчетов в настоящее время используются центральной диспетчерской службой объединения. Предлагаемые в работе алгоритмы включены в качестве расчетных модулей в информационно-вычислительную систему ПО «Мос-трансгаз». Кроме того, предложенные методы и алгоритмы используются при решении задач оперативно-диспетчерского управления системами магистральных газопроводов ПО «Тюментрансгаз», «Сара-товтрансгаз» и «Ухтатрансгаз» .

Результаты работы внедрены в ПО «Мострансгаз», экономический эффект составляет 312,6 тыс. руб. в год.

Актуальность исследования оцределяется темпами развития газотранспортных систем, усложнением их структуры, практической значимостью методов. диагностики и режимно-технологических расчетов транспорта газа для экономии энергоресурсов и обеспечения надежности газоснабжения потребителей, требованиями повышения эффективности информационно-вычислительных систем на основе взаимосвязанного комплекса технологических моделей и алгоритмов.

В первой главе рассмотрены с единых позиций задачи расчета технологических объектов транспорта газа, что позволило разработать комплексную систему методов и алгоритмов, которая дает возt можность осуществлять гидравлический расчет Ш компрессорных станций и звеньев сложной структуры с КС по единому принципу независимо от конкретных моделей технологических элементов.

Приведены результаты расчетов основных технологических объектов газотранспортных систем на ЭВМ.

Вторая глава посвящена вопросам разработки методов диагностики состояния внутренней полости действующих многониточных магист ральных газопроводов. В ней предлагается метод решения соответствующей краевой задачи для системы линейных дифференциальных и алгебраических уравнений на графе, отражающем структуру сложного линейного участка.

На основании результатов исследований разработан алгоритм решения задачи идентификации параметров «эталонной» и «приближенной» модели сложного линейного участка многониточной структуры.

Предложены постановка задачи, метод и алгоритм параметрической идентификации «эталонной» и «приближенной» модели сложного звена ITC при работе КС по схеме «нитка на проход» .

Предложенные методы диагностики состояния газопровода апробированы на действующих газотранспортных системах. Проведен сравнительный анализ расчетов на основе «эталонной» и «приближенной» модели, описывающей простой газопровод.

В третьей главе описываются разработанные методы и алгоритмы диагностики сложных газопроводных систем с учетом погрешностей телеизмерений, поступающих для обработки в ЭВМ информационно-вычислительного комплекса объединения.

Общий подход к задаче параметрической статистической идентификации основывается на использовании методов максимального правдоподобия и Ныотона-Рафсона.

Предложена модификация методов квазилинеаризации и прогонки по векторному параметру для задачи параметрической статистической идентификации.

Представлены модификации метода оценки искомых параметров на основе получения и обработки информации «порциями» (методов сканирования) — разработанные процедуры позволяют сократить размерность задачи оценивания и удобны при реализации в рамках АСУ ТП транспорта газа.

На основе результатов исследований разработаны алгоритмы параметрической статистической идентификации моделей газопроводных систем произвольной конфигурацииразработанные алгоритмы позволяют находить решение как при использовании «эталонной», так и при использовании алгебраических моделей транспорта газа. Представлен общий алгоритм идентификации, а также его рекуррентные реализации и рекомендации по их использованию.

Метод апробирован на газопроводе Средняя Азия — Центр.

На защиту автор выносит:

1. Комплексную систеь/ог гидравлического расчета технологических объектов дальнего транспорта газа.

2. Комплекс методов и алгоритмов диагностики технического состояния и режимов сложных типизированных объектов газотранспортных систем, газопроводных сетей произвольной конфигурации.

В диссертации принята трехпозиционная система нумерации формул, таблиц и рисунков. Позиции (слева направо) указывают на номер главы, раздела, формулы (таблицы, рисунка) в разделе. г.

Ш. 12. Выводы’по главе.

1. Реализован комплексный подход к решению задач параметрической идентификации, наиболее полно учитывающей газотермодинамические особенности процесса транспорта газа, структурную сложность систем газоснабжения, погрешности измерительной аппаратуры. Такой подход отвечает современному уровню требований, предъявляемых к АСУ ТП транспорта газа.

2. Предложенные методы параметрйческой статистической идентификации позволяют получить оптимальные оценки параметров сложных газопроводных систем и их ковариационные матрицы.

3. Универсальность разработанных методов параметрической статистической идентификации связана, в частности, с тем, что они приспособлены к описанию процесса газопередачи как нелинейными дифференциальными, так и нелинейными алгебраическими уравнениями.

4. Показано, что решение задачи параметрической статистической идентификации реализуется как последовательность ряда вычислительных этапов, для каждого из которых получены расчетные соотношения. Дана модификация методов квазилинеаризации и прогонки по векторному параметру. Представлен метод построения линеаризованной зависимости вектора измеряемых величин от вектора независимых параметров. Выведены соотношения для оценок искомых величин, разработаны модификации рекуррентного оценивания параметров газопроводных систем.

5. Даны алгоритмы диагностики линейной части газопроводных систем произвольной конфигурации с учетом погрешностей измерений. Предложены алгоритмы рекуррентной идентификации, сокращающие размерность задачи оценивания, повышающие быстродействие соответствующих программ, удобные при реализации в рамках АСУ ТП транспорта газа.

6. Обоснованы рекомендации по использованию предложенных алгоритмов параметрической' статистической идентификации в зависимости от конфигурации газопроводной системы, состава и размещения измерительной аппаратуры, технического состояния трубопроводов.

7. Разработанные алгоритмы реализованы в виде программ для.

ЭВМ.

8. Проведенные расчеты подтвердили эффективность предложенных методов и алгоритмов.

9. Разработанные методы, алгоритмы и программы включены в математическое обеспечение ЩШ ТП ПО «Мострансгаз» и в настоящее время широко используются для проведения практических расчетов, а также в исследовательских целях. основ&tradeвывода.

1. Впервые с единых позиций рассмотрены проблемы диагностики гидравлического и теплового расчета газотранспортных систем сложной структуры с учетом основных физических факторов (термодинамической неидеальности газа" неквадратичности течения, неизотер-мичности процесса газопередачи) и технологических особенностей (распределенности параметров, разнотипности газоперекачивающих агрегатов на КС).

2. Разработана комплексная система гидравлического и теплового расчета магистральных газопроводов (КСШ?). Предложена четырехуровневая иерархическая структура этой системы, базирующаяся на разработанных методах и алгоритмах. Эффективность КСРЫГ определяется универсальностью, возможностью развития включения дополнительных расчетных блоков, удобством реализации и повышением точности (до 2−3 $) расчетов режимов работы магистральных газопроводов. Практическими расчетами показано, что предлагаемая комплексная система гидравлических расчетов сложных магистральных газопроводов может успешно применяться для решения задач диспетчерского управления.

3. В рамках КСРМГ разработаны эффективные методы расчета режимов сложных закольцованных звеньев газотранспортных систем, включающих в качестве элементов простые газопроводы и компрессорные станции. Разработаны новый метод и алгоритм расчета многоцеховой КС, оснащенной разнотипными газоперекачивающими агрегатами. По сравнению с существующими предложенный подход обладает рядом преимуществ (повышение оперативности расчета на ЭВМ в 2−3 раза, возможность учета отбора газа на собственные нужды, простота реализации, независимость от конкретных моделей Ш. и др.). Относительная погрешность расчета не превышает 3%,.

Практическое использование алгоритмов расчета многоцеховых КС и сложных элементов газотранспортных систем показало эффективность их использования для гидравлического и теплового расчета ITC, планирования, развития и оптимизации режимов работы магистральных газопроводов.

4. Разработаны методы диагностики состояния внутренней полости действующих магистральных газопроводов, включающих в себя: сложные линейные участки многониточной структуры с путевыми отборами (подкачками) с совместным (раздельным) входом (выходом) ниток сложных звеньев ГТС при работе КС по схеме «нитка на проход». Разработанный метод параметрической идентификации моделей газотранспортных систем с использованием информации о нескольких режимах их функционирования, позволяет решить проблемы диагностики в таких ситуациях, когда традиционные методы идентификации не пригодны. Погрешность расчета коэффициентов эффективности по ниткам газопровода не превышает I%,.

5. Разработаны методы и алгоритмы идентификации параметров моделей газотранспортных систем произвольной конфигурации с учетом погрешностей измерений. Предложены алгоритм рекуррентной идентификации, сокращающие размерность задачи оценивания, повышающие быстродействие соответствующих программ и удобные при реализации в рамках АСУ ТП транспорта газа для диагностики состояния внутренней полости газопровода с учетом погрешностей телеизмерений.

Точность оптимальной оценки коэффициента эффективности, рассчитанная по предложенной методике, лежит в пределах 1−2 $.

6. На базе разработанных алгоритмов создан комплекс программ диспетчерского контроля и анализа режимов работы газопроводов ПО «Мострансгаз11, применение которого позволило диспетчерской службе принимать своевременно меры по очистке газопроводов с целью повышения производительности-и снижения энергозатрат, а также повышения стабильности работы КС и повышения эффективности диспетчерского управления. Годовой экономический эффект от применения этого комплекса составляет 312,6 тыс. руб.