Модели и методы анализа и прогнозирования технического состояния магистральных газопроводов

Актуальность работы.

Единая газотранспортная система России (ЕСГ) — структурно сложная техническая система. В ней могут происходить отказы элементов и подсистем, связанные либо с нарушением условий безопасности (аварии), либо с недопустимым снижением эффективности или прерыванием газоснабжения.

Выбор оптимальных стратегий капитального ремонта и реконструкции всегда сопряжен с необходимостью затрат времении средств на повышение надежности элементов линейной части газопроводов при условии минимизации аварий, обеспечивающей' эффективность функционирования газопровода и поддерживающей её не ниже допустимого уровня. Для решения таких задач необходимо применять методы экономико-математического моделирования и использовать современные инструментальные средства.

С учетом указанной специфики* функционирования системы газоснабжения при выборе стратегии планирования капитальных ремонтов и реконструкции возникают задачи:

• по выявлению в системе элементов, находящихся в! наихудшем техническом состоянии в сочетании с наиболее тяжелыми' условиями эксплуатации;

• анализу допустимости остановок перекачки газа и прогнозирования возможности возникновения аварийных ситуаций;

• планированию мероприятий по ремонту и реконструкции.

Первую задачу принято решать методами* диагностики. В большинстве случаев диагностическая информация состоит из большого объёма данных, но является не полной, так как некоторые дефекты, находящиеся на трубопроводе, не выявляются. Вместе с тем даже при наличии исчерпывающих диагностических сведений о техническом состоянии трубопровода для полноценного прогноза аварийности требуется знание важности элементов в системе, условий их работы, возможных изменений техногенной обстановки и окружающей среды. Это требует, как показали исследования, применения современных экспертно-аналитических моделей и методов.

Немаловажным аргументом в пользу экспертно-аналитических методов является то, что затраты на аналитическую работу по обобщению имеющихся сведений о техническом состоянии объекта с применением той или иной экспертной системы несравнимо ниже по сравнению с затратами на практическую диагностику. Следует также учесть, что в настоящее время ведется целенаправленный мониторинг технического состояния опасных производственных объектов. Организованы электронные базы, в которых ведется сбор большого объема, данных по различным технико технологическим и природно-климатическим факторам, авариям, инцидентам и другим обстоятельствам, сопутствующим эксплуатации трубопроводов. Поэтому разработка эффективных моделей и методов и необходимых инструментальных средств обработки больших объёмов такой-информации и её дальнейшее использование для прогнозирования-аварийности и планирования ремонтов* - актуальная задача для систем магистральных газопроводов большого диаметра.

Большой вклад в исследование проблем обработки больших объёмов информации, прогнозирования аварийности, а также управления своевременным ремонтом трубопроводов внесли видные российские ученые, такие как В. В. Харионовский, Е. М. Гурленов, И. И. Вилиюлин, З. Т. Галлиулин, М. В. Лисанов, Т. С. Есиев, Н. И. Федунец, В. Н. Решетников, Л. А. Бахвалов, Ф. Г. Тухбатуллин, В. Д. Шапиро, Чувильдеев В. Н. и др.

Цельданного научного исследованиязаключается, в разработке комплексной методики прогнозирования технического состояния ос газопроводов, позволяющей определить не только аварийноопасные участки, но и возможные причины, и количество аварий.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• анализ и исследование проблем технического состояния^ и возникающих дефектов линейной части газопроводов;

• разработка метода идентификации труб и дефектов, эксплуатирующегося газопровода и расчёта их основных технических характеристик по результатам внутритрубных диагностических обследований;

• выявление фактороввлияющих на развитие дефектов и возникновение аварий;

• исследование структуры взаимосвязей между различными: факторами, влияющими нашозникновение аварий;

• разработкамодели прогнозирования-типа аварийс учетом влиянияприродно-техногенных факторов и взаимосвязей между ними;

• разработка модели прогнозирования количества аварий на крупных элементах газотранспортной системы;

• разработка комплекснойметодики прогнозирования технического состояния и аварийности газопроводов, включающей в себя независимые модели прогноза;

• разработка инструментальных средств обработки^ эксплуатационных данных газопроводаи прогнозирования? технического состояния элементовгазотранспортнойсистемы.

Идеяработы заключается в определении значимых природно-технологических факторов, анализе степени их влиянияна техническое состояние газопроводовсистемных связеймежду ними * и использовании результатов обработки больших объёмов ретроспективных данных об авариях, а также текущих сведений об условиях функционирования г трубопроводов, что впервые позволит осуществить прогноз типа и числа аварий газопроводов.

Основные научные положения, разработанные соискателем, и их новизна:

1. Разработан* метод обработки эксплуатационных данных, позволяющий впервые рассчитывать и анализировать технические характеристики труб газопроводов и возникающих на них дефектов по результатам внутритрубных диагностических обследований.

2. Выявлен ряд природно-климатических, технико-технологических и организационных факторов, оказывающих значимое влияние на развитие аварий, которые до настоящего времени не принимались во внимание при формировании прогнозов.

3. Разработана модель распознавания причины аварии по факторам, сопутствующим эксплуатации трубопровода.

4. Получены математические выражения позволяющие прогнозировать общее количество аварий на крупных фрагментах газотранспортной системы.

5. Разработана комплексная методика обработки эксплуатационных данных, включающая новые модели и методы, учитывающие особенности конкретных трубопроводов, и позволяющая в отличие от существующих определять не только аварийноопасные участки, но и прогнозировать возможные причины и количество аварий.

6. Разработаны инструментальные средства прогнозирования технического состояния газопроводов большого диаметра, позволяющие повысить точность прогноза на основе параметров природно-техногенных факторов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается корректным использованием методов статистического анализа, теории многофакторной оптимизации, теории распознавания образов, численного анализа, компьютерного моделирования, теории восстановления, а также положительными результатами экспериментального моделирования разработанного пакета прикладных программ и внедрением его на ряде газотранспортных предприятий России и зарубежья.

Научная значимость диссертации состоит в разработке новой методики обработки эксплуатационных данных трубопроводов, полученных в результате мониторинга, внутритрубной дефектоскопии и ретроспективных сведений об авариях, позволяющей впервые комплексно анализировать динамику влияния совокупности наблюдаемых факторов, а также прогнозировать аварийность с учетом выявленных природно-техногенных факторов, не учитывавшихся ранее.

Практическая значимость диссертации заключается в создании методики позволяющей, определить как в краткосрочной, так и в среднесрочной перспективе, участки газопровода для обследования и ремонта, что позволяет предотвратить, аварии, связанные с развитием дефектов, и планировать затраты на капитальный ремонт.

Реализация. и внедрение результатов. Разработанный 111 111 «Безопасный газопровод» применяется для" прогнозирования технического состояния трубопровоов «Ухта-Торжок», «Пунга — УхтаГрязовец» и др.

Разработанные модели и методы обработки данных используютсяв учебном процессе дляподготовки специалистов и магистров по направлению 230 100 «Информатика и вычислительная техника» специальности 230 102 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» МГГУ, включены в разделы дисциплин «Методы оптимизации» и «Компьютерные системы поддержки принятия решений» по направлению 230 100 «Информатика и вычислительная техника».

Апробация, работы: Основные результаты диссертации и ее отдельные положения докладывались на семинарах кафедры АСУ МГТУ, международных симпозиумах «Неделя горняка» (2007 — 2010 гг., Москва) и отраслевых конференциях ОАО «Газпром».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научные работы и получено одно свидетельство № 2 010 620 553 о регистрации базы данных «Единый реестр по декларациям промышленной безопасности опасных производственных объектов и паспортам безопасности опасных объектов ОАО «Газпром».

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 68 наименований, содержит 32 таблицы и 52 рисунка.

Выводы по ГЛАВЕ 4.

1. Разработан пакет прикладных программ «Безопасный газопровод», реализующий новую методику обработки и анализа эксплуатационных данных и прогнозированию технического состояния магистральных газопроводов. Разработанный пакет принят в эксплуатацию ООО НТЦ «Транскор-К» в рамках внедрения «Комплексной программы диагностирования и прогнозирования технического состояния газотранспортных систем». Кроме того разработанные модели и методы использованы при разработке 2 стандартов организаций ООО Севергазпром" и ООО «Каспийгазпром — «Комплексная оценка технического состояния магистральных газопроводов».

2. Проведённое моделирование работы 111 111 «Безопасный газопровод» доказало работоспособность разработанных моделей, методов и алгоритмов анализа эксплуатационной и ретроспективной информации о магистральных газопроводах и прогнозирования их технического состояния.

3. Результаты моделирования выявили, что получаемый прогноз совпадает с реальными показателями аварийности, с ошибкой прогноза не более 15% от фактической ситуации, что является весьма хорошим результатом для таких пространственно распределённых и технологически сложных объектов, как магистральные газопроводы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе содержится теоретическое и практическое решение актуальной научной задачи разработки новой методики обработки ретроспективных данных об авариях и текущих сведений о газопроводе, с целью контроля и прогнозирования технического состояния магистральных газопроводов, что вносит существенный вклад в исследование системных связей и закономерностей функционирования газотранспортных систем и методов обработки больших объёмов информации.

Основные научные и практические выводы, полученные автором в ходе выполнения’работы:

1. Определены технико-технологические, природно-климатические и организационные факторы, оказывающие существенное влияние на развитие дефектов трубопроводов и возникновение аварийных ситуаций, которые до настоящего времени не принимались во внимание при формировании прогноза технического состояния магистральных газопроводов.

2. Разработан метод и сформулированы математические выражения, позволяющие впервые определить степень влияния различных групп факторов на-развитие различных типов аварий.

3. Разработаны математические модели и алгоритмы прогнозирования типа и количества аварий газопроводов, которые в отличие от существующих позволяют прогнозировать количество и типы аварий не только для участков трубопровода, но и для всего магистрального газопровода в границах газотранспортного предприятия в целом.

4. Разработан ППП «Безопасный газопровод», использующий современные методы теорий! восстановления, распознавания образов и* многофакторной оптимизации для обработки больших объемов* диагностических и эксплуатационных данных, а также графические и мультимедийные технологии для визуализации полученных результатов.

На основании полученных результатов разработано 2 стандарта организаций — «Комплексная оценка технического состояния магистральных газопроводов ООО «Каспийгазпром» и «Комплексная оценка технического состояния магистральных газопроводов ООО «Севергазпром», а также Комплексная программа диагностирования и прогнозирования технического состояния газотранспортных систем научно-технического центра ООО «НТЦ «Транскор-К».