Имитационное моделирование аварийных ситуаций в гидравлических системах

А.Б. Мезенцев1, С.А. Сазонова2

^ОО Газпроектсервис, Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script

воронежский государственный архитектурно-строительный университет, Sazono-

Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script

Аннотация — Рассматривается технология информационного обеспечения гидравлической составляющей моделей надежности на основе вычислительного эксперимента. Результаты имитационных расчетов гидравлических систем основаны на критериальной зависимости. Прогноз потерь производственной мощности опирается только на данные анализа потокораспределения системы в невозмущенном состоянии.

Ключевые слова — Гидравлические системы, имитационное моделирование, резервирование, надежность, аварии, вычислительный эксперимент.

Аппарат функционального эквивалентирования [1] может быть эффективно использован для решения широкого круга задач управления развитием и эксплуатации гидравлических систем (ГС). В их числе задачи моделирования для оценки надежности и формирование различных резервов. В основу численного эксперимента положены математические модели резервирования пропускной способности ГС из работ [1, 2, 3]. Рассмотрим результаты исследования по использованию функционального эквивалентирования в этой области.

Имитационное моделирование гидравлических расчетов предназначено для анализа установившегося потокораспределения в системе при наличии сбоя (отключения) его отдельных элементов. С математической точки зрения, их реализация - это решение системы уравнений, моделирующих погокораспреде- ление [1, 4]. Требуется обобщение исследований по данному направлению, так как отдельно взятый расчет не вызывает проблем, но и не дает полной информации, необходимой для полного представления об объекте защиты.

Задача исследования заключается в необходимости определить расчет суммарного расхода среды через питатели исследуемого фрагмента системы комплекса при транспортировке среды. В конечном итоге необходимо определить отклонение от этого значения (для возмущенного потокораспределения без учета отказавшего элемента) от его значения в начальном (невозмущенном состоянии). Полученное значение можно квалифицировать как потерю производственного потенциала объекта при аварии. Именно этот вариант и будем рассматривать в качестве гидравлического компонента модели надежности [5].

Используемое для этих целей, понятие пропускной способности («максимальная производительность объекта, достижимая при данном его состоянии и расчетных условиях функционирования» [5]) и ее утраты при авариях вряд ли можно считать комфортной. В любом случае, для распределительной системы это очевидно, поскольку без эквивалентирования абонентских подсистем (АП) расчетные условия, известные при ее определении [5], по сути, теряют всякий смысл. Дополнительно для установления пропускной способности [5] требуется решить комплекс оптимизационных задач на основе «потоковых» моделей.

В принципе, математические модели, основанные на механизме функционального эквивалентирования, не регламентируют характер отказов, т. е. количество и расположение отказавших элементов может быть произвольным. Предположим, что в составе рассматриваемых систем имеются только два вида пассивных и активных элементов. Первый тип - это линейные участки трубопроводов, второй - устройства с индивидуальными технологическими характеристиками (резервуары, регуляторы, насосы в зависимости от назначения ГС). При имитационных расчетах, как правило, ограничиваются отказами трубопроводов, предполагая, что источники имеют абсолютную надежность [5, 6, 7]. Учитывая свойства объектов защиты и методы их восстановления можно предположить, что отказы обычно бывают независимыми друг от друга и ординарными [8]. Используемые на практике секционирование (например, газораспределительных сетей среднего и высокого уровня давления), не препятствует использованию моделей потокораспределения для имитационного моделирования.

Следует также отметить, что нет необходимости для исследуемых объектов в проведении имитационных расчетов для всех без исключения линейных элементов. Достаточно рассмотреть только те, которые входят в состав контуров, то есть для них существует структурный резерв. В этом случае, все пользователи остаются в работоспособном состоянии (т. е. подключены к системе). Имитационные расчеты для оставшихся элементов теряют смысл, так как в этом случае определение потери производственной мощности тривиально.

Для решения поставленной задачи используем результаты вычислительного эксперимента, объектом исследования в котором выбрана система газоснабжения низкого давления жилого микрорайона, изображенная на рис. 1. Ее параметры определены в результате решения задачи проектирования, то есть в соответствии с традиционной методикой, изложенной например в [1], определены диаметры трубопроводов на участках и установлено потокораспределение. Проектный вариант получен при условиях фиксирования давления в источниках 300 даПа и общего перепада давления на сеть - 120 даПа без каких-либо ограничений на используемый трубный сортамент. Был выполнен цикл имитационных расчетов по прогнозу потокораспределения при отключении каждого участка системы (за исключением тупиковых). Таким образом, в общей сложности выполнено около 70 вариантов расчетов.

Представлять результаты всех вариантов нет необходимости, поэтому для иллюстрации вычислительного эксперимента выбираем один из них с наиболее существенными последствиями. Так отказ участка {31-43} формально приводит к отказу системы в целом, поскольку при этом устанавливается режим с понижением давления более чем у 40 % потребителей ниже предельно допустимого уровня (100 даПа - ориентировочное значение избыточного давления для нормального функционирования газопотребляющих агрегатов). На рисунке заштрихованной областью на расчетной схеме объекта выделена зона, в пределах которой потребители оказываются в неработоспособном состоянии.

Идентификация отказа только по давлению в узлах присоединения АП вполне обоснована, по следующим соображениям. Исходное (расчетное) давление у наиболее удаленных потребителей (с учетом регламентированного общего (максимального) перепада на сеть в 120 даПа при проектировании) фиксировалось на уровне 180 даПа. Поэтому его падение до 100 даПа и более (то есть в 1,8 раза) приводит к соответствующей глубине дефицита целевого продукта (ЦП), поскольку гидравлическая характеристика АП принималась фиксированной. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о гораздо более существенной недоподаче в сравнении с нормативами лимитированного потребления [8]. Этот факт подтверждает, что механизм оценки потери производственной

мощности системы через суммирование номинального потребления отключаемых абонентов [8] нельзя признать приемлемым для систем с распределенной нагрузкой.

Расчетная схема с выделением зоны, в пределах которой потребители оказываются в неработоспособном состоянии

Рис. 1. Расчетная схема с выделением зоны, в пределах которой потребители оказываются в неработоспособном состоянии

Далеко не все варианты расчетов (по отключению участков) приводят к формальному отказу системы в целом. Как раз наоборот, лишь отключение некоторых участков вызывают столь глубокие последствия, что, видимо, связано с достаточно обширным структурным резервом исследуемого объекта, судя хотя бы по конфигурации расчетной схемы.

Тем не менее, рассмотренную процедуру установления потери мощности в аварийных ситуациях едва ли можно рекомендовать для практического использования. Действительно, чтобы проверить всю систему требуется повторить решение задач [2, 4] столько раз, сколько линейных элементов она содержит. А это значит, что необходимо соответствующее число раз решать систему нелинейных уравнений, размерность которой определяется суммой числа участков и общего количества энергоузлов. Даже в условиях ординарности отказов такая технология информационного обеспечения гидравлической составляющей моделей надежности сравнительно крупных систем выливается в чрезвычайно большой объем вычислений.

На основе обработки результатов вычислительного эксперимента установлено, что они сильно коррелируют между собой и их можно систематизировать в критериальной (безразмерной) форме. Так, если в качестве аргумента принять относительный расчетный расход на участке, то есть отношение Qj к общему расходу ЦП через сеть qs (оба значения определяются для невозмущенной системы - до отключения этого участка) Q; = Qj/qs, а в качестве функции - относительную потерю производственной мощности при отказе, то есть отношение Aq = (qs — qlB)/qs, то вся совокупность расчетных данных из эксперимента группируется в окрестности достаточно монотонной кривой. Здесь подстрочный индекс (?) соответствует полному (суммарному) расходу ЦП в сети, проходящему через питатели, а надстрочный индекс «ав» - относится к аварийному режиму - после отключения элемента).

Полученный результат приобретает интерес в том смысле, что появляется возможность прогноза потерь производственной мощности практически без дополнительных вычислений, опираясь только на данные анализа потокораспределения системы в невозмущенном состоянии. Однако ценность его пока относительно невысокая, поскольку корреляция между определяющим Q; и определяемым Aq критериями установлена на основе обработки сведений только по одному объекту.

Рассмотренная задача может быть усложнена при наличии в системе утечек не только аварийного происхождения, но и так называемых несанкционированных отборов, как показано в работах [1, 9]. Для реализации задачи диагностики утечек также потребуется реализация задачи статического состояния ГС [10].

В заключении отметим, что при авариях в ГС наносится большой материальный ущерб, даже если аварии происходят в системах водоснабжения. Утечки в системах газо- , нефте-, теплоснабжения угрожают безопасности людей и могут приводить к серьезным экологическим проблемам. В таком случае требуется решать дополнительные инженерные задачи, как это показано, например, в работах [11, 12].

Литература

[1] Квасов, И. С. Анализ и параметрический синтез трубопроводных гидравлических систем на основе функционального эквивалентирования [Текст] : автореф. ...

д-ра техн. наук: 05.13.16 / И. С. Квасов. — Воронеж, 1998.-30 с.

[2] Сазонова, С. А. Транспортное резервирование систем теплоснабжения [Текст] / С. А. Сазонова // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7.-№2.-С. 99-101.

[3] Сазонова, С. А. Структурное резервирование систем теплоснабжения [Текст] / С. А. Сазонова // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. — № 12.-С. 179-183.

[4] Сазонова, С. А. Разработка модели анализа невозмущенного состояния системы теплоснабжения при установившемся потокораспределении [Текст] / С. А. Сазонова // Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах : труды Всероссийской конференции. — 2006. — С. 57-58.

[5] Сухарев, М. Г. Модели надежности магистральных трубопроводов [Текст] / М.Г. Сухарев [и др.] // Надежность систем энергетики и их оборудования : в 4 т. Т. 3. Надежность систем газо- и нефтеснабжения. - М. : Недра, 1994. - С. 45-78.

[6] Николенко, С. Д. К оценке надежности пневматической опалубки [Текст] / С. Д. Николенко, В. Я. Манохин, А. С. Коптелова // Высокие технологии в экологии : труды 10-ой Международной научно-практической конференции. — 2007. — С. 188-194.

[7] Михневич, И. В. К вопросу о защитных свойствах бы- стровозводимых сооружений на основе пневмоопалубки [Текст] / И. В. Михневич, С. Д. Николенко, В. А. Попов // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы : сборник статей по материалам III всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 20 сентября 2012 года. - Воронеж, 2012. — С. 234-237.

[8] Розкин, М. Я. Распределительные системы газоснабжения [Текст] / М. Я. Розкин, В. Ф. Иродов, А. А. Нонин // Надежность систем энергетики и их оборудования : в 4 т. Т. 3. Надежность систем газо- и нефтеснабжения. - М. : Недра, 1994. -С. 90-150.

[9] Сазонова, С. А. Разработка метода дистанционного обнаружения утечек в системах газоснабжения [Текст] / С. А. Сазонова // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2011. — Т. 7. — № 11.-С. 119-121.

[10] Сазонова, С. А. Решение задачи статического оценивания систем газоснабжения [Текст] / С. А. Сазонова // Вестник Воронежского государственного технического университета.— 2011, —Т. 7. — № 11, —С. 139-141.

[11] Золотарев, В. Л. Прогнозирование влияния выбросов аварийно химически опасных веществ на людей и экологию с программной реализацией [Текст] / В. Л. Золотарев, В. Я. Манохин, С. Д. Николенко, С. А. Сазонова // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Высокие технологии. Экология. — 2015. — № 1. —С. 8-16.

[12] Манохин, В. Я. Научно-практические и методологические основы экологической безопасности технологических процессов на асфальтобетонных заводах [Текст] : автореф. ... д-ра техн. наук: 03.00.16 / В. Я. Манохин — Санкт-Петербург, 2004. - 42 с.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >