Полная версия

Главная arrow Прочие arrow Моделирование систем и процессов, 2015, вып. №2 -

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Результаты расширенного вычислительного эксперимента по оценке надежности и резервированию распределительных гидравлических систем

А.Б. Мезенцев , С.А. Сазонова

*000 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 — Рассмотрены результаты расширенного вычислительного эксперимента но оценке надежности и резервированию распределительных гидравлических систем. Полученная аппроксимационная зависимость является эмпирической. Поэтому ее построение должно выполняться индивидуально для гидравлических систем различной ведомственной принадлежности и территориально-временного уровня управления.

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

Ценность вычислительных экспериментов на основе обработки сведений только по одному объекту относительно невысока. Поэтому рассмотрим результаты расширенного вычислительного эксперимента по оценке надежности и резервированию распределительных гидравлических систем (ГС). Численный эксперимент основан на применении математических моделей для резервирования исследуемых систем из работ [1, 2, 3]. Исследования выполнены на основе применения функционального эквивалентирования

[1]. Расчетные схемы шести объектов (гидравлических систем (ГС)) представлены на рис. 1, а общие характеристики в табл. 1.

Тенденция к уменьшению масштабов исследуемых объектов обоснована тем обстоятельством, что на примере большой системы была получена высокая плотность данных в окрестности малых значений определяющего критерия, поскольку на абсолютном большинстве участков расходы малы в сравнении с производственной мощностью сети в целом. Исключения здесь составляют лишь элементы инцидентные узлам питания. При уменьшении системы соотношение между расходом целевого продукта (ЦП) на отдельном элементе и суммарным притоком через питатели стремится к единице и появляется возможность исследования всего диапазона изменения определяющего критерия. Кроме того в состав испытываемых объектов включены системы среднего давления [1].

Варианты схем гидравлических систем, для которых выполнялись расчеты по имитации аварийных ситуаций при построении аппроксимирующей кривой недонодачи ЦП

Рис. 1. Варианты схем гидравлических систем, для которых выполнялись расчеты по имитации аварийных ситуаций при построении аппроксимирующей кривой недонодачи ЦП

Результаты эксперимента подтвердили взаимосвязь между критериями, позволили более равномерно исследовать диапазон изменения аргумента и довести число опытных данных до 80 точек. Их совместная обработка методом наименьших квадратов приводит к следующей аппроксимационной зависимости

Таблица 1

№ варианта системы

Число

участков

РЗ

(N)

Число

узлов

РЗ

(т)

Число колец РЗ (г)

Число

ИСТОЧ

точ-

ни-

ков

РЗ (е)

Ступень

давления

1

90

72

19

2

низкая

2

30

29

2

2

средняя

3

14

11

4

2

низкая

4

13

10

4

1

низкая

5

9

6

4

1

средняя

6

5

4

2

1

средняя

7

3

3

1

1

средняя

где Qj - расход среды на участках; Q4 = Qi/qs; qs - общий расход ЦП через сеть.

Общие сведения по исследуемым системам газоснабжения

Аргумент и функция в уравнении (1) выражаются в процентах. Среднеквадратическая погрешность аппроксимации составила 3,392 %. На рис. 2 представлено графическое изображение полученной зависимости и нанесены исходные (экспериментальные) данные, используемые для ее построения [1]. Построенный график будем называть «кривой недоподачи ЦП» [1] содержит большой объем полезной информации, на котором следует остановиться подробнее.

Обобщение вычислительного эксперимента но прогнозу величины недоподачи ЦП при отказах структурных элементов систем газоснабжения ось абсцисс

Рис. 2. Обобщение вычислительного эксперимента но прогнозу величины недоподачи ЦП при отказах структурных элементов систем газоснабжения ось абсцисс: Q=Qi/Qo - относительная величина расчетного расхода участка i; ось ординат R = (Q0 - QO / Qo - величина ущерба потребления; Q0 - суммарное потребление на расчетном режиме; Qx - тоже при отключении участка

По своей сути - это кривая прогноза, поскольку по оси абсцисс откладывается информация до отказа участка, а по оси ординат - последствия отказа. Критериальная форма параметров свидетельствует о ее обобщающем характере. Функция и аргумент в данном случае названы критериями условно лишь по причине того, что они безразмерны. Естественно, что никакого определенного физического смысла они не несут.

Кривая строго проходит через две крайние точки диапазона изменения определяющего критерия (0,0) и (100,100%), что логически вполне обосновано. Если расход через участок стремится к нулю, то его аварийное отключение не повлияет на производственную мощность системы. В противном случае, когда относительный расход стремится к единице, участок практически не имеет резерва и его отключение эквивалентно отказу системы.

Соединив две крайние точки, прямой получим линию, отображающую реакцию системы на аварийное отключение элемента, у которого полностью отсутствует резерв. То есть, если отключить единственную связь потребителя с источниками, получаем потерю производственной мощности адекватную его номинальному потреблению, что как раз согласуется с механизмом ее оценки, изложенным в [4]. Будем называть прямую (0,0)-(100,100) - характеристикой нерезервированной системы, а сами точки - опорными.

Точки на самой кривой характеризуют средневзвешенный резерв производственной мощности, полученный только за счет кольцевой структуры системы. Ее нелинейный характер обусловлен нелинейностью ГС и отражает неравнозначную реакцию потребителей на отказ элементов. По мере роста расчетного расхода через элемент все труднее обеспечить его резервирование только за счет кольцевания и чем больше таких элементов, тем больше оснований применять комбинированное резервирование, то есть помимо кольцевания использовать, например, увеличение числа питателей, увеличение диаметров линий и т.д.

Из рис. 2 видно, что опытные данные размещаются не только в окрестности кривой, но и относительно равномерно заполняют поле между ней и характеристикой нерезервированной системы. Их смещение «вверх» для конкретного объекта показывает ухудшение качества резервирования и наоборот. Поскольку в испытаниях участвовали проектные варианты систем, полученные без каких-либо целенаправленных мероприятий по резервированию, то «самопроизвольный» резерв возникает только за счет процедуры перехода на стандартные диаметры труб, сопровождаемой их увеличением.

Обратим теперь внимание на величину среднеквадратического отклонения. Полученное значение можно признать удовлетворительным для инженерных расчетов. Между тем аргументировать его только случайным выбором диаметра недостаточно убедительно, поскольку остальные факторы, касающиеся погрешностей вычислительных процедур можно не учитывать. Вероятнее всего, одного параметра для более качественного описания результатов численного эксперимента недостаточно. Установить второй параметр оказывается весьма трудоемкой задачей, и для него потребуются дополнительные исследования и эксперименты. Однако на основе проведенных вычислений есть основания полагать, что его целесообразно искать среди геометрических (или топологических) свойств объектов.

Аппроксимационная зависимость (1) может найти широкое применение на практике. Прежде всего здесь речь идет о нахождении величины Кн (коэффициента надежности), являющегося наиболее информативным и общепризнанным показателем. Покажем это на примере соотношения, приведенного для его вычисления в работе [4]. Выбор сделан исходя из того, что в данной работе исследовались именно распределительные системы. Итак для вычисления коэффициента надежности Кн рекомендуется использовать соотношение

где j - номер эквивалентируемой зоны сети; N - общее число эквивалентированных зон; AQj - недопо- дача газа j-ой эквивалентной зоне в аварийной ситуации; o)j - параметр потока отказов j-ой эквивалентной зоны.

Определение Кн на основе (2) сопряжено с единственной проблемой - определением потери производственной мощности AQj в условиях аварии. Именно для этого вводится понятие эквивалентируемой зоны, под которой подразумевается фрагмент ГС, в пределах которого авария любого элемента, вызывает отключение всего комплекса присоединенных к нему потребителей. Тогда сумма их номинальных нагрузок и составляет искомую потерю производственной мощности объекта.

Критериальное уравнение (1) позволяет вообще отказаться от понятия эквивалентируемой зоны, поскольку на ее основе потеря производственной мощности определяется тривиально. Суммирование в (2) по параметру j сохраняется, но в данном случае он должен выражать не число эквивалентируемых зон, а количество возможных аварийных ситуаций. Используемое на практике секционирование распределительных систем не вносит, равно как и условие ординарности, отказов элементов не вносит принципиальных изменений в процедуру вычислений.

Для кривой (1) известны аналоги, в частности, авторы [5] не разделяют гидравлическую и вероятностную составляющие Кн аппроксимируя непосредственно его значение, а точнее величину ?=1- Кн. Для этого выбирались характерные варианты проектирования магистральных трубопроводов с конкретизацией рабочего давления, диаметров труб и аппаратурного оформления (тип нагнетателя, номинальная степень сжатия, мощность газоперекачивающих агрегатов и т.д.). В расчетах также учитывался характер остановки агрегатов (аварийный или профилактический ремонт, либо планово-предупредительные работы). Установлено, что величину е удобнее представлять в виде суммы двух составляющих (?=?i+e2) первая из которых обусловлена потерями пропускной способности из-за отказов линейных элементов, а вторая - компрессорных станций. Рассматривался вариант и мультипликативного представления (?=?i+?2), но он признан более сложным. Составляющая ?j оказывается пропорциональной длине газопровода L, удельному значению параметра потока отказов со и среднему времени восстановления тв то есть ?1=cotbL/(365X24). Составляющая ?2 зависит от технологической схемы газопровода и агрегатного резерва на компрессорных станциях.

Безусловно в рассмотренном подходе определения зависимости Кн присутствует специфика его применения к магистральным системам. Тем не менее, примечателен факт влияния геометрических характеристик объектов, который просматривается и для распределительных систем. Естественно, что наибольшие трудности связаны с учетом технологического оборудования, преодолеть которые, судя по [5] можно посредством представления Кн в виде номограмм различной конфигурации.

Преимущества предлагаемого подхода к аппроксимации Кн заключаются в разграничении гидравлической и вероятностной составляющих, а также в использовании критериальной формы самой функции и аргумента. Между тем исследования здесь должны быть направлены на обобщение накопленного опыта (пусть даже для систем различной ориентации и ведомственной принадлежности).

В заключение отметим, что предложенный подход базируется на применении энергетического эквива- лентирования ГС [1]. При реализации задачи резервирования необходимо использовать модели потоко- распределения [1, 6]. Дополнительная задача - диагностика утечек может быть решена для ГС с помощью работ [1, 7] на основе применения статического оценивания состояния [8].

Так же, при решении поставленной задачи в случае возникновения аварий на объектах исследования - системах газо-, нефте-, водо- и теплоснабжения, потребуется решать целый ряд дополнительных инженерных задач по надежности [9], безопасности [10], и экологии [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] Розкин, М. Я. Распределительные системы газоснабжения [Текст] / М. Я. Розкин, В. Ф. Иродов, А. А. Ионии // Надежность систем энергетики и их оборудования : в 4 т. Т. 3. Надежность систем газо- и нефтеснаб- жения. - М. : Недра, 1994. - С. 90-150.

[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] 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.

[7] 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.

[8] 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.

[9] 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.

[10] Колотушкин, В. В. Безопасность жизнедеятельности при эксплуатации зданий и сооружений [Текст] : учеб, пособ. / В. В. Колотушкин, С. Д. Николенко. - Воронеж : ВГАСУ, 2009.- 192 с.

[ 11 ] Золотарев, В. Л. Прогнозирование влияния выбросов аварийно химически опасных веществ на людей и экологию с прграммной 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, М. В. Экологическая оценка технологий переработки ТБО [Текст] / М. В. Манохин, В. Я. Манохин, А. В. Попов // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. -2014. -№4(13). -С. 76-80.

УДК 81.00.00 DOI: 10.12737/13439

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>