Полная версия

Главная arrow Прочие

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Методы обоснования резервов при проектировании гидравлических систем

С.А. Сазонова , А.Б. Мезенцев"

'Воронежский государственный архитектурно-строительный университет,

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

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

Аннотация — В статье рассматриваются методы обоснования резервов при проектировании гидравлических систем и анализ функционирования в аварийных режимах. Методы обоснования резервов для декомпозиции задач проектирования базируются на двух подходах, один из которых является чисто «феноменологическим», а второй можно назвать «статистическим».

Ключевые слова — Гидравлические системы, резервирование, надежность, аварии, проектирование.

Обсудим методы обоснования резервов при проектировании гидравлических систем (ГС). Составной частью этих методов должен стать анализ функционирования системы в аварийных режимах. Основные трудности этих исследований состоят в том, что функционирование ГС описывается случайным нестационарным многомерным процессом, который в задачах синтеза надежности (то есть оптимального резервирования должен рассматриваться как управляемый случайный процесс [1].

В настоящее время по данному направлению применяются два подхода, один из которых является чисто «феноменологическим», а второй содержит элементы вероятностного анализа и поэтому его можно назвать «статистическим». Предлагаемые названия хотя и условны, но в то же время достаточно объективно отражают их сущность.

Статистический подход базируется на том, что различные стороны функционирования ГС отражаются в математических моделях, основой которых является построение потока в расчетной сети. Частично эти особенности можно учесть, задавая специальным образом структуру сети и параметры дуг. Но иногда приходится видоизменять не только сеть, но и ограничения или критерии выбора потока. Семейство таких моделей называется «потоковыми» моделями и порождается несколькими, хорошо изученными стандартными задачами, к которым относятся, в частности, задачи о максимальном потоке, о потоке минимальной стоимости и о максимальном потоке минимальной стоимости [2].

Оценка надежности функционирования трубопроводных систем предусматривает построение вероятностных распределений векторов- потоков в сетях, соответствующих множеству возможных состояний этих сетей. Эти состояния возникают в результате: колебаний спроса у потребителей и поставок целевого продукта (ЦП) в сеть; отказов элементов, а также восстановлений их мощности при ликвидации последствий отказов. Вектор-поток в сети для данного состояния принято называть режимом. Значительное сокращение объема вычислений при статистическом подходе достигается за счет идеи проводить анализ не состояний системы, а ее режимов, и в дальнейшем только их базисов.

Вычислительная процедура построения распределений (а, следовательно, и сам метод) включает следующие этапы [3]:

  • - формирование вероятностных моделей случайных процессов изменения состояния объектов и системы во времени;
  • - формирование модели для расчета режима функционирования системы (то есть производительности всех объектов) при авариях;
  • - исследование устойчивости режимов на множестве состояний системы и выделение на этой основе представительной ограниченной совокупности стационарных режимов;
  • - имитация поведения системы на множестве непросмотренных состояний по методу статистических испытаний (Монте-Карло).

В результате их выполнения устанавливаются ряды стационарного распределения производительности объектов и показатели использования производственной мощности. Далее определяются объемные показатели функционирования системы на плановом интервале времени.

Феноменологический подход основан на всестороннем анализе путей снабжения одного или группы потребителей, под которыми подразумевается последовательность линейных элементов, доставляющих транспортируемую среду в данную точку [4]. Вероятность Rj безотказного снабжения узла j вычисляется через надежности путей его снабжения от источников или от резервированной (закольцованной) части системы. Для пути ftj, состоящего из к элементов,

применяются и более сложные зависимости для подсчета вероятности безотказного снабжения, учитывающие особенности конкретных ГС, например, степень секционирования, температурный режим, параметры наружного воздуха и т.д.

В рамках этого подхода требуется знать фактическую картину путей снабжения, то есть потокорас- пределение в системе, а в конечном итоге необходимо выполнить анализ аварийных режимов работы ГС. Его результаты (расчетные значения Rj) сопоставляются с нормативными и устанавливается перечень потребителей требующий разработки мероприятий по резервированию. Таким образом цель оптимального синтеза с учетом надежности состоит в поиске мероприятий по резервированию, требующих минимальных затрат для обеспечения нормативного уровня надежности (хотя возможна постановка и двойственной задачи).

Из вышеизложенного видно, что основой обоих подходов являются имитационные расчеты анализа возможных аварийных состояний исследуемого объекта при отказах отдельных элементов. В статистическом подходе удается сократить объем вычислений, поскольку применяются выборочные испытания и обосновывается представительность этих выборок. Очевидно и то, что феноменологический подход перегружен в плане объема вычислений, поскольку приходится выделять пути снабжения для отдельно взятого потребителя в каждом конкретном варианте отказа. К сожалению, детальное сопоставление рассматриваемых подходов выполнить невозможно, так как их апробация проводилась на системах различного класса. Например, в [3] статистический подход реализован применительно к магистральным трубопроводам, что касается феноменологического подхода, то в большинстве работ, например в [4], авторы ограничиваются лишь постановкой задачи.

Между тем по алгоритмам реализации обоих подходов не сложно установить, что гидравлические испытания аварийных режимов (то есть анализ погокораспределения при отключении отказавшего элемента) выполняются без учета гидравлики потребителей. Для магистральных систем, у которых потребителями считаются распределительные ГС такое допущение, казалось бы, правомерно, поскольку граничные условия в узлах их присоединения (через регулирующие устройства с заданными характеристиками) можно считать известными, (ГУ второго рода [5]) и то только в пределах характеристики регулятора.

Для распределительных ГС, как известно абонентские подсистемы (АП) могут подключаться без каких-либо регуляторов. В этом случае анализ аварийных ситуаций без учета трубопроводов АП, строго говоря, некорректен. Рассмотрим причину отмеченного обстоятельства подробнее.

Для этого будем придерживаться традиционной декомпозиции задачи проектирования, которая (согласно [4]) включает два основных этапа. Целью первого является оптимальный синтез (по критериям экономичности) структуры системы, метрических параметров ее элементов и аппаратурного оформления. На втором этапе уже для конкретного варианта формируются мероприятия по резервированию с целью обеспечения требуемого уровня надежности [6, 7, 8]. Расчет абонентских подсистем и их привязка к распределительной сети обычно считается второстепенной задачей, не имеющей отношения ни к первому, ни ко второму этапу задачи проектирования. Иными словами полагается, что структура и состав АП могут быть получены автономно и уже после того, как будет спроектирована сама распределительная система. С такой декомпозицией задачи проектирования нельзя согласиться.

Очевидно, что гидравлическое сопротивление АП для реального потребителя имеет вполне конкретное значение, изменяющееся, даже при установке регулирующих устройств (для промышленных предприятий), в достаточно узком диапазоне. Для коммунально-бытовых потребителей (при отсутствии регуляторов) его практически можно считать постоянным.

Естественно, что при реализации обоих этапов в расчетной схеме фигурируют только элементы распределительной системы, а в энергоузлах (ЭУ) ее связи с АП фиксируются граничные условия (первого рода): номинальное потребление (на первом этапе) и «лимитированное» (пониженное) потребление (на втором этапе). Тем самым как бы «негласно» полагается, что АП в состоянии приспосабливаться к режимам функционирования распределительной системы (в том числе и аварийным). Таким образом, возникает конфликт между реальными возможностями и потребностью в регулирующих способностях абонентов.

Этот конфликт практически не ощутим при повышенном потенциале ЦП на входе в потребитель), поскольку увеличение гидравлического сопротивления возможно до бесконечности только за счет регулирующих устройств приборов, потребляющих ЦП. В аварийных режимах, как правило, сопровождаемых понижением потенциала, требуется уменьшение гидравлического сопротивления АП, однако их регулирующие способности (то есть резерв уменьшения сопротивления) либо крайне ограничен, либо вообще отсутствует. Таким образом, вполне вероятна ситуация, что рассчитанная автономно (уже после реализации этапа резервирования) структура АП будет обладать таким гидравлическим сопротивлением, которое не обеспечит транспортировку даже «лимитированного» объема ЦП до приборов его потребления с учетом свободного напора истечения, несмотря на то, что сама распределительная система вполне «справляется» с задачей доставки среды до узла подключения потребителя. Так, например вычислительный эксперимент проведенный в работе [9], что в некоторых случаях аварийные ситуации могут приводить к падению давления в отдельных ЭУ практически вплоть до барометрического. Так что компенсировать подобные «провалы» задаваясь условиями обеспечения даже лимитированного уровня потребления в аварийных режимах, исключительно за счет резервов распределительной системы, маловероятно и уже во всяком случае нецелесообразно с точки зрения экономичности.

Из вышеизложенного следует, что очередность выполнения этапов синтеза самой распределительной системы сохраняется, однако к процедуре резервирования можно приступать лишь после того, как будет сформирован состав АП или хотя бы найден эквивалент ее гидравлического сопротивления, значение которого должно учитываться при имитационных расчетах аварийных режимов. Последнее не сложно выполнить опираясь на принципы функционального эквивалентирования, рассмотренные в [5]. Здесь следует отметить, что формируя гидравлический эквивалент АП по параметрам еще нерезервированной распределительной системы заведомо обеспечивается его пониженное гидравлическое сопротивление, если планируется реализация нагруженного резервирования. Тогда это сопротивление будет строго обеспечивать пропуск лимитированного потока через АП в аварийном режиме, поскольку это проверяется имитационными расчетами, а требуемое его увеличение в номинальном режиме легко обеспечивается регулирующей способностью потребителя.

Рассмотренные методы обоснования резервов при проектировании гидравлических систем использованы при реализации задач резервирования в работах [10, 11]. Предложенный в этих работах научный подход базируется на применении энергетического экви- вал ентирования [5]. В качестве дополнительной задачи к имитационному моделированию аварийных ситуаций можно рассмотреть задачу диагностики утечек [12] на базе реализации задачи статического оценивания состояния [13] по результатам мониторинга технического состояния ГС.

В качестве самостоятельных задач можно рассматривать экологические [14, 15], неизбежно возникающие после возникновения аварий на объектах газо-, нефте- и теплоснабжения. Перечисленный ряд задач можно решать как комплексную задачу по предотвращению аварийных ситуаций на объектах защиты и с целью обеспечения их надежности и безопасности.

Литература

[1] 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.

[2] Васильева, Е. М. Нелинейные транспортные задачи на сетях [Текст] / Е. М. Васильева, Б. Ю. Левит, В. Н. Лившиц. - М. : Финансы и статистика, 1981. - 104 с.

[3] Ставровский, Е. Р. Проектирование, перспективное развитие и управление больших трубопроводных систем с учетом надежностных факторов [Текст] / Е. Р. Ставровский [и др.] - Надежность систем энергетики и их оборудования : в 4 т. Т. 3. Надежность систем газо- и нефтеснабжения. - М. : Недра, 1994. - С. 259-409.

[4] Меренков, А. П. Теория гидравлических цепей [Текст] / А. П. Меренков, В. Я. Хасилев. - М. : Наука, 1985. - 278 с.

[5] Квасов, И. С. Анализ и параметрический синтез трубопроводных гидравлических систем на основе функционального эквивалентирования [Текст] : автореф. дис. доктора технических наук: 05.13.16 / И. С. Квасов. - Воронеж, 1998. - 30 с.

[6] Сазонова, С. А. Надежность технических систем и техногенный риск [Текст] / С. А. Сазонова, С. А. Коло- дяжный, Е. А. Сушко. - Воронеж, 2013. - 148 с.

[7] 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 ; гл.редактор В.И. Белоусов, ответственный за выпуск В.И. Белоусов. - 2007. - С. 188-194.

[8] Николенко, С. Д. Особенности технологических схем приготовления фибробетона [Текст] / С. Д. Николенко,

А. Н. Ткаченко, Д. В. Федулов // Актуальные проблемы современного строительства : материалы Международной научно-технической конференции, (Пенза, 23- 25 апреля 2007 года) ; под общей редакцией Т. И. Барановой. - Пенза, 2007. - С. 320-323.

[9] Сазонова, С. А. Оценка надежности систем газоснабжения при проведении вычислительных экспериментов с ординарными отказами линейных элементов [Текст] / С. А. Сазонова, В. Я. Манохин // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Высокие технологии. Экология. - 2015. - № 1.-С. 138-147.

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

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

[12] 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.

[13] 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.

[14] 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.

[15] Манохин, В. Я. Эффективность улавливания гидрофобной пыли [Текст] / В. Я. Манохин, М. В. Манохин // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. - 2008. - № 1. - С.151-154.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>