Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук.
— М.: ООО «Научно-исследовательский институт экономики и
организации управления в газовой промышленности», 2015. — 181 с.
Специальность: 05.13.18 – Математическое
моделирование, численные методы и комплексы программ.
Научный руководитель: д.т.н., профессор Казак А.С.
Цель и задачи исследования: целью диссертации является разработка математического и программного обеспечения для оптимального управления и анализа трубопроводных систем в условиях недостоверности исходной информации. Достижение этой цели предполагает решение следующих задач.
Научная новизна результатов исследований:
Разработан новый метод поиска начального приближения для моделирования установившихся режимов функционирования магистральных газопроводов.
Предложено обобщение существующих методов оптимизации режимов функционирования систем магистрального транспорта газа, позволяющее проводить оптимизационные расчёты для систем произвольной структуры, в том числе разветвлённых и многоконтурных систем.
Предложена новая постановка и решение задачи о выборе оптимального режима функционирования системы магистрального транспорта газа при переходе от одного значения производительности системы к другому.
Предложен метод формализации недостоверности исходных данных по режимам и состоянию компрессорного оборудования систем магистральных газопроводов с помощью нечётких чисел.
Разработан метод расчёта пропускной способности систем магистральных газопроводов, основанный на применении методов теории нечётких множеств и методов теории графов.
Разработаны методы оптимизации установившихся режимов функционирования систем магистральных газопроводов в условиях недостоверности исходной информации по критериям минимизации общих энергозатрат и/или максимизации уровня достоверности пропускной способности.
Практическая ценность результатов:
Сформированные в настоящей работе методы математического моделирования и оптимизации режимов функционирования систем транспорта газа были успешно использованы при гидравлических расчётах проектируемых и действующих магистральных газотранспортных систем России и других стран. Указанные выше методы позволили подготовить эффективные решения по оптимизации режимов функционирования некоторых систем транспорта газа, входящих в состав ЕСГ РФ, а также позволили оценить эффективность функционирования зарубежных систем транспорта газа в условиях отсутствия полных объёмов информации об их состоянии.
Содержание
Введение
Глава 1. Состояние современных научных исследований в области математического моделирования и оптимизации режимов функционирования систем транспорта газа. обзор литературы
Общий обзор литературы
Математическое моделирование систем трубопроводов
Оптимизация структуры и режимов функционирования систем трубопроводов
Проблемы принятия решений в условиях недостоверности исходных данных
Математические модели элементов магистральных систем транспорта газа
Математические модели линейного участка магистрального газопровода
Математическое моделирование компрессорных станций
Математическое моделирование кранов и местных сопротивлений Задача определения точки росы газовой смеси
Методы математического моделирования систем газопроводов
Математическое представление структуры системы газопроводов Постановка задачи расчёта режима функционирования ГТС
Метод узловых потенциалов
Метод контурных расходов
Комбинации методов узловых потенциалов и контурных расходов
Задача оптимизации режимов функционирования трубопроводных систем
Постановка задачи оптимизации
Оптимизация ГТС линейной структуры
Оптимизация многониточной ГТС
Глава 2. Разработка алгоритмов оптимизации стационарных режимов функционирования ГТС
Алгоритм гидравлического расчёта ГТС в стационарном режиме с использованием метода контурных расходов
Алгоритм реализации метода контурных расходов в изотермическом приближении при постоянных компонентных составах
Поиск начального приближения для метода контурных расходов
Алгоритм расчёта распределения температуры и состава газа по графу ГТС
Общая итерационная процедура гидравлического расчёта
Алгоритм оптимизации режимов функционирования ГТС произвольной конфигурации
Декомпозиция графа ГТС
Оптимизация ГТС, имеющей структуру дерева
Оптимизация ГТС произвольной структуры с заданными потоками Оптимизация ГТС произвольной структуры
Результаты применения алгоритмов оптимизации для расчетов реальной ГТС
Описание структуры ГТС
Расчёт оптимального режима функционирования ГТС при различных значениях производительности системы
Расчёт зависимости суммарной мощности КС от частоты дискретизации при оптимизационном расчёте
Расчёт оптимального режима функционирования ГТС по критерию минимума переключений силового оборудования при переходе с одной производительности системы на другую
Глава 3. Моделирование и оптимизация режимов функционирования ГТС с недостоверно известными параметрами
Проблема неопределённости исходных данных
Математическое моделирование ГТС с нечёткими параметрами
Основные понятия теории нечётких множеств
Нечёткое представление параметров ГТС
Расчёт максимальной пропускной способности ГТС с нечётко заданными параметрами
Оптимизация режимов функционирования ГТС с нечётко заданными параметрами
Постановки задачи
Результаты расчётов для модельных примеров
Результаты оптимизационных расчётов реальной ГТС в условиях неопределённости исходных данных
Выводы
Глава 4. Описание программных реализаций алгоритмов математического моделирования и оптимизации стационарных режимов транспортировки природного газа по системе магистральных трубопроводов в условиях неопределённости исходных данных
Общая структура расчётного модуля
Модуль хранения схемы ГТС и расчётной информации
Модуль гидравлического расчёта элементов ГТС
Модуль расчёта свойств газовой смеси
Модуль стационарного расчёта ГТС
Модуль оптимизации ГТС
Описание модуля оптимизации
Общий алгоритм функционирования модуля оптимизации
Анализ топологии, декомпозиция графа, подготовка данных для оптимизации
Цикл оптимизации
Выводы
Основные результаты и выводы
Список литературы
Приложения
Научный руководитель: д.т.н., профессор Казак А.С.
Цель и задачи исследования: целью диссертации является разработка математического и программного обеспечения для оптимального управления и анализа трубопроводных систем в условиях недостоверности исходной информации. Достижение этой цели предполагает решение следующих задач.
Научная новизна результатов исследований:
Разработан новый метод поиска начального приближения для моделирования установившихся режимов функционирования магистральных газопроводов.
Предложено обобщение существующих методов оптимизации режимов функционирования систем магистрального транспорта газа, позволяющее проводить оптимизационные расчёты для систем произвольной структуры, в том числе разветвлённых и многоконтурных систем.
Предложена новая постановка и решение задачи о выборе оптимального режима функционирования системы магистрального транспорта газа при переходе от одного значения производительности системы к другому.
Предложен метод формализации недостоверности исходных данных по режимам и состоянию компрессорного оборудования систем магистральных газопроводов с помощью нечётких чисел.
Разработан метод расчёта пропускной способности систем магистральных газопроводов, основанный на применении методов теории нечётких множеств и методов теории графов.
Разработаны методы оптимизации установившихся режимов функционирования систем магистральных газопроводов в условиях недостоверности исходной информации по критериям минимизации общих энергозатрат и/или максимизации уровня достоверности пропускной способности.
Практическая ценность результатов:
Сформированные в настоящей работе методы математического моделирования и оптимизации режимов функционирования систем транспорта газа были успешно использованы при гидравлических расчётах проектируемых и действующих магистральных газотранспортных систем России и других стран. Указанные выше методы позволили подготовить эффективные решения по оптимизации режимов функционирования некоторых систем транспорта газа, входящих в состав ЕСГ РФ, а также позволили оценить эффективность функционирования зарубежных систем транспорта газа в условиях отсутствия полных объёмов информации об их состоянии.
Содержание
Введение
Глава 1. Состояние современных научных исследований в области математического моделирования и оптимизации режимов функционирования систем транспорта газа. обзор литературы
Общий обзор литературы
Математическое моделирование систем трубопроводов
Оптимизация структуры и режимов функционирования систем трубопроводов
Проблемы принятия решений в условиях недостоверности исходных данных
Математические модели элементов магистральных систем транспорта газа
Математические модели линейного участка магистрального газопровода
Математическое моделирование компрессорных станций
Математическое моделирование кранов и местных сопротивлений Задача определения точки росы газовой смеси
Методы математического моделирования систем газопроводов
Математическое представление структуры системы газопроводов Постановка задачи расчёта режима функционирования ГТС
Метод узловых потенциалов
Метод контурных расходов
Комбинации методов узловых потенциалов и контурных расходов
Задача оптимизации режимов функционирования трубопроводных систем
Постановка задачи оптимизации
Оптимизация ГТС линейной структуры
Оптимизация многониточной ГТС
Глава 2. Разработка алгоритмов оптимизации стационарных режимов функционирования ГТС
Алгоритм гидравлического расчёта ГТС в стационарном режиме с использованием метода контурных расходов
Алгоритм реализации метода контурных расходов в изотермическом приближении при постоянных компонентных составах
Поиск начального приближения для метода контурных расходов
Алгоритм расчёта распределения температуры и состава газа по графу ГТС
Общая итерационная процедура гидравлического расчёта
Алгоритм оптимизации режимов функционирования ГТС произвольной конфигурации
Декомпозиция графа ГТС
Оптимизация ГТС, имеющей структуру дерева
Оптимизация ГТС произвольной структуры с заданными потоками Оптимизация ГТС произвольной структуры
Результаты применения алгоритмов оптимизации для расчетов реальной ГТС
Описание структуры ГТС
Расчёт оптимального режима функционирования ГТС при различных значениях производительности системы
Расчёт зависимости суммарной мощности КС от частоты дискретизации при оптимизационном расчёте
Расчёт оптимального режима функционирования ГТС по критерию минимума переключений силового оборудования при переходе с одной производительности системы на другую
Глава 3. Моделирование и оптимизация режимов функционирования ГТС с недостоверно известными параметрами
Проблема неопределённости исходных данных
Математическое моделирование ГТС с нечёткими параметрами
Основные понятия теории нечётких множеств
Нечёткое представление параметров ГТС
Расчёт максимальной пропускной способности ГТС с нечётко заданными параметрами
Оптимизация режимов функционирования ГТС с нечётко заданными параметрами
Постановки задачи
Результаты расчётов для модельных примеров
Результаты оптимизационных расчётов реальной ГТС в условиях неопределённости исходных данных
Выводы
Глава 4. Описание программных реализаций алгоритмов математического моделирования и оптимизации стационарных режимов транспортировки природного газа по системе магистральных трубопроводов в условиях неопределённости исходных данных
Общая структура расчётного модуля
Модуль хранения схемы ГТС и расчётной информации
Модуль гидравлического расчёта элементов ГТС
Модуль расчёта свойств газовой смеси
Модуль стационарного расчёта ГТС
Модуль оптимизации ГТС
Описание модуля оптимизации
Общий алгоритм функционирования модуля оптимизации
Анализ топологии, декомпозиция графа, подготовка данных для оптимизации
Цикл оптимизации
Выводы
Основные результаты и выводы
Список литературы
Приложения