автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Методы повышения пожарной безопасности многониточных газопроводов энергетических систем с использованием газодинамических симуляторов

На правах рукописи

Бойченко Александр Леонидович

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ МНОГОНИТОЧНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ СИМУЛЯТОРОВ

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность (технические науки, отрасль энергетика)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2004

Работа выполнена в ООО «Научно-производственное объединение Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики - ВОЛГОГАЗ» (г. Саров Нижегородской области).

Научный руководитель: доктор технических наук,

старший научный сотрудник Селезнев В.Е.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Есин В.М.

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Ермолаев И. К.

Ведущая организация: Институт прикладных информационных

технологий Московского инженерно-физического института

Защита состоится « 15 » ноября 2004 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 205.002.02 в Академии государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, Москва, ул. Бориса Галушкина, д.4, зал Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС России.

Автореферат разослан «11» октября 2004 года, исх.

Отзывы на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направлять по указанному адресу.

Телефон для справок: 283-19-05

Ученый се!фетарь диссертационного совета ^

доктор технических наук, профессор ¿И-^ъ» С.В. Пузач

2005-4 13166

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Единая система газоснабжения Российской Федерации имеет более 150 тысяч километров магистральных газопроводов (МГ) и отводов, из них диаметром 1420 мм - около 50 тысяч километров, природный газ по которым транспортируется 251 компрессорной станицей с 689 компрессорными цехами общей установленной мощностью более 42 млн.' кВт. Протяженность МГ от промыслов северных районов Тюменской области до наиболее удаленных импортеров, таких как Франция и Италия, составляет более 5 тысяч километров. Все это говорит об огромных размерах и сложности единой системы газоснабжения.

Многие газопроводы высокого давления проходят по территории или в непосредственной близости от городов и населенных пунктов. Пожары, сопровождающие разрывы таких трубопроводов, угрожают, как промышленным и жилым зданиям и сооружениям, так и жизни людей.

К сожалению, только на магистральных трубопроводах с 1992 по 2001 годы произошло 545 аварий. Среднегодовой уровень аварийности составляет 50-60 аварий в год и в целом не имеет устойчивой тенденции к снижению. На фоне общего роста числа аварий возрастает и число разрывов МГ. В период с октября 2001 по февраль 2002 года на предприятиях ОАО «ГАЗПРОМ» по данным Госгортехнадзора России зарегистрировано 5 разрывов газопроводов высокого давления. Из них 4 аварии сопровождались возгоранием транспортируемого природного газа. В период с мая 20СЗ года по июнь 2004, года на МГ, транспортирующих природный газ, произошло свыше 18 аварий, из них 15 аварий сопровождались возгоранием метановоздушной смеси.

Одним из важных направлений повышения пожарной и промышленной безопасности МГ является уменьшение продолжительности и интенсивности пожара, сопровождающего разрыв на МГ энергообъектов. Продолжительность пожара напрямую связана с оперативностью обнаружения разрыва. Кроме того, от оперативности часто зависит и сама возможность локализации аварии, т.к. линейные краны, отсекающие аварийную нитку, при длительном развитии аварии могут потерять работоспособность. Проведение углубленного анализа физических процессов транспортирования газа по трубопроводным сетям промышленных энергообъектов в номинальных ре кимах и при авариях с использованием высокоточных газодинамических симуляторов (ГДС) предоставляет возможности для решения данной задачи.

Данная диссертационная работа направлена на повышение пожарной и промышленной безопасности МГ энергообъектов с применением ГДС.

Целью работы являлась разработка и обоснование новых методов и технологий, позволяющих сократить ущерб, наносимый пожарами на* магистральных газопроводах энергообъектов, за счет оперативного надежного обнаружения и локализации разрывов многониточных линейных частей магистральных газопроводов (сокращения времени подвода газа к очагу

пожара).

Объектом исследования в диссертационной работе являются причины и условия протекания пожаров в сложных протяженных газопроводных сетях для анализа пожарной и промышленной безопасности энергетических систем.

Предметом исследования являются нестационарные газодинамические процессы в сложных протяженных газопроводных сетях энергообъектов в условиях разрушения отдельных участков трубопроводов. Задачи исследования:

1) разработка метода оперативного обнаружения и локализации разрывов магистральных газопроводов энергетических систем;

2) разработка методов моделирования сложных протяженных газопроводных сетей, обеспечивающих проведение высокоточного численного анализа нестационарных газодинамических процессов в сложных газопроводных сетях в режиме реального времени.

Основными методами исследования являются численные методы механики сплошных сред и математической оптимизации.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана новая технология повышения пожарной и промышленной безопасности многониточных магистральных газопроводов энергетических систем, основанная на методе оперативного обнаружения и локализации их разрывов с использованием высокоточных газодинамических симуляторов.

2. Впервые предложен и обоснован метод моделирования крановых площадок (крановых узлов), оборудованных межниточными перемычками, для обеспечения оперативности обнаружения разрывов многониточных линейных частей магистральных газопроводов с использованием газодинамических симуляторов.

3. Разработан и научно обоснован новый метод автоматической настройки газодинамических симуляторов на реальные параметры трубопроводных сетей промышленных энергообъектов для повышения, адекватности расчетных оценок основных парамефов транспортирования газовых смесей при аварийных ситуациях.

4. С использованием разработанных методов и алгоритма получены новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о функционировании трубопроводных систем газотранспортных предприятий и энергообъектов, причинах возникновения и механизмах протекания аварий на магистральныз газопроводах:

• расчетные оценки параметров полного спектра безопасных режимов транспортирования природного газа, как через отдельные участки линейной части магистральных газопроводов и технологические трубопроводы

компрессорных станций, так и по сетям газотранспортных предприятий в целом;

• расчетные оценки параметров режимов безаварийного функционирования сетей компрессорнЬи станций газотранспортных предприятий при проведении ремонта и реконструкции;

• анализ причин возникновения и сценариев развития аварий на объектах трубопроводного транспорта.

Практическая значимость работы. Разработанный метод оперативного обнаружения разрывов многониточных магистральных газопроводов может бьггь положен в основу разрабатываемых систем, обеспечивающих пожарную и промышленную безопасность многониточных магистральных газопроводов. Методы моделирования крановых площадок, оборудованных межниточными перемычками и автоматической настройки газодинамических симуляторов на реальные параметры трубопроводных сетей промышленных энергообъектов используются для повышения точности и оперативности проведения расчетов при численном анализе нестационарных газодинамических процессов в сложных газопроводных сетях.

Достоверность изложенных в диссертации основных научных положений обеспечивается:

• использованием современных методов вычислительной газодинамики;

• результатами натурных и численных экспериментов;

• многолетней практикой успешного применения рассматриваемых в диссертации методов на реальных объектах топливно-энергетического комплекса, как в России, так и за рубежом.

На защиту выносятся:

1) технология повышения пожарной и промышленной безопасности многониточных магистральных газопроводов, основанная на методе оперативного обнаружения и локализации их разрывов с использованием высокоточных газодинамических симуляторов;

2) метод моделирования крановых площадок (крановых узлов), оборудованных межниточными перемычками, обеспечивающий оперативность обнаружения разрывов многониточных линейных частей магистральных газопроводов;

3) метод автоматической настройки газодинамических симуляторов на реальные параметры трубопроводных сетей промышленных энергообъектов повышающий адекватность расчетных оценок основных параметров транспортирования газовых смесей при номинальных режимах и аварийных ситуациях;

4) результаты, расширяющие и углубляющие представления о функционировании, причинах возникновения и механизмах протекания аварий в трубопроводных системах.

Личный вклад автора заключается:

• в разработке новой технологии применения ГДС для оперативного обнаружения и локализации разрывов многониточных магистральных газопроводов, разработке, обосновании и верификации метода оперативного обнаружения и локализации разрывов многониточных ЛЧМГ с использованием ГДС;

• в разработке, обосновании и внедрении в производственную практику метода моделирования крановых площадок (крановых узлов) линейной части магистральных газопроводов, оборудованных межниточными перемычками;

• в разработке, научном обосновании и внедрении в производственную практику метода автоматической настройки ГДС на реальные параметры конкретного газотранспортного предприятия;

• в разработке расчетных схем трубопроводных систем в ГДС для численного моделирования транспорта газа через различные газотранспортные предприятия в номинальных режимах и при авариях;

Апробация и практическая реализация результатов работы.

Вынесенные на защиту методы и технология реализованы в ряде производственных ГДС (построенных на базе программно-математического комплекса «CorNet»), предназначенных для повышения пожарной и промышленной безопасности и эффективности трубопроводных систем конкретных газотранспортных предприятий. Эти ГДС активно используются для решения практических задач, возникающих при проектировании, эксплуатации и реконструкции трубопроводных сетей газотранспортных предприятий, как в России, так и за рубежом. Так, например, на базе ПМК «CorNet» при активном участии автора диссертации была разработана комплексная компьютерная аналитическая система «AMADEUS» для обеспечения требований безопасности, экономической эффективности и экологии в международной газотранспортной компании «SPP» (Словакия).

С помощью ПМК «CorNet» установлены причины и механизмы развития свыше десяти аварий. Он успешно применялся при решении задач ОАО «ГАЗПРОМ», Минатома РФ, Госгортехнадзора РФ, Международной газотранспортной компании «SPP-DSTG» (Словакия), Сандийских национальных лабораторий (США) и др.

Внедрение результатов работы подтверждено:

• справкой о промышленном внедрении комплексной компьютерной аналитической системы «AMADEUS» в международной газотранспортной компании «SPP-DSTG» (Словакия);

• актом о промышленном внедрении технологии автоматической настройки газодинамических симуляторов и оперативного обнаружения разрывов магистральных газопроводов в ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ (г. Саров);

• актом о промышленном внедрении технологии оперативного обнаружения разрывов магистральных газопроводов в компании ООО «НПО ВНИИЭФ-

ВОЛГОГАЗ» (г. Саров); • актом о внедрении технологии оперативного обнаружения разрывов магистральных газопроводов в ООО «НПП Измерительные Технологии» (г. Саров).

Основное содержание диссертации и результаты применения предложенных в ней методов повышения пожарной безопасности многониточных газопроводов представлены и обсуждены на: Международной конференции «Complex Pipeline System 2002 (High precision gas dynamics computation)» (17 - 19 июня 2002 года, г. Смоляница, Словакия); Второй международной конференции «AMADEUS Computation System for Complex Pipeline System 2003 (High precision gas dynamics computations)» (06-09 октября 2003 года, г.Нитра и г.Смоляница, Словакия); десятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (02-03 марта 2004 года, г.Москва).

Основное содержание диссертации и результаты применения предложенных в ней методов повышения безопасности и эффективности сложных трубопроводных систем представлены и доложены на рабочих совещаниях с руководителями, учеными и ведущими специалистами ОАО «ГАЗПРОМ», ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», МЭИ (ТУ), Международной газотранспортной компании «SPP-DSTG» (Словакия), Математического института Словацкой Академии Наук.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано шесть работ, в том числе одна монография в соавторстве.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка источников из 69 наименований и 2 приложений. Содержит 143 страницы, 7 таблиц, 62 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Список используемых при изложении содержания работы сокращений: ГДС - газодинамический симулятор; ЛЧМГ - линейная часть магистрального газопровода; МГ - магистральный газопровод; ПМК -программно-математический комплекс.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована основная цель работы, описаны объект и предмет исследования, поставлены задачи, показана новизна предлагаемых методов, направленных на уменьшение ущерба, наносимого пожарами при разрывах МГ, за счет оперативного обнаружения и локализации места разрыва.

В Главе 1 на основе анализа нормативных документов показано фактическое отсутстствие в них требований, регламентирующих обнаружение разрывов. Далее проводится критический анализ существующих подходов к обнаружению мест разрывов МГ на основе рассмотрения патентов России, США, Японии, Франции, Германии (индекс F17D). Методы, основанные на

контроле состояния атмосферы в районе прохождения МГ, и методы, реагирующие на разрушения вблизи места разрыва, не позволяют определить аварийную нитку. Это делает невозможным оперативное обнаружение аварии и, как следствие, не позволяет сократить продолжительность и интенсивность пожара. Кроме того, данные методы имеют высокую стоимость реализации.

Методы, основанные на анализе газодинамических параметров течения транспортируемой среды или на фиксации различных возмущений, возникающих в потоке газа в момент разрыва, более просты в реализации и предоставляют больше информации для оперативной локализации аварии. Наиболее перспективными из них, по мнению автора диссертации, являются методы, основанные на анализе изменения давления в линейных частях магистральных газопроводов (ЛЧМГ)- Общим недостатком всех методов, связанных с измерением параметров транспортируемого газа, является зависимость их работоспособности от точности и надежности измерительной аппаратуры.

Для устранения этого недостатка и увеличения надежности оперативного обнаружения аварии предлагается использовать ГДС. Теоретической основой для построения ГДС явились работы выдающихся советских ученых И.А. Чарного, Л.Г. Лойцянского, В.В. Грачева В.В., С.Г. Щербакова, Е.И. Яковлева, В.Ф. Демьянова, В.Н. Малоземова, Б.Н. Пшеничного и других. Теоретической базой для применения ГДС при анализе пожаров стали работы основоположников математического моделирования пожаров А.М. Рыжова, Н.П. Капылова, И.Р. Хасанова, Н.Н. Брушлинского, А.Я. Корольченко и других.

Как показано В.Е. Селезневым, в общем случае ГДС включает три взаимосвязанных части:

1) расчетную схему трубопроводной сети газотранспортного предприятия;

2) базу данных, содержащую информацию о трубопроводной сети газотранспортного предприятия;

3) ПМК для численного анализа расчетных схем с использованием базы исходных и оперативных данных.

В Главе 1 проводится критический анализ возможностей существующих ПМК с точки зрения построения на их базе ГДС конкретных газотранспортных предприятий.

Анализ ПМК проводился по возможности решения ими следующих

задач:

• оперативный контроль за работой газотранспортной сети (работа нестационарной модели в режиме реального времени) с необходимой практической точностью;

• высокоточное прогнозирование динамики работы газотранспортной сети (с учетом изменения конфигурации и режимов работы агрегатов КС и работы запорно-вентильной арматуры) на период не менее 3 часов;

• имитационное моделирование различных (включая нестационарные и аварийные) вариантов управления в автономном режиме;

• оптимизация стационарных и динамических режимов транспортирования

газа;

• проведение исследовательских расчетов для анализа прочности газопроводов.

Из 14 рассмотренных ПМК всем перечисленным требованиям удовлетворяет только ПМК «СогКеЬ>. Поэтому, для решения поставленной задачи предложено использовать ГДС, построенный на базе ПМК «Сог№Ъ>.

Следует отметить, что использование подробных моделей межниточных перемычек при моделировании крановых площадок на современном уровне развития компьютерной техники не позволяет моделировать процессы транспортирования газа через газотранспортные предприятия в целом в реальном масштабе времени. Истинные значения шероховатостей, местных гидравлических сопротивлений и т.д. реальных трубопроводных систем также неизвестны. Поэтому, для качественной работы предлагаемого метода оперативного обнаружения и локализации разрывов требуется адекватная настройка указанных параметров ГДС на их реальные значения и ускорение процесса численного анализа многониточных ЛЧМГ.

В Главе 2 описывается новый метод оперативного обнаружения и локализации разрывов с использованием ГДС для повышения пожарной и промышленной безопасности МГ.

Пример распределения газодинамических параметров по длине трубопроводов при разрыве одной из ниток ЛЧМГ, рассчитанный с применением ГДС, приведен на рис. 1.

Рис.1. Пример характерных изменений газодинамических параметров при разрыве одной из ниток многониточного газопровода

Условие наличия аварийного истечения газа из разрушившейся нитки при совместном использовании результатов натурных измерений, полученных с помощью ЯСАПА-системы, и расчетных оценок параметров течения, найденных с применением ГДС в режиме реального времени, можно описать в виде выполнения следующей системы неравенств:

дх

<-ел Л

дРАи(4

дх

дРрЛЛ

дх

V

V РАи(1)<РАр(1)-АРГда"ное;

(1)

дРв"(<)

дх

А

дРви(4

дх

дРвР(4

дх

заданное

V

е1 >0,е2 >0;

где Р/ ), - измеренные значения давления транспортируемого газа в

точках А и В; - рассчитанные с использованием ГДС значения

давлений в точках А и В; е1, е2 - наперед заданные малые величины, связанные с точностью датчиков 8САЕ>А-системы. Операторы ^ и ^ означают операции булевой алгебры «И» и «ИЛИ» соответственно.

Для обнаружения разрыва МГ в трубопроводной системе газотранспортного предприятия должны быть выделены однониточные участки, для каждого из которых контролируется выполнение системы (1).

Критерий обнаружения разрыва на конкретном участке нитки ЛЧМГ:

Если при сравнении измеренных (полученных с помощью БСАБА-системы) и рассчитанных с применением ГДС значений давления газа для точек А и В рассматриваемого участка установлено, что:

1) измерительная система работает корректно и безаварийно;

2) ГДС работает корректно;

3) выполняется система неравенств (1),

то делается вывод о наличии на участке нитки ЛЧМГ между точками А и В разрыва трубопровода.

Для реализации предложенного метода необходима работа ГДС в режиме реального времени.

Для каждого выделенного однониточного участка для каждого текущего момента времени производится контроль выполнения критерия (1). Блок-схема алгоритма контроля представлена на рис.2.

Для определения величины градиента давления на концах каждого участка МГ (в районе крановых площадок, оборудованных межниточными перемычками) размещается система датчиков давления.

Рис.2. Блок-схема алгоритма реализации метода обнаружения разрывов

Например, рассмотрим топологию, представленную на рис.3. При возникновении разрыва на линии №2 (место разрыва помечено крестиком) исследовалось поведение давления при истечении газа из поврежденной нитки ЛЧМГ в точках 1,2,3 и 4. Точка №1 расположена возле задающей КС, точка №2 - на расстоянии 1км от нее. Точка №4 расположена непосредственно рядом с первой крановой площадкой (43км), точка №3 - на расстоянии 1км от нее (42км). Значком «»» на рис.3, показано направление движения газа в условиях номинального режима эксплуатации.

Графики зависимости давления от времени в течение первых 2,5 минут после разрыва в контрольных точках 1,2,3 и 4 представлены на рис.4а. Графики зависимости давления от времени для аналогичных точек линии №1 представлены на рис.4б. На рис.5, приведены зависимости перепада давления между точками 1-2 («Вход») и 3-4 («Выход»), Представленные зависимости позволяют определить требования к измерительной системе (БСЛЛА-системе) (точность датчиков, места их установки и т.д.)

Определение координаты места разрыва производится в результате анализа измеренных значений перепада давления на границах поврежденного трубопровода, например, по разнице времени прихода возмущений на противоположные концы аварийного участка.

» »

#1 Ж

» »

#0 1 г и #2 Э « * 44 #7 #ю

» #3 \ » »

» \ »

#4 \

\ и*сто рчрьнм

Рис.3. Пример топологии участка ЛЧМГ

а) б)

Рис.4. Зависимость давления от времени в рассматриваемых точках на нитке № 2 (а) и нитке № 1 (б)

■и«. С

Рис.5. Изменение перепада давления на концах участка нитки №2

Результаты численных экспериментов показали, что при нормативных режимах работы МГ при использовании датчиков давления с точностью ±0,25 атм. расстояние между датчиками, размещаемыми на концах контролируемого трубопровода, должно быть не менее 1 км. При этом время от возникновения разрыва до момента его идентификации и определения аварийной нитки составит 30+60 с. При обеспечении периода опроса датчиков в БС-АБА-системе 1 с, точность определения координаты разрыва составит 1км.

Технология определяет применение ГДС на следующих этапах:

1. Проектирование блоков определения градиентов давления. С помощью ГДС, работающего в автономном режиме, определяются места расположения датчиков давления.

2. Настройка параметров метода оперативною обнаружения разрывов трубопроводов. При проведении настройки метода на основании серий численных экспериментов с применением ГДС определяются конкретные значения еи ъ, АР^аданное и АР%айанио' для различных участков ЛЧМГ трубопроводной сети газотранспортного предприятия.

3. Проведение автоматического контроля за возможными разрывами ЛЧМГ в результате совместной эксплуатации блоков определения градиентов давления и ГДС в режиме реального времени, обеспечивающей проверку выполнения критерия возникновения разрыва.

4. Построение на базе ГДС тренажера диспетчеров для повышения квалификации персонала газотранспортного предприятия в действиях по локализации аварий.

5. Обучение персонала газотранспортного предприятия эффективным и безопасным действиям по локализации аварий.

В Главе 3 представлен и верифицирован новый метод моделирования крановых площадок (крановых узлов), оборудованных межниточными перемычками. Метод направлен на повышение скорости и сохранение точности расчета ЛЧМГ в ГДС. Этот метод, реализованный в ПМК «СогИеЬ), подразумевает использование (в зависимости от требований к точности результатов):

• композиции узлов сочленения трубопроводов для моделирования крановых площадок ЛЧМГ (при рассмотрении фубопроводной системы

^ газотранспортного предприятия);

• подробных моделей межниточных перемычек (при рассмотрении небольших 1 участков трубопроводной системы газотранспортного предприятия).

Композиция узлов сочленения трубопроводов представляет собой набор совокупностей трубопроводов, газодинамически связанных между собой (газодинамически связанными считаются трубопроводы, между которыми может происходить переток газа в пределах моделируемой крановой площадки). В каждый момент времени композиция узлов сочленения трубопроводов должна отражать состояние кранов на межниточных перемычках. Для реализации динамического построения композиции узлов

сочленения трубопроводов впервые предложен соответствующий алгоритм, в котором в качестве базовой модели узла сочленения трубопроводов используется модель, предложенная СЛ. Пряловым.

При построении, узлов сочленения трубопроводов используется предложенный автором диссертации метод моделирования закрытия линейных кранов мгновенным перекрытием проходного сечении трубопровода (так называемыми «модельными» кранами). На численных экспериментах показана область применимости метода. Данный метод верифицирован на решении тестовых и производственных задач.

Для верификации данного метода автором диссертации была проведена серия численных экспериментов на моделях реальных ЛЧМГ. В экспериментах варьировалось время полного перекрытия кранов. По результатам экспериментов максимальная разность давлений, рассчитанных для соседних крановых площадок для времени перекрытия крана Оси 120 с, составляет порядка 0,6 атм, что не превышает погрешности датчиков, применяемых в современных 8СА1)А-системах. Кроме того, максимальные отличия при использовании модели с мгновенным перекрытием зафиксированы только на ближайших крановых площадках (расположенных на расстоянии 20+25 км) в течение 3*4 мин после закрытия крана (см. рис.6).

0.2

0.1

45.7

X* * / -Л

\ '¡Чи. м»»****' »****«**» **«»*■■К»» ■11

ч И^х^хх* X

X* / х

X I

I X

/ . X

-О-КП01 —0—КП02 -Х-КП04 —I— КС02

41

(е-)

Рис.6. Разница давлений для различных крановых площадок

Работа предложенного алгоритма построения композиции узлов сочленения трубопроводов показана на примере моделирования простейшей гипотетической крановой площадки. Рассматриваемая крановая площадка представлена на рисунке 7 (цифрами обозначены номера трубопроводов).

А

1

СХ}

3

с

о

2

4

Рис. 7. Схема гипотетической крановой площадки

Если все краны на крановой площадке открыты, получаемую в результате применения предложенного метода композицию узлов сочленения визуально можно представить в виде рис.8. Если перекрыты краны С и Б, расположенные на межниточных перемычках, композиция узлов сочленения будет иметь вид , представленный на рис.9 (цифрами обозначены номера трубопроводов).

Разработанный метод позволяет моделировать динамические процессы в трубопроводной системе газотранспортного предприятия в режиме реального времени, в том числе и при операциях с кранами.

Это дает возможность получать решение для всего спектра задач по обеспечению пожарной и промышленной безопасности МГ, что подтверждается успешным применением ГДС, построенных на базе комплекса «СогЫеЬ>, в России и за рубежом.

В Главе 4 описывается предложенный впервые метод автоматической настройки газодинамических симуляторов на реальные параметры трубопроводных сетей промышленных энергообъектов для повышения адекватности расчетных оценок основных параметров транспорта газовых смесей при номинальных и аварийных режимах транспортирования природного газа. Данный метод требует формализации технологической задачи подбора обобщенных параметров газопроводов (например, шероховатостей участков труб, местные гидравлические сопротивления и т.д.) в виде постановки и решения дискретной минимаксной задачи оптимизации.

При применении метода автоматической настройки ГДС трубопроводы всех ЛЧМГ газотранспортного предприятия условно разбиваются на п отдельных участков трубопроводов. Для каждого участка по справочной

Рис. 8. Модель гипотетической крановой площадки (все краны открыты)

Рис. 9. Модель гипотетической крановой площадки (перекрыты краны С и Б)

литературе с использованием информации, содержащей трубные книги, проектную и строительную документацию, определяются стартовые значения обобщенной шероховатости стенки трубы участка ЛЧМГ.

В исследуемом периоде времени выделяются к интервалов, в течение которых транспорт газа осуществлялся в различных неустановившихся режимах, характерных для данного предприятия. При выделении временных интервалов обязательно соблюдается правило, по которому началу каждого выделенного интервала времени должен предшествовать период (пусть очень непродолжительный), соответствующий квазистационарному режиму транспорта газа на предприятии.

Рассматриваемый метод предполагает проведение математического моделирования нестационарного режима течения газа для каждого из выбранных временных интервалов с заданными значениями шероховатости участков труб.

По результатам моделирования производится вычисление функций квадрата невязок между расчетными и измеренными основными параметрами транспорта газа (как правило, в качестве такого параметра рассматривается давление транспортируемого газа по всей длине ЛЧМГ и массовый расход на выходах трубопроводной сети предприятия):

/,(Х) = , / = 1т = *хкх1, (2)

где X б 12 с Я" - вектор независимых управляемых переменных в п-мерном евклидовом пространстве Я" (в качестве управляемых переменных здесь выступают обобщенные шероховатости участков трубопроводов, на которые условно разделены все ЛЧМГ предприятия), О - непустое выпуклое множество в п-мерном евклидовом пространстве Я" (в данном случае оно описывается системой простых ограничений на управляемые переменные); Р, - давление в 1-той точке; э - количество датчиков параметров транспорта газа (датчиков давлений и датчиков расходов), установленных на всей ЛЧМГ газотранспортного предприятия.

Временные интервалы и срезы, в соответствии с применяемым методом настройки ГДС, фиксированы и не будут изменяться от расчета к расчету. Поэтому функции (2) не зависят от времени. При определении значений /

функций (2) в случае анализа режима транспорта газа методом смены квазистационарных состояний необходимо принять: 1 = 1. Здесь следует также отметить, что в описанной выше постановке задачи функции /(: Я" -> Я, ¡ = Гот, являются выпуклыми и непрерывно дифференцируемыми.

Задача автоматической настройки ГДС сводится к минимизации варьированием управляемых переменных наибольших отклонений расчетных оценок параметров транспорта газа от их фактически измеренных величин, прошедших процедуры аппаратной и математической фильтрации. Таким образом, производственная задача автоматической настройки ГДС

формализуется в виде постановки и решении классической дискретной минимаксной задачи:

В качестве стартовых величин обобщенных шероховатостей выступают их справочные значения. Расчет завершается при выполнении условия

где Сзадаш0,> 0 - заданная константа, связанная с точностью измерений датчиками параметров транспорта газа (ее значение может изменяться для каждой группы датчиков: датчиков давлений и датчиков расхода). Дополнительные критерии останова решения задачи (3) совпадают с критериями останова классических задач оптимизации.

Для решения поставленной задачи оптимизации (3) используется метод модифицированных функций Лагранжа, адаптированный для решения дискретной минимаксной задачи с простыми ограничениями. В этом случае решение задачи (3) сводится к решению следующей эквивалентной задачи общего нелинейного программирования путём введения дополнительной переменной :

В литературе доказано, что решение задачи (5) будет стационарной точкой задачи (3). При нарушении условий выпуклости функции максимума тах/,(Х) сходимость метода к локальной стационарной точке не гарантируется.

Для решения задачи (5) используются методы условной нелинейной оптимизации. Предложенный метод реализован в ПМК «Сог№Ь>.

В Главе 5 приводятся примеры практического применения предложенных в диссертации методов, реализованных ПМК «СогКеЬ>. Построенные на базе ПМК «СогИеЬ> газодинамические симуляторы применялись при решении следующих задач:

• моделирование стационарных режимов работы газотранспортных предприятий;

• моделирование нестационарных режимов работы газотранспортных предприятий;

• анализ вариантов реконструкции трубопроводной сети и разработка алгоритмов ремонта или замены дефектных участков трубопроводов;

• анализ механизма возникновения и сценариев развития аварии на МГ.

Моделировались режимы транспорта газа по газотранспортной сети,

ггщх/(Х) -> тт, ХеПсй

(3)

тш/,(Х)<СмЛто,

М,ж

(4)

представляющей собой 4 КС, последовательно соединенные участками ЛЧМГ суммарной длиной 450км.

При моделировании стационарных режимов полученное отличие рассчитанных и измеренных значений давления представлено в таблице 1.

Таблица 1

Отличие результатов расчета от показаний датчиков вСАОА-системы по •

давлению на выходе КС, МПа

Дата КС1 КС2 КСЗ КС4

МПа % МПа % МПа % МПа %

27/03/03 0,03 0,42 0,01 0,14 0,05 0,71 0,05 0,71

19/06/03 0,06 0,86 0,02 0,29 0,06 0,86 0,06 0,86

12/12/03 0,04 0,61 0,04 0,61 0,06 0,86 0,05 0,71

В качестве демонстрации точности моделирования нестационарных режимов приведем пример сравнения расчетных и измеренных значений массовых расходов в районе КС01 при наличии существенных динамических

Рис.10. Сравнение массовых расходов в районе КС01

Предложенные в диссертации методы, реализованные в высокоточных ГДС, построенных на базе программно-математического комплекса «Сог№ь>, позволили провести все расчеты, приведенные в качестве примеров, с необходимой точностью и в сжатые сроки. Полученные результаты позволили установить причины и механизмы развития аварий на МГ, обосновать безопасные режимы работы МГ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана новая технология повышения пожарной и промышленной безопасности эксплуатации газопроводных сетей промышленных энергообъектов, основанная на методе обнаружения и локализации аварийных разрывов многониточных трубопроводов с использованием высокоточных газодинамических симуляторов транспортирования газов по трубопроводным системам.

2. Предложен и верифицирован на тестовых и производственных задачах критерий наличия аварийного истечения газа из разрушившейся нитки.

3. Разработан и верифицирован на тестовых и производственных задачах метод моделирования крановых площадок (крановых узлов), оборудованных межниточными перемычками, для обеспечения оперативности обнаружения разрывов многониточных линейных частей магистральных газопроводов с использованием газодинамических симуляторов.

4. Разработан, научно обоснован и верифицирован на тестовых производственных задачах метод автоматической настройки газодинамических симуляторов на реальные параметры трубопроводных сетей промышленных энергообъектов для повышения адекватности расчетных оценок основных параметров транспортирования газовых смесей в номинальных режимах и при аварийных ситуациях, включая пожары на магистральных газопроводах.

5. С помощью разработанных методов получены новые результаты:

• по расчетным оценкам параметров безопасных динамических режимов транспорта природного газа по сетям газотранспортных предприятий;

• по оценкам возможности реконструкции объектов трубопроводных систем;

• по сценариям развития аварий на магистральных газопроводах.

Полученные результаты расширяют и углубляют представления о функционировании трубопроводных систем газотранспортных предприятий.

6. По результатам численных экспериментов определены рекомендации по разработке системы автоматического обнаружения разрывов для конкретных ЛЧМГ. При использовании датчиков давления с точностью ±0,25атм расстояние между датчиками, размещаемыми на концах контролируемого трубопровода, должно составлять не менее 1 км. При этом время от возникновения разрыва до момента его идентификации и определения аварийной нитки составит ЗО+бОс.

Результаты диссертационной работы изложены в следующих основных публикациях:

20 gi 1 8 3 3 4

2005-4

1.) Численный анализ и оптимизация газодинамических --

транспорта природного газа. / Селезнев В.Е., Бойченко A.JL, Пряло 1 1 1 £ др. // Под ред. В.Е. Селезнева. - М.: Едиториал УРСС, 2003. - 224 с. А J 1

2.) Бойченко АЛ., Селезнев В.Е. Об одном из методов обнаружения и-локализации разрывов магистральных газопроводов с использованием компьютерных газодинамических симуляторов. // Безопасность труда в промышленности, №6,2004. - С.29-32.

3.) Бойченко А.Л., Селезнев В.Е., Киселев В.В. О точности моделирования газотранспортных сетей с помощью программного комплекса AMADEUS. // Сборник научных трудов Международной конференции «Complex Pipeline System 2002 (High precision gas dynamics computation)» 17-19 июня 2002 года, Словакия, Часть 1. / Под ред. В.Е. Селезнева. - М.: I 'здательство Барс, 2002. -С.59-67.

4.) Бойченко А.Л., Селезнев В.Е. Метод локализации разрывов многониточной ЛЧМГ с применением автоматической настройки ГДС на реальные параметры трубопроводной сети. // Сборник научных трудов Второй международной конференции «AMADEUS Computation System for Complex Pipeline System 2003 (High precision gas dynamics computations)» (06-09 октября 2003 года, г.Нитра и г.Смоляница, Словакия). Том 1. / Под ред. В.Е. Селезнева.

- М.: Издательство Барс, 2003. - С.40-47.

5.) Практический анализ и оптимизация транспорта газа через газотранспортное предприятие с помощью компьютерного симулятора на базе программно-математического комплекса «AMADEUS». / Селезнев В.Е., Бойченко А.Л., П. Биллик и др. // Сборник научных трудов Второй международной конференции «AMADEUS Computation System for Complex Pipeline System 2003 (High precision gas dynamics computations)» (06-09 октября 2003 года, г.Нитра и г.Смоляница, Словакия). Том 1. / Под ред. В.Е. Селезнева.

- М.: Издательство Барс, 2003. - С.65-138.

6.) Бойченко А.Л. Автоматическая настройка управляющих систем на реальные параметры трубопроводных систем ТЭК и локализация разрыв магистральных газопроводов. // Сборник тезисов докладов Десятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» '02-03 марта 2004 года, г .Москва). Том 1. -М.: Издательство МЭИ, 2004. - С.402.

Академия ГПС МЧС России Тир. 70 экз. Зак. №

ВВЕДЕНИЕ.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ГЛАВА 1.

КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ

ОБНАРУЖЕНИЯ РАЗРЫВОВ МГ.

1.1. Описание объекта исследования.

1.2. Анализ действующих нормативно-технических документов.

1.3. Подходы к мониторингу разрывов действующих газопроводов, применяемые в разных странах.

1.4. Способы обнаружения разрывов, основанные на анализе воздействия разрыва магистрального газопровода на окружающую среду.

1.4.1. Способы, основанные на анализе газового состава атмосферы.

1.4.2.Способы, основанные на взрывоподобном характере процесса разрыва магистрального газопровода.

1.5. Способы обнаружения разрывов, основанные на анализе воздействия разрыва магистрального газопровода на параметры транспортируемого газа.

1.5.1.Способы, основанные на регистрации возмущений в транспортируемой среде.

1.5.2.Способы, основанные на анализе изменения температуры транспортируемого газа.

1.5.3. Способы, основанные на анализе изменения давления транспортируемого газа.

1.5.4. Способы, основанные на анализе изменения расхода транспортируемого газа.

1.6. Критический анализ существующих газодинамических симуляторов. 1.7. Задача обеспечения оперативного обнаружения разрывов МГ.

1.8. Выводы по Главе 1.

ГЛАВА

ТЕХНОЛОГИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ГДС ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ♦ ОБНАРУЖЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ РАЗРЫВОВ

МНОГОНИТОЧНЫХ ЛЧМГ.

2.1 Метод оперативного обнаружения разрывов ЛЧМГ.

2.2. Алгоритм реализации метода обнаружения разрывов.

2.3. Способ практического определения градиентов давления.

2.4. Определение координаты места разрыва.

2.5. Анализ работы системы блоков определения градиентов давления.

2.6. Построение тренажера диспетчера.

2.7. Технология применения ГДС для оперативного обнаружения и локализации разрывов многониточных ЛЧМГ.

2.8. Выводы по Главе 2.

ГЛАВА

МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ КРАНОВЫХ ПЛОЩАДОК ЛЧМГ, % ОБОРУДОВАННЫХ МЕЖНИТОЧНЫМИ ПЕРЕМЫЧКАМИ.

3.1. Описание объекта моделирования.

3.2. Критический анализ возможных подходов к моделированию крановых узлов ЛЧМГ, оборудованных межниточными перемычками.

3.3. Анализ работы линейных кранов на ЛЧМГ.

3.4. Композиция узлов сочленения трубопроводов для моделирования крановых площадок, оборудованных межниточными перемычками.

3.5. Выводы по Главе 3.

ГЛАВА

АВТОМАТИЧЕСКАЯ НАСТРОЙКА КОМПЬЮТЕРНЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ СИМУЛЯТОРОВ НА РЕАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОНКРЕТНОГО ГАЗОТРАНСПОРТНОГО 9 ПРЕДПРИЯТИЯ.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Метод автоматической настройки ГДС на реальные параметры конкретного газотранспортного предприятия.

4.3. Результаты применения метода при решении практических задач.

4.4. Выводы по Главе 4.

ГЛАВА

АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ

РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ.

Пример 1. Моделирование стационарных режимов.

Пример 2. Моделирование нестационарных режимов.

Пример 3. Анализ вариантов реконструкции трубопроводной сети и разработка алгоритмов ремонта или замены дефектных участков трубопроводов.

Пример 4. Анализ механизма возникновения и сценария развития аварии на МГ, сопровождавшейся интенсивным пожаром.

Выводы по главе 5.

ВЫВОДЫ.

Актуальность проблемы. Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) является важнейшей отраслью промышленности - базисом экономики промышленно развитых стран. Одним из основных компонентов ТЭК являются системы газопроводов высокого давления, значительную часть которых составляют магистральные газопроводы (МГ), транспортирующие природный газ от места добычи до потребителя.

Единая система газоснабжения Российской Федерации (ЕСГ) имеет более 150 тысяч километров МГ и отводов, из них диаметром 1420мм - около 50 тысяч километров, природный газ по которым транспортируется 251 компрессорной станицей (КС) с 689 компрессорными цехами (КЦ) общей установленной мощностью более 42млн.кВт. Протяженность МГ от промыслов северных районов Тюменской области до наиболее удаленных импортеров, таких как Франция и Италия, составляет более 5 тысяч километров [1]. Все это говорит об огромных размерах и сложности системы ЕСГ.

В последнее время в мире отмечается снижение надежности работы МГ. В первую очередь это обусловлено тем, что основной парк МГ составляют трубопроводы, имеющие срок эксплуатации свыше 25 лет. Кроме этого, параметры режимов работы МГ очень часто отличаются от проектных значений. Все вышесказанное обуславливает участившиеся случаи разрушения отдельных участков МГ, сопровождающиеся массовыми выбросами природного газа и сопутствующих фракций в окружающую среду. В процессе аварийного выброса природного газа в месте разрушения газопровода происходит его интенсивное перемешивание с атмосферным воздухом. Образовавшаяся метановоздушная смесь является легко воспламеняемой. По статистике аварий на российских МГ свыше 80 % процентов разрывов МГ сопровождаются интенсивными пожарами [2].

Многие газопроводы высокого давления проходят по территории или в непосредственной близости от населенных пунктов. Пожары, сопровождающие разрывы таких трубопроводов, угрожают, как промышленным и жилым зданиям и сооружениям, так и жизни людей. Так, например, при аварии на МГ «Уренгой-Петровск» ООО «Баштрансгаз», произошедшей 09 апреля 2003 года, разрушился участок МГ с возгоранием транспортируемого природного газа. В результате аварии в близлежащей деревне сгорело три дома [3].

К сожалению, как констатируют руководители Госгортехнадзора Российской Федерации в статье [2], только на магистральных трубопроводах с 1992 по 2001 годы произошло 545 аварий. Таким образом, среднегодовой уровень аварийности составляет 50-60 аварий в год и в целом не имеет устойчивой тенденции к снижению [2]. На фоне общего роста числа аварий возрастает и число разрывов МГ. В период с октября 2001 года по февраль 2002 года на предприятиях ОАО «Газпром» зарегистрировано 5 разрывов газопроводов высокого давления. Из них 4 аварии сопровождались возгоранием транспортируемого природного газа. В период с мая 2003 года по июнь 2004 года на МГ, транспортирующих природный газ, произошло 18 аварий, из них 15 аварий сопровождались возгоранием метановоздушной смеси [3-10] (рис.В.1 - В.З).

Помимо пожаров, выбросы в атмосферу газовых смесей (транспортируемых по трубопроводам высокого давления) наносят окружающей среде ощутимый экологический урон. Так, например, при аварии на МГ «Ямбург-Западная граница» ООО «Тюментрансгаз» 11 апреля 2003 года произошло разрушение трубопровода без возгорания транспортируемого газа, сопровождавшееся большим выбросом природного газа в атмосферу [2].

Рис.В.1, Фотографии пожара на месте разрыва МГ в черте города

Рис.В.2. Фотографии места разрыва МГ в Западной Европе, сопровождавшегося интенсивным пожаром

Кроме экологического фактора, авария на МГ сопровождается тяжелыми экономическими последствиями. Это не только выплата штрафов и компенсаций за причиненный ущерб природе и социальной сфере жизнедеятельности людей, но и большие затраты на восстановительные работы.

Рис.В.З. Фотография места разрыва российского МГ

Одним из важных направлений повышения пожарной и промышленной безопасности МГ является уменьшение продолжительности и интенсивности пожара, сопровождающего разрыв на МГ. Продолжительность такого пожара напрямую связана с оперативностью обнаружения разрыва МГ. Кроме того, от оперативности часто зависит и сама возможность локализации аварии, т.к. линейные краны, отсекающие аварийную нитку многониточной линейной части магистрального газопровода (ЛЧМГ), при длительном развитии аварии могут потерять работоспособность. Этим обусловлена актуальность проблемы оперативного обнаружения разрывов МГ.

Современный научный подход к повышению безопасности, экологичности и эффективности сложных газопроводных систем ТЭК заключается в построении и численном анализе комплекса взаимосвязанных математических моделей трубопроводных сетей, в основу которых положены базовые уравнения механики сплошных сред [11-17]. Одно из центральных мест в данном комплексе занимает математическая модель течения гомогенных газовых смесей по системам длинных разветвленных трубопроводов и компрессорных станций, лежащая в основе построения высокоточных газодинамических симуляторов (ГДС) [11,12,15]. ГДС позволяют:

• проводить численный анализ и оптимизацию процессов транспортирования газа по трубопроводным системам;

• получать исходные данные для численного прочностного анализа трубопроводных систем [18,19];

• получать исходные данные для проведения численного моделирования пожаров на МГ [20-26] и т.д.

Проведение углубленного анализа физических процессов транспортирования газа по трубопроводным сетям промышленных энергообъектов в номинальных режимах и при авариях с использованием ГДС предоставляет возможности для решения задачи оперативного обнаружения разрывов МГ.

Данная диссертационная работа направлена на решение проблемы оперативного обнаружения разрывов МГ с использованием ГДС.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана новая технология повышения пожарной и промышленной безопасности многониточных магистральных газопроводов, основанная на методе оперативного обнаружения и локализации их разрывов с использованием высокоточных газодинамических симуляторов. Оперативное обнаружение разрывов требует построения ГДС по технологии, впервые предложенной В.Е. Селезневым [11] и развитой С.Н. Пряловым [12], В. В. Киселевым [13] при непосредственном участии автора диссертации. Построенный ГДС используется для высокоточного численного анализа изменения основных параметров транспортирования природного газа (давлений, температур и массовых расходов) по длине трубопроводов при их эксплуатации в номинальных и аварийных режимах. Обнаружение аварийного разрыва многониточной ЛЧМГ производится в результате автоматического сравнительного анализа невязок между рассчитанными (с использованием ГДС) и измеренными градиентами давлений в транспортируемой среде на границах контролируемых участков трубопроводной сети. Локализация аварийного разрыва трубопровода производится в результате сравнительного анализа измеренных и рассчитанных с помощью ГДС нестационарных значений перепада давления на границах поврежденного трубопровода.

2. Впервые предложен и обоснован метод моделирования крановых площадок (крановых узлов), оборудованных межниточными перемычками, для обеспечения оперативности обнаружения разрывов многониточных линейных частей магистральных газопроводов. Он направлен на повышение скорости при одновременном сохранении точности численного анализа газодинамических режимов функционирования ЛЧМГ с использованием ГДС. Метод подразумевает использование (в зависимости от требований к точности и скорости проводимых расчетов):

• композиции узлов сочленения трубопроводов для моделирования крановых площадок ЛЧМГ (при рассмотрении трубопроводной системы газотранспортного предприятия);

• подробных моделей межниточных перемычек (при рассмотрении небольших участков трубопроводной системы газотранспортного предприятия).

Композиция узлов сочленения трубопроводов представляет собой набор совокупностей трубопроводов, газодинамически связанных между собой. Газодинамически связанными считаются трубопроводы, между которыми может происходить переток газа в пределах моделируемой крановой площадки. В каждый момент времени композиция узлов сочленения трубопроводов должна отражать состояние кранов на межниточных перемычках. Для реализации динамического построения композиции узлов сочленения трубопроводов предложен алгоритм, в котором в качестве базовой модели узла сочленения трубопроводов используется модель, разработанная С.Н. Пряловым [12,14].

3. Разработан и научно обоснован новый метод автоматической настройки газодинамических симуляторов на реальные параметры трубопроводных сетей промышленных энергообъектов для повышения адекватности расчетных оценок основных параметров транспортирования газовых смесей при аварийных ситуациях. Он требует формализации технологической задачи подбора обобщенных параметров газопроводов (например, шероховатостей участков труб, местные гидравлические сопротивления и т.д.) в виде постановки и решения классической дискретной минимаксной задачи оптимизации. Решение минимаксной задачи проводится с использованием широко известного метода модифицированных функций Лагранжа.

4. С использованием разработанных методов получены новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о:

• функционировании трубопроводных систем газотранспортных предприятий;

• причинах возникновения и механизмах протекания аварий на ЛЧМГ.

К таким результатам относятся: расчетные оценки параметров полного спектра безопасных режимов транспортирования природного газа, как через отдельные участки ЛЧМГ и технологические газопроводы (ТГ) КС, так и по сетям газотранспортных предприятий в целом; расчетные оценки параметров режимов безаварийного функционирования сетей КС газотранспортных предприятий при проведении ремонта и реконструкции; анализ причин возникновения и сценариев развития аварий на объектах трубопроводного транспорта.

Предложенные новые методы и результаты их применения, направленные на повышение пожарной и промышленной безопасности объектов трубопроводных систем ТЭК, выносятся на защиту в виде научных положений диссертации, принадлежащих лично автору.

Практическая ценность работы. Выносимые на защиту методы реализованы в ряде производственных ГДС (построенных на базе программно-математического комплекса (ПМК) «CorNet»), предназначенных для повышения пожарной и промышленной безопасности и эффективности трубопроводных систем конкретных газотранспортных предприятий [15-17]. Эти ГДС активно используются для решения практических задач, возникающих при проектировании, эксплуатации и реконструкции трубопроводных сетей газотранспортных предприятий, как в России, так и за рубежом. Так, например, на базе ПМК «CorNet» при активном участии автора диссертации была разработана комплексная компьютерная аналитическая система «AMADEUS» для обеспечения требований безопасности, экономической эффективности и экологии в Международной газотранспортной компании «SPP» [27-29] (см. Приложение 1).

С помощью ПМК «CorNet» установлены причины и механизмы развития свыше десяти аварий (см., например, [15,30,31]). Он успешно применялся при решении задач ОАО «ГАЗПРОМ», Минатома РФ, Госгортехнадзора РФ, Международной газотранспортной компании «SPP», Сандийских национальных лабораторий (США) и др. (см., например, [27-35]).

Достоверность изложенных в диссертации основных научных положений обеспечивается [11,12]:

• научным обоснованием использования современных методов вычислительной механики газов и жидкостей, математических моделей и методов их численного анализа;

• результатами натурных и численных экспериментов;

• многолетней практикой успешного применения рассматриваемых в диссертации методов на реальных объектах ТЭК, как в России, так и за рубежом.

Благодарности. Автор диссертации выражает искреннюю признательность и глубокую благодарность своему научному руководителю, заместителю главного конструктора ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» - начальнику отделения, доктору технических наук Селезневу Вадиму Евгеньевичу за постоянное внимание к работам автора диссертации, поддержку, консультации, научное руководство и практическую помощь при определении направлений научных исследований, положенных в основу диссертации.

Автор диссертации выражает признательность главному конструктору ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», директору Научно-производственного комплекса ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» Клишину Геннадию Семеновичу, заместителю начальника отделения ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», кандидату технических наук Алешину Владимиру Васильевичу, начальнику научно-исследовательской группы, кандидату технических наук Прялову Сергею Николаевичу, начальнику научно-исследовательской лаборатории, кандидату технических наук Киселеву Владимиру Владимировичу и начальнику научно-исследовательской лаборатории Фотину Сергею Валентиновичу за научные консультации по теме диссертации и поддержку его научных исследований и разработок.

Автор благодарит за научные дискуссии по теме диссертации своих иностранных коллег из Математического института Словацкой Академии Наук, Братиславского государственного университета им.Комениуса и Международной газотранспортной компании «SPP».

Автор выражает признательность и благодарность ученым и ведущим специалистам Академии ГПС МЧС РФ за плодотворные дискуссии по теме диссертации.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность своим коллегам Мотлохову Владиславу Владимировичу и Комиссарову Алексею Сергеевичу за сотрудничество и поддержку.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ГДС - высокоточный газодинамический симулятор режимов транспорта природного газа через трубопроводные сети газотранспортных предприятий (или фрагменты трубопроводных сетей газотранспортных предприятий); ГИС - географическая информационная система; ГПА - газоперекачивающий агрегат на КС (КЦ); ГРС - газораспределительная станция; ГУ - граничные условия;

КС - компрессорная газоперекачивающая станция;

КЦ - компрессорный газоперекачивающий цех;

ЛЧМГ- линейная часть магистральных газопроводов;

МГ - магистральный газопровод;

ПМК - программно-математический комплекс;

ТГ - технологические газопроводы на КС (КЦ);

ТЭК - топливно-энергетический комплекс;

ЦВТМ - Центр вычислительных технологий механики ООО «НПО

ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ»; ЦН - центробежный нагнетатель ГПА;

SCADA-система - (Supervisory Control And Data Acquisition) - система.

Символьные обозначения, применяемые в формулах, оговариваются особо в каждой Главе диссертации.

ВЫВОДЫ

1) Разработана новая технология повышения пожарной и промышленной безопасности эксплуатации газопроводных сетей промышленных энергообъектов, основанная на методе обнаружения и локализации аварийных разрывов многониточных трубопроводов с использованием высокоточных газодинамических симуляторов транспортирования газов по трубопроводным системам.

2) Впервые предложен и верифицирован на тестовых и производственных задачах критерий наличия аварийного истечения газа из разрушившейся нитки.

3) Разработан и верифицирован на тестовых и производственных задачах метод моделирования крановых площадок (крановых узлов), оборудованных межниточными перемычками, для обеспечения оперативности обнаружения разрывов многониточных линейных частей магистральных газопроводов с использованием газодинамических симуляторов.

4) Впервые разработан, научно обоснован и верифицирован на тестовых производственных задачах метод автоматической настройки газодинамических симуляторов на реальные параметры трубопроводных сетей промышленных энергообъектов для повышения адекватности расчетных оценок основных параметров транспортирования газовых смесей в номинальных режимах и при аварийных ситуациях, включая пожары на магистральных газопроводах.

5) С помощью разработанных методов получены новые результаты:

• по расчетным оценкам параметров безопасных динамических режимов транспорта природного газа по сетям газотранспортных предприятий;

• по оценкам возможности реконструкции объектов трубопроводных систем;

• по сценариям развития аварий на магистральных газопроводах. Полученные результаты расширяют и углубляют представления о функционировании трубопроводных систем газотранспортных предприятий.

6) По результатам численных экспериментов определены рекомендации по разработке системы автоматического обнаружения разрывов для конкретных ЛЧМГ. При использовании датчиков давления с точностью ±0,25атм расстояние между датчиками, размещаемыми на концах контролируемого трубопровода, должно составлять не менее 1 км. При этом время от возникновения разрыва до момента его идентификации и определения аварийной нитки составит ЗО+бОс.

1. Российской Федерации о техническом регулировании. /

2. Дадонов Ю.А., Кручинина И.А., Кловач Е.В., и др. //

3. Едиториал УРСС, 2002. - 448 с.12.) Численный анализ и оптимизация газодинамических режимов транспорта природного газа. / Селезнев В.Е, Прялов

4. Н., Бойченко А.Л и др.. // Под ред. В.Е. Селезнева. - М.:

5. Едиториал УРСС, 2003. - 224 с.13.) Селезнев В.Е., Клишин Г.С, Киселев В.В. Численное моделирование при анализе опасности аварий на газопроводах

6. РАН, г.Москва, 28 июня - 01 июля 2004 года). Том 2. - М.:

7. ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ», 2003. - 196 с.19.) Численный анализ прочности подземных трубопроводов. /

8. Алешин В.В., Селезнев В.Е., Клишин Г С , Кобяков В.В., Дикарев

9. К.И. // Под ред. В.В. Алешина и В.Е. Селезнева. - М.: Едиториал1. УРСС, 2003. - 320 с. 20.) Численный анализ пожарной опасности магистральных газопроводов. / Селезнев В.Е., Фотин СВ., Есин В.М. и др. //

10. Под ред. В.Е. Селезнева. - М.: Едиториал УРСС, 2004. - 328 с.21.) Моделирование пожаров и взрывов. / Астахов И.Ф., Есин

11. В.М., Ильин В.В. и др. // Под ред. Н.Н. Брушлинского и А.Я.

12. Селезнева. - М.: Издательство Барс, 2003. - 4-13.30.) Seleznev V.E., Klishin G.S., Mukashev А.А. Development of an

13. Accident Scenario with the Help of a Complex Numerical Analysis

14. Using as an Example an Accident at the Shop of a Compressor Gas

15. Transfer Station. // High Consequence Operations Safety Symposium1. (Sandia National Laboratories / Albuquerque, New Mexico, USA,

16. July 29-31. 1997). - Publication of Reports SAND98-1557. USA,1998.-P. 111-118. 31.) Seleznev V.E, Klishin G.S, Aleshin V.V. Implementation of

17. Numerical Simulation Techniques in Express-Analysis of Accidents in

18. Complex Technological System. // High Consequence Operations

19. Safety Symposium II (Sandia National Laboratories / Albuquerque,

20. New Mexico, USA, July 29-31, 1997). - Publication of Reports

21. SAND98-1557, USA, 1998. - P. 353-356.32.) Experiences with real time systems and their contribution to safe and efficient control of gas transport system. / Seleznev V.,

22. Прялов Н., Киселев В.В. и др. // VI научный семинар

23. Президиума РАН и Научно консультативного комитета МНТЦ«Наука и вычисления»: Тез. докл. - М.: МНТЦ, 2003. - С . 41-42. 36.) Деточенко А.В., Михеев А.Л., Волков М.М. Спутник газовика:

24. Справочник. - Недра, 1978. - 275 с.37.) Миркин А.З., Усиныш В.В. Трубопроводные системы:

25. Справочное издание. - М.: Химия, 1991.38.) Сложные трубопроводные системы. / Грачев В.В., Гусейнзаде

26. ГТС. / В.С Панкратов, В.Г. Герке, А. Сарданашвили и др. // М.:

27. ООО «ИРЦ Газпром», 2002. - 56 с. Обз. информ. Сер.

28. Селезнева. - М.: Издательство Барс, 2003. - 40-47.62.) Селезнев В.Е., Боиченко А.Л., Киселев В.В. О точности моделирования газотранспортных сетей с помощью программного комплекса AMADEUS. // Сборник научных трудов

29. Международной конференции «Complex Pipeline System 2002(High precision gas dynamics computation)» 1 7 - 1 9 июня 2002 года, Словакия, Часть 1. / Под ред. В.Е. Селезнева. - М.:

30. Селезнева. - М.: Издательство Барс, 2003. - 65-13864.) Демьянов В.Ф. Малоземов Б.Н. Введение в минимакс. - М.: 1. Наука, 1972.-295 с. 65.) Бертсекас Д. Условная оптимизация и методы множителей

31. Том 1. - М.: Издательство МЭИ, 2004. - 402.v.^ ч133