автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Модели и алгоритмы автоматизации технологических процессов специализированного нефтеналивного порта

На правах рукописи

Жерновков Василий Алексеевич

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО НЕФТЕНАЛИВНОГО ПОРТА

Специальность:

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2011

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций».

Научный руководитель:

кандидат технических паук, доцент Андрианов Евгений Николаевич

Официальные оппоненты:

док гор технических наук, профессор Зубарев Юрий Яковлевич кандидат технических наук, Красников Валерий Валерьевич

Ведущая организация:

«Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации»

Защита состоится мая 2011г. в часов в ауд. сЗ) на заседании диссертационного совета Д 223.009.03 при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 223.009.03 к.т.н., доцент

Е. Г. Барщевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Начало эксплуатации современных нефтеналивных терминалов в СевероЗападном регионе и строительство высокопроизводительных портов в нашей стране стало возможным, благодаря крупным научным достижениям выдающихся русских ученых. Среди широко известных ученых, внесших огромный вклад в разработку современных технологий и создание высокопроизводительных терминалов, перегрузочных машин и оборудования для отечественных портов следует отметить академика Л.II. Крылова, М.Я. Алферьева, И.Г. Бубнова, В.Г. Власова, H.H. Исанина, H.H. Ковалева, В.Т. Костенко, P.A. Нелепина, В.Н. Перегудова, В.Л. Поздюнина, И.Д. Спасского, Ю.А. Шимапского, Никсрова Г1.С., Яковлева П.И., Ветрепко Л.Д., Штенцеля В.К., Ирхина А.П., Сиротского В.Ф., Трифанова В.Н. и многих других. На современном этапе возрождения и развития отечественных портов фундаментальными стали труды Степанова А.Л., Эглита Я.Я., Кацмапа Ф.М., Казакова А.П., Климова E.H., Дерябина Р.В., Гнеденко Б.В., Зубкова М.Н., Андрианова E.H., Костылева И.И., Попова С.А., Терехова O.A., Тюрина Б.Ю. и др. В настоящее время, в связи со строительством крупных морских и речных портов на Черном море, в Дальневосточном регионе, на Балтике, на магистральных реках нашей страны, широко развернуты фундаментальные и прикладные исследования в данной предметной области.

Эффективность автоматизации нефтеналивных портов и портового оборудования обеспечивается путем применения математических методов исследования операций, разработки моделей и алгоритмов, базирующихся на современных информационных технологиях, которые вместе с организационными и технологическими преобразованиями элементов и существующих систем управления перегрузочным комплексом позволяют качественно изменить функционирование всех подсистем, значительно улучшить организационно - технологические показатели предприятия в различных сферах бизнеса.

Создание механизмов реализации концепции совершенствования процессов автоматизации нефтеналивных портов на основе новых информационных технологий и компьютерных вычислительных средств является фундаментальным направлением использования имеющихся резервов снижения потребляемых ресурсов, улучшения технико экономических и производственных показателей специализированных портов, определяющим актуальность основных положений и выводов диссертационных исследований.

Цели и задачи работы: Повышение эффективности и качества функционирования нефтеналивных терминалов и систем обеспечения температурных режимов нефти во время погрузки и выгрузки путем моделирования и оптимизации технологических процессов в порту.

В диссертации сформулированы следующие задачи исследований:

1. Анализ технологических процессов погрузки и выгрузки нефти и нефтепродуктов нефтеналивного терминала, рабочих режимов и способов управления технологическим оборудованием грузовых причалов, автоматизированных систем управления стендерами и способов их защиты от гидравлических ударов, систем управления расходом вакуумного газойля и схем управления теплообмешгым оборудованием. Оценка рисков перехода систем наливного терминала в нестандартное состояние на основе логико вероятностных методов анализа работоспособности, надежности и безотказности работы сложных многофункциональных систем. Разработка модели надежности, основанной па анализе наиболее вероятных событий инициаторов. Определение и выбор вариантов перехода системы в различные состояния, определяемые технологическими схемами перегрузочного комплекса путем учета наиболее вероятных технических неисправностей и ошибок операторов. Реализация на моделях системы обеспечения безаварийного питания грузовых насосов, насосной станции, комплекса по перевалке нефти и нефтепродуктов, а также контроль уровней заполнения буферных емкостей.

2. Разработка моделей и алгоритмов для внедрения энергосберегающих технологий и принятия эффективных мер по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов, вследствие нарушений герметичности соединений перекачивающих насосов, арматуры стендеров, узлов измерения количества нефтепродуктов, отгруженных в нефтеналивные суда. Разработка концепции информационного обеспечения состава мероприятий по предупреждению чрезвычайных ситуаций, обусловленных разливами нефти и нефтепродуктов, на объектах комплекса, а также мероприятий по максимально возможному снижению ущерба и потерь в случае возникновения опасных ситуаций. Количественные оценки последствий наиболее вероятных разливов нефтепродуктов.

3. Исследование способа и автоматизация процесса измерения состава нефти и нефтепродуктов путем оценки их проводимости и диэлектрической проницаемости в рабочем диапазоне частот. Разработка алгоритма идентификации параметров и диагностики состава жидкостей, основанного па сопоставлении электрических сигналов с базовыми значениями, полученными для различных наборов составов светлых фракций и других продуктов. Оценка параметров и состояния поступающей в порт нефти из различных месторождений по экспериментальным данным. Составление схем замещения для анализа рабочих характеристик датчика информации (ячейки с раствором), оценка оптимальных значений электрических параметров, требуемых для определения диэлектрической проницаемости электролитов. Разработка модели и алгоритма оценки удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости различных растворов.

4. Разработка модели и алгоритма для автоматизации и оценки параметров разветвленной технологической схемы трубопроводов, используемых для подачи вакуумного газойля в танкеры. Разработка программы и алгоритма для оценки переменных состояния - отметок уровней в

буферных емкостях, в узлах трубопроводной системы и расходов в трубопроводах за счет перепада высот между резервуарным парком и танкером. Разработка алгоритма распределения потоков нефти и нефтепродуктов в разветвленных рукавах трубопроводов нефтеналивного комплекса, основанного на использовании принципа наименьшего действия. Реализация процедуры поиска зависимости расходов в ветвях разветвления от полного расхода в нагнетательном трубопроводе с помощью программы, обеспечивающей итерационный сходящийся вычислительный процесс и оценку коэффициентов матрицы Якоби на каждом таге.

5. Разработка многошаговой модели распределения ресурса (объема топлива для нагрева теплоносителя до заданной температуры в течение заданного времени) по процессам (потребителям теплоносителя) и алгоритма ее функционирования в условиях ограничений. Модель и алгоритм ресурсосбережения электроэнергии в нефтеналивном порту и их реализация с помощью стандартных функций вычислительных систем. Разработка математической модели и вычислительного алгоритма оптимизации технологических процессов в нефтеналивном порту путем распределения изменяющихся в каждой конкретной ситуации ресурсов по процессам в условиях ограничений и структурных изменений модели.

Объект исследования: задачи автоматизации и оптимизации технологических процессов специализированного нефтеналивного порта, разработка энергосберегающих технологий, с целью уменьшения потребления ресурсов на выполнение перегрузочного процесса.

Предмет исследования: математические модели и алгоритмы автоматизации и оптимизации технологических процессов в нефтеналивных портах.

Методы исследования. При проведении исследований в диссертационной работе использовались фундаментальные положения современной теории управления и автоматизации технологических процессов, теория и математические методы идентификации структуры и параметров моделей, методы математического программирования и исследования операций, теория принятия решений, практические методы оптимизации, методы планирования эксперимента, коммерческой производственной деятельности, методы организации и проведения машинного эксперимента. В работе применялись теоретические положения финансовой аналитики и оценки бизнеса предприятий в рыночных условиях.

Научная новизна:

Разработаны модели и алгоритмы для внедрения энергосберегающих технологий и автоматизации процессов принятия решений по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов.

Представлены: способ измерений и автоматизации процесса измерения состава нефти и нефтепродуктов путем оценки их проводимости и диэлектрической проницаемости в рабочем диапазоне частот; алгоритм идентификации параметров и диагностики состава жидкостей; алгоритм оценки параметров поступающей в порт нефти по экспериментальным данным.

Разработаны: вычислительный алгоритма распределения потоков нефти и нефтепродуктов в разветвленных рукавах трубопроводов нефтеналивного комплекса, основанный на использовании принципа наименьшего действия; процедура поиска зависимости расходов в ветвях разветвления от полного расхода в нагнетательном трубопроводе технологической липни; программа реализации итерационного процесса с оценкой элементов матрицы Якоби на каждом шаге.

Предложена многошаговая модель распределения ресурса (объема топлива для нагрева теплоносителя до заданной температуры в течение заданного времени) по процессам (потребителям теплоносителя) и алгоритм ее функционирования в условиях ограничений.

Создана математическая модель и вычислительный алгоритм (сплайн-алгоритм) оптимизации технологических процессов н нефтеналивном порту путем распределения изменяющихся в каждой конкретной ситуации ресурсов по процессам в условиях ограничений и структурных изменений модели.

Практическая ценность состоит:

в оценке рисков перехода систем наливного терминала в нестандартное состояние на основе логико-вероятностных методов анализа работоспособности, надежности и безотказности работы сложных многофункциональных систем;

в практическом использовании модели надежности, основанной на анализе наиболее вероятных событий инициаторов, и выборе вариантов перехода системы в различные состояния, определяемые технологическими схемами перегрузочного комплекса путем учета наиболее вероятных технических неисправностей и ошибок операторов.

Практически значимыми являются модели и алгоритмы, созданные для внедрения энергосберегающих технологий и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов при нарушениях герметичности соединений трубопроводов и арматуры стендеров при отгрузке нефти в танкеры.

Важным для практики является способ измерений состава нефти и нефтепродуктов, основанный на оценке проводимости и диэлектрической проницаемости жидкостей в рабочем диапазоне частот, а также алгоритм идентификации параметров и диагностики состава жидкостей по экспериментальным данным.

Практически значимыми являются разработанные модель и алгоритм распределения потоков нефти и нефтепродуктов в разветвленных сетях трубопроводов нефтеналивного комплекса, основанные на использовании методов оптимизации расхода энергии на транспортирование жидкости.

Большое прикладное значение имеет многошаговая модель распределения ресурса (объема топлива для нагрева теплоносителя до заданной температуры в течение заданного времени) по процессам (потребителям теплоносителя) и алгоритм, основанный на процедуре сплайн - аппроксимации исходных характеристик.

Практически значимыми являются действующие модели, алгоритмы и информационное обеспечение, пригодные для решения комплекса задач автоматизации технологических процессов в нефтеналивных портах и проведения машинного эксперимента.

Реализация результатов работы

Основные научные положения диссертационных исследований внедрены на объектах распределительно - перевалочного комплекса ОАО «РПК ВЫСОЦК-ЛУКОЙЛ-П», а также внедрены в учебный процесс на информационном факультете и факультете ПТ и ЭМ Санкт-Петербургского университета водных коммуникаций.

Апробации работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором на: межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 200-летию транспортного образования в России, «Водный транспорт России: история и современность»; международном межвузовском морском фестивале; международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». Материалы диссертационной работы представлены к участию в конкурсе на лучшую научно-техническую разработку ООО «ЛУКОЙЛ-Транс».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 печатные работ, в том числе - одна работа опубликована в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация представлена в форме рукописи, состоящей из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 96 наименований. Общий объем работы составляет 159 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ общей структуры и технологии перегрузки нефти и нефтепродуктов в специализированном нефтеналивном порту.

Нефтеналивной терминал представляет собой совокупность структурных подразделений выполняющих различные операции общего технологического процесса. Технологический процесс полной обработки судна в порту регламентирует состав, последовательность и время выполнения операций по обслуживанию судна с момента его прибытия по момент отправления, для составления последовательности грузовой обработки разрабатывают типовые технологические процессы полной обработки судов (ТП ПОС). Такие технологические процессы оформляются в виде технологических карт комплексного обслуживания.

Процессы 1-рузовой обработки судна могут быть оптимизированы различными способами, по одним из важнейших направлений деятельности порта - обеспечение безопасности процессов налива нефти и экологической безопасности.

Разработка данных мероприятий для предотвращения аварийных ситуации должна вестись в соответствии с существующей законодательной базой регламентирующей отношения в данной отрасли. Законодательная база представляет собой совокупность законодательных актов разных уровней, международных, государственных, ведомственных, локальных.

Основными направлениями при планировании и разработке мероприятий по предупреждению и предотвращению последствий аварий и инцидентов на предприятиях нефтяной отрасли являются:

• Обеспечения мероприятий по поддержанию оборудования в технически исправном состоянии

• Обеспечение пожарной безопасности

• Обеспечение элекгробезопаспости и взрывобезопасности

• Обеспечение мероприятий по предотвращению ЧС на причальных объектах

• Обеспечение экологической безопасности и организации аварийно-спасательных работ

Важнейшим направлением при разработке мероприятий по предотвращению аварийных ситуаций является разработка сценариев возникновения опасных состояний способных повлечь аварии и инциденты.

Прогнозированием и предупреждением подобных опасных состояний любой системы занято целое научное направление -- теория надежности. Единственным доступным путем для оценки и проектирования сложных систем является моделирование. Подойдем к оценке управления рисками и надежностью с позиций логико-вероятностного моделирования.

К вопросам оценки риска, вероятности перехода системы в опасное состояние, можно подойти следующим образом. Во-первых возможно создание моделей надежности с учетом анализа наиболее вероятных событий инициаторов и условий перехода системы в опасное состояние, во-вторых возможна разработка модели учитывающей наиболее вероятные неисправности техники и ошибки операторов.

Отдельно следует отметить дуальность, необходимую при подходе к оценке надежности системы. На практике это значит, что при проектировании систем необходимо уделять должное внимание не только вопросам повышения надежности (сохранения работоспособности системы), но и вопросам моделирования опасных состояний системы используя все возможные, включая самые маловероятные, сценарии.

Во второй главе сформулирована задача установления закономерности изменений (приращений) электрофизических параметров в зависимости, например, от состава, который присущ природе данного вещества, в заданном

диапазоне изменения влияющих факторов (температура, давление и т.д.). Затем па базе методов математической статистике, путем соответствующей обработки результатов наблюдений предлагается найти аналитические выражения для оценки каждого из компонентов раствора. Трудности в решении данной задачи возникают по мере увеличения содержания компонентов в веществе.

Во всем диапазоне частотного спектра справедливы два уравнения поля (уравнения Максвелла), которые связывают изменяющиеся во времени электрические и магнитные поля. С помощью уравнений Максвелла определяются накопление (распределение) и рассеяние энергии в веществе. При этом для описания характера распространения электромагнитных колебаний в веществе требуется две пары взаимосвязанных параметров. Уравнения можно представить в следующем виде:

ЭЕ

roi H = i + €----Г1)

Э/ к '

roiE = -// ■ ■■ (2)

dt

где: H и Е - векторная напряженность магнитного и электрического полей;

е и fi - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости;

i - плотность тока.

Предложены основы построения модели оценки удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости растворов различного класса, а также обсуждаются критерии построения и условия эксплуатации ячейки - преобразователя (датчик состава жидкости), для достоверного определения параметров диэлектрической проницаемости и удельной электропроводности.

Способ определения удельной электропроводности растворов различного класса базируется на параметрической оценки диэлектрической проницаемости данного раствора, который используется в качестве меры сравнения. Способ подтвержден экспериментально и отражает процессы, происходящие в датчике с жидкостью. Модель оценки диэлектрической проницаемости обеспечивает работу с классом жидкостей, для которых aî0 < 10"4См/м.

Алгоритм оценки удельной электрической проводимости жидкостей можно представить в виде последовательности операций:

1. Ячейку (измерительный элемент) заполняют сухим воздухом и определяют ее электрическую емкость Со, а затем геометрическую постоянную рабочего объема ячейки К(), адекватную геометрической постоянной рабочего объема ячейки.

2. Ячейку заполняют исследуемой жидкостью и измеряют ее эквивалентную электрическую емкость С\ и активную проводимость G.

3. Устанавливают образцовое значение диэлектрической проницаемости я раствора образцовым прибором или принимают из справочника стандартных величин.

4. Определяют приведенный геометрический фактор К| и геометрический фактор К.

5. Определяют диэлектрическую проницаемость раствора.

Основная формула характеризует выполнение допустимого соотношения в измерителе (ячейки) для определения диэлектрической проницаемости приэлсктродных (Сэд, R-зд, Сзд) и объемных (С, R, С) электрических параметров для растворов данного класса:

С-эд»С - к- Со » ае/со (3)

Приведенное выражение (3) свидетельствует об отсутствии влияния межфазных процессов на определение электропроводности и диэлектрической проницаемости растворов, ослабление токов проводимости и гоков смешения в них так, ччо становится возможным определение электропроводности по отношению измеренных электрических емкостей истинной С ячейки с жидкостью и Со без жидкости.

Дополнительно к сказанному получена математическая модель зависимости удельной теплоты сгорания от критерия тождественности:

Q? (47250 - 2-873. • г - 0,23? • t2) - (758 + 4.249 • t + 0.143 • t2} • inCít) (4)

учитывая связь Qg с химическим составом нефтей, свидетельствует о возможности использования критерия п как параметра, характеризующего изменения качества нефтей.

Опыты показали, что в пределах погрешности измерения ае не наблюдается зависимости фактора тождественности п от массовой доли воды в нефтях, по крайней мерс, до 4 %.

Таким образом, для определения Qf измеряют критерии тождественности п при данной температуре в диапазоне от 0 до 50°С, являющийся отношением электропроводностей при высокой и низкой частоте электромагнитных колебаний, а высшую теплоту сгорания определяют по формуле (4). Выражение (4) можно представить в виде:

= {q- а) - (М - ¿J • \п(п,) (5)

где q - теплота сгорания нефти, содержащей преимущественно легкие фракции кДж/кг; Aq - отклонение (уменьшение) температуры сгораиия q по сравнению с таковой для других нефтей, содержащих преимущественно тяжелые фракции, кДж/кг; а-а?/+ a¡f - часть теплоты сгорания нефти, содержащей преимущественно легкие фракции, обусловленная структурными изменениями при данной температуре, отличающейся от 0°С, кДж/кг; b~b2C -1 b¡f - часть теплоты сгорания нефти, содержащей преимущественно тяжелые фракции, обусловленная структурными изменениями при данной температуре, отличающейся от 0°С, кДж/кг; a¡, b¡ - эмпирические коэффициенты, кДж/кг*°С; ¿ъ, b2 - эмпирические коэффициенты, кДж/кг*(°С)2; 1п(п,) -натуральный логарифм критерия тождественности при данной температуре; / -температура нефти, °С.

При -температуре гЧ)°С формула приобретает вид: Qs =Q-&q -ln(7ilr)

В идеальном гипотетическом случае, при отсутствии тяжелых фракций в нефти:

<?/=<?

Преимущество предлагаемого алгоритма определения удельной теплоты сгорания в том, что в значительной степени сокращается время анализа, появляется возможность ранней диагностики в изменении качества нефтей и оперативное воздействие на процессы ее переработки, в том числе, исключая отбор проб.

В третьей главе диссертации

Предлагается расчет разветвленной гидравлической сети, имеющей п узлов и т ветвей.

Гидравлические сети имеют много общего с энергетическими сетями и электрическими цепями. В частности, для моделирования узлов гидравлических сетей и узловых соединений электрических цепей используются уравнения неразрывности, а для участков ветвей с различными отметками уровней между узлами справедливо использовать при построении моделей переменную состояния потери напора (перепады высот), непосредственно связанные с расходом. Этой переменной состояния в электрической цепи аналогична разность потенциалов между узлами. Уравнение неразрывности в электрической цепи представлено первым законом Кирхгофа.

Аналог электрической цепи рассматриваемой гидравлической модели сети состоит из нелинейных сопротивлений, и поэтому, расчет требует особого подхода, который базируется на следующем вычислительном алгоритме расчета разветвления гидравлической сети на основе итерационного процесса Рафсона - Канторовича..

Дд) = 0 (4)

где х — вектор искомых переменных состояния. Зададимся нулевым приближением вектора состояния

*« -[^о-^о-^и]7 (5)

Тогда вектор погрешностей г0 на нулевой итерации равен:

А*о) = £О (6)

Согласно вычислительной процедуре Рафсона - Канторовича, решение на первом шаге

где матрица

Эх, Э.г, э/

дх2

дгп дгп

дх'п

есть матрица, называемая Якобианом.

В общем случае формула Ныотона-Рафсона-Канторовича для вектора состояния на (п + 1)-ой итерации имеет вид:

(9)

По формуле (9) выполняются вычисления до момента, соответствующего заданной погрешности при сходимости решения. Сходимость гарантируется строго вогнутым характером каждой нелинейности, определяемым показателем степени Р, в уравнениях вида (3.3).

Предположим, в результате измерений общего расхода нефтепродукта и давлений в узлах па участке технологической линии, представленной на рис. 1, на различных режимах погрузки жидкости (например, ВГЛ) получены временные ряды. Ряды измерений полного расхода нефтепродукта, полученные в различные моменты времени, представим в виде вектора расходов СК0(11)СК12) <3(13).....(КПП)].

Р?эсраузр|;ын парк

Рис. 1. Разветвленный участок трубопроводной системы технологической линии погрузки нефтепродуктов

где С1, С2, СЗ - стендеры, О, С>1, д2, <^3, 04, д5 - расходы в ветвях трубопроводов, К.1, К2 - узлы учета.

Одновременно произведем измерения напоров в узлах, из которых сформируем векторы:

Ы=[Ы(П)Ы(12) Ы^З) ... Ы(1 т)], Ь2=[Ь2(11) И2(г2) Ь2(13) ... Ь2(1 т)],

Ьк-[Ик(и) Ьк(12) ЫфЗ) ... Ьк(1 т)], где «к» - число узлов. Примем для упрощения записи следующие обозначения: П-1,12-2,... п=1,...,1к-к.

Для моделирования сопротивлений по предложенному алгоритму идентификации рассмотрим следующий пример. Предположим, что полный расход нефтепродукта во время загрузки танкера может изменяться в диапазоне 800<С> 1800 м3/ч. Составим файл, с помощью которого па основе метода

Ньютона • Рафсона - Канторовича рассчитаем расходы в ветвях и напоры в узлах для всех 0 с шагом дискретности 10 м3/ч.

Файл предназначен для решения прямой и ей инверсной задачи. По данным измерений напоров и полному расходу ВГЛ в напорной части трубопровода (сразу после насоса) с помощью приведенного файла можно, с высокой точностью, оценить модули сопротивлений ветвей трубопровода.

Четвертая______глава диссертации посвящена разработке моделей

оптимального распределения ресурсов в условиях ограничений.

Предложен алгоритм оптимального распределения ресурсов по процессам. Алгоритм обладает свойствами универсальности в том смысле, что он может быть использован не только для решения задач топливной экономичности, но и для целого ряда других практически важных задач

Разработанный автором сплайн - алгоритм для оптимального распределения ресурсов, базирующийся на стандартных функциях вычислительной среды Ма^АВ, позволяющий успешно решать выбранный класс организационно - технических задач. Сплайн - алгоритм предусматривает использование для оценки оптимума функции /ттсоп, в составе которой содержится файл - функция специальной структуры.

В качестве примера рассмотрен пример решения задачи распределения ресурсов выделенных на развитие порта состоящего из четырех грузовых районов.

Формируем критерий:

к

[. = чрНпе{\а,. А].*,), (Ю)

где [а,,Ь1 ]- матрица координат интерполяционных узлов для /-го процесса.

С помощью матриц образованы интерполяционные узлы, на основе которых посредством сплайнов построены графики функций полезности, представленные на рис.2.

Оптимальные решения получены для четырех процессов при вариации ресурса х-Ьец от нуля до 5 млн. руб. с шагом дискретности йек-О. I.

Ограничения на переменные состояния представлены соотношениями:

1' 2 111 ' Л'->

imJ=[0 О 0 0]', <>пJ=flnf0.92 1.8 Inf]'

(П) (12)

Файл - функция алгоритма оптимизации имеет вид: function L=sah597a(x) gl=[0 1 2 3 4 5;0 2.2 3 4.1 5.2 5.9]; g2=[0 1 2 3 4 5;0 2 3.2 4.8 5.9 6.4]; g3=-[0 12 3 4 5;0 2.8 5.4 6.2 6.6 6.9]; g4=[0 12 3 4 5;() 1 1.5 1.8 4.2 7.5];

L~-[spline(g 1 (1 ,:),g 1 (2,:),x( 1))+ spline(g2( 1,:),g2(2,:),x(2))+... spHne(g3(l,:),g3(2,:),x(3))+spline(g4(l,:),g4(2,:),x(4))];

Результаты вычислений представлены на рис.3. Можно убедиться, что для любого значения ресурса, отложенного по оси абсцисс, распределение его между грузовыми районами порта производится таким образом, что получается максимальный суммарный доход, представленный па рис.3 критерием качества:

4

./(л ) -- тах^/Дл-j

Полученный критерий качества J - 10.8479 млн. руб. Из приведенных данных следует, что ресурс на развитие четвертого грузового района не выделяется.

Нелинейные ф/нкции доходности от эф^оюмвност распадсления ресурсов

"1

2 2 5 3 3.5 Ресурс boq . млн руб

Рис. 2. Функции эффективности капитальных вложений в предприятия

Оптимальное распределение ресурса по объектам

8

J

м

;из

4

2

О'-

А

1.4

2

О 0 5

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Ресурс Ьед. млн. руб

Рис. 3. Распределение ресурса но процессам при ограничениях (11) и (12)

Л(х)=[0 12 34 5;0 2.2 3 4.1 5.2 5.9]; /2(х)=[0 1 2 3 4 5;0 2 3.2 4.8 5.9 6.4]; /З'(х)=[0 1 234 5;0 2.8 5.4 6.2 6.6 6.9]; /4(х)~-[0 1 23 4 5;0 1 1.5 1.8 4.2 7.5].

Рассматривается задача распределения мощности энергосети, состоящей из трех трансформаторных подстанций и четырех потребителей, при минимизации издержек. Решение во многом напоминает решение транспортной задачи линейного программирования.

Основная операция - решение задачи линейного программирования -выполняется с помощью оператора Нпр1^ с соответствующим синтаксисом. Возвращаемые значения: вектор х и минимум ./.

Требуется минимизировать критерий качества У, характеризующий издержки (стоимость требуемого топлива для работы «термомасляной» котельной) виде скалярной нелинейной функции ср(х) вектора х. Элементы вектора х - объемы теплоносителя, поступающие к потребителям -теплообменникам системы циркуляции теплоносителя . Критерий

Должен минимизироваться при выполнении ограничений, представленных в матричной форме соотношениями

Выполнение ограничений исключает преодоление верхней границы тепловой мощности котельной и достижение предельно допустимых границ по потребляемой мощности звеньями системы в любой момеш времени. Приводится, составленный в кодах Ма1ЬАВ файл предназначенный для решения задачи минимизации с помощью функции РАТТЕК^ЕЛЯСН, принадлежащей к функциям генетического алгоритма.

= <р(х)

А X<Ь И А х = Ь , а также нелинейными вектор-функциями:

у/(х) < О И 0(х) = 0 .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные по данной проблеме диссертационные исследования позволяют сформулировать следующие результаты и выводы:

1. В диссертации проведен анализ технологических процессов специализированного нефтеналивного терминала, выделена его структура, определены особенности технологических операций налива вакуумного газойля в танкеры и перевалки различных типов нефтепродуктов.

2. В терминах логико-вероятностных методов оценки риска, с учетом вероятности перехода системы (элементов перегрузочного комплекса) в нестандартное {опасное) состояние, предложены модели надежности, основанные на анализе наиболее вероятных событий инициаторов.

3. Определены превентивные меры и разработан перечень эффективных действий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов.

4. Исследован способ измерения состава нефти и нефтепродуктов путем оценки их проводимости и диэлектрической проницаемости в определенном рабочем диапазоне частот, позволяющий использовать идентификационные положения теории управления для оперативного решения задач диагностики жидкостей.

5. На основе составленных схем замещения, на границе раздела фаз и объемной части датчика информации (ячейки с раствором) проведен анализ с оценкой оптимальных значений электрических параметров, требуемых для определения диэлектрической проницаемости электролитов. Разработаны алгоритмы и модели оценки удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости различных растворов. Предложен способ определения удельной электропроводности растворов различного класса базирующийся на параметрической оценки диэлектрической проницаемости данного раствора, который используется в качестве меры сравнения.

6. В терминах прямой задачи моделирования разветвленной технологической схемы трубопроводов, используемых для заполнения танкера вакуумным газойлем за счет перепада высот между резервуарным парком и танкером, разработан алгоритм и предложена про1рамма для решения системы нелинейных уравнений с целью оценки переменных состояния - отметок уровнен в буферных емкостях, в узлах трубопроводной системы и расходов в трубопроводах. Алгоритм базируется на вычислительной процедуре Ныогона -Рафсопа Канторовича.

7. Разработан алгоритм распределения потоков нефти и нефтепродуктов в разветвленных рукавах трубопроводов нефтеналивного комплекса, основанный на принципе наименьшего дейс твия.

8. Разработан алгоритм опенки вектора переменных состояния в нелинейной модели разветвленной системы технологических трубопроводов, базирующийся па методе наименьших квадратов. Для реализации процедуры поиска зависимости расходов в ветвях разветвления от полного расхода в системе предложена программа, обеспечивающая итерационный сходящийся

вычислительный процесс с оценкой коэффициентов матрицы Якоби на каждом шаге.

9. Разработана многошаговая модель распределения ресурса (объема топлива для нагрева теплоносителя до заданной температуры в течение заданного времени) по процессам (потребителям теплоносителя) и алгоритм ее функционирования в условиях ограничений. Для реализации модели приведен файл, составленный в кодах MatLAB, в основу которого положено использование функции PATTERNSEARCH, принадлежащей к классу функций генетического алгоритма.

10. Предложен алгоритм решения задачи распределения ресурсов, использованный для определения минимальных потерь электроэнергии в порту. Алгоритм реализован на основе функции linprog, содержащейся в инструментарии Optimization Toolbox срсды MatLAB.

11. Разработана математическая модель, позволяющая в условиях ограничений объемов ресурсов в каждой конкретной ситуации использовать их с наименьшими потерями, что достигается за счет алгоритмизации и использования численных методов оптимизации и эффективных вычислительных средств. Разработан сплайн-алгоритм оптимизации, базирующийся на стандартных функциях вычислительной срсды MatLAB и позволяющий решать задачи эффективного распределения ресурсов по процессам.

Статьи и доклады на международных и национальных конференциях:

1. Жерновков В.А., Лесников В.А., Пахарев U.K. Сплайн-алгоритм оптимального распределения ресурсов при планировании и управлении производством // Ж. «Эксплуатация морского транспорта», №2(56). СПб.: ГМА им С.О. Макарова, 2009. - С.27-30 (издание, рекомендованное ВАК).

2. Жерновков В.А., Дмитриенко Д.В. Распределение ресурсов на основе алгоритмов открытого поиска // «Журнал университета водных коммуникаций», № 3. - СПб.: СПГУВК., 2009. - С. 153-156.

3. Жерновков В.А., Пахарев П.К. Модели оптимизации раскроя на судоремонтных предприятиях. Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управления». 1-2 октября 2009 года, № 3. - СПб.: СПГУВК., 2010. №3, - С.95-100.

4. Жерновков В.А. Средства минимизации потерь от испарения нефтепродуктов при перегрузке в специализированных портах: Материалы медвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» 12-13 мая 2010 года. - СПб.: СПГУВК, 2010. -С.27-30.

Подписано в печать 21.04.11 Сдано в производство 21.04.11 Формат 60*84 1/16 Усл.-иеч. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,0. _____Тираж 60 экз.__Заказ № 60 _______

Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Отпечатано в типографии ФГОУ ВПО СПГ УВК 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

2010178425

Введение.Стр.

1. Анализ технологического процесса специализированного нефтеналивного порта.

1.1.Общая структура и технология перегрузки нефти и нефтепродуктов

1.2.Обеспечение безопасности реализации грузовых операций в специализированных нефтеналивных портах.

1.3.Способы восстановления работоспособного состояния специализированного нефтеналивного порта на основе моделей отказоустойчивости сложных систем.

1.4. Анализ причин и модели оценки потерь нефтепродуктов в специализированных нефтеналивных портах.

1.5.Основные результаты исследований, содержащиеся в первой главе.

2. Модели и алгоритмы параметрической идентификации нефти на основе оценки электропроводимости и диэлектрической проницаемости

2.1. Электропроводность и диэлектрическая проницаемость как параметры оценок переменных состояния нефти в автоматизированных технологических производствах.

2.2. Модели и алгоритмы оценки удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости жидкостей.

2.3.Модель датчика информации (ячейки) для измерения параметров жидкостей.

2.4. Модели параметрической идентификации.

2.5. Основные результаты, представленные во второй главе.

3.Моделирование и идентификация рабочих параметров технологической схемы налива вакуумного газойля в танкеры.

3.1. Модель закольцованной технологической схемы заполнения танкера вакуумным газойлем за счет перепада высот между резервуарным парком и танкером.

3.2. Оценка параметров элементов модели технологической схемы по данным измерений.

3.3.Идентификация параметров разветвленной схемы линии при заполнении танкера вакуумным газойлем.

3.4. Моделирование сопротивления ветвей технологической линии по данным измерений полного расхода и напоров в узлах.

3.5. Основные результаты третьей главы.

4.Модели и алгоритмы совершенствования и оптимизации производственных и технологических процессов нефтеналивного порта в условиях ограниченных ресурсов.

4.1.Модель и алгоритм открытого поиска для ресурсосбережения в порту.

4.2.Численный алгоритм для оптимального распределения ресурсов в порту.

4.3. Модель и алгоритм минимизации электроэнергетических потерь в порту методом линейного программирования.

4.4. Информационная поддержка определения минимальных потерь электроэнергии в порту.

4.5. Основные результаты четвертой главы.

В настоящее время Северо - Западный регион нашей страны становится центром реализации государственной политики по экспорту российских энергоносителей в страны Западной Европы. Согласно Федеральной Целевой Программе «Развитие транспортной системы России на 2010-2015 г.г.» и Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года, построены новые нефтеналивные терминалы в,Финском заливе, модернизируется порт Санкт-Петербург. Увеличивается число танкеров, перевозящих нефть и нефтепродукты, строятся: суда для транспортировки сжиженного газа, возрастает интенсивность судоходства, ведется прокладка нефтепроводов по дну Балтийского моря [55].

Введенные в эксплуатацию нефтеналивные терминалы в городах Приморск и Высоцк представляют собой сложнейшие технологические комплексы, оборудованные современными техническими средствами, предназначенными для обеспечения высокопроизводительной работы терминалов в условиях низких температур, надежными системами защиты, контроля и сигнализации, предназначенными для полного исключения ситуаций, не предусмотренных технологическими регламентами предприятий. На случай природных катаклизмов предусмотрены беспрецедентные меры по обеспечению экологической безопасности региона, акватории порта и адекватные технические средства для их реализации.

Начало эксплуатации современных нефтеналивных терминалов в Северо — Западном регионе и строительство высокопроизводительных портов в. нашей стране стало возможным, благодаря крупным научным достижениям выдающихся русских ученых. Среди широко известных ученых, внесших огромный вклад в разработку современных технологий и создание высокопроизводительных терминалов, перегрузочных машин и оборудования для отечественных портов следует отметить академика А.Н. Крылова, М:Я. Алферьева, И.Г. Бубнова, В.Г. Власова, H.H. Исанина, H.H.

Ковалева, В.Т. Костенко, P.A. Нелепина, В.Н. Перегудова, B.J1. Поздюнина, И.Д. Спасского, Ю.А. Шиманского, Никерова П.С., Яковлева П.И., Ветренко Л.Д., Штенцеля В.К., Ирхина А.П., Сиротского В.Ф., Трифанова В.Н. и многих других. На современном этапе возрождения и развития отечественных портов фундаментальными стали труды Степанова A.JL, Эглита Я.Я., Кацмана Ф.М., Казакова А.П., Климова E.H., Дерябина Р.В., Гнеденко Б.В., Зубкова М.Н., Андрианова E.H., Костылева И.И., Попова С.А., Терехова O.A., Тюрина Б.Ю. и др. В настоящее время, в связи со строительством крупных морских и речных портов на Черном море, в Дальневосточном регионе, на Балтике, на магистральных реках нашей страны, широко развернуты фундаментальные и прикладные исследования в данной предметной области [8], [11], [54].

Нефтеналивной порт оборудован комплексом автоматизированных систем, с помощью которых осуществляется оперативный контроль и управление по обеспечению приема нефти от производителей и реализация графика транспортировки и поставки нефти , согласно карго — плану предприятия, на экспорт. В процессе работы производится учёт приёма, хранения и поставки нефти; контроль и управление количеством и качеством нефти; учитывается объем свободной ёмкости в резервуарном парке и др. Принимаются необходимые технологические решения по изменению грузопотоков нефти в случаях возникновения потребностей, определяемых конкретными условиями, сложившимися на объекте [78Н80].

Вместе с тем, несмотря на наличие развитой структуры систем и средств автоматизации технологических процессов, нефтеналивной порт может быть отнесен к классу эргатических систем со сложной структурой диспетчерского управления [16], [17]. Участие диспетчера (человека-оператора) в решении технологических задач, вопросов организации и управления погрузки и выгрузки нефти, дизельного топлива, мазута и др., согласно технологическому регламенту предприятия, является обязательным.

Для нормального функционирования нефтеналивных терминалов требуется значительная энергия. Прежде всего, это тепловая энергия, необходимая для обогрева технологических трубопроводов. Следует отметить, что только разветвленная система циркуляции теплоносителя, трансформаторного масла и мазута в порту г.Высоцк может потреблять тепловую мощность, доходящую в зимнее время до 28000 кВт. Поскольку по инструкции нагрев трансформаторного масла должен производиться до температуры 120-К50 0 С, нетрудно предположить, что имеются большие производственные резервы для снижения энергопотребления в порту средствами автоматики. Кроме того, большие энергетические затраты требуются для обеспечения работы перекачивающих насосов и другого электроэнергетического оборудования порта. Поэтому экономия топлива и энергии на объектах комплекса является одной из самых важных научно-технических задач [6]. Актуальность исследований в этом направлении является бесспорной. По предварительным оценкам, только энергетические затраты на предприятии могут быть снижены на 8-Н0% за счет разработки и внедрения энергосберегающих технологий и их реализации средствами автоматизации технологических процессов и производств, без существенных расходов на их реализацию.

Отечественный и мировой опыт эксплуатации сложных, многомерных систем показывает, что ни одна даже самая совершенная инструкция и техническая регламентация действий не может привести к эффективным результатам, если решения основываются лишь на инструктивных предписаниях, опыте и интуиции людей, участвующих в реализации технологического процесса [10], [18]. Технологические процессы работы нефтеналивных терминалов и портового оборудования следует совершенствовать и обновлять на базе современных методов и средств моделирования с использованием информационных технологий, фундаментальных положений современной теории управления [21], [22], [53]. На их базе должны обосновываться и получаться оптимальные решения в условиях конкуренции [26], [69], [71]. Сложность проведения исследований состоит в том, что в современных условиях на нефтеналивных терминалах не допускается проведение эксперимента, и поэтому основным направлением их изучения является моделирование, алгоритмизация и вычислительный эксперимент [42].

Другим актуальным направлением исследований является создание современных быстродействующих информационно - измерительных систем и комплексов для определения состава и качества отгружаемой нефти и нефтепродуктов [51], [63]. Это вызвано, прежде всего, большим числом показателей, подлежащих измерениям и оценкам. В настоящее время контролируемыми показателями состава нефти, в соответствии с ГОСТ Р 51858-2002, являются: массовая доля серы (%), плотность (кг/м3), выход фракций (%), массовая доля парафина (%), массовая доля воды (%), концентрация хлористых солей, (мг/дм), массовая- доля механических примесей (%), давление насыщенных паров (мм.рт.ст), содержание хлорорганических соединений (млн"1), массовая доля сероводорода (млн."1), массовая^ доля метил- и этилмеркаптанов (млн"1).

При поставке нефти на экспорт, согласно международным стандартам, массовая доля воды должна быть не более 0,5% , концентрация хлористых солей не более 100 мг/дм3. При поставке нефти на нефтеперерабатывающие заводы Российской Федерации, соответственно, массовая доля воды должна быть не более 1,0% , концентрация хлористых солей недолжна превышать более 900 мг/дм , что также определено ГОСТ Р 51858-2002 .

Заметим также, что для определения показателей состава нефти используются специальные пробы, которые могут исследоваться только в лабораторных условиях. На получение и оформление результатов анализа требуется значительное время, составляющее до 1.5 часов, что создает определенные неудобства, поскольку может привести к дополнительным простоям крупных танкеров у причалов терминала в ожидании оформления документов.

Исходя из вышесказанного, в диссертации выполнены исследования в данной предметной области. Исследования направлены на решение важной научно-технической задачи, имеющей существенное значение для народного хозяйства. Народнохозяйственное значение состоит в повышении энергетической эффективности работы нефтеналивных терминалов современных отечественных портов, в обеспечении экологической безопасности и надежности реализации технологических процессов путем разработки моделей и алгоритмов оптимизации.

Актуальность проблемы. Развитие и совершенствование технологических процессов высокопроизводительных нефтеналивных терминалов, состоящих из многих компонентов, взаимосвязанных между собой с помощью организационных структур и технологических состояний, обусловлено необходимостью экспорта российских энергоносителей в страны Западной Европы, что является важным направлением реализации государственной политики в области совершенствования и развития рыночных отношений в период преодоления последствий кризиса мировой экономической системы. В сложившихся условиях особую актуальность приобретают вопросы автоматизации и оптимизации технологических процессов в нефтеналивных портах, обеспечивающих снижение потерь нефтепродуктов, значительное сокращение потребления топлива и энергии, необходимых для удовлетворения собственных потребностей предприятия в энергоресурсах. Актуальность определяется необходимостью существенных улучшений технологических схем функционирования трубопроводной системы и организации погрузки и выгрузки нефти и нефтепродуктов. Эффективность автоматизации нефтеналивных портов и портового оборудования обеспечивается путем применения математических методов исследования операций, разработки моделей и алгоритмов, базирующихся на современных информационных технологиях, которые вместе с организационными и технологическими преобразованиями элементов и существующих систем управления перегрузочным комплексом позволяют качественно изменить функционирование всех подсистем, значительно улучшить организационно - технологические показатели предприятия в различных сферах бизнеса [1]. Наиболее адекватными процессам и перспективными считаются модели, построенные на основе системного подхода с соблюдением вариационных принципов оптимизации. Многоцелевой характер функционирования системы и ее подсистем требует для обеспечения эффективности решения задач выполнение большого числа ограничений технических, экономических и экологических показателей, которые взаимосвязаны между собой [4]. Поэтому 'разработка моделей, алгоритмов и методологических принципов автоматизации, реализации концепции эффективного функционирования и развития нефтеналивных терминалов и их систем является исключительно важной научной задачей. Создание механизмов реализации концепции совершенствования процессов автоматизации нефтеналивных портов на основе новых информационных технологий и компьютерных вычислительных средств является фундаментальным направлением использования имеющихся резервов' снижения потребляемых ресурсов, улучшения технико - экономических и производственных показателей специализированных портов, определяющим актуальность основных положений и выводов диссертационных исследований.

Диссертация посвящена разработке моделей и алгоритмов, предназначенных для автоматизации и оптимизации технологических процессов в специализированных нефтеналивных портах, принятия наиболее эффективных решений по организации и управлению режимами работы технологических линий.

Целью работы является повышение эффективности и качества функционирования нефтеналивных терминалов и систем обеспечения температурных режимов нефти во время погрузки и выгрузки путем моделирования и оптимизации технологических процессов в порту. Эффективность обеспечивается за счет снижения затрат топлива и энергии на обеспечение работы портового оборудования, совершенствования технологий обеспечения безопасности водных коммуникаций средствами алгоритмизации с применением современных информационных технологий.

Автоматизация технологических процессов в нефтеналивных портах, по существу, требует эффективного решения конкретных проблем обеспечения функционирования сложных технических объектов и их элементов с учетом выбора структуры транспортирования нефти по системе трубопроводов. При этом во многих случаях необходимо оперативно синтезировать управления с четкой ориентацией на целевое назначение операций [13].

Выбор объекта исследования, которым является нефтеналивной специализированный порт, обусловлен необходимостью решения задач автоматизации и оптимизации технологических операций, разработки энергосберегающих технологий, с целью уменьшения потребления ресурсов на выполнение перегрузочного процесса. Фундаментом общей методологии принятия оптимальных решений в различных направлениях эксплуатационной деятельности порта транспорте послужили вариационные принципы и методологические основы численной реализации оптимизационных процедур. В них используются результаты исследования в области математического программирования, численных методов практической оптимизации и исследования операций.

Предметом исследования являются математические модели и алгоритмы автоматизации и оптимизации технологических процессов в нефтеналивных портах. С целью создания моделей и алгоритмов, предназначенных для решения научно - технической задачи автоматизации и оптимизации технологических процессов в порту, обеспечения экономии топлива и энергии, снижения потерь нефти и нефтепродуктов в процессе транспортирования, совершенствования способов оценки состава нефти с помощью новых датчиков информации, в диссертации сформулированы следующие задачи исследований:

Заключение

В результате выполненных диссертационных исследований получены решения научно-технической задачи повышения эффективности автоматизации и контроля технологических процессов погрузки нефти и нефтепродуктов в нефтеналивных портах Северо — Западного региона (па объектах Распределительно-перевалочного комплекса в г. Высоцк Ленинградской области ОАО «РГЖ Высоцк «ЛУКОЙЛ-Н»). Показано, что нефтеналивные терминалы в Финском заливе являются крупными потребителями энергии, используемой для обеспечения надежного и безаварийного транспортирования нефти в танкеры при различных погодных условиях. Например, только одна автоматизированная комбинированная «термомасляная» котельная, используемая для. нагрева нефти в' г. Высоцк, потребляет до 28000 кВт. Большие энергетические затраты требуются для обеспечения работы перекачивающих насосов1 и другого оборудования порта. Поэтому экономия топлива и энергии на объектах комплекса является исключительно важной, актуальной научно — технической проблемой. Высокий уровень производительности и безопасности работы терминалов может быть обеспечен только при наличии технологий и перегрузочных средств, позволяющих постоянно улучшать технологические характеристики перегрузочных комплексов путем использования последних достижений науки и техники, положительного опыта, накопленного в мировой практике. В работе показано, что современный нефтеналивной порт в условиях конкуренции должен быть обеспечен модельными, алгоритмическими и программными средствами для непрерывной оценки эффективности работы в составе транспортной инфраструктуры, прогнозирования собственной деятельности и бизнеса, с учетом внутренних и внешних составляющих финансового рынка, экономических показателей развития предприятия.

В условиях рыночной конкуренции важными методологическими предпосылками повышения эффективности автоматизации и управления технологическими процессами нефтеналивного порта являются последовательное проведение системного анализа объекта методами планирования эксперимента и повышения степени адекватности моделей.

Объединение современных методов эффективного управления, алгоритмизации и соответствующего программного обеспечения позволяет создать высокоэффективную систему мониторинга и оценки параметров анализируемого процесса и принятия решений в реальном масштабе времени. Последнее чрезвычайно важно в условиях контроля состояния сложных технологических процессов, реализуемых в порту и сопряженных с необходимостью оперативного принятия управленческих решений.

Проведенные по данной проблеме диссертационные исследования позволяют сформулировать следующие результаты и выводы:

1.В диссертации проведен анализ технологических процессов специализированного нефтеналивного терминала, выделена его структура, определены особенности технологических операций налива вакуумного газойля в танкеры и перевалки различных типов нефтепродуктов.

2.В терминах логико-вероятностных методов оценки риска, с учетом вероятности перехода системы (элементов перегрузочного комплекса) в нестандартное (опасное) состояние, предложены модели надежности, основанные на анализе наиболее вероятных событий инициаторов. Учтены условия выбора вариантов перехода системы в различные состояния, определяемые технологическими схемами перегрузочного комплекса, что позволило учесть наиболее вероятные технические неисправности и ошибки операторов. На моделях реализована схема обеспечения питания грузовых насосов, насосной станции, комплекса по перевалке нефти и нефтепродуктов, а также исследован процесс переполнения буферных емкостей.

3.Определены превентивные меры и разработан перечень эффективных действий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов. Рассмотрены ситуации, связанные с отклонениями технологических процессов от установленных норм, а также возможные разливы, происходящие вследствие нарушений герметичности соединений перекачивающих насосов, арматуры стендеров, узлов измерения количества нефтепродуктов, отгруженных в нефтеналивные суда. Определен состав мероприятий по предупреждению чрезвычайных ситуаций, обусловленных разливами нефти и нефтепродуктов, на объектах комплекса. Предусмотрены конкретные меры по поддержанию в постоянной готовности сил и средств для обеспечения безопасности населения и территорий, а также по максимально возможному снижению ущерба и потерь в случае возникновения опасных ситуаций. Приведены количественные оценки последствий наиболее вероятных разливов нефтепродуктов и выполнена оценка их вероятности.

4.Исследован способ измерения состава нефти и нефтепродуктов путем оценки их проводимости зг0 и диэлектрической проницаемости 8 в определенном рабочем диапазоне частот, позволяющий использовать идентификационные положения теории управления для оперативного решения задач диагностики жидкостей. Способ основан на сопоставлении электрических сигналов с базовыми значениями, полученными для различных наборов составов светлых фракций и других продуктов. Оценка параметров и состояния нефти исследованным способом базируется на основе определения электрофизических параметров путем обработки экспериментальных данных, полученных для большого числа растворов, с помощью которых интерполированы конкретные значения ей аг0 для нефти, поступающей в порт из различных месторождений.,

5.На основе составленных схем замещения, на границе раздела фаз и объемной части датчика информации (ячейки с раствором) проведен анализ с оценкой оптимальных значений электрических параметров, требуемых для определения диэлектрической проницаемости электролитов. Разработаны алгоритмы и модели оценки удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости различных растворов. Предложен способ определения удельной электропроводности растворов различного класса базирующийся на параметрической оценки диэлектрической проницаемости s данного раствора, который используется в качестве меры сравнения.

6.В терминах прямой задачи моделирования разветвленной технологической схемы трубопроводов, используемых для заполнения танкера вакуумным газойлем за счет перепада высот между резервуарным парком и танкером, разработан алгоритм и предложена программа для решения системы нелинейных уравнений с целью оценки переменных состояния — отметок уровней в буферных емкостях, в узлах трубопроводной системы и расходов в трубопроводах. Алгоритм базируется на вычислительной процедуре Ньютона - Рафсона - Канторовича.

7.Разработан алгоритм распределения потоков нефти и нефтепродуктов в разветвленных рукавах трубопроводов нефтеналивного комплекса, основанный на принципе наименьшего действия. Применительно к открытым гидравлическим системам, принцип наименьшего действия состоит в таком распределении расходов перекачиваемого нефтепродукта, при котором в установившемся режиме энергия, расходуемая системой на транспортирование нефтепродуктов по выбранной трубопроводной схеме, является минимальной.

8.Разработан алгоритм оценки вектора переменных состояния в нелинейной модели разветвленной системы технологических трубопроводов, базирующийся на методе наименьших квадратов. Для реализации процедуры поиска зависимости расходов в ветвях разветвления от полного расхода в системе предложена программа, обеспечивающая итерационный сходящийся вычислительный процесс с оценкой коэффициентов матрицы Якоби на каждом шаге.

9.Разработана многошаговая модель распределения ресурса (объема топлива для нагрева теплоносителя до заданной температуры в течение заданного времени) по процессам (потребителям теплоносителя) и алгоритм её функционирования в условиях ограничений. Для реализации модели приведен файл, составленный в кодах MatLAB, в основу которого положено использование функции PATTERNSEARCH, принадлежащей к классу функций генетического алгоритма.

Ю.Предложен алгоритм решения задачи распределения ресурсов, использованный для определения минимальных потерь электроэнергии в порту. Алгоритм реализован на основе функции linprog, содержащейся в инструментарии Optimization Toolbox среды MatLAB. Предложенный алгоритм обеспечивает высокое быстродействие и устойчивость процесса вычислений при решении задач большой размерности, описываемых вектором состояния с числом элементов, превышающим несколько сотен.

11 .Разработана математическая модель, позволяющая в условиях ограничений объемов ресурсов в каждой конкретной ситуации использовать их с наименьшими потерями, что достигается за счет алгоритмизации и использования численных методов оптимизации и эффективных вычислительных средств. Разработан сплайн-алгоритм оптимизации, базирующийся на стандартных функциях вычислительной среды MatLAB и позволяющий решать задачи эффективного распределения ресурсов по процессам.

Предложенный алгоритм предусматривает использование для получения оптимума функции fmincon, в составе которой содержится файл — функция специальной структуры. Сплайн - алгоритм позволяет представить целевую функцию, содержащуюся в этом файле, в виде аддитивных сплайнов отдельных процессов, построенных на сетке исходных данных, используемых в качестве интерполяционных узлов. Практическое применение предложенного алгоритма подтвердило его высокую эффективность. Алгоритм выгодно отличается от известных численных процедур оптимизации, применяемых для решения задач распределения ресурсов. Во - первых, в процессе его использования исключается необходимость выбора шага дискретности; во - вторых, аппроксимация характеристик с помощью сплайнов, обладающих целым рядом внутренних оптимальных свойств, позволяет получать наилучшие распределения ресурсов по процессам практически для непрерывных режимов и, наконец, сплайн - алгоритм не связан с соблюдением жесткой последовательности обработки данных по процессам. Алгоритм допускает получение оптимальных решений при вариации основного ресурса (бюджета) с любым шагом дискретности.

Для демонстрации эффективности работы сплайн - алгоритма приведено решение задачи об оптимальном распределении инвестиций в развитие инфраструктуры нефтеналивного порта. Основные научные положения и выводы диссертационных исследований внедрены на объектах Распределительно-перевалочного комплекса в г. Высоцк Ленинградской области ОАО «РПК Высоцк «ЛУКОЙЛ-П», а также в учебный процесс на факультете Портовой техники и электромеханики СПГУВК.

1. Аврухович Э.В., Шананин A.A. Отрасль производства в условиях дефицита оборотных средств, «Математическое моделирование», т. 12, № 7, 2000 г., с. 102-126.

2. Альхименко А.И., Аварийные разливы нефти в море и борьба с ними: СПб, 2004 г.

3. Аникин Б.А. Логистика. М.:Инфра, 2001.-3 52с.

4. Анисимов Спиридонов Д.Д. Методы и модели больших систем опти-мального планирования и управления.- М:, Изд-во «Наука», 1969.- 360 с.

5. Антипьев В.Н., Зименков Ю.Д., Контроль утечек при трубопроводном транспорте жидких углеводородов: Тюмень, ТюмГНГУ, 1999 г.

6. Аттеков A.B., Галкин C.B., Зарубин B.C. Методы оптимизации. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. -440с.

7. Базара М., Шетти К. Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы.- М.: Изд. «Мир», 1982.- 584с. СПб.: СПГУВК, 2009,- 153с.

8. Барабашев А.Г. (ред.) и др. Математика и опыт. М.: изд. МГУ,2003.624 с.

9. Барщевский Е.Г., Зубарев Ю.Я. Основы вычислительного эксперимента. Учебное пособие. СПб.: СПГУВК, 2009.- 153с.

10. Белоцерковский О.М., Емельянов C.B., Макаров И.М. и др. Математическое моделирование: Проблемы и результаты. — М., Наука, 2003. -478 с.

11. Белый О.В., Кокаев О.Г, Попов С. А. Архитектура и методология транспортных систем. Монография. СПб.: «Элмор», 2002. - 256 с. '

12. Бенькович Е.С., Колесов Ю.Б., Сениченков Ю.Б. Практическое моделирование динамических систем. СПб.: БХВ- Петербург, 2002.- 464с.

13. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования. М.: Изд. «Наука», 1965. -460с.

14. Божук С.Г. Маркетинговые исследования: основные концепции и методы. СПб.: Вектор, 2005. 288с.

15. Бунчук В.А., Транспорт и хранение нефти, нефтепродуктов и газа: -М., «Недра», 1977 г.Бутов A.C.,

16. Гаскаров Д.В., ЕгоровА.И., КрупенинаН.В. Транспортные системы. Моделирование и управление. СПб.: Судостроение, 2001. — 552 с.

17. Варжапетян А.Т., Глущенко В.В. Системы управления. Исследование и компьютерное проектирование. Учеб. пособие. М.: Вузовская книга, 2000. - 328 с.

18. Варжапетян А.Г. и др. Системы управления. Инжиниринг качества. Учебное пособие, гриф УМО «Управление качеством». М. Вузовская книга 2001,-326с.

19. Варжапетян А.Г. и др. Принятие решений о качестве, управляемом заказчиком. Монография. М. Вузовская книга, 2003.- 387 с.

20. Васендин В.И., Шошмин В.А. Электрохозяйство предприятий речного транспорта. Организация, планирование и управление. Учебник для вузов водного транспорта. — М.: Транспорт, 1985.- 319 с.

21. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Академия, 2005.-576с.

22. Вентцель Е.С., Овчаров JT.A. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Академия, 2005.-528с.

23. Вихров Н.М., Нырков А.П. Модели технологических процессов на транспорте. СПб.: Судостроение, 2003.-422с.

24. Воевудский E.H., Постан М.Я. Стохастические модели в проектировании и управлении деятельностью портов. М.: Транспорт, 1987.-317с.

25. Воротынцев Е.И., Эглит Я.Я., Эглите К.Я. Методология экономического обоснования доставки грузов морским транспортом. СПб.: Феникс, 2008.-104с.

26. Галкин A.B., Кириченко A.B., Эглите К.Я. Транспортно-экспедиторское обслуживание. СПб.: Феникс, 2009. 292с.

27. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука, 1967

28. Гнеденко Б.В., Зубков М.Н. Об определении оптимального числа причалов. М.: Морской сборник, №1, 1964, с.35-39.

29. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. JL: Энергоиздат, 1990

30. Гричев Ю.П. Математические методы планирования эксперимента. М.: ДЕЛИ принт, 2005.-296с.

31. Глущенко В.В. Информационные технологии систем управления. Учебное пособие. СПб. ГУВК , 2002.- 256 с.

32. Глущенко П.В. Диагностика в технических системах. Монография. СПб ГУВК, 2002.-315 с.

33. Глущенко В.В., Сахаров В.В., Сумеркин Ю.В. Моделирование динамических систем и электрических цепей в среде MatLAB: Учеб. Пособие. СПГУВК, СПб, 1998-293 с.

34. Горбатый М.М. Теория и практика оптимизации производственных мощностей морских портов. М.: Транспорт, 1981. 167 с.

35. Губкин A.B., Эглит Я.Я., Драконов В.В. Совершенствование управления распределением контейнеров по направлению перевозок. СПб.: Феникс, 2009.-128с.

36. Деружинский В. Е., Токмазов Я. Г. Концепция развития Новороссийского транспортного узла. Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Проблемы водного транспорта. Технические науки. Спецвыпуск. 2003, с. 129-132.

37. Дерябин Р.В. Система маневрирования ресурсами порта. М.: Мортехинформреклама, 1986.-33с.

38. Дьяконов В. MatLAB: учебный курс СПб.: Питер, 2001. - 560 с.

39. Дьяконов В., Абраменкова И. MatLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. - 608 с.

40. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MatLAB. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2001. - 480 с.

41. Заде JI. Основы нового подхода к анализу сложных систем и процессов принятия решений. М.: Знание, 1971. 184 с.

42. Зубарев Ю.Я. Автоматизация процессов управления в судостроении. Л.: Судостроение, 1978.-261с.

43. Зубарев Ю.Я. Планирование эксперимента в научных исследованиях: учебное пособие. СПб.: СПГУВК, 2004.-153с.

44. Ирхин А.П. Организация работы флота и портов. М.: Транспорт,1966.-174с.

45. Каганович Б.М., Филиппов С.П. Равновесная термодинамика и математическое программирование. Новосибирск.: Наука, 1995 — 236 с.

46. Казаков А.П:, Фадеев И.П. Организация и планирование работы речных портов. М.: Транспорт, 1989. 415 с.

47. Колесников A.A. Последовательная оптимизация нелинейных агреги-рованных систем управления. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 160с.

48. Колесников A.A. (ред.). Современная прикладная теория управления часть 2. Синергетический подход в теории управления. Москва-Таганрог, изд-во ТРТУ. 2000. - 559 с.

49. Колесников Д.Н. (ред.) Моделирование систем с использованием теории массового обслуживания. Учебное пособие. СПб.: СПбГТУ, 2003.-198с.

50. Колесников Ю.Н. Опыт экономии топлива на судах Минречфлота. ЦБНТИ, Речной транспорт. М. - 1983. - Вып. 9. - С. 3-6.

51. Костылев И.И. , Попов С.А. Проблематика транспортных систем. СПб.:Элмор, 2005- 128с.

52. Королев В.И., Лутков С.А., Сахаров В.В. Параметрическая идентификация и оптимальное управление макроэкономической системой. «Проблемы водного транспорта Российской Федерации». Спецвыпуск, М., 2003, с. 74-76.

53. Красовский А.А. (ред.). Современные методы управления многосвязными динамическими системами.Вып. 1. М.: Энергоатомиздат, 2003. - 624 с.Вып. 2. - М.: Энергоатомиздат, 2003. - 556 с.

54. Лебедев С. Б., Верозубов А.П. Менеджмент: концепция социального ориентированного управления на водном транспорте. Учебник. СПб.: ГМА им. адмирала С.О. Макарова, 2006.-304с.

55. Левитин И.Е. Государственно-частное партнерство и транспортная инфраструктура. «Транспорт Российской Федерации», 7, 2006, с.2-5.

56. Лукинский B.C. Модели и методы теории логистики. Учеб. пособие. СПб.: Питер, 2003.-176с.

57. Мали Л. Транспорт, энергетика и будущее. М: Мир, 1987. - 160 с.

58. Нефти СССР. Справочник: М., Химия, 1971 г.

59. Решняк В.И., Экологическая безопасность при перегрузке нефти и нефтепродуктов в портах: учебное пособие — СПб.: СПГУВК, 2006. 234 с.

60. Меренков А.П„ Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей. М.: Наука, 1985.-278 с.

61. Осипов Б.Ю., Эглит Я.Я., Галкин А'.В. Методология экспедирования генеральных грузов. СПб.: Феникс, 2009.-168с.

62. Пат.2065157 Россия, МКИ 6 G G1 27/02. Способ определения качества нефтей или их смесей.

63. Пашин В.М. Роль науки в организации и становлении российского судостроения на современном этапе. Судостроение. №6, ноябрь декабрь 2007, с.3-6.

64. Пупков К.А., Егупов Н.Д. (ред.). Методы классической и современной теории автоматического управления. Т. 1. Математические модели, динамические характеристики и анализ систем автоматического управления. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 656с.

65. Пупков К.А., Егупов Н.Д. (ред.). Методы классической и современной теории автоматического управления. Т. 2. Статистическаядинамика и идентификация систем автоматического управления. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 640с.

66. Пупков К.А., Егупов Н.Д. (ред.). Методы классической и современной теории автоматического управления. Т. 3. Синтез регуляторов систем автоматического управления: — М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.-616с.

67. Рябинин И.А. Логико-вероятностные методы исследования надежности структурно-сложных систем. М.: Радио и связь, 1981

68. Рябинин И.А. Логико-вероятностное исчисление как аппарат исследования надежности и безопасности структурно-сложных систем. "Автоматика и телемеханика", № 7, 2003.

69. Самарский А.А, Михайлов А.П. Математическое моделирование. Идеи. Методы. Примеры. М.: Физматлит, 2001. - 320.с.

70. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1998.-319с. :;

71. Степанов А. Л. (ред.) Транспортная логистика и мультимодальные перевозки. СПб.: ГМА им. адмирала С.О. Макарова, 1998.-119с.

72. Тюкавин A.M. Математическое моделирование процессов переработки каботажных грузов. Информационные технологии и системы: управление, экономика, транспорт, право. Сб. научных трудов. Вып.1 (6). СПб.: ООО « Андреевский издательский дом», 2008.-С.24-27.

73. Усиков C.B. Электрометрия жидкостей. Л. Химия, 1974,- 144с.

74. Фомин Г.П. Математические методы и- модели в коммерческой деятельности: Учебник.- М.: Финансы и статистика, 2001.- 544с.

75. Францев Р.Э., Гаскаров В.Д. Автоматизированные системы управления. Учебное пособие.- СПб.: СПГУВК, 2003.-136.

76. Чебан Е.Ю. Совершенствование судовых средств локализации и ликвидации разливов нефти на внутренних водных путях, Н.Новгород,ВГАВТ, 2005

77. Эглите Я.Я., Васильев В.И. Маркетинг и логистика. СПб.: Бостонспектр, 2002.-302с.

78. Эглит Я.Я., Эглите К.Я., Артемьев А.В. Транспортные системы доставки грузов. СПб.: Феникс, 2005.- 300с.

79. Эглит Я.Я., Эглите К.Я., Прокофьев В.А. Управление транспортными системами. СПб.: Феникс, 2004.- 424с.

80. Eizelt Н.А., Pederzoli G., Sandblom C.-L. Continuous Optimization Models. Walter de Gruyter. Berlin, New York, 1989.-730p.

81. Holly S., Rustem В., Zerrop M.B. Optimal Control for Economic Models. L., 1977.-386 p.

82. Luptacik M. Geometric Programming Method and Applications. OR Spectrum, 1981, 2, pp.129-143.

83. Papa G., Garbolino T. Deterministic Test Pattern Generator Design with Genetic Algorithm Approach. Journal of Electrical Engineering. Vol. 58, No. 3, May-June, 2007, pp. 121-127.

84. Gao Z., Antsaklis P.J. Stability of the pseudo-inverse method for reconfigurable control systems. Int. J.C., 1991, Vol. 53, no. 3, pp. 717-729.

85. Narendra K.S., Lewis F.L. Special issue on neural network feedback control. Automatica, 2001, Vol. 37, no. 8, pp. 1147-1148.

86. Palm III W.J. MatLAB for Engineering Applications. McGraw Hill, N.Y., L, 1999.-526 p.

87. Schroer B.J., Rezapour A. Calibration of Robots Used in High Precision Operations. Robotics and Autonomous Systems. Vol. 4, No. 2, June 1988, pp. 131143.

88. Van Amerongen R.A.M. "On convergence analysis and convergence enhancement of power-system least-squares state estimators", IEEE Trans. Power Syst. Vol. 10, November 1995, pp. 2038-2044.

89. Wang Y.T., Wilson D.R., Heat-Pump control. IEE Proc.~D. Control Theory and Applications. Vol. 130, Part D, no. 6, November 1983, pp. 328-332.

90. Жерновков В.А., Лесников В.А., Пахарев П.К. Сплайн-алгоритм оптимального распределения ресурсов при планировании и управлении производством: СПб. ГМА им С.О. Макарова.2009 №2(56). (ВАК),'

91. Жерновков В.А., Дмитриенко Д.В. Распределение ресурсов на основе алгоритмов открытого поиска: СПб., СПбГУВК., 2009. №3

92. Жерновков В.А. Средства минимизации потерь от испарения нефтепродуктов при перегрузке в специализированных портах: Материалы медвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов,

93. Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» 12-13 мая 2010 года. СПб.: СПГУВК, 2010. -С.27-30.