автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Повышение безопасности трубопроводов промышленных энергетических систем с использованием численных методов механики газов и жидкостей

На правах рукописи

Прялов Сергей Николаевич.

Повышение безопасности трубопроводов промышленных энергетических систем с использованием численных методов механики газов и жидкостей

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность (в энергетике)»

Специальность 05.14.01 - «Энергетические системы и комплексы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сэров 2004

Работа выполнена в ООО «НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ» (г.Саров Нижегородской области).

Научный руководитель:

доктор технических наук Селезнев Вадим Евгеньевич Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Есин Владимир Михайлович; кандидат технических наук Чучко Виталий Федорович.

Ведущая организация: Институт прикладных информационных технологий, г.Москва.

Защита состоится «22» апреля 2004 года в 14 часов 00 минут в аудитории №Б-205 на заседании диссертационного совета Д 212.157.14 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: г. Москва, Красноказарменная ул., дом 17.

Отзывы, на-автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу: 111250, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан

. 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.14 кандидат технических наук,

доцент

В. Д. Буров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из основных направлений повышения безопасности и эффективности трубопроводных систем топливно-энергетического комплекса (ТЭК) является разработка и внедрение в производственную практику компьютерных программно-математических комплексов, компьютерных симуляторов и компьютерных аналитических систем. Они предназначены для всестороннего анализа и контроля состояния трубопроводных систем и режимов их функционирования. Современное развитие средств технической диагностики, усложнение режимов эксплуатации трубопроводных сетей и старение трубопроводов требуют повышения точности моделирования (за счет увеличения степени адекватности математических моделей реальным физическим процессам, протекающим в трубопроводных системах) и повышения устойчивости алгоритмов их численного анализа.

Данная диссертационная работа направлена на решение одного из аспектов поставленной выше задачи, а именно - на разработку и внедрение в производственную практику предприятий ТЭК высокоточных (с точки зрения их практического применения) компьютерных симуляторов нестационарных неизотермических режимов транспорта газов и жидкостей по системе длинных разветвленных трубопроводов. Симуляторы предназначены для повышения безопасности и эффективности эксплуатации трубопроводных сетей промышленных энергетических систем и комплексов за счет углубленного анализа физических процессов, протекающих при нормальном функционировании трубопроводов и в условиях аварий.

Целью работы являлись разработка и реализация новых научно обоснованных методов повышения точности и эффективности компьютерных симуляторов транспорта газов и жидкостей по разветвленным многониточным линейным частям трубопроводных систем. Эти методы предназначены для анализа промышленной и пожарной безопасности производственных объектов ТЭК и снижения их вредных воздействий на окружающую среду.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан и научно обоснован новый метод компьютерной оценки параметров нешотермических нестационарных процессов транспорта гомогенных химически инертных вязких газовых смесей по протяженным разветвленным многониточным линейным частям промышленных трубопроводов, предназначенный для подробного анализа режимов транспорта газов в энергетических системах и комплексах при нормальных и аварийных условиях эксплуатации. Он предусматривает адаптацию полной системы уравнений газовой динамики к описанию течений по длинным разветвленным трубам с учетом работы запорно-вентильной арматуры и возможных образований течей и гильотинных разрывов труб. При анализе процессов течения в зоне разветвления трубопроводов используется универсальная геометрическая модель сочленения длинных с

минимальными упрощениями перейти от реального

схеме. Такой подход обеспечивает в зоне сочленения трубопроводов аппроксимацию трех основных законов сохранения (массы, импульса и энергии). При расчетах параметров транспорта газов по линейным частям трубопроводов для повышения надежности расчетов применяются-несколько разностных схем, построенных на основе интегрального метода и метода контрольного объема.

2. Предложен новый метод повышения точности оценки количества газовых смесей и сопутствующих жидких фракций, выбрасываемых в окружающую среду при разрывах промышленных газопроводов ТЭК, с использованием компьютерных симуляторов транспорта газов и жидкостей по многониточным линейным частям трубопроводных систем. Он предназначен для анализа последствий аварийных ситуаций на промышленных энергообъектах, включая пожары. В процессе эксплуатации компьютерный симулятор в режиме реального времени получает от SCADA-системы данные о параметрах транспорта продуктов по трубопроводам. По результатам работы симулятора с высокой (с точки зрения практического применения) точностью численно определяется временная табличная функция изменения массовых расходов транспортируемых продуктов в зоне разрыва трубопровода. Интегрирование данной функции по времени позволяет описать зависимость изменения количества выброшенного в окружающую среду продукта в процессе аварии.

3. Впервые разработана и научно обоснована новая компьютерная технология анализа нестационарных режимов транспорта газа через газотранспортную систему промышленного энергообъекта в результате постановки и решения вспомогательной задачи математической идентификации, предназначенная для предупреждения и исследования механизмов аварий на газопроводах ТЭК. Технология предполагает организацию итеративной процедуры, при которой физические условия сопряжения на границах соседних сегментов трубопроводной сети на каждом временном шаге численного анализа выступают в качестве управляемых переменных вспомогательной задачи математической идентификации численной газодинамической модели реальному процессу транспорта газа по промышленной трубопроводной системе. Решение вспомогательной идентификационной задачи считается найденным, если модуль разности расчетных оценок давлений газа справа и слева от зоны сопряжения Газодинамических моделей сегментов трубопроводной сети становится меньше некоторой наперед заданной малой константы.

4. С помощью разработанных методов получены новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о функционировании, возможностях реконструкции энергообъектов, причинах возникновения и механизмах протекания аварий в трубопроводных системах. К новым результатам относятся: расчетные оценки параметров безопасных динамических режимов транспорта природного газа по сетям газотранспортных предприятий и горячей воды по тепловымсетям ТЭС и

энергообъектов; расчетные сценарии реальных аварий на магистральным газопроводахдляустановления причин ихвозникновения.'

Практическая ценность работы. Выносимые на защиту методы и компьютерная технология реализованы в программно-математических комплексах «CorNet» и «AMADEUS», предназначенных для повышения безопасности и эффективности трубопроводных систем ТЭК. Эти комплексы активно используются для решения практических задач энергетических систем, как в России, так и за рубежом. С помощью программно-математического комплекса «CorNet»' установлены причины и механизмы развития свыше десяти аварий. Он успешно применялся при решении задач ОАО «ГАЗПРОМ», Минатома РФЛ Госгортехнадзора РФ, Международной газотранспортной компании «SPP-DSTG», Сандийских национальных лабораторий (США), Фраунгоферовского института неразрушающего контроля (Германия) и др. Программно-математический комплекс «AMADEUS» широко применялся при решении задач компании «SPP-DSTG» и Математического института Словацкой Академии Наук.

Достоверность изложенных в диссертации основных научных положений обеспечивается:

• научным обоснованием использования современных методов вычислительной механики газов и жидкостей для решения задач повышения безопасности и экологичности объектов ТЭК;

• научным обоснованием адекватности применяемых математических моделей моделируемым реальным объектам и процессам;

• научным обоснованием применимости и эффективности методов численного анализа разработанных моделей;

• результатами натурных и численных экспериментов;

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

Автор зашишает:

1) метод компьютерной оценки параметров неизотермических нестационарных процессов транспорта гомогенных химически инертных вязких газовых смесей по разветвленным протяженным многониточным линейным частям промышленных трубопроводных сетей, предназначенный для подробного анализа режимов транспорта газов в энергетических системах и комплексах при нормальных и аварийных условиях эксплуатации;

2) метод повышения точности оценки количества газовых смесей и сопутствующих жидких фракций, выбрасываемых в окружающую среду при разрывах промышленных газопроводов ТЭК, с использованием компьютерных симуляторов транспорта газов и жидкостей по линейным многониточным частям трубопроводных систем;

3) компьютерную технологию анализа нестационарных режимов транспорта газа через газотранспортную систему промышленного энергообъекта в результате постановки и решения вспомогательной задачи математической идентификаций, предназначенную для предупреждения и анализа механизмов аварий на газопроводах ТЭК;

4) результаты, расширяющие и углубляющие представления о функционировании, возможностях реконструкции объектов трубопроводных систем ТЭК, причинах возникновения и механизмах протекания аварий в трубопроводных системах.

Личный вклад автора з аключается:

- в разработке и научном обосновании математических моделей и алгоритмов метода компьютерного моделирования неизотермических нестационарных процессов транспорта гомогенных химически инертных вязких газовых смесей по разветвленным протяженным многониточным линейным частям промышленных трубопроводных сетей;

- в разработке и научном обосновании метода повышения точности оценки количества газовых смесей и сопутствующих жидких фракций, выбрасываемых в окружающую среду при разрывах промышленных газопроводов ТЭК, с использованием компьютерных симуляторов транспорта газов и жидкостей по многониточным линейным частям трубопроводных систем;

- в разработке и научном обосновании математических моделей и алгоритмов метода компьютерного моделирования нестационарных режимов транспорта газа через газотранспортную систему промышленного энергообъекта в результате постановки и решения вспомогательной задачи математической идентификации, предназначенного для предупреждения и анализа механизмов аварий на газопроводах ТЭК;

- в непосредственном участии в разработке и внедрении в производство программно-математических комплексов «AMADEUS» и «CorNet», предназначенных для решения задач механики газов и жидкостей в трубопроводах;

- в непосредственном участии в разработке и внедрении на отечественных и зарубежных предприятиях ТЭК вычислительной технологии построения компьютерных газодинамических симуляторов на базе программно-математических комплексов «AMADEUS» и «CorNet»;

*• - в непосредственном участии в проведении расчетного анализа безопасности и эффективности конкретных трубопроводных систем на отечественных и зарубежных предприятиях ТЭК, успешном расследовании технических причин многочисленных аварийных ситуаций в трубопроводном транспорте;

- во внедрении передовых достижений науки на предприятиях ТЭК, направленных на повышение безопасности, экологичности и эффективности энергообъектов.

Апробация работы. Основное содержание диссертации и результаты

применения предложенных в ней методов Моделирования течений транспортируемых сред представлены и обсуждены наг 3-ей Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой ' промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (28-30 сентября 1999 года, г. Москва); Международной конференции «Complex Pipeline System 2002 (High precision gas dynamics computation)» (17 - 19 июня 2002 года, г. Смоляница, Словакия); 14-том конкурсе РАН для молодых ученых и студентов (сентябрь'2002 года, Москва, РАН); 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); Международной конференции по безопасности и надежности «Safety and Reliability International Conference KONBiN-2003» (2003 год, гГданьск, Польша).

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

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано пятнадцать работ.

Структура и • объем < диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка источников из 124 наименований и 6 приложений. Содержит 204 страницы, 6 таблиц, 37 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована основная цель работы, представлена новизна предлагаемых методов решения производственных задач повышения безопасности, эффективности и экологичности транспорта продуктов по трубопроводам энергообъектов и описана их практическая ценность.

Глава 1 посвящена постановке задачи повышения безопасности трубопроводов промышленных энергетических систем и комплексов с использованием численных методов механики газов и жидкостей, формализованных в виде компьютерных газодинамических симуляторов (ГДС) транспорта продуктов по трубопроводным сетям ТЭК. В главе 1 приводится описание объекта моделирования и рассмотрены структура, способы построения и возможности практического применения высокоточных (с точки зрения производственной практики) ГДС для повышения безопасности и эффективности эксплуатации газотранспортных предприятий. Эта глава также

содержит критический анализ существующих российских и зарубежных методов компьютерного исследования процессов транспорта газа по трубопроводным сетям.

По данным специалистов в области промышленной и пожарной безопасности в энергетике, ГДС можно представить в виде компьютерной аналитической системы, условно разделяющейся на три взаимосвязанные части (элементы). Первым элементом системы является построенная из универсальных (типовых) сегментов расчетная г схема трубопроводной сети газотранспортного предприятия. Под вторым элементом ГДС подразумевается база данных, содержащая исходную и оперативную информацию об изменяющихся во времени топологии сети, параметрах трубопроводов, технологических режимах и правилах управления транспортом природного газа для конкретного газотранспортного предприятия. Третьим элементом ГДС считается программно-математический комплекс, оперирующий двумя первыми элементами ГДС и предназначенный для построения с помощью базы исходных данных расчетных схем, минимально отличающихся от топологии реальных трубопроводных систем, а также их численного анализа. В ГДС может также входить компьютерная интерфейсная оболочка, имитирующая работу реальных пультов управления в Диспетчерских центрах предприятий ТЭК в привычной для диспетчеров визуальной форме.

Для повышения пожарной и промышленной безопасности эксплуатации трубопроводных систем в главе 1 сформулированы следующие направления использования ГДС: обнаружение разрывов трубопровода; оперативный анализ текущих режимов транспорта газа в режиме «online»; анализ вариантов реконструкции трубопроводной сети и разработка алгоритмов ремонта или замены дефектных участков трубопроводов в режиме «offline»; обучение специалистов ТЭК приемам эффективной и безопасной эксплуатации оборудования; обучение специалистов ТЭК оптимальным действиям по локализации аварийной нитки трубопроводной системы; предоставление необходимой информации по газодинамическим параметрам специалистам ТЭК, занимающимся исследованием прочности трубопроводов; высокоточный расчет параметров истечения газа в случае разрыва газопровода при расследовании аварийных ситуаций.

Точность получаемых с помощью ГДС оценок параметров течения транспортируемых по трубопроводам сред определяется, прежде всего, адекватностью используемых математических моделей. В связи с этим в главе 1 проведен критический анализ существующих программно-математических комплексов, составляющих расчетное ядро ГДС, применяющихся в ТЭК для моделирования работы трубопроводных систем энергообъектов. Показано, что они не удовлетворяют современным требованиям по точности и адекватности описания реальных процессов в сложных разветвленных трубопроводных системах. Это объясняется тем, что в их основу положены существенно упрощенные базовые модели вычислительной гидродинамики.

Глава 2 посвящена компьютерному анализу параметров транспорта газовых смесей для повышения безопасности промышленных трубопроводов. В ней подробно описывается метод компьютерной оценки параметров неизотермических нестационарных процессов транспорта гомогенных химически инертных вязких газовых смесей по протяженным разветвленным многониточным линейным частям промышленных- трубопроводов, предназначенный* для подробного анализа режимов транспорта газов в энергетических системах и комплексах при нормальных и аварийных условиях эксплуатации.

В главе 2 приводятся построенные автором диссертации исходная модель транспорта газовых смесей по системе длинных разветвленных линейных частей трубопроводов ТЭК, которая представляет собой вариант системы одномерных дифференциальных уравнений в частных производных, и ее конечно-разностные аналоги в виде классов параметрических разностных схем. Исходная модель, была построена путем адаптации полной системы интегральных уравнений газовой динамики к условиям течения среды по длинным разветвленным трубопроводным системам. Переход от трехмерной интегральной формулировки задачи к эквивалентной одномерной дифференциальной формулировке осуществляется в результате принятия ряда упрощений и проецирования исходной системы уравнений на геометрическую ось трубопровода.

В качестве Лпримера результатов выполнения данных преобразований целесообразно* представить газодинамическую модель безударного неустановившегося неизотермического турбулентного течения вязкой химически инертной сжимаемой многокомпонентной теплопроводной газовой смеси через узел сочленения разветвленного газопровода с круглым поперечным сечением и абсолютно жесткими шероховатыми теплопроводными стенками:

(1.а)

л"ут)=«\Ут)> м<2=1у, ("Ч*,)=К)(*,) Д^я любых я, £ е1, N и т 6 1,Ыя; (1, д) -уравнения состояния (УРС):

где /> - плотность газовой смеси; р- давление в газовой смеси; е - удельная (на единицу массы) внутренняя энергия газовой смеси; 0- удельная (на единицу объема) мощность источников тепла; - число компонент гомогенной газовой смеси; / - площадь проходного сечения трубопровода; V? - проекция среднего по поперечному сечению трубы вектора скорости смеси на геометрическую ось симметрии * трубопровода (в предположении развитой турбулентности течения); - модуль, ускорения свободного падения; высота прокладки трубопровода над уровнем моря или. над другой поверхностью отсчета, удобной для пользователя; - набор параметров,

определяющих описываемую - величину; X - коэффициент гидравлического сопротивления: трения, в. формуле Дарси-Вейсбаха; я- число Пифагора;

- внутренний радиус трубы; - удельная (на единицу массы) 'внутренняяэнергия и-ойкомпоненты; Тя -температура ж-ойкомпоненты; х -пространственная координата вдоль» геометрической оси трубопровода (пространственная переменная). Функция ©(Г.Г^) определяется законом теплопередачи от трубы к окружающей среде и выражает собой суммарный тепловой поток через стенки трубы по периметру проходного сечения с площадью - идет теплоотдача), - температура окружающей

среды. Для обозначения принадлежности какой-либо величины к трубе с номером п используется верхний индекс слева от величины, помещенный в круглые скобки, например:

. Для получения системы уравнений (1) автором диссертации разработана универсальная геометрическая модель сочленения, позволившая перейти от полной системы интегральных уравнений газовой динамики к эквивалентной ей системе одномерных дифференциальных уравнений (рис.1).

Как отмечалось выше, для анализа разработанных моделей' методом конечных разностей (МКР) получен параметрический класс конечно-разностных схем, позволяющий выбором параметров класса получать разностные схемы с различными свойствами: двухслойные и трехслойные; явные и неявные; консервативные, полностью консервативные и

неконсервативные; с центральными разностями и с разностями против потока. Используя общепринятые обозначения, приведем параметрический класс для описания течения газовой смеси по однониточному трубопроводу:

Рис.1. Модельное представление сочленения трубопроводов

где ^, В*, В' И г - разностные выражения, аппроксимирующие величины / и Я (вид данных выражений определяется при выделении конкретной схемы из класса схем); К, и К, - операторы разностного дифференцирования функций

И-т) ■ Ь-'-т)

соответственно по времени и по пространству (вид

данных операторов определяется при выделении конкретной схемы из класса схем). В работе подробно исследуются консервативность, аппроксимация и устойчивость разработанного класса схем и даются рекомендации по способам выделения из класса конкретных разностных схем с требуемыми свойствами. Разностные аналоги (2) были получены широко известным интегральным методом. Для их решения используется метод Ньютона.

Разностная модель (2) была реализована в компьютерных программно-математических комплексах «CorNet» и- его специализированной версии «AMADEUS», разработанных в Центре Вычислительных Технологий Механики ООО «НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ» при непосредственном участии автора диссертации. Пример результатов компьютерного анализа параметров течения газа с помощью «CorNet» приведен на рис.2. При этом рассматривалось нестационарное течение метана вдоль одной из ниток пятиниточного трубопровода, вызванное изменением давления на входе в трубопровод (см. рис.2).

И2Х2ЕЗЭ

В главе 2 также представлен вариант термического и калорического уравнений состояния, показавших наилучшие результаты при компьютерной оценке параметров транспорта природного газа на предприятиях ТЭК как в России, так и за рубежом.

При моделировании течения транспортируемых сред по трубопроводным системам адекватность получаемых результатов, особенно при моделировании аварийных ситуаций (например, разрыва трубопровода), зависит, в том числе, от корректности моделей течения транспортируемых сред через кран, а также при разрыве трубопровода. В главе 2 приведены разработанные автором

модели описанных процессов, показавшие наилучшие результаты при их практическом использовании для повышения безопасности реальных энергообъектов. Также проведен критический анализ применявшихся ранее подходов для описания подобных явлений. Пример использования разработанных моделей для повышения безопасности энергообъектов представлен на рис.3. В данной задача рассматривался процесс локализации перекрытием кранов разорвавшейся нитки пятиниточного трубопровода.

» ом н»____~ ____**■' " " _______

ЧчкчГ» и « ► н о » * ИПШ —" * пн ПВО

—— ■ -- J Г1- ) ' *—г*з-:—:--—:—^г*.-1—-■. ■1 ц

Л , Jí 1 ✓ — 'M-M Я &

-I Tj Я a «I jj-п им»

I«.-* П Г lili ■тлм

*■ ti м aiM» mm r» •) МММ HMJ 7|»| «UMJ* «W итм им мт

Coordínete alosg plpeline №0-4 1 • S(m) 110 »"»ее

Рис.3. Пример результата компьютерного анализа параметров транспорта газа (давление, температура, скорость, массовый расход) при локализации разорвавшейся нитки

Глава 3 посвящена компьютерной оценке динамики подвода топлива при пожаре на многониточном газопроводе. В этой главе описан метод повышения точности определения количества газовых смесей и сопутствующих жидких фракций, выбрасываемых в окружающую среду при разрывах промышленных газопроводов ТЭК, с использованием компьютерных симуляторов транспорта газов и жидкостей по многониточным линейным частям трубопроводных систем.

Приближенной оценкой высвободившейся энергии от горения метановоздушной смеси может быть произведение количества выброшенного газа на его калорийность. Для расчета количества выброшенного газа может применяться следующий алгоритм. На первом этапе моделируется течение газовой смеси по трубопроводу от момента разрыва до момента локализации аварийной нитки. На втором этапе рассчитывается количество выброшенного в атмосферу газа. Данная величина складывается из двух составляющих. Первая составляющая вычисляется путем интегрирования по' времени функции массового расхода в зоне аварии от момента разрыва до момента локализации

аварии. Вторая составляющая равняется количеству газа, оставшегося в аварийном трубопроводе на момент локализации аварий.

Для более корректной оценки уровня пагубного воздействия горящей метановоздушной смеси, возникающей при разрыве трубопровода, на окружающую среду применяется технология «Р1рЕ81», разработанная при участии автора диссертации. Она позволяет в трехмерной постановке задачи определить величину теплового поражения от излучения факела с учетом динамики истечения газа из разорвавшегося трубопровода и его горения, состояния окружающего атмосферного воздуха и рельефа местности. В этом случае необходимо использовать высокоточные модели течения газовой смеси по трубопроводу для задания корректных граничных условий при решении указанной задачи.

Используя описанный алгоритм, расследовано несколько аварий. Проведенные расчеты параметров истечения газа из разорвавшихся трубопроводов позволили достоверно определить количество выброшенного в атмосферу газа, что дало возможность корректно оценить размеры зон и интенсивность теплового воздействия от произошедшего пожара на прилегающую к месту аварии окружающую среду. Характерное распределение параметров при истечении газа из разорвавшегося трубопровода представлено на рис.3.

В Главе 4 изложена компьютерная технология анализа нестационарных режимов транспорта газа через газотранспортную систему промышленного энергообъекта в результате постановки и решения вспомогательной задачи математической идентификации, предназначенная для предупреждения и исследования механизмов аварий на газопроводах ТЭК.'

В ее основе лежит итеративная процедура, при которой физические условия сопряжения на границах соседних сегментов трубопроводной сети на каждом временном шаге численного анализа выступают в качестве управляемых переменных вспомогательной задачи математической идентификации численной газодинамической модели реальному процессу транспорта газа по промышленной трубопроводной системе. Например, для моделирования нестационарного течения газа через компрессорный цех, состоящий из входного трубопровода, нагнетателя и выходного трубопровода (см. рис.4) требуется решать следующую задачу идентификации (предполагается, что ГУ в точках Л и В (см. рис. 4) заданы корректно):

Т(У)=0, ч^р^^.т^-рм^.т, (3)

где 3 - массовый расход через нагнетатель - исходное данное для всех расчетов, Р^уТ^ (,/)) и Р^^.Т, (./)) - давления в одной и той же точке, но рассчитанные по разным моделям, отводящего трубопровода и нагнетателя соответственно; Г, и Г2 - температуры на входе и выходе нагнетателя. В качестве исходных данных при расчете нагнетателя берутся параметры, полученные из аналогичных расчетов для подводящего трубопровода. Таким

образом, суть метода заключается в том, что варьированием значения массового расхода через нагнетатель находится такое его значение, при котором получающиеся параметры системы удовлетворяют всем используемым математическим моделям (подводящего трубопровода, нагнетателя и отводящего трубопровода).

Решение вспомогательной идентификационной задачи считается найденным, если модуль разности расчетных оценок давлений газа справа и слева от зоны сопряжения газодинамических моделей сегментов трубопроводной сети становится меньше некоторой наперед заданной малой константы.

Описанная модель (3) легко распространяется на общий случай, при этом задача идентификации представляет систему нелинейных алгебраических уравнений. В настоящее время описанный метод успешно применяется в ГДС, построенных на-базе программно-математических комплексов «CorNet» и «AMADEUS».

В Главе 5 описываются некоторые примеры исследований точности и адекватности математических моделей, положенных в основу методов и компьютерной технологии, разработанных и приведенных в предыдущих главах.

Исследования проводились по трем направлениям сравнения расчетных параметров транспорта продуктов по трубопроводам с результатами: аналитических расчетов; применения сертифицированных программно-математических комплексов (например, таких как «ANSYS», «Star-CD», «FLUENT»); натурных измерений на газотранспортных предприятиях, полученных с использованием SCADA-системы для реальных режимов транспорта природного газа.

Кратко рассмотрим некоторые из данных исследований.

1. Рассматривалось сравнение результатов расчета с применением программно-математического комплекса «AMADEUS» и результатов исследования аналитической модели (течение по трубе идеальной несжимаемой жидкости). Моделировалось истечение из бака. Необходимо было оценить характеристики переходного режима течения с момента открытия крана до начала установившегося режима течения газа. Отличие рассчитанных значений скоростей не превысило 0,1 м1 с (1,0%).

в

Рис.4. Схема компрессорного цеха

2. Рассматривалось сравнение результатов численного моделирования и натурных измерений при эксплуатации программно-математических комплексов «CorNet» и «AMADEUS» на реальных газопроводах, как в России, так и за рубежом. Расчеты параметров течения производились с помощью программно-математических комплексов «CorNet», «AMADEUS» и «ANSYS». Относительные погрешности расчета по давлению транспортируемого газа не превысили 2,8% (0Д9МПА по абсолютному значению) (для 93% узлов измерения относительная погрешность не превышала 1,7% (0,12МПа)). Относительные погрешности расчета по температуре транспортируемого газа не превысили 1,1% (3,2К по абсолютному значению) (для 90% узлов измерения относительная погрешность не превышала 0,67% (1,9К)). Максимальные отклонения расчетных данных по массовому расходу транспортируемого газа от показаний датчиков не превышает 6,3% (94,0кг/с по абсолютному значению).

3. По заказу Международной компании «SPP-DSTG» проведены расчеты параметров нестационарных газодинамических процессов в одной из ниток ЛЧМГ между КС и расположенной ниже по потоку газа газораспределительной станции (ГРС), имевших место 02 июня 2003 года при отключении участка этой нитки из газопроводной системы [13,27]. Расчеты предваряли натурный эксперимент. Результаты сравнения для одного из датчиков представлены на рис.5.

' I i I ' I ■ I ' ' '' 1 ' I '■ I ■ I ■ I ' О 100 200x8«x>so0{00 700 800 g00 1000 1100 1200

Время, с

Рис.5. Пример сравнения результатов расчета и измерения давления транспортируемого газа в точке, соответствующей месту установки

датчика

Таким образом, результаты описанных исследований подтвердили работоспособность предложенных в диссертации методов и высокую точность расчетных оценок параметров транспорта газа, получаемых с помощью данных методов.

Глава 6 посвящена рассмотрению возможностей использования разработанных в диссертации методов для построения гидравлических симуляторов стационарных и динамических режимов работы теплоэлектростанций, предприятий тепловых сетей и т.п. В ней показана принципиальная возможность построения симуляторов транспорта воды, пара и пароводяных сред, основанных на одномерных моделях транспорта данных продуктов. Возможность построения данных моделей позволяет использовать рассматриваемые симуляторы в режиме реального времени.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Для повышения безопасности функционирования сложных трубопроводных сетей промышленных энергетических комплексов и систем разработан, научно обоснован и верифицирован на тестовых и производственных задачах новый метод компьютерной оценки параметров неизотермических нестационарных процессов транспорта гомогенных химически инертных вязких газовых смесей по протяженным разветвленным многониточным линейным частям промышленных трубопроводов. Данный метод базируется на адаптации полной системы уравнений газовой динамики к описанию течений по длинным разветвленным трубам с учетом работы запорно-вентильной арматуры и возможных образований течей и гильотинных разрывов труб. При анализе неустановившихся течений по разветвленным трубопроводам используется универсальная (с точки зрения построения исходных дифференциальных уравнений в частных производных и их разностных аналогов) геометрическая модель сочленения длинных трубопроводов. Она позволяет с минимальными упрощениями перейти от реального сочленения к его расчетной схеме, обеспечивающей в зоне сочленения трубопроводов аппроксимацию трех основных законов сохранения (массы, импульса и энергии).

2. Предложен новый метод, повышения точности оценки количества газовых смесей и сопутствующих жидких фракций, выбрасываемых в окружающую среду при разрывах промышленных газопроводов ТЭК, с использованием компьютерных симуляторов транспорта газов и жидкостей по многониточным линейным частям трубопроводных систем. По результатам работы симулятора численно определяется временная табличная функция изменения массовых расходов транспортируемых продуктов в зоне разрыва трубопровода. Интегрирование данной функции по времени позволяет описать зависимость изменения количества выброшенного в окружающую среду продукта в процессе аварии.

3. Впервые разработана и научно обоснована компьютерная технология анализа нестационарных режимов транспорта газа через газотранспортную систему промышленного энергообъекта в результате постановки и решения вспомогательной задачи математической идентификации. Технология предполагает организацию итеративной процедуры, при которой физические

условия сопряжения на границах соседних сегментов трубопроводной сети на каждом временном шаге выступают в качестве управляемых переменных задачи идентификации газодинамической модели реальному процессу транспорта газа по промышленной трубопроводной системе. Шаг технологии считается выполненным, если модуль разности расчетных, оценок давлений газа справа и слева от зоны сопряжения сегментов трубопроводной сети становится меньше наперед заданной малой константы.

4. Для анализа адекватности описанных в диссертации методов и компьютерной технологии были проведены сравнения расчетных оценок и результатов натурных измерений основных параметров динамических режимов транспорта природного газа (давление, температура, массовый расход) для всех участков ЛЧМГ Международной газотранспортной компании «8РР-В8ТО» (Словакия). Сравнения выполнялись для 35 временных интервалов (длительность каждого интервала - 24 часа) с наиболее интенсивными изменениями давления и массового расхода транспортируемого газа по всей длине трубопроводной сети газотранспортного предприятия ТЭК. По результатам сравнения были получены следующие данные. Максимальные отклонения расчетных данных по давлению от показаний датчиков не превышает 2,8% (0,19МПА по абсолютному значению). Для 93% узлов измерения относительная погрешность не превышала 1,7% (0,12МПа). Полученные погрешности близки к реальной погрешности датчиков давления, которая, по опыту работы специалистов российской газовой промышленности с российскими 8САОА-системами, составляет ±0,05МПа. Максимальные отклонения расчетных данных по температуре от показаний датчиков не превышает 1,1% (3,2К по абсолютному значению). Для 90% узлов измерения относительная погрешность не превышала 0,67% (1,9К). Полученные погрешности близки к реальной погрешности датчиков температур, которая, по опыту работы специалистов российской газовой промышленности с российскими 8САБА-системами, составляет ±0,7К. Максимальные отклонения расчетных данных по массовому расходу транспортируемого газа от показаний датчиков не превышает 6,3% (94,0кг/с по абсолютному значению).

5. С помощью разработанных методов и компьютерной технологии получены новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о функционировании, возможностях реконструкции энергообъектов, причинах возникновения и механизмах протекания аварий в трубопроводных системах. К таким результатам относятся: расчетные оценки параметров безопасных динамических режимов транспорта природного газа по сетям газотранспортных предприятий; расчетные оценки параметров режимов транспорта горячей воды по тепловым сетям электростанции; расчетные сценарии аварий на магистральных газопроводах.

6. В работе показано существенное влияние конкретных уравнений состояния, применяемых в компьютерных симуляторах, на точность получаемых оценок параметров течений по трубопроводным сетям

энергообъектов. Поэтому для обеспечения корректности решения современных задач повышения безопасности транспорта газов по трубопроводам ТЭК необходимо уделять серьезное внимание выбору уравнений состояния транспортируемых газов.

Результаты диссертационной< работы изложены- в следующих основных публикациях:

1. Численный анализ и оптимизация газодинамических режимов транспорта природного газа / Селезнев В.Е., Клишин Г.С., Прялов С.Н. и др.: Под ред. В.Е. Селезнева. - М.: Едиториал УРСС, 2003. - 223 с.

2. Прялов С.Н., Селезнев В.Е., Яцевич СВ. Математическое моделирование течения природного газа через узел сочленения в многониточном газопроводе. // Complex Pipeline System 2002 (High precision gas dynamics computation)^ Сб. докл. Международной конф. 17-19 июня 2002 года, Словакия / Под ред. В.Е. Селезнева. - Саров: ООО «НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ», 2002. - Часть 1 - С.51-58.

3. Селезнев В.Е., Прялов С.Н., Яцевич СВ. Об одном методе математического моделирования течения природного газа через узел сочленения- в многониточном газопроводе // Наука и техника в газовой промышленности. - 2003. - №1. - С17-21.

4. Прялов СН. Моделирование утечек природного газа на объектах газовой промышленности // Областной конкурс научно-технического творчества молодежи под эгидой Губернатора Нижегородской области: Сб. докл. -Нижний Новгород: Администрация Нижегородской области, 2001. - С1-9.

5. Прялов С.Н., Худов А.Н. Подход к анализу осколочного поражения при авариях на объектах трубопроводного транспорта // Научно-практическая конференция, посвященная 30-летию ДОАО «ГРШРОГАЗЦЕНТР»: Тез. докл. -Нижний Новгород, 1998. - С.20-21.

6. Селезнев В.Е, Прялов СН. Программное обеспечение AMADEUS: анализ пагубного воздействия трубопроводного транспорта на окружающую среду. Часть 1 // Международная конференция по безопасности и надежности K0NBiN-2003: Сб. докл. - Варшава (Польша): WITWL, 2003. - Т.З, статья В 10.24 - С. 363-368. (на английском языке)

7. Селезнев В.Е, Прялов СН. Программное обеспечение AMADEUS: анализ пагубного воздействия трубопроводного транспорта на окружающую среду. Часть 2 // Международная конференция по безопасности и надежности K0NBiN-2003: Сб. докл. - Варшава (Польша): WITWL, 2003. - Т.З, статья В 10.23. - С 369-374. (на английском языке)

8. Опыт эксплуатации систем реального времени и их вклад в безопасное и эффективное управление газотранспортными системами* / Селезнев В.Е., Прялов СН., Киселев В.В, и др. // 35-ая ежегодная конференция PSIG-2003: Сб. докл. - Берн (Швейцария), 2003 - С. 1-8. (на английском языке)

9. Программный комплекс CorNet: анализ течений газа и жидкости в трубопроводных системах / Селезнев В.Е., Клишин Г.С., Прялов СН. и др. //

Серия: Математическое моделирование, Выпуск 3 «Математические модели технологических систем» - М.:ГАИН, 2000. - С.41-48,

10. Теория и опыт применения компьютерных вычислительных газодинамических симуляторов транспорта газовых смесей по сетям промышленных трубопроводов / Селезнев В.Е., Прялов С.Н., Киселев В.В. и др. // VI научный семинар Президиума РАН и Научно консультативного комитета МНТЦ«Наукаи вычисления»: Тез. докл.- М.:МНТЦ, 2003.-С. 41-42. .

11. Прялов С.Н., Кудрявцев А.Ю. Газодинамический симулятор транспорта газа по ЛЧМГ. Применение численного моделирования для совершенствования технологии внутритрубной магнитной дефектоскопии // Новые технологии в газовой промышленности: Тез. докл. Третьей Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России 28-30 сентября 1999 г. - М.: ИРЦ ОАО «ГАЗПРОМ», 1999.-С.54.

12. Прялов С.Н., Селезнев В.Е. О методе математического моделирования нестационарных режимов транспорта природного газа через газотранспортное предприятие // AMADEUS Computation System for Complex Pipeline System 2003 (High precision gas dynamics computations): Сб. докл. Второй международной конференции 06-09 октября 2003 года, г.Нитра и г.Смоляница, Словакия / Под ред. В.Е. Селезнева - Саров: ООО «НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ», 2003. - Т.1 -С.33-40. •

13. -Практический анализ и оптимизация транспортал газа через газотранспортное предприятие с помощью компьютерного симулятора на базе программно-математического комплекса «AMADEUS» / Селезнев В.Е., Прялов С.Н., Киселев В.В. и др. // AMADEUS Computation System for Complex Pipeline System 2003 (High precision gas dynamics computations): Сб. докл. Второй международной конференции 06-09 октября 2003 года, г.Нитра и г.Смоляница, Словакия / Под ред. В.Е. Селезнева - Саров: ООО «НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ», 2003. - Т.1 - С.65-138.

14. Прялов С.Н., Перетрухин С.С., Кудрявцев А.Ю. Оптимизация транспорта газа на ЛПУ с помощью высокоточных газодинамических моделей // Новые технологии в газовой промышленности: Тез. докл. Третьей Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России 28-30 сентября 1999 года. - М.: ИРЦ ОАО «ГАЗПРОМ», 1999.-СП.

15. Разработка методов анализа состояния объектов трубопроводного транспорта / Клишин Г.С., Селезнев В.Е., Прялов С.Н. и др. // Итоговый отчет деп. в ИРЦ ОАО «Газпром»: регистрационный №1/7-9-94/10/1810. - М.: ИРЦ ОАО «Газпром», 1998. - 70 с.

Подписано в печатьЗак. (? 7 Тир. ¡00 Пл. Ць Полиграфический центр МЭИ (ТУ)

ВВЕДЕНИЕ.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ГЛАВА

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ КОМПЬЮТЕРНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТРАНСПОРТА ГАЗА ПО ТРУБОПРОВОДНЫМ СЕТЯМ.

1.1. Общая постановка задачи.

1.2. Краткое описание объекта моделирования.

1.3. Применение газодинамических симуляторов для повышения безопасности эксплуатации газотранспортных предприятий.

1.4. Критический анализ существующих российских и зарубежных методов численного анализа транспорта газов по трубопроводам

1.5. Критический анализ существующих российских и зарубежных газодинамических симуляторов.

ГЛАВА

КОМПЬЮТЕРНАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ТРАНСПОРТА ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.

2.1. Формализация анализа параметров транспорта газовых смесей по многониточным трубопроводам.

2.2. Решение задачи по оценке параметров транспорта газовых смесей по многониточным трубопроводам.

2.3. Оценка параметров транспорта газа по трубопроводам при работе кранов.

2.4. Компьютерный анализ истечения газа при разрывах ниток ЛЧМГ.

ГЛАВА

КОМПЬЮТЕРНАЯ ОЦЕНКА ДИНАМИКИ ПОДВОДА ТОПЛИВА ПРИ ПОЖАРЕ НА МНОГОНИТОЧНОМ ГАЗОПРОВОДЕ.

ГЛАВА

КОМПЬЮТЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ АНАЛИЗА НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ ТРАНСПОРТА ГАЗА ЧЕРЕЗ ГАЗОТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ ТЭК.

ГЛАВА 5.

ПРОВЕРКА ТОЧНОСТИ КОМПЬЮТЕРНОГО АНАЛИЗА ГАЗОТРАНСПОРТНЫХ СЕТЕЙ С ПОМОЩЬЮ

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ СИМУЛЯТОРОВ.

ГЛАВА 6.

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

ВЫВОДЫ

Актуальность проблемы. Одним из основных направлений повышения безопасности и эффективности трубопроводных систем топливно-энергетического комплекса (ТЭК) является разработка и внедрение в производственную практику компьютерных программно-математических комплексов, компьютерных симуляторов и компьютерных аналитических систем, предназначенных для всестороннего анализа и контроля состояния и режимов функционирования сетей трубопроводов [1-13, 19, 21-23, 33, 89 ,105, 106, 109]. Современное развитие средств технической диагностики, усложнение режимов эксплуатации трубопроводных сетей и старение трубопроводов требуют повышения точности моделирования за счет увеличения степени адекватности математических моделей реальным физическим процессам, протекающим в трубопроводных системах, и повышения устойчивости алгоритмов их численного анализа [1,11].

Данная диссертационная работа направлена на решение одного из аспектов поставленной выше задачи, а именно - на разработку и внедрение в производственную практику предприятий ТЭК компьютерных высокоточных симуляторов нестационарных неизотермических режимов транспорта газов и жидкостей по системе длинных разветвленных трубопроводов, составляющих основу линейных частей трубопроводных сетей. Линейной частью трубопроводной сети, как правило, называют участок многониточного трубопровода, соединяющий две соседние компрессорные (нагнетательные) станции [3-5]. Данные симуляторы предназначены для повышения безопасности и эффективности эксплуатации трубопроводных сетей промышленных энергетических систем и комплексов за счет углубленного анализа физических процессов транспорта продуктов в нормальных и аварийных условиях.

Целью работы являлись разработка и реализация новых научно обоснованных методов повышения точности и эффективности компьютерных симуляторов транспорта газов и жидкостей по разветвленным многониточным линейным частям трубопроводных систем. Эти методы предназначены для анализа промышленной и пожарной безопасности производственных объектов ТЭК и снижения их вредных воздействий на окружающую среду.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан и научно обоснован новый метод компьютерной оценки параметров неизотермических нестационарных процессов транспорта гомогенных химически инертных вязких газовых смесей по протяженным разветвленным многониточным линейным частям промышленных трубопроводов, предназначенный для подробного анализа режимов транспорта газов в энергетических системах и комплексах при нормальных и аварийных условиях эксплуатации. Он предусматривает адаптацию полной системы уравнений газовой динамики к описанию течений по длинным разветвленным трубам с учетом работы запорно-вентильной арматуры и возможных образований течей и гильотинных разрывов труб [1,11,18,107,108]. При анализе процессов течения в зоне разветвления трубопроводов используется универсальная геометрическая модель сочленения длинных трубопроводов, позволяющая с минимальными упрощениями перейти от реального сочленения к его расчетной схеме. Такой подход обеспечивает в зоне сочленения трубопроводов аппроксимацию трех основных законов сохранения (массы, импульса и энергии) [1,13,24]. При расчетах параметров транспорта газов по линейным частям трубопроводов для повышения надежности расчетов применяются несколько разностных схем, построенных на основе интегрального метода и метода контрольного объема [110].

2. Предложен новый метод повышения точности оценки количества газовых смесей и сопутствующих жидких фракций, выбрасываемых в окружающую среду при разрывах промышленных газопроводов ТЭК, с использованием компьютерных симуляторов транспорта газов и жидкостей по многониточным линейным частям трубопроводных систем. Он предназначен для анализа последствий аварийных ситуаций на промышленных энергообъекгах, включая пожары. В процессе эксплуатации компьютерный симулятор в режиме реального времени получает от SCADA-системы данные о параметрах транспорта газовых и жидкостных смесей [20]. По результатам работы симулятора с высокой (с точки зрения практического применения) точностью численно определяется временная табличная функция изменения массовых расходов транспортируемых продуктов в зоне разрыва трубопровода. Интегрирование данной функции по времени позволяет описать зависимость изменения количества выброшенного в окружающую среду продукта в процессе аварии.

3. Впервые разработана и научно обоснована новая компьютерная технология анализа нестационарных режимов транспорта газа через газотранспортную систему промышленного энергообъекта в результате постановки и решения вспомогательной задачи математической идентификации, предназначенная для предупреждения и исследования механизмов аварий на газопроводах ТЭК. Технология предполагает организацию итеративной процедуры, при которой физические условия сопряжения на границах соседних сегментов трубопроводной сети на каждом временном шаге численного анализа выступают в качестве управляемых переменных вспомогательной задачи математической идентификации численной газодинамической модели реальному процессу транспорта газа по промышленной трубопроводной системе. Решение вспомогательной идентификационной задачи считается найденным, если модуль разности расчетных оценок давлений газа справа и слева от зоны сопряжения газодинамических моделей сегментов трубопроводной сети становится меньше некоторой наперед заданной малой константы.

4. С помощью разработанных методов и компьютерной технологии получены новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о функционировании, возможностях реконструкции энергообъектов, причинах возникновения и механизмах протекания аварий в трубопроводных системах. К новым результатам относятся: расчетные оценки параметров безопасных динамических режимов транспорта природного газа по сетям газотранспортных предприятий и горячей воды по тепловым сетям ТЭС и энергообъекгов; расчетные сценарии реальных аварий на магистральных газопроводах для установления причин их возникновения.

Практическая ценность работы. Выносимые на защиту методы и компьютерная технология реализованы в виде программно-математических комплексов «CorNet» и «AMADEUS», предназначенных для повышения безопасности и эффективности трубопроводных систем ТЭК [21-33]. Эти комплексы активно используются для решения практических задач, возникающих при проектировании, эксплуатации и реконструкции трубопроводов энергетических систем и комплексов, как в России, так и за рубежом. Так, например, на их базе разработана комплексная компьютерная аналитическая система «AMADEUS», которая в декабре 2002 года была сдана в производственную эксплуатацию в международной газотранспортной компании «SPP-DSTG» (Словакия) в качестве инструмента для обеспечения требований безопасности, экономической эффективности и экологии на данном предприятии [10,11,13] (см. Приложение 6).

С помощью программно-математического комплекса «CorNet» установлены причины и механизмы развития свыше десяти аварий (см., например, [1,34,35]). Он успешно применялся при решении задач ОАО «ГАЗПРОМ», Минатома РФ, Госгортехнадзора РФ, Международной газотранспортной компании «SPP-DSTG», Сандийских национальных лабораторий (США), Фраунгоферовского института неразрушающего контроля (Германия) и др. (см., например, [1,13,27,30,31,36]).

Достоверность изложенных в диссертации основных научных положений обеспечивается [13,28,29]:

• научным обоснованием использования современных методов вычислительной механики газов и жидкостей для решения задач повышения безопасности и экологичности объектов ТЭК;

• научным обоснованием адекватности применяемых математических моделей моделируемым реальным объектам и процессам;

• научным обоснованием применимости и эффективности методов численного анализа разработанных моделей;

• результатами натурных и численных экспериментов;

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

Предлагаемые новые методы и результаты их применения, направленные на повышение безопасности объектов трубопроводных систем ТЭК, выносятся на защиту в виде основных научных положений диссертации, принадлежащих лично автору диссертации:

1) метод компьютерной оценки параметров неизотермических нестационарных процессов транспорта гомогенных химически инертных вязких газовых смесей по разветвленным протяженным многониточным линейным частям промышленных трубопроводных сетей, предназначенный для подробного анализа режимов транспорта газов в энергетических системах и комплексах при нормальных и аварийных условиях эксплуатации;

2) метод повышения точности оценки количества газовых смесей и сопутствующих жидких фракций, выбрасываемых в окружающую среду при разрывах промышленных газопроводов ТЭК, с использованием компьютерных симуляторов транспорта газов и жидкостей по линейным многониточным частям трубопроводных систем;

3) компьютерная технология анализа нестационарных режимов транспорта газа через газотранспортную систему промышленного энергообъекта в результате постановки и решения вспомогательной задачи математической идентификации, предназначенная для предупреждения и анализа механизмов аварий на газопроводах ТЭК;

4) результаты, расширяющие и углубляющие представления о функционировании, возможностях реконструкции объектов трубопроводных систем ТЭК, причинах возникновения и механизмах протекания аварий в трубопроводных системах.

Благодарности. Автор диссертации выражает искреннюю признательность и глубокую благодарность своему научному руководителю, заместителю главного конструктора ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» - начальнику отделения ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», доценту 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 и заместителю начальника отделения ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», кандидату технических наук Алешину Владимиру Васильевичу за научные консультации по теме диссертации и поддержку его научных исследований и разработок.

Автор выражает благодарность руководству и сотрудникам кафедр ТЭС и ИТФ МЭИ (ТУ) за внимание к его работе и научные дискуссии по теме диссертации.

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-DSTG.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность своим коллегам Киселеву Владимиру Владимировичу, Бойченко Александру Леонидовичу, Фотину Сергею Валентиновичу, Мотлохову Владиславу Владимировичу, Комиссарову Алексею Сергеевичу и Зеленской Оксане Ивановне за сотрудничество и поддержку. список основных ИСПОЛЬЗУЕМЫХ

СОКРАЩЕНИЙ

АВО - аппарат воздушного охлаждения;

АЭС - атомная электростанция;

ВПУ - водоподготовительные устройства;

ГДС - высокоточный компьютерный 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; ГС - гидравлический симулятор; ГУ - граничные условия;

КС - компрессорная газоперекачивающая станция; КЦ - компрессорный газоперекачивающий цех; ЛЧМГ-линейная часть магистральных газопроводов; МГ- магистральный газопровод; МКР - метод конечных разностей; МКЭ - метод конечных элементов; МСС - механика сплошных сред; ПУ - пылеуловитель;

СНАУ - система нелинейных алгебраических уравнений; СОДУ - система обыкновенных дифференциальных уравнений; СУБД - система управления базами данных; ТГ - технологические газопроводы на КС (КЦ); ПТС - предприятие тепловых сетей;

ТЭК - топливно-энергетический комплекс; ТЭС - тепловая электростанция; УРС - уравнение состояния;

ЦВТМ - Центр вычислительных технологий механики ООО «НПО

ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ»; ЦН - центробежный нагнетатель ГПА; ЭП - электрический силовой привод ГПА;

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

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

ВЫВОДЫ

1. Для повышения безопасности функционирования сложных трубопроводных сетей промышленных энергетических комплексов и систем разработан, научно обоснован и верифицирован на тестовых и производственных задачах новый метод компьютерной оценки параметров неизотермических нестационарных процессов транспорта гомогенных химически инертных вязких газовых смесей по протяженным разветвленным многониточным линейным частям промышленных трубопроводов. Данный метод базируется на адаптации полной системы уравнений газовой динамики к описанию течений по длинным разветвленным трубам с учетом работы запорно-вентильной арматуры и возможных образований течей и гильотинных разрывов труб. При анализе неустановившихся течений по разветвленным трубопроводам используется универсальная (с точки зрения построения исходных дифференциальных уравнений в частных производных и их разностных аналогов) геометрическая модель сочленения длинных трубопроводов. Она позволяет с минимальными упрощениями перейти от реального сочленения к его расчетной схеме, обеспечивающей в зоне сочленения трубопроводов аппроксимацию трех основных законов сохранения (массы, импульса и энергии).

2. Предложен новый метод повышения точности оценки количества газовых смесей и сопутствующих жидких фракций, выбрасываемых в окружающую среду при разрывах промышленных газопроводов ТЭК, с использованием компьютерных симуляторов транспорта газов и жидкостей по многониточным линейным частям трубопроводных систем. По результатам работы симулятора численно определяется временная табличная функция изменения массовых расходов транспортируемых продуктов в зоне разрыва трубопровода. Интегрирование данной функции по времени позволяет описать зависимость изменения количества выброшенного в окружающую среду продукта в процессе аварии.

3. Впервые разработана и научно обоснована компьютерная технология анализа нестационарных режимов транспорта газа через газотранспортную систему промышленного энергообъекта в результате постановки и решения вспомогательной задачи математической идентификации. Технология предполагает организацию итеративной процедуры, при которой физические условия сопряжения на границах соседних сегментов трубопроводной сети на каждом временном шаге выступают в качестве управляемых переменных задачи идентификации газодинамической модели реальному процессу транспорта газа по промышленной трубопроводной системе. Шаг технологии считается выполненным, если модуль разности расчетных оценок давлений газа справа и слева от зоны сопряжения сегментов трубопроводной сети становится меньше наперед заданной малой константы.

4. Для анализа адекватности описанных в диссертации методов и компьютерной технологии были проведены сравнения расчетных оценок и результатов натурных измерений основных параметров динамических режимов транспорта природного газа (давление, температура, массовый расход) для всех участков ЛЧМГ Международной газотранспортной компании «SPP-DSTG» (Словакия). Сравнения выполнялись для 35 временных интервалов (длительность каждого интервала - 24 часа) с наиболее интенсивными изменениями давления и массового расхода транспортируемого газа по всей длине трубопроводной сети газотранспортного предприятия ТЭК. По результатам сравнения были получены следующие данные.

Максимальные отклонения расчетных данных по давлению от показаний датчиков не превышает 2,8% (0,19М7Д по абсолютному значению). Для 93% узлов измерения относительная погрешность не превышала 1,7% (0,12М7а). Полученные погрешности близки к реальной погрешности датчиков давления, которая, по опыту работы специалистов российской газовой промышленности с российскими SCADA-системами, составляет ±0,05М7а.

Максимальные отклонения расчетных данных по температуре от показаний датчиков не превышает 1,1% (3,2К по абсолютному значению). Для 90% узлов измерения относительная погрешность не превышала 0,67% (1,9К). Полученные погрешности близки к реальной погрешности датчиков температур, которая, по опыту работы специалистов российской газовой промышленности с российскими SCADA-системами, составляет ±0,7К.

Максимальные отклонения расчетных данных по массовому расходу транспортируемого газа от показаний датчиков не превышает 6,3% (94,0кг/с по абсолютному значению).

5. С помощью разработанных методов и компьютерной технологии получены новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о функционировании, возможностях реконструкции энергообъектов, причинах возникновения и механизмах протекания аварий в трубопроводных системах. К таким результатам относятся: расчетные оценки параметров безопасных динамических режимов транспорта природного газа по сетям газотранспортных предприятий; расчетные оценки параметров режимов транспорта горячей воды по тепловым сетям электростанции; расчетные сценарии аварий на магистральных газопроводах.

6. В работе показано существенное влияние конкретных уравнений состояния, применяемых в компьютерных симуляторах, на точность получаемых оценок параметров течений по трубопроводным сетям энергообъекгов. Поэтому для обеспечения корректности решения современных задач повышения безопасности транспорта газов по трубопроводам ТЭК необходимо уделять серьезное внимание выбору уравнений состояния транспортируемых газов.

1. Сухарев М.Г. и др. - М.: ГУН Издательство «Нефть и газ» РГУнефти и газа им. И.М. Губкина, 2000. - 320 с. 4.) Сухарев М.Г., Карасевич A.M. Технологический расчет и обеспечение надежности газо- и нефтепроводов. - М.: ГУП

2. Сборник научных трудов Международной конференции «Complex 3. Pipeline System 2002 (High precision gas dynamics computation)» 1719 июня 2002 года, Словакия, Часть 1. / Под ред. В.Е. Селезнева.

4. Саров: 0 0 0 «НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ», 2002. -С.18-37.19.) О развитии технологии построения высокоточных газодинамических симуляторов газотранспортных предприятий. / Селезнев В.Е., Клишин Г.С, Марко Я. и др. //

5. 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.

6. Computation System for Complex Pipeline System 2003 (High precisiongas dynamics computations)» (06-09 октября 2003 года, г.Нитра и г.Смоляница, Словакия). Том 1. / Под ред. В.Е. Селезнева.

7. Саров: ООО «НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ», 2003. - 13-25.21.) Программный комплекс CorNet: анализ течений газа и жидкости в трубопроводных системах. / Селезнев В.Е., Клишин

8. Г.С, Прялов Н. и др. // Серия: 1\/1атематическое моделирование.

9. Выпуск 3 «Математические модели технологических систем»1\Л.:ГАИН, 2000.-С.41-48. 22.) Перетрухин С, Прялов СИ., Кудрявцев А.Ю. Оптимизация транспорта газа на ЛПУ с помощью высокоточных газодинамических моделей. // Сборник тезисов докладов Третьей

10. ИРЦ ОАО «ГАЗПРОМ», 1999. - 54.24.) Прялов Н., Селезнев В.Е., Яцевич СВ. Математическое моделирование течения природного газа через узел сочленения в многониточном газопроводе. // Сборник научных трудов

11. Международной конференции «Complex Pipeline System 2002 (Highprecision gas dynamics computation)» 1 7 - 1 9 июня 2002 года,

12. Словакия, Часть 1. / Под ред. В.Е. Селезнева. - Саров: ООО «НПО 13. ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ», 2002. -С.51-58.25.) Прялов Н. Моделирование утечек природного газа на объектах газовой промышленности. // Сборник трудов Областного конкурса научно-технического творчества молодежи под эгидой Губернатора

14. Нижегородской области, 2000 год, Нижний Новгород. - Нижний

15. Computation System for Complex Pipeline System 2003 (High precisiongas dynamics computations)» (06-09 октября 2003 года, г.Нитра и г.Смоляница, Словакия). Том 1. / Под ред. В.Е. Селезнева.

16. 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.

17. Селезнева. - Саров: ООО «НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ», 2003.1. 65-138. 28.) Seleznev V., Pryalov S. AMADEUS software: an analysis of harmful environmental impact caused by pipeline transportation. Part 1.

18. Monograph «Safety and Reliability International Conference KONBiN2003», Vol.3, Paper B10.24. - Warszawa: Widawinictwo Institutu

19. Technlcznego Wojsk Lotniczych, 2003. - P. 363-368.29.) Seleznev V., Pryalov S. AMADEUS software: an analysis of harmful environmental impact caused by pipeline transportation. Part 2.

20. Monograph «Safety and Reliability International Conference KONBiN2003», Vol.3, Paper B10.23. - Warszawa: Widawinictwo Institutu

21. Technlcznego Wojsk Lotniczych, 2003. - P. 369-374.30.) Experiences with real time systems and their contribution to safe and efficient control of gas transport system. / Seleznev V., Pryalov

22. S., Kiselev V., etc. // Papers book at 35 Annual Meeting of the Pipeline

23. Simulation Interest Group (PSIG-2003) (October 15-17, 2003, Bern,

24. Прялов Н. и др. // Итоговы!^ отчет деп. в ИРЦ ОАО «Газпром»:регистрационный №1/7-9-94/10/1810. - М.: ИРЦ ОАО «Газпром», 1998.-70 с. 34.) Seleznev V.E., Klishin G.S., IViukashev А.А. Development of an

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

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

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

28. Complex Technological System. // High Consequence Operations

29. Safety Symposium II (Sandia National Laboratories / Albuquerque, New

30. Редакционная статья. // Безопасность труда в промышленности.2001. №12 . -С . 14. 38.) Оперативная информация об авариях, происшедших на предприятиях, подконтрольных Госгортехнадзору Росси.

32. Калининград, сентябрь 1994 года. Ч. III. - М.: ИРЦ «Газпром», 1994.- С . 15-24. 44.) Перечень основной нормативной, методической и справочной документации по охране воздушного бассейна.

33. ГГО им. Воейкова, НПО «Атмосфера». - СПб., 1995. - 96 с.45.) Клименко В.В., Терешин А.Г. Эмиссия оксидов азота из антропогенных источников: воздействие на атмосферу и климат.

34. Change (IPCC). - The IPCC Scientific Assessment Cambridge

35. University Press, UK. 1990.- 62 p.48.) Будзуляк Б.В., Бордюгов А.Г. Сценарий эмиссии парниковых газов в газовой промышленности // Экология в газовой промышленности. Прил. к журналу «Газовая промышленность».

36. Коррозионное растрескивание под напряжением трубной стали вусловиях эксплуатации отечественных газопроводов. - М.:

37. ВНИИГАЗ, 1998. - 455-469.55.) Деточенко А.В., Михеев А.Л., Волков М.М. Спутник газовика:

38. Чипуль Р. и др. // Доклад на XX Международном газовомконгрессе. Копенгаген, 1997. - Копенгаген: МГС, 1997. - 15 с. 60.) SIMONE documentation library. SIMONE Research Group.

39. Б.Л., Радченко В.П., Бобровский А. и др. // Известия АН СССР.

40. Крайко. - М.: Физико-математическая литература, 2001. Т. 2.80.) Неизотермическое течение газа в трубах. / Под ред. В.В.

41. Papers Book of 11*^ international Colloquium «Reliability of Highpressure Steel Pipelines» (Prague, Czech Republic) 28 February and 1

42. March 2002 (CD xersion). - CzPS, Czech Republic. 2002. - 12 p.84.) Селезнев B.E., Клишин Г.С, Яцевич СВ. Программный комплекс «CorNet» для решения задач механики газов и жидкости в сложных системах трубопроводов и каналов с открытым руслом. //

43. Algorithms in Software AMADEUS Algorithmes rapldes et de grandeprecision dans le logiciel AMADEUS. - Poster Presentation of 6th World

44. Под ред. В.Е. Селезнева. - Саров: 0 0 0 «НПО ВНИИЭФ 45. Г.С, Прялов Н и др. // Математические модели технологическихсистем. Сер. Математическое моделирование. Вып. 3. - М.: ГАИН, 2000.-С. 41-48. 89.) Комплекс моделирования и оптимизации режимов работы

46. ГТС / в.с Панкратов, В.Г. Герке, А. Сарданашвили и др. - М.:0 0 0 «ИРЦ Газпром», 2002. - 56 с. Обз. информ. Сер.

47. Бабушкина, A.M. Братковский и др.; Под. ред. И.С. Григорьева, Е.З.

48. Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991.96.) Миркин А. 3., Усиныш В. В. Трубопроводные системы:

49. Справочное издание. - М.: Химия, 1991.97.) Рид Р., Т. Шервуд. Свойства газов и жидкостей. Перевод с англ.

50. Под ред. Проф. В. Б. Когана. Изд. «Химия», Л., 1971.98.) Базаров И.П. Термодинамика: учебник для вузов. - 4-е издание, переработанное и дополненное. - М.: Высшая школа, 1991. 99.) Надежность систем энергетики и их оборудования.

51. Technology for Integrated Estimation of Industrial Gas Pipeline

52. States. // INFOPLANER Magazine, №2, 2003. - P.36.106.) Numerical non-linear pipeline's strength analysis in the area of underwater passage. / Aleshin V., Dikarev C, Kobyakov V.,

53. Seieznev V. // Papers Book of 12*^ International Colloquium«Reliability of High-pressure Steel Pipelines» (Prague, Czech

54. Republic) 27 and 28 March 2003 (CD version). - CzPS, Czech1. Republic, 2003. - 8p. 107.) Селезнев B.E. Метод математического моделирования газопроводных систем ТЭК для повышения их безопасности. //

55. Сборник научных трудов Международной конференции «Complex 56. Pipeline System 2002 (High precision gas dynamics computation)»1 7 - 1 9 июня 2002 года, Словакия, Часть 1. / Под ред. В.Е.

57. Алешин В.В., Селезнев В.Е., Клишин Г.С. и др. // Под ред. В.В.

58. Technology for Risk Analysis of Pipelines' Systems. // Book of

59. Conference and Workshops «Risk Analysis and Safety Managementof Technical systems», Gdansk-Gdynia Poland, June 25-27, 2001. 1. P.207-218. 116.) Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных систем:

60. Справочник. / Аметистов Е.В., Григорьев В.А., Б.Т.Емцев Б.Т. идр.; Под общ. ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина. - М.:

61. Энергоиздат, 1982. - 512 с.119.) Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные схемы газовой динамики. - М.: Наука, 1975. - 352 с. 120.) Роуч П. Вычислительная гидромеханика. - М.: Мир, 1980. - 616 с. 121.) Физический энциклопедический словарь. / Гл. ред. A.M.

62. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, A.M. Бонч-Бруевич, А.С.