автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.07, диссертация на тему:Разработка адаптивных статистических методов выбора рациональных режимов эксплуатуции магистральных газопроводов для обеспечения максимальной их загрузки

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. Использование методов статистической идентификации для расчетов режимов работы магистральных газопроводов

1.1. Состояние работ в области статистических методов идентификации и оперативного диспетчерского управления режимами газотранспортных систем.

1.2. Постановка задачи идентификации, классификация критериев для магистральных газопроводов.

1.3. Основные схемы идентификации, выбор моделей для магистральных газопроводов.

1.4. Использование моделей гидравлического расчета установившегося и неустановившегося режима транспорта газа в трубопроводах для статистической идентификации

1.5. Выводы по главе.

Глава П. Методы регрессионного анализа для построения статистических моделей режимов магистрального газопровода.

2.1. Организация сбора и вид статистической информации на магистральных газопроводах.

2.2. Идентификация режимов магистрального газопровода регрессионными моделями.

2.3. Первичная статистическая обработка данных диспетчерской информации, аналитическая аппроксимация диспетчерских данных.

2.4. Методы построения регрессионных моделей и статистических оценок параметров для режимов магистрального газопровода.

2.5. Количественные оценки идентичности моделей магистрального газопровода реальным данным эксплуатации

2.6. Влияние погрешности в измерении диспетчерских данных на адекватность моделей магистрального газопровода

2.7. Выводы по главе.

Глава Ш. Алгоритмы и методы диспетчерского оптимального управления режимами магистрального газопровода

3.1. Структурные схемы диспетчерского управления режимами магистрального газопровода.

3.2. Адаптивные методы идентификации режимов магистрального газопровода.

3.3. Устойчивость алгоритмов адаптации к погрешностям в измерении диспетчерских данных.

3.4. Методы расчетов оптимальных режимов эксплуатации магистрального газопровода.

3.5. Имитатор диспетчерских данных режимов магистрального газопровода на ЭВМ.ПБ

3.6. Диспетчерское оптимальное управление режимами магистрального газопровода на ЭВМ.

3.7. Выводы по главе.

Глава 1У.Расчеты статистических моделей и оптимальных режимов работы для магистрального газопровода "Союз" . I

4.1. Организация сбора диспетчерских данных на магистральном газопроводе "Союз", первичная статистическая обработка.

4.2. Расчет статистических моделей для магистрального газопровода "Союз" по данным диспетчерской информации

4.3. Адаптация статистических моделей по данным диспетчерской информации для магистрального газопровода "Союз".

4.4. Расчет оптимальных режимов эксплуатации для магистрального газопровода "Союз".

4.5. Выводы по главе.

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на период 1981 - 1985 годов и до 1990 года" намечено довести добычу природного газа к 1985 г. до 600 - 640 млрд. куб. метров, причем подчеркнута необходимость обеспечить надежную работу трубопроводного транспорта, а также осуществить мероприятия по значительному повышению производительности работающих и вновь сооружаемых газопроводов. Повышение производительности трубопроводного транспорта и его эффективности должно осуществляться за счет внедрения новых прогрессивных технических решений, позволяющих обеспечить надежность работы и выбор рациональных режимов эксплуатации.

Значительную роль в повышении производительности и эффективности работы газотранспортных систем сыграет совершенствование диспетчерского управления.

Актуальность проблемы диспетчерского управления режимами магистрального газопровода диктуется решениями ХХУ съезда КПСС, постановлениями коллегий МИНГАЗПРОМа СССР по развитию и совершенствованию трубопроводного транспорта газа, созданию единой системы газоснабжения страной (ЕСТ СССР) и широкому внедрению вычислительной техники. Существующие методики расчета режимов магистральных газопроводов (МГ) для диспетчерского управления как правило используют зависимости для стационарных режимов перекачки газа, при нестационарных режимах газопередачи для решения задач диспетчерского управления проводится классификация этих нестационарноетей и далее оценивается влияние каждой на выходные характеристики газотранспортной системы. Основная сложность используемых методов для диспетчерского управления обусловлена недостаточной точностью определения фактических параметров в этих уравнениях, таких как коэффициент гидравлического сопротивления линейных участков, коэффициент сжимаемости газа и т.д. В процессе эксплуатации газотранспортных систем изменяются характеристики как линейной части газопроводов, так и газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях, что влияет на изменение режимов газотранспортных систем в целом. Б настоящее время для диспетчерской службы не достаточно разработаны методы и алгоритмы оперативного оценивания изменения этих характеристик, прогнозирования их значений, адаптации используемых моделей по данным эксплуатации газотранспортных систем и выбора рациональных режимов перекачки газа. В связи с этим возникает задача разработки методов оперативного диспетчерского расчета режимов, которые используя неполную информативность диспетчерских данных с учетом погрешности исходной информации, вносимой измерительными приборами и влиянием неучтенных внешних возмущений, позволяют производить выбор рациональных режимов эксплуатации газотранспортных систем. Все эти методы должны ориентироваться на использование вычислительной техники. Внедрение вычислительной техники на магистральных газопроводах позволяет решать комплексную задачу оперативного диспетчерского управления, которая заключается в принятии оперативных диспетчерских решений в нештатных ситуациях, а также в период нормальной эксплуатации газотранспортных систем. В связи с бурным развитием магистрального транспорта газа, характеризующегося большой производительностью и мощностью агрегатов, а также большой протяженностью, актуальность задачи совершенствования диспетчерского управления в период нормальной эксплуатации газопроводов для ЦПУ ЩНГАЗПРОМа СССР стала очевидной. Основной причиной необходимости оптимизации режимов магистрального газопровода в период нормальной его эксплуатации является то, что из-за случайного изменения фактических характеристик линейной части и агрегатов на компрессорных станциях планируемые ЦДУ режимы работы на заданные периоды времени эксплуатации не являются оптимальными, что приводит к снижению эффективности работы магистрального газопровода в целом.

ПДУ МИНГАЗПРОМа СССР была поставлена задача разработки методов оперативного диспетчерского управления режимами работы магистральных газопроводов по данным диспетчерской информации ЦПУ и НДС крупных промышленных объединений по критерию максимальной загрузки газопровода с учетом погрешностей в измерении этих данных. Целью писсертадионной работы является разработка методов расчета рациональных режимов работы газотранспортных систем по критерию максимальной их загрузки на основе диспетчерских данных для задачи диспетчерского оперативного управления газотранспортными системами с учетом неполной информативности и погрешности измерения этих данных.

В соответствии с основной целью диссертационной работы были решены следующие задачи:

- разработана методика оптимизации режимов работы сложных газотранспортных систем по данным диспетчерской информации на основе методов статистической идентификации с использованием регрессионных уравнений;

- разработан метод статистической идентификации режимов работы магистральных газопроводов по данным диспетчерской информации;

- разработан метод адаптации статистических моделей режимов работы магистральных газопроводов по данным диспетчерской информации с целью использования их для описания нестационарных режимов газопередачи;

- разработан метод оптимизации режимов транспорта газа, удовлетворяющий требованиям высокой надежности и точности решений при учете всех технологических ограничений для статистических моделей газопередачи;

- исследована устойчивость оценок для статистических адаптируемых моделей режимов газопередачи к точности измерения диспетчерских данных;

- разработан алгоритм и комплекс программ диспетчерского оперативного управления режимами работы газотранспортных систем на основе статистической идентификации и адаптации.

По сравнению с используемыми ЦДУ МИНГАЗПРОМом СССР методами расчета и алгоритмами для задач диспетчерского управления в диссертационной работе сделано:

- впервые разработан метод расчета режимов эксплуатации газотранспортных систем на основе сочетания метода статистической идентификации и адаптации по данным диспетчерской информации;

- предложен метод расчета установившегося режима эксплуатации магистральных газопроводов с использованием статистических моделей, вид зависимости которых задается уравнениями гидравлического расчета;

- разработан адаптивный метод для расчета режимов эксплуатации магистральных газопроводов при неустановившемся течении газа по данным диспетчерской информации;

- разработан алгоритм расчета оптимальных режимов работы магистральных газопроводов по критерию максимальной пропускной способности при выполнении всех технологических ограничений;

- разработан алгоритм оперативного диспетчерского оптимального управления режимами газотранспортных систем по данным диспетчерской информации на основе методов статистической идентификации и адаптации.

На основании проведенных в диссертационной работе исследований создана методика и комплекс алгоритмов и программ по оптимизации режимов газотранспортных систем на основе статистической идентификации в сочетании с алгоритмом адаптации, которые позволяют:

- по имеющейся диспетчерской информации рассчитывать модель режима работы газотранспортной системы и на ее основе оценивать степень влияния режимов отдельных компрессорных станции на выходные переменные газотранспортной системы;

- проводить прогнозирование пропускной способности в газотранспортной системе; при ее нормальной эксплуатации возможно прогнозирование на месяц;

- проводить краткосрочное прогнозирование пропускной способности в газотранспортной системе при неустановившемся режиме газопередачи;

- вычислять оптимальные режимы работы газотранспортных систем по критерию максимальной их загрузки для задач оперативного диспетчерского управления, которые используются диспетчерскими службами в качестве рекомендаций для корректировки текущих режимов эксплуатации.

Полученные результаты исследования использованы для выбора рациональных режимов работы газотранспортных систем ПО "ОРЕНБУТТ-ТРАНСГАЗ" и ПО "ПРИКАРПАТТРАНСГАЗ". Внедрение разработанной методики и комплекса алгоритмов и программ позволило:

- увеличить производительность и эффективность работы газотранспортных систем;

- оценить реальное состояние газотранспортной системы в целом;

- предотвратить возможные потери производительности за счет корректировки фактических режимов и выявления наиболее уязвимых мест в этой системе.

Созданные алгоритмы и программы включены в методику расчета сложных газотранспортных систем, разработанную совместно с

ЦДУ МИНГАЗПРОМа СССР и ПО "ОРЕНБУРГТРАНСГАЗ" и утвержденную МИНГАЗПРОМом СССР в 1983 г. Методика была использована для расчета рациональных режимов работы действующих газопроводов. Внедрение результатов позволило повысить производительность газопроводов.

Конкретные результаты выполненных исследований внедрены в ПО "ОРЕНБУРГТРАНСГАЗ" для расчета рациональных режимов эксплуатации магистрального газопровода "Союз" и в ПО "ПРИКАРПАТТРАНСГАЗ" дня расчета рациональных режимов эксплуатации магистрального газопровода "Братство". Общий экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил 120,5 тыс. руб/год, что подтверждено соответствующими актами.

В первой главе рассмотрен класс задач, в которых используются статистические методы исследования режимов газотранспортных систем для выбора рациональных режимов эксплуатации по данным диспетчерской информации. Основные направления исследований в них связаны с оценкой эмпирических коэффициентов в моделях перекачки газа по трубопроводам, задачей краткосрочного прогнозирования и аппроксимацией характеристик компрессорных станций регрессионными зависимостями. Решение этих задач проведено в работах Черникина В.И., Бермана Р.Я., Брянских В.Е., Галиуэишна З.Т., Жидковой М.А., Кучина Б.1., Максимова Ю.И., Сухарева М.Г., Ставровского Е.Р., Яковлева Е.И. и др. Особое внимание уделялось разработке алгоритмов оперативного оценивания и уточнения коэффициента гидравлического сопротивления трубопровода по данным диспетчерской информации с использованием методов стохастической аппроксимации.

Статистическая идентификация режимов работы газотранспортных систем предполагает построение статистической модели для заданных критериев. В работе рассматриваются особенности существующих критериев классификации режимов, которые используются в качестве моделируемого параметра при идентификации. Статистическая идентификация непосредственно связана с использованием априорных данных об эксплуатации газотранспортных систем, результаты измерений входных и выходных переменных которой служат основой для построения модели. В работе статистическая идентификация проводилась в три этапа: вначале определяется структура модели, затем по данным диспетчерской информации вычисляются неизвестные коэффициенты в ней и на третьем этапе проводится статистическая оценка полученных результатов. По отношению к выходным моделируемым параметрам режимов работы газотранспортных систем проводится классификация входных переменных, в результате которой определяется группа контролируемых управляющих параметров и группа неконтролируемых, которая по отношению к выходным переменным рассматривается как неконтролируемое возмущение. На основе фактических данных режимов реальных магистральных газопроводов ПО "ОЕЕНБУРГТРАНСГАЗ" и ПО "ПРИКАРПАТТРАНСГАЗ" было показано, что процесс транспорта относится к классу стохастических процессов, поэтому показана целесообразность использования уравнений регрессии для моделирования режимов газотранспортных систем при стационарном течении газа. Класс функций для этих уравнений задавался уравнением для расчета пропускной способности на линейном участке в виде параболы.

Вторая глава работы посвящена вопросам организации, сбора, первичной обработке данных диспетчерской информации, а также построению по этим данным регрессионных уравнений. Рассматривается объем диспетчерской информации для ЦЦУ МИНГАЗПРОМа СССР и класс точности измерения параметров в этой информации.

На основании рекомендаций ЦДУ МИНГАЗПРОМа СССР исследования в работе ведутся по моделям, выходным параметром в которых является пропускная способность газотранспортной системы.

Система регрессионных уравнений для магистрального газопровода в работе представляется суммой уравнений для линейных участков и для компрессорных станций, входящих в состав моделируемого магистрального газопровода, для компрессорных станций использовалась параболическая аппроксимация. Оценки неизвестных коэффициентов в уравнении регрессии вычисляются по критерию минимума средней ошибки предсказания пропускной способности газопровода, для чего используется метод наименьших квадратов. Приводятся алгоритмы расчета коэффициентов регрессии по данным диспетчерской информации, алгоритмы для оценивания адекватности этих уравнений, а также интервальные оценки вычисляемых статистик. Поскольку на качество регрессионных уравнений влияет точность измерения диспетчерских данных технологических режимов магистрального газопровода, проводится оценка возможным смещениям в регрессионных уравнениях.

В третьей главе рассматриваются методы диспетчерского оперативного оптимального управления режимами работы магистральных газопроводов, основанные на моделях статистической идентификации по данным диспетчерской информации. Разработанные алгоритмы позволяют проводить выбор рациональных режимов для магистральных газопроводов в реальном масштабе времени. Диспетчерское управление осуществляется по структурным схемам, в которых рекомендованные режимы выдаются на диспетчерский пульт управления в качестве рекомендаций, при этом управление осуществляется как по неконтролируемым возмущениям, так и по отклонению от заданных режимов.

В работе задача диспетчерского оперативного управления решается с использованием статистической идентификации, для учитывания нестационарности используется адаптивный подход, при котором коэффициенты регрессии корректируются по данным диспетчерской информации. В такой постановке оптимальное решение каждый раз получается по стационарной модели, которая удовлетворяет заданную точность предсказания пропускной способности магистрального газопровода.

Проведенный анализ методов адаптации показал целесообразность использования одношагового алгоритма адаптации, при этом методе корректировка коэффициентов осуществляется по одному наблюдению диспетчерских данных. Показано, что используемый рекуррентный алгоритм уточнения является частным случаем решения уравнения неустановившегося течения газа, представленного в разностных схемах.

Для решения задачи оптимизации используется пакет программ, включающий метод штрафных функций и метод адаптивного случайного поиска, в качестве оптимизируемой функции используется регрессионное уравнение для пропускной способности магистрального газопровода. Задача оптимизации сводится к задаче нелинейного программирования, ограничения на область изменения независимых переменных задаются областью работоспособности регрессионного уравнения, а также системой технологических ограничении для режимов компрессорных станций, расположенных вдоль трассы магистрального газопровода.

Разработанные алгоритмы идентификации, адаптации и оптимизации могут работать отдельно как самостоятельные программы, а также в едином комплексе программы диспетчерского оперативного оптимального управления. С целью исследования этого комплекса программ до непосредственного его использования в промышленной эксплуатации разработана программа имитации диспетчерских данных технологических режимов работы реальных магистральных газопроводов на ЭВМ.

В четвертой главе приведены примеры численных расчетов по разработанным алгоритмам и программам для магистральных газопровод01 указанных промышленных объединений. Для ПО "ОРЕНБУРГТРАНСГАЗ" расчеты проводились для магистрального газопровода "Союз" на участке г.Оренбург - Г.Александров Гай, на этом участке расположены пять компрессорных станций: КС-Оренбург, КС-Алексеевка, КС-Уральск, КС-Чижа и КС-Александров Гай. Протяженность рассчитываемого участка равна 505 км., на всем протяжении газопровод состоит из одной нитки диаметром 1420 мм. Для ПО "ПРИКАРПАТТРАНСГАЗ" расчеты проводились душ магистрального газопровода "Братство" на участке между компрессорными станциями КС-Долина, КС-Россош и КС-Ужгород. Протяженность участка 172 км., газопровод включает две нитки с эффективным диаметром 1957,436 мм и 1499,365 мм. Расчеты проводилис! по отдельным сериям диспетчерских данных, относящихся к разным периодам эксплуатации (зимним и летним), по этим данным проводилась идентификация, исследовалась работа алгоритмов адаптации и рассчитывались рациональные (оптимальные) режимы эксплуатации указанных газопроводов.

На основе разработанных алгоритмов на языке программирования F0RTRR/V- IV > ОС/ЕС написаны комплексы программ статистической идентификации, адаптации, оптимизации, имитации диспетчерских данных на ЭВМ, а также комплекс программ оперативного диспетчерскогс оптимального управления.

В диссертации принята двухпозиционная система нумерации формул, таблиц и рисунков. Позиции (слева направо) указывают на номер главы, номер формулы (таблицу рисунка) в разделе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые разработана универсальная методика расчета режимов магистральных газопроводов на основе статистической идентификации и адаптации с использованием регрессионных уравнений по данным диспетчерской информации. Созданный комплекс алгоритмов и программ ориентирован для целей оперативного диспетчерского оптимального управления режимами магистрального газопровода по критерию максимальной его пропускной способности, использование других критериев принципиальных ограничений не имеет, при увеличении информативности диспетчерских данных за счет учета энергетических затрат возможно использование и других важных критериев оптимизации.

2. Опыт практических расчетов и экспериментальных исследований показал, что вид модели при статистической идентификации целесос бразно задавать на основе моделей гидравлических расчетов магистральных газопроводов в стационарных режимах и аппроксимации режимов компрессорных станций моделью второго порядка. Реализованные алгоритмы позволяют получать на основе данных диспетчерской информации статистическую модель, предсказание пропускной способности по которой делается с ошибкой, не превышающей 1,5$ от средних значений на период времени доходящий до месяца в зависимости от внешних возмущений, приводящих к нестационарности режима газопередачи.

3. Для учета нестационарности режимов магистральных газопроводов в результате численных исследований показана эффективность работы одношагового алгоритма адаптации коэффициентов статистической модели по данным диспетчерской информации. Реализованная рекуррентная процедура уточнения коэффициентов соответствует по виду решению уравнений при нестационарных режимах в разностных схемах. Скорость сходимости алгоритма адаптации позволяет уже после трех уточнений коэффициентов по рекуррентному алгоритму поддерживать точность предсказания пропускной способности для магистрального газопровода к фактическим данным эксплуатации на уровне 1,5$, что позволяет считать модель при неустановившемся режиме удовлетворительной для целей оперативного диспетчерского выбора рациональных режимов.

4. Для статистической идентификации и адаптации коэффициентов регрессионных моделей по результатам экспериментальных исследований показано, что точность измерения технологических режимов диспетчерской информации удовлетворяет требованию устойчивости выбора рациональных режимов при оперативном диспетчерском управлении режимами магистральных газопроводов. Обоснована целесообразность применения пакета программы оптимизации, состоящего из сочетания метода штрафных функций и адаптивного случайного поиска для выбора оптимальных режимов в реальном масштабе времени. Практические расчеты показали, что пакет оптимизации имеет высокую надежность и скорость сходимости к оптимальным решениям.

5. Статистическая идентификация и оптимизация режимов работы проводилась для разных магистральных газопроводов. Результаты численных расчетов показали хорошую точность аппроксимации для обоих газопроводов. При расчете оптимальных режимов были сделаны практические выводы для эксплуатации, так для магистрального газопровода "Союз" давление нагнетания на первой компрессорной станции КС-Оренбург целесообразно увеличить в среднем на (0,10 - 0,15) МПа, на последней КС-Александров Гай также увеличить до 7,2 МПа, при этом входное давление следует уменьшить до предела, соответствующего степени сжатия 1.2. Корректировка этих давлений позволит увеличить пропускную способность в "летний" период эксплуатации в среднем на 5$. В "зимний" период эксплуатации режимы компрессорных станций в среднем согласно расчетам близки к оптимальным. Для магистрального газопровода "Братство" необходимо в среднем также увеличить давление нагнетания на первой КС-Долина на (0,15 - 0,2) МПа, эта корректировка позволит увеличить пропускную способность на 3%,

1. Александров A.B., Берман Р.Я., Яковлев Е.И. Выбор оптимального режима эксплуатации сложной системы дальнего транспорта газа с применением ЭВМ. М., 1970, 92 с. (ВНИИгазпром)

2. Александров A.B., Яковлев Е.И. Проектирование и эксплуатация систем дальнего транспорта газа. М., "Недра", 1974, 432 с.

3. Андерсон Т. Введение в многомерный статистический анализ. Физматгиз, 1963

4. Айвазян С.А., Бетаева О.В. Классификация многомерных наблюдений. М., "Статистика", 1974

5. Айвазян С.А. Статистическое исследование зависимостей. (Применение методов корреляционного и регрессионного анализов к обработке результатов эксперимента). М., "Металлургия", 1968, 227 с.

6. Айвазян С.А. Алгоритмическое и программное обеспечение прикладного статистического анализа. М., Из-во ЦЭМИ, 1980

7. Бармин С.Ф. и др. Исследование переходных режимов на участке магистрального газопровода. "Газовая промышленность", № I, 1966, 33 с.8f Бахвалов Н.С. Численные методы. Т I, М., "Наука", 1973

8. Берман Р.Я., Бобровский С.Н., Галиуллин З.Т., Оптимизация режимов закольцованных магистральных газопроводов. "Газовая промышленность", 1967, № 3, 42-48 с.

9. Берман Р.Я., Панкратов В.В. Автоматизация систем управления магистральными газопроводами. М., "Недра", 1978, 159 с.

10. Бобровский С.Н., Щербаков С.Г., Гусейнзаде М.А. Движение газа в газопроводах с путевым отбором. М., "Наука", 1972, 193 с.

11. Бобровский С.Н., Яковлев Е.И. Газовые сети и газохранилища. М., "Недра", 1980, 413 с.

12. Большев 1.К., Смирнов В.Н. Таблицы математической статистики. М., "Наука", 1965

13. Бородок В.П. Критерий для оценки работоспособности математическо1 описания. Сб. Автоматизация химических и нефтехимических производств. 1969, вып. 2

14. Бродский В.З. Введение в факторное планирование эксперимента. М., "Наука", 1971

15. Бусленко Н.П. Метод статистического моделирования. М., "Статистика", 1970, 281 с.

16. Бусленко Н.П., Голенко Д.И. и др. Метод статистических испытали! Физматгиз, 1962

17. Вольский ЭЛ., Константинова И.М. Режим работы магистрального газопровода. М., "Недра", 1970, 168 с.

18. Воробейчиков С.Э., Конев В.В. 0 последовательной идентификации стохастических систем. Изд. АН СССР, "Техническая кибернетика", 1980, й 4, 176-182 с.

19. Галиуллин З.Т., Цедельников Л.С. Определение эксплуатационных показателей газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях. М., ВНИИЭгазпром, 1977, (науч.-технич. обзор. Серия "Транспорт и хранение газа")

20. Галиуллин З.Т. 0 некоторых задачах неустановившегося движения газа в магистральных газопроводах. В сб. "Вопросы транспорта природного газа", тр. ВНИИГАЗа, вп.29137, М., "Недра", 1967, с.10-1723