автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка автоматизированной системы выбора оптимальной схемы газификации регионов

На правах рукописи

КАПИШНИКОВ Александр Евгеньевич

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОЙ СХЕМЫ ГАЗИФИКАЦИИ РЕГИОНОВ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2004

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Баранников Николай Ильич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Макаров Олег Юрьевич;

кандидат технических наук, доцент Питолин Михаил Владимирович

Ведущая организация Российский государственный университет

нефти и газа им. И.М. Губкина

Защита состоится «24» сентября 2004 г. В_часов в конференц-

зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.03 Воронежского государственного технического университета по адресу: 394026 Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета

Автореферат разослан «_»_

2004 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время газ является наиболее дешевым и экологически чистым источником энергии, а доступ к нему - одним из показателей социальной привлекательности и одним из основных факторов экономического развития региона.

Несмотря на то, что Российская Федерация добывает наибольшее количество природного газа (более 523,2 млрд. кубометров газа в 2003г.) и является крупнейшим его экспортером в мире, внутри РФ уровень охвата газификацией жилого фонда в городах составляет 56%, на селе - 23%. В Воронежской области эти показатели составляют соответственно 81,2% и 25,4% по данным 2003 года.

Проблема усугубляется снижением бюджетного финансирования работ по газификации, а выполняемые работы оплачиваются, в основном, за счет всевозможных схем взаимозачетов, частичного финансирования за счет долгов местных бюджетов перед ОАО "Газпром". Финансовые возможности населения, особенно в сельской местности, также ограничены.

В этих условиях особенно актуальной является задача выбора таких схем газификации, которые обеспечивают максимальное уменьшение инвестиций при выполнении нормативных требований и условий регионов.

В этой ситуации необходимы эффективные методы и алгоритмы синтеза, моделирования и последующей оптимизации газовых распределительных сетей на этапе проектирования и экономического обоснования инвестиций.

Различными вопросами исследования проблем газификации регионов, а также автоматизации их разработки посвящены работы многих советских и российских ученых: М.В. Лурье, М.Г. Сухарева, Е.Р. Ставровского и других.

Таким образом, на сегодня большую актуальность получила комплекс -ная автоматизация данной предметной области. В настоящей работе предложены как математические модели выбора оптимальной схемы газификации региона для различных условий, так и алгоритмы их решения.

Работа выполнена в рамках одного из основных научных направлений ВГТУ "Интеллектуальные информационные системы" и "Программы разработки унифицированных проектных решений и отраслевой нормативной документации на 2001-2003гг.", утв. ОАО "Газпром" 22.08.2000 г.

Целью работы является разработка автоматизированной системы выбора оптимальной схемы газификации регионов, обеспечивающей повышение эффективности работ в области проектирования и экономического обоснования топологии и характеристик распределительных сетей газопроводов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ особенностей разработки схем газификации регионов, проектирования распределительных газопроводов низкого, среднего и высокого давлений, оценить возможности применения методов моделирования и синтеза для решения задач оптимизации сетей распределительных газопроводов;

- выполнить постановку задачи вы( орф£хс^ы.^з^фйт^ци^ регионов учетом современных требований;

БИБЛИОТЕКА

оУ^'Ш*

- разработать математические модели выбора оптимальной схемы газификации региона;

- разработать формы для сбора информации о потребности в энергоресурсах потребителей;

- разработать алгоритм нахождения потребности в газе укрупненных потребителей;

- разработать алгоритмы гидравлических расчетов, необходимых для выбора оптимальной топологии сети межпоселковых газопроводов;

- разработать информационное и программное обеспечение на основе предложенных моделей и алгоритмов;

- внедрить в опытную эксплуатацию автоматизированную систему и предложить пути ее дальнейшего развития.

Методы исследования. При выполнении работы использованы основные принципы и методы теории САПР, элементы теории графов и теории формальных языков, методы модульного и структурного проектирования, объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна: В диссертации получены следующие основные результаты, которые выносятся на защиту и характеризуются научной новизной:

модель синтеза сети с одним источником, позволяющая получить оптимальную по стоимости топологию газовой сети при разработке схем газификации регионов;

модель синтеза сети, отличающаяся возможностью обеспечения надежности газоснабжения для части узлов (потребителей);

модель, позволяющая оценить экономическую целесообразность сооружения газопроводов и использования сжиженного природного газа (СПГ-технологий) с учетом альтернативного топливопотребления;

алгоритм определения максимально-часовой и годовой потребности в газе укрупненных потребителей, выполняемый в автоматизированном режиме и использующий данные о потребности в энергоресурсах;

алгоритм гидравлического расчета межпоселковых газораспределительных сетей, основанный на точном математическом описании, благодаря чему повышается точность расчетов по сравнению с методикой, основанной на использовании номограмм.

Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований разработаны и внедрены в эксплуатацию модули автоматизированной системы выбора оптимальной схемы газификации регионов: расчет потребности в газе укрупненных потребителей, гидравлический расчет тупиковых сетей газопроводов давлением до 1,2 МПа, применяемых при газификации районов Российской Федерации.

Результаты проведенных исследований апробированы и внедрены в деятельность ДОАО «Газпроектинжиниринг».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: на семинарах в Воронежском государственном техническом университе-

те (Воронеж, 2002, 2003, 2004); Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 2002, 2003); Всероссийской конференции молодых специалистов «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 печатных работ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: в [1] - описание возможностей ГИС в области проектирования газопроводов; в [2] — алгоритм определения максимально-часовой и годовой потребности в газе; в [3] - алгоритм расчета параметров газопроводов; в [4] — условия реализации и критерии оптимальности математической модели выбора схемы газификации региона.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, изложенных на 118 страницах, списка литературы (106 наименований), трех приложений и содержит 14 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены цель и задачи работы, отмечены основные результаты исследования, выносимые на защиту; определена их научная новизна и практическая значимость; приведены сведения о внедрении результатов работы.

Первая глава посвящена анализу существующего положения в области разработки схем газификации регионов, а также анализу ГИС-технологий, применение которых наиболее целесообразно при проектировании системы выбора оптимальной схемы газификации региона.

В ней рассмотрены условия разработки схем газификации, состав и источники исходных данных, а также существующие технологии, методики и средства автоматизации аналогичных задач.

Проведенный анализ показал, что программное обеспечение, которое используется при разработке схем газификации, часто морально устарело, а комплексные иностранные программные продукты дороги при покупке и внедрении, а также не ориентированы на российские стандарты. Кроме этого, анализ ГИС-технологий показал, что для задач автоматизации разработки газовых сетей возможно применение средств геоинформационной системы. Таким образом, необходима разработка автоматизированной системы на базе точных математических моделей, учитывающих не только технические, но и экономические условия осуществления газификации регионов.

Во второй главе рассмотрено математическое обеспечение, позволяющее выбрать оптимальную топологию газораспределительных сетей по заданным критериям (в зависимости от требований надежности газоснабжения и использования альтернативного топлива).

Для разработки математической модели выбора схемы газификации региона опишем условия ее реализации и критерии оптимальности.

Пусть имеется регион Я (рис. 1), на территории которого расположено п населенных пунктов с координатами в местной или глобаль-

ной системе координат.

Каждый из населенных пунктов характеризуется нормативной энергетической потребностью Q,, которая может быть обеспечена путем поставок природного газа (другими словами, это количество энергии, необходимое для удовлетворения нужд потребителей данного населенного пункта)

а) через газопроводы высокого, среднего и низкого давления;

б) подвозом сжиженного газа автотранспортом;

в) подвозом сжатого газа автотранспортом.

При этом:

Q.-VQ0.» О)

где k,, j=1,2,3 - показатели теплотворной способности единицы измерения соответственно природного, сжиженного и сжатого газов;

Q0, - необходимое количество единиц измерения соответствующего ресурса.

Для природного газа необходимо также указать P,mm —минимальное давление на входе в населенный пункт V, (обычно это координаты ГРП - газораспределительного пункта).

Источниками подачи природного газа могут быть:

для случая а) одна или несколько (k=l...m) газораспределительных станций (ГРС) Рь с координатами (Хк,Ук), расположенных на границах или на

n min

территории региона с характеристиками: Ррк - минимальное давление на выходе Pk-ой Г Р Ctg— объем газа, поставляемого в сеть Pk-ой ГРС; участок магистрального газопровода или газопровода-отвода с координатами начала (х„, у„) и конца (Хк, Ук), в пределах которого возможно подключение.

Очевидно, что случаи б) и в) идентичны с точностью до коэффициентов, поэтому они могут быть описаны одной моделью, для которой необходимо задать:

координаты (X|, yi) газонаполнительных ста ^цд М .йЦ L - количество имеющихся и/или проектируемых станций);

Qign - мощность 1-ой станции.

Будем также иметь в виду, что существует электронная топографическая карта региона в масштабе, позволяющем учитывать существенные особенности рельефа, влияющие на стоимость строительства газопроводов, а также позволяющая описать топологию автодорог и других коммуникаций.

Можно предположить, что решение этой задачи возможно в следующей последовательности:

1. Используя цифровую модель региона, описываем средствами ГИС особые области, связанные с прокладкой газопроводов:

- запрещенные зоны (заповедные, селитебные и др.);

- коридоры, предпочтительные для прокладки (полосы отчуждения различных дорог, коммуникаций и т.д.);

- принадлежность участков отчуждения к группам в соответствии с земельным кадастром и т.д.

2. Формируем средствами ГИС множество возможных топологий сети, при этом естественно ее описание ориентированным графом С=(У, Е), где V -населенные пункты (вершины графа), Е — дуги, участки газопровода между ними). Истоком (истоками) являются соответствующие ГРС.

3. Находим объем инвестиций (единовременных капитальных вложений):

С = £С<+ЕС«+С" (2)

где С,= Щ„ <!,);

сН^н.Р.ьС»,);

1, - длина ¡-о участка газопровода;

(1, - диаметр трубы ьо участка;

С, - стоимость строительства ьо участка;

Рии Рис - соответственно, давление газа в начале и конце 1-го участка, задаваемые в технических условиях или определяемые гидравлическим расчетом;

0, - расход газа через 1-ый участок;

Срк - стоимость к-ой ГРС;

- стоимость компенсационных выплат за землю, затрат на рекультивацию и т.д.

4. Определяем себестоимость доставки единицы измерения энергоресурсов для населенных пунктов и выбираем конкретный вид по минимуму себестоимости. Очевидно, что в случае предпочтения в пользу сжиженного или сжатого газов для некоторых пунктов может возникнуть потребность в изменении сети газопроводов природного газа.

Таким образом, данная задача представляет собой задачу синтеза сети. С точки зрения теории оптимизации, задачи синтеза сетей относятся к классу задач минимизации вогнутой (вверх) целевой функции на транспортных многогранниках различных типов. Вогнутость целевой функции связана прежде всего с так называемым законом убывающей стоимости, в соответствии с которым

удельные затраты на создание и эксплуатацию мощности для транспортировки продукции убывают с ростом величины этой мощности.

Основной в данном разделе является задача синтеза сетей, которая относится к классу однопродуктовых сетевых транспортных задач с сепарабельной вогнутой целевой функцией затрат по дугам и вершинам сети.

В работе рассматриваются математические модели синтеза сети с одним источником и надежной сети. Это объясняется тем, что крупные регионы, в которых возможно наличие нескольких источников газа, разбиваются на несколько районов и для каждого из них происходит синтез своей газораспределительной сети.

Рассмотрим математическую модель синтеза сети с одним источником:

Пусть G (V, Е) - орграф (рис. 2), каждой дуге (¡,.ОеЕ которого сопоставлена кус очно-линейная неотрицательная неубывающая функция затрат на строительство и эксплуатацию этого участка где - неизвестный поток

(пропускная способность) по дуге (¡, а каждой вершине ¡еУ\{Ро} поставлена в соответствие потребность С2,>0. Вершина Ро -источник.

Рис. 2. Представление газораспределительной сети в виде графа В приведенных обозначениях требуется найти:

min £/,0О

С.;**

(3)

при ограничениях:

(4)

(5)

(6)

здесь 1(]) и .10) - множества входящих и исходящих дуг для вершины Рассмотрим лишь модель, соответствующую орграфу без параллельных

дуг.

Пусть каждой дуге (¡, 3)еЕ орграфа О (V, Е) поставлены в соответствие два числа: ач ^ 0 — удельные затраты Ьч й (и — фиксированные доплаты за. создание коммуникации с пропускной способностью а каждой верши-

6

не ieV\{P0} поставлена в соответствие потребность Q,>0. Вершина Ро - источ ник.

В приведенных обозначениях требуется найти: min £

Им)«*

(• те

(7)

при ограничениях:

ИЛ/>

1 при j = к,

О при )Ф 0, к, keV\{P0}, (8) -1 при j = О,

(9) (10)

О 5 х\ < Хч, (i, j) е Е, k 6 V\{P0};

Здесь с у = ЭуОь 0, .¡)еЕ, кеУ\{Ро}. Условия (4) следуют из того факта, что поток для вершины к (кеУ\{Ро}) по любой д у Тё$и б о равен нулю, либо равен

Двойственная декомпозиционная задача к (7) — (10) записывается в ви-

де:

наити:

max min V > (с' +ut.)x1'

ига хго ¿г* 4 ' ®

при ограничениях (2.14) и

teVM Л, ((,.,)«£

(И)

2ji^<b4,{i,))eE. (12)

Обозначим через Lt(0) множество кратчайших путей, соединяющих источник Ро с потребителем к в графе G с весами дуг (скц + йкц), к е V\{Po}, через О — допустимый по (12) набор неотрицательных значений переменных йкв, (i, j)eE. Блокирующим множеством, определяемым данными к и О, является минимальное множество дуг таких, что каждый путь из Ц(0) содержит хотя бы одну дугу из этого множества. Иными словами, блокирующее множество является разрезом, отделяющим к от Р0 в множестве кратчайших путей Lk (О).

В реальных задачах рассматриваемого типа могут встречаться графы G с несколькими сотнями и даже тысячами вершин. Естественно, решение таких задач точными методами практически невозможно. Поэтому в работе не используются методы точного решения оценочной задачи, а рассматривается лишь приближенный алгоритм, учитывающий особенности данной задачи.

Пусть То — дерево кратчайших путей на графе G с весами дуг ац из вершины Ро в V\{Po}, р°, — длина пути в То из Ро в i, i е V. Для каждой вершины к, keV\{P0}, с Qk>0 в процессе работы процедуры строится дерево Тк путей, ведущих в вершину к, с множеством вершин V(Tk) и дуг Е(Тк). Одновременно переопределяется дерево кратчайших путей из корня и соответствующий ему вектор длин кратчайших путей (потенциалов) (р°,), ieV. Кроме этого, для

каждого к производится разбиение множества вершин V на подмножества Рк и Qk, PkuQk = 0.

В начале работы процедуры каждое Тк состоит из единственной вершины к, а каждое Qk содержит те и только те вершины, которые достижимы из к в дереве То (в том числе и саму вершину к); множество таких вершин обозначим через S(T0, к). На выходе процедура построения решения определяет значение нижней оценки Ф и подграф G (V, Е), где Е ={(i, j): bu =0}.

Введем вспомогательный переменный вектор IP длины п, k-я компонента которого равна единице, если для соответствующей вершины Qit>0 и вершина к еще не исключена из рассмотрения. В противном случае IP(k) = 0 (k = 1,..., п). Обозначим через п, число ненулевых компонент вектора В.

Рассматриваемый вариант основан на том простом факте, что при заданных Ьч, (i, j) е Е максимальный вклад в значение функционала равен длине кратчайшего пути [0, к] в G(V, Е) с весами дуг a,j Вк + Ьг Остается определить новые значения Ь„ = bg — икч, где икч, 0<uk,,<by, — та часть Ь„ для каждой дуги (i, j) е Е, которую следует добавить к a,j Bk, чтобы кратчайший путь из Р0 в к, проходящий по (i, j), бьш не короче, чем путь [0, к].

Приведем описание модифицированной процедуры построения решения.

Вход: граф G(V, Е) с множеством вершин V=(0,l,...,n); Q=(Qv) (k=l,...,n); {aij}> {Ьц}, (i, j)eE.

Выход: Ф, {bu}, (i, j) eE, G(V, E).

Шаг 1. Положить Ф = 0, Ьч = b1Jf (i, j) e E, к = 1.

Шаг 2. Если Qk = 0, перейти к шагу 7.

Шаг 3. В графе G с весами дуг ау Qk + bg построить дерево Тк кратчайших путей в вершину к с потенциалами q„ ieV\k, qk = 0. Потенциал q0 — длина кратчайшего пути из 0 в к.

Ш а г 4. Положить р0 = 0, р. = max {(q0 — q.), min (р, + а,. Qk)} je V\P0.

(¡0)еЕ

При этом вершины j просматриваются в таком же порядке, как в алгоритме Дейкстры, т. е. последовательность {р,} — неубывающая.

Шаг 5. Для каждой дуги (i, j) е Е положить

Ьч = min {bu, (Ьц — (pj — р,) + ацВк)}.

Шаг 6. Положить Ф := Ф + q0.

Шаг 7. Положить к := к + 1. Если к < п, перейти к шагу 2.

Шаг 8. Положить Е = {(i, j): Ьи = 0}.

Если применять для выполнения шага 4 модификацию алгоритма Деик-стры, которая заключается в учете лишь компоненты q0—q, при вычислении р,, то трудоемкость выполнения пунктов 1 - 3 не превзойдет (п ). Отсюда общая трудоемкость составит (п3). Значения uk4 (которые не фигурируют в процедуре) вычисляются по формуле

uk,j = max {0, Pj - р, - a,jQk}, {i, j}eE. (13)

Описанная процедура строит для каждого просматриваемого к допусти-

мое тупиковое решение {икч}.

Модифицированная процедура построения решения строит допустимое множество значений Ьц для каждой вершины к. Однако это множество не дает максимально возможную величину ЕЬЧ, (¡, е Е. Вообще говоря, при использовании процедур подобного типа для построения оценок функционала следует максимизировать на каждом шаге суммарный остаток Ьу лишь по тем дугам, для которых на последнем шаге величины Ь„ становятся равными нулю. Однако, поскольку это множество заранее неизвестно, можно искать такое распре-к

деление и и при каждом к, которое максимизирует суммарный остаток величин Ьу или, что эквивалентно, минимизирует Ей',,, (¡, ^еЕ. Таким образом, трудоемкость точного решения этой задачи существенно выше, чем (п2) — трудоемкости модифицированной процедуры построения решения, строящей ее приближенное решение. Поэтому, для того чтобы рекомендовать использование точного решения в процессе построения нижней оценки, необходим достаточно представительный вычислительный эксперимент.

Данная модель описывает синтез сети с одним источником, но в практике к схемам газификации часто предъявляются требования по обеспечению бесперебойности снабжения газом отдельных объектов. В районе, подлежащем газификации, обычно имеется незначительное количество таких объектов. В этом случае, они выделяются особо, и для них обеспечивается газоснабжение с заданной надежностью (обеспечением бесперебойности газоснабжения).

Пусть 0 - индекс вершины - источника сети, N = (1, 2, ..., п) - множество индексов вершин - потребителей, Е - множество допустимых ориентированных соединений источника с потребителями и пар потребителей друг с другом. Тогда задачу синтеза надежной сети можно сформулировать как задачу отыскания

™п ]Г (шах {хч, ул}) + с„ | ху - у,, |) (14)

при ограничениях

X, + 7,> А„(}„У, ><3„ ¡е N. (17)

Здесь Ху, уч - неизвестные потоки в аварийном режиме по дугам (1, ^еЕ. Если в оптимальном решении задачи Ху > 0, уч> 0 для некоторой дуги то это означает необходимость включения в оптимальную сеть двух параллельных коммуникаций с пропускной способностью соответственно (при этом Хд=Уц=0). В нормальном режиме функционирования системы потоки по этим коммуникациям также равны Ху, у„. Если Хч > 0, уч > 0, то в сеть включается одна коммуникация с пропускной способностью, равной тах (хи, уч), в этом случае хч = 0. Поток в нормальном режиме равен | Хч - уч1 и направлен от 1 к если хи > уч , и от ] к 1 при уд > х,г Аналогичная картина с точностью до пе-

рестановки хц, и уч имеет место и и у,р> Орхи= 0. Величины Х„ У, в (14) -(17) - неизвестные объемы продукта, поступающие в ¡еЫ по х- и у- коммуникациям. Ограничения (17) требуют, чтобы суммарный поступающий объем в нормальном режиме был не меньше (при выходе из строя любой коммуникации) не меньше аварийной потребности

Целевая функция (14) состоит из двух компонент: первая - сумма кусочно-линейных вогнутых неубывающих положительных функций

капитальных затрат от пропускной способности по дуге вторая - сумма линейных функций с положительными коэффициентами эксплуатационных затрат от потока по дуге (¡, Предполагается, что (0 = (0 ЛДЯ любой дуги (¡, Это соответствует тому факту, что пропускная способность дуги ¡) равна пропускной способности дуги (¡, Поскольку эксплуатационные затраты для потока по дуге (¡, не должны быть, вообще говоря, равными затратам для мы не предполагаем, что Разобьем N на N1 = {1: А,> 2(5,} иК2 = {1: А,< Очевидно, что тогда ограничения (17) эквивалентны:

Х1 + ¥, = А,,Х1Ь91,У,>рпеНь (18)

Предложенные модели позволяют на основе данных о возможных трассах газопроводов и с учетом требований, предъявляемых к системе газоснабжения, выбрать оптимальную топологию газовой сети для газификации региона.

Отметим, что процессу формирования плана развития региональной газораспределительной сети должны предшествовать исследования, связанные с изучением состояния системы, перспектив развития региона, темпов развития газопотребления и ресурсов. Кроме того, надо учитывать вопросы рационального использования материалов, энергии, снижения капитальных вложений, а также использование альтернативного топливопотребления.

Для этого разработана модель, позволяющая оценить целесообразность сооружения газопроводов и СПГ-технологий с учетом альтернативного топли-вопотребления. В работе предложена только постановка задачи и предложена возможная математическая модель ее решения, как задачи линейного частично-целочисленного программирования производственно-транспортного типа.

В третьей главе предлагаются алгоритмы решения задач, необходимые для выбора оптимальной топологии газовых сетей.

Для задачи выбора оптимальной схемы газификации региона крайне необходима экономическая обоснованность проведения к тому или иному потребителю газовой трубы. При этом также необходимо учитывать возможности использования альтернативных источников энергии (уголь, мазут, сжиженный, сжатый газ). В любом случае первое, что необходимо определить - это потребность потребителя в тепле. Исходя из этого, делается вывод о строительстве или реконструкции источников тепла в населенном пункте. В практике используют два показателя потребности в тепле - это максимально-часовое и годовое потребление тепла.

Исходными данными для расчета максимально-часового и годового потребления природного газа являются перечень объектов, подлежащих газификации, с указанием характеристик энергопотребления или других характеристик, позволяющих рассчитать потребление газа данными объектами.

Алгоритм расчета представлен на рис. 3.

Рис. 3. Алгоритм расчета максимально-часового и годового расхода газа потребителями

В третьей главе также разработан алгоритм гидравлического расчета газопроводов, основанный на точных математических моделях. Он производится в соответствии с требованиями СНиПов и СП, действующих на территории Российской Федерации, и его целью является получение технических параметров труб для участков газопроводов (расчет внутреннего диаметра газопровода, подбор необходимых для этого труб).

Исходными данными для гидравлического расчета являются результаты расчета максимально-часового потребления природного газа, технические параметры транспортируемого газа, длина газопровода, падение давления на участках одинакового диаметра.

Алгоритм расчета представлен на рис. 4.

Рис. 4. Алгоритм гидравлического расчета газопроводов высокого, среднего и низкого давлений

Теперь опишем технологию разработки схем газификации в автоматизированной системе выбора оптимальной схемы газопроводов. Она представлена на рис. 5

Внешние данные Подбор ЦТК

Сбор сведений о потребителях газа

ГИС

Выделение специальных зон

Деление региона на районы

Выделение отдельных

потребителей для обеспечения надежности их газоснабжения

Расчетные модули

Расчет максимально-часового и годового потребления газа

Выбор оптимальной топологии

Гидравлический расчет

Синтез возможных путей между источниками и потребителями

Экономическое обоснование

Вывод результатов на печать

Рис. 5. Технология разработки схем газификации в автоматизированной -системе выбора оптимальной схемы газопроводов

Четвертая глава посвящена вопросам информационного и программного обеспечения. В ней описано применение геоинформационных систем и ГИС-технологий для решения задач газификации региона, представлена общая схема использования ГИС-технологий в решении вопросов информационного обеспечения задач регионального газораспределения; Описана структура информационного обеспечения системы выбора оптимальной схемы газификации региона. Также приведена функциональная структура программного комплекса и модель взаимодействия отдельных модулей в составе системы.

Решение многих задач газораспределения требует учета местных условий,- которые можно задать рядом тематических слоев цифровых карт и в дальнейшем использовать в рамках ГИС-технологий. Каждый тематический слой состоит из набора типовых графических объектов с атрибутивной информацией, которая в каждом конкретном случае играет свою роль.

Средства ГИС-технологий позволяют эффективно решать следующие задачи:

- формирования единой цифровой карты на всю территорию региона/района;

- интегрирования пространственных данных в единую среду ГИС (формирование реальной топологии сети);

- графического отображения сети.

Сформированная таким образом геоинформационная среда является открытой, то есть в дальнейшем она может развиваться, корректироваться, пополняться новой информацией.

На рис. 6 представлена укрупненная схема взаимодействия модулей автоматизированной системы.

Рис. 6. Укрупненная модель взаимодействия отдельных модулей в составе автоматизированной системы выбора оптимальной схемы газификации регионов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. На основе анализа состояния процесса разработки схем газификации регионов в современных условиях выявлены особенности математического и информационного обеспечений и этапы, подлежащие автоматизации.

2. Выполнена постановка задачи выбора схем газификации регионов с учетом современных требований.

3. Для выбора оптимальной схемы газификации регионов предложены математические модели, определяющие выбор оптимальной топологии распределительных газопроводов:

- модель синтеза сети с одним источником, позволяющая получить оптимальную по стоимости топологию газовой сети с одним источником;

- модель синтеза сети, позволяющая обеспечить надежность газоснабжения для части узлов (потребителей);

- модель, позволяющая оценить экономическую целесообразность сооружения газопроводов и СПГ-технологий с учетом альтернативного топливо-потребления.

4. Разработан алгоритм определения максимально-часовой и годовой потребности в газе укрупненных потребителей на основе данных о потребности в энергоресурсах.

5. Разработаны стандартизованные формы для сбора исходных данных, позволяющие определить необходимый объем газа по всем видам потребителей.

6. Разработан алгоритм гидравлического расчета межпоселковых газораспределительных сетей, основанный на точных математических формулах. Это позволяет значительно ускорить проведение самого расчета, а также увеличить его точность по сравнению с методикой расчета, основанной на использовании номограмм.

7. Разработан модифицированный алгоритм гидравлического расчета газопроводов, позволяющий выполнять расчеты не только межпоселковых, но и внутрипоселковых газовых сетей. Это повышает функциональность системы путем использования ее для проведения новых и проверки ранее выполненных гидравлических расчетов.

8. Осуществлен выбор и обоснование структуры информационного обеспечения системы на основе реляционной модели, позволяющей хранение нормативно-справочной, исходной и выходной информации под управлением СУБД реляционного типа. Для синтеза множества схем газификации регионов применена ГИС.

9. Предложено взаимодействие модулей системы, а также пути дальнейшего развития системы на основе использования внешних программных продуктов для вычисления сметной стоимости строительства газопроводов и элементов инфраструктуры газоснабжения.

10. Полученные в работе теоретические положения явились основой автоматизированной системы выбора оптимальной схемы газификации региона «Оа8№^огк», которая использована при разработке ДОАО «Газпроектинжиниринг» проектов газификации ряда районов Воронежской области. Применение системы позволило снизить трудозатраты при проектировании, повысить экономическую эффективность проектных решений за счет выбора оптимальной топологии сети. Экономический эффект в ДОАО «Газпроектинжиниринг» составил 320 тыс. руб.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Баранников Н.И., Воробьев Э.И., Капишников А.Е. Система оптимального выбора схемы газификации региона // Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах: Тр. Всерос. конф. Воронеж, 2001. С. 73-75.

2. Баранников Н.И., Капишников А.Е. Расчет потребности в газовом топливе в системе оптимального выбора схемы газификации региона // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2002. С. 120-124.

3. Баранников Н.И., Капишников А.Е. Гидравлические расчеты газопроводов в системе оптимального выбора схемы газификации региона // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2002. С. 144-149.

4. Баранников Н.И., Капишников А.Е. Общая модель оптимального выбора схемы газификации региона // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2003. С. 120-125.

5. Капишников А.Е. Принципы создания системы оптимального выбора схемы газификации региона // Социально-экономическое развитие регионов: реальность и перспективы: Межвуз. сб. науч. тр. науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов. Воронеж: ВГТУ, 2003. С. 45-50.

6. Капишников А.Е. Применение ГИС при разработке схем газификации регионов // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2004. С. 174-183.

7. Капишников А.Е. Взаимодействие СУБД, ГИС и пользовательского интерфейса в автоматизированной системе выбора оптимальной схемы газификации региона // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2004. С. 104-109.

ЛР № 066815 от 25.08.99. Подписано в печать 18.08.2004. Бумага для множительных аппаратов. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 90 экз. Заказ № ¿О? Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский просп., 14

# 15457

введение.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В ОБЛАСТИ РАЗРАБОТКИ СХЕМ ГАЗИФИКАЦИИ РЕГИОНОВ.

1.1. Условия разработки, состав и источники исходных данных.

1.1.1. Необходимость разработки схем газификации регионов.

1.1.2. Сбор и предпроектная обработка исходных данных.

1.1.3. Расчет и проектирование сети распределительных межпоселковых газопроводов.

1.2. Средства автоматизации разработки схем газификации регионов.

1.3 Использование современных геоинформационных систем при разработке схем газификации региона.

1.3.1 Описание основных принципов организации геоинформационных систем.

1.3.2 Основные виды и методологические основы моделирования в ГИС

1.3.3 Функционально - моделирующие операции, используемые в разработке схем газификации.

1.3.4 Цифровое моделирование рельефа.

Цели и задачи исследования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОЙ СХЕМЫ ГАЗИФИКАЦИИ РЕГИОНА.

2.1 Постановка задачи выбора схем газификации регионов с учетом современных требований.

2.2. Синтез множества схем газификации региона.

2.2.1. Математическая модель задачи синтеза сети с одним источником.

2.2.2. Математическая модель задачи синтеза надежной сети.

2.3. Математическая модель синтеза газоснабжающей системы региона с учетом сезонной неравномерности и альтернативного топливопотребления.

2.3.1 Альтернативное топливо как средство сглаживания сезонной неравномерности использования газа.

2.3.2. Математическая модель.

Выводы второй главы.

3. АЛГОРИТМЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ СХЕМЫ ГАЗИФИКАЦИИ РЕГИОНА.

3.1. Алгоритм нахождения годового и максимально-часового потребления газа укрупненными потребителями.

3.2. Алгоритм гидравлического расчета газопроводных сетей.

3.3. Технология разработки схем газификации в автоматизированной системе выбора оптимальной схемы газификации региона.

Выводы третьей главы.

4. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.

4.1. Геоинформационное обеспечение решения задач газификации региона

4.1.1. Целесообразность компьютеризации процедур проектирования.

4.1.2. Особенности информационного обеспечения.

4.1.3. Формирование единой информационной среды.

4.1.4. Применение геоинформационных систем (ГИС) для информационного обеспечения процесса решения задач развития и реконструкции газопроводных сетей.

4.2. Структура информационного обеспечения.

4.3. Структура программного комплекса и пользовательский интерфейс.

Выводы четвертой главы.

Актуальность темы. В настоящее время газ является наиболее дешевым и экологически чистым источником энергии, а доступ к нему - одним из показателей социальной привлекательности и одним из основных факторов экономического развития региона.

Несмотря на то, что Российская Федерация добывает наибольшее количество природного газа (более 523,2 млрд. кубометров газа в 2003г.) и является крупнейшим его экспортером в мире, внутри РФ уровень охвата газификацией жилого фонда в городах составляет 56%, на селе - 23%. В Воронежской области эти показатели составляют соответственно 81,2% и 25,4% по данным 2003 года.

Проблема усугубляется снижением бюджетного финансирования работ по газификации, а выполняемые работы оплачиваются, в основном, за счет всевозможных схем взаимозачетов, частичного финансирования за счет долгов местных бюджетов перед ОАО "Газпром". Финансовые возможности населения, особенно в сельской местности, также ограничены.

В этих условиях особенно актуальной является задача выбора таких схем газификации, которые обеспечивают максимальное уменьшение инвестиций при выполнении нормативных требований и условий регионов.

В этой ситуации необходимы эффективные методы и алгоритмы синтеза, моделирования и последующей оптимизации газовых распределительных сетей на этапе проектирования и экономического обоснования инвестиций.

Различными вопросами исследования проблем газификации регионов, а также автоматизации их разработки посвящены работы многих советских и российских ученых: Лурье М.В., Сухарева М.Г., Ставровского Е.Р. и других.

Таким образом, на сегодня большую актуальность получила комплексная автоматизация данной предметной области. В настоящей работе предложены как математические модели выбора оптимальной схемы газификации региона для различных условий, так и алгоритмы их решения.

Работа выполнена в рамках одного из основных научных направлений ВГТУ "Интеллектуальные информационные системы" и "Программы разработки унифицированных проектных решений и отраслевой нормативной документации на 2001-2003гг.", утв. ОАО "Газпром" 22.08.2000 г.

Целью работы является разработка автоматизированной системы выбора оптимальной схемы газификации регионов, обеспечивающей повышение эффективности работ в области проектирования и экономического обоснования топологии и характеристик распределительных сетей газопроводов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ особенностей разработки схем газификации регионов, проектирования распределительных газопроводов низкого, среднего и высокого давлений, оценить возможности применения методов моделирования и синтеза для решения задач оптимизации сетей распределительных газопроводов;

- выполнить постановку задачи выбора схемы газификации регионов с учетом современных требований;

- разработать математические модели выбора оптимальной схемы газификации региона;

- разработать формы для сбора информации о потребности в энергоресурсах потребителей;

- разработать алгоритм нахождения потребности в газе укрупненных потребителей;

- разработать алгоритмы гидравлических расчетов, необходимых для выбора оптимальной топологии сети межпоселковых газопроводов;

- разработать информационное и программное обеспечение на основе предложенных моделей и алгоритмов;

- внедрить в опытную эксплуатацию автоматизированную систему и предложить пути ее дальнейшего развития.

Методы исследования. При выполнении работы использованы основные принципы и методы теории САПР, элементы теории графов и теории формальных языков, методы модульного и структурного проектирования, объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна: В диссертации получены следующие основные результаты, которые выносятся на защиту и характеризуются научной новизной: модель синтеза сети с одним источником, позволяющая получить оптимальную по стоимости топологию газовой сети при разработке схем газификации регионов; модель синтеза сети, отличающаяся возможностью обеспечения надежности газоснабжения для части узлов (потребителей); модель, позволяющая оценить экономическую целесообразность сооружения газопроводов и использования сжиженного природного газа (СПГ-технологий) с учетом альтернативного топливопотребления; алгоритм определения максимально-часовой и годовой потребности в газе укрупненных потребителей, выполняемый в автоматизированном режиме и использующий данные о потребности в энергоресурсах; алгоритм гидравлического расчета межпоселковых газораспределительных сетей, основанный на точном математическом описании, благодаря чему повышается точность расчетов по сравнению с методикой, основанной на использовании номограмм.

Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований разработаны и внедрены в эксплуатацию модули автоматизированной системы выбора оптимальной схемы газификации регионов: расчет потребности в газе укрупненных потребителей, гидравлический расчет тупиковых сетей газопроводов давлением до 1,2 МПа, применяемых при газификации районов Российской Федерации.

Результаты проведенных исследований апробированы и внедрены в деятельность ДО АО «Газпроектинжиниринг».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: на семинарах в Воронежском государственном техническом университете (Воронеж, 2002, 2003, 2004); Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 2002, 2003); Всероссийской конференции молодых специалистов «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 печатных работ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: в [1] - описание возможностей ГИС в области проектирования газопроводов; в [2] - алгоритм определения максимально-часовой и годовой потребности в газе; в [3] - алгоритм расчета параметров газопроводов; в [4] - условия реализации и критерии оптимальности математической модели выбора схемы газификации региона.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, изложенных на 118 страницах, списка литературы (106 наименований), трех приложений и содержит 14 рисунков.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. На основе анализа состояния процесса разработки схем газификации регионов в современных условиях выявлены особенности математического и информационного обеспечений и этапы, подлежащие автоматизации.2. Выполнена постановка задачи выбора схем газификации регионов с учетом современных требований.3. Для выбора оптимальной схемы газификации регионов предложены математические модели, определяющие выбор оптимальной топологии распределительных газопроводов: • модель синтеза сети с одним источником, позволяющая получить оптимальную по стоимости топологию газовой сети с одним источником; модель синтеза сети, позволяющая обеспечить надежность газоснабжения для части узлов (потребителей); • модель, позволяющая оценить экономическую целесообразность сооружения газопроводов и СПГ-технологий с учетом альтернативного топливопотребления.4. Разработан алгоритм определения максимально-часовой и годовой потребности в газе укрупненных потребителей на основе данных о потребности в энергоресурсах.5. Разработаны стандартизованные формы для сбора исходных данных, позволяющие определить необходимый объем газа по всем видам потребителей.6. Разработан алгоритм гидравлического расчета межпоселковых газораспределительных сетей, основанный на точных математических формулах. Это позволяет значительно ускорить проведение самого расчета, а также увеличить его точность по сравнению с методикой расчета, основанной на использовании номограмм.7. Разработан модифицированный алгоритм гидравлического расчета газопроводов, позволяющий выполнять расчеты не только межпоселковых, но и внутрипоселковых газовых сетей. Это повышает функциональность системы путем использования ее для проведения новых и проверки ранее выполненных гидравлических расчетов.^ 8. Осуществлен выбор и обоснование структуры информационного обеспечения системы на основе реляционной модели, позволяющей хранение нормативно-справочной, исходной и выходной информации под управлением СУБД реляционного типа. Для синтеза множества схем газификации регионов применена ГИС.

9. Предложено взаимодействие модулей системы, а также пути дальнейшего развития системы на основе использования внешних программных продуктов для вычисления сметной стоимости строительства газопроводов и ^ элементов инфраструктуры газоснабжения.10. Полученные в работе теоретические положения явились основой автоматизированной системы выбора оптимальной схемы газификации региона «GasNetwork», которая использована при разработке ДОАО «Газпроектинжиниринг» проектов газификации ряда районов Воронежской области. Применение системы позволило снизить трудозатраты при проектировании, повысить экономическую эффективность проектных решений за счет выбора оптимальной топологии сети. Экономический эффект в ^ ДОАО «Газпроектинжиниринг» составил 320 тыс. руб.

1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОЙ СХЕМЫ ГАЗИФИКАЦИИ РЕГИОНА.

2. Задача синтеза сети есть задача (2.3)—(2.7).

3. Задача размещения и унификации обобщает задачи размещения, являющиеся частным случаем задачи (2.3)—(2.7), аналогично тому, как многоиндексные транспортные задачи обобщают обычную.

4. Задача синтеза сети с одним источником это задача (2.3) - (2.7), в которой все аеА имеют вид (Р0,1), где Р0 - заданная корневая вершина.

5. Задача Штейнера на графе есть частный случай задачи 5, в котором все ^ (Хе) имеют вид .

6. Задача о кратчайшем ветвлении это частный случай задачи 7, в котором А - полное множество, т. е. V 1 е V (Р0, е А.

7. Задача размещения производства есть частный случай задачи 6 прик=3.

8. Задача размещения на графах отличается от задачи 10 подобно тому, как различаются матричные и сетевые транспортные задачи.

9. Если все целочисленны, то базисное оптимальное решение задачи (2.32) (2.35) также целочисленно.

10. Математическая модель синтеза газоснабжающей системырегиона с учетом сезонной неравномерности и альтернативноготопливопотребления

11. Ограничения на пропускные возможности газопроводов и каналы поставок СПГ.у йБ8«>4~ К й ¿Ж (2.47)Здесь основную роль играют ограничения для пиковой зоны (з=3).

12. Выполнена постановка задачи выбора схем газификации регионов с учетом современных требований.

13. Проверка длины всех участков (если 1 больше 1тах, то участок делится на несколько участков с длинами не больше 1тах);

14. Находим приведенную длину для всего газопровода, м:1пр-Бэф- кпр;

15. Рассчитываем удельное потребление, м3/(ч-м):Яуд—0час/1 пр»

16. Для каждого участка ищем: путевой расход газа, м3/ч: яуд-1Эф-кпр;пут»пут 1 ч;т)послед. участков»расчетный расход газа, м3/ч: С2Р= рэкв+ От

17. Находим путь (от источника до потребителя) максимальной длины и вычисляем его длину, м:Ег.пр Х^эф»

18. Рассчитываем максимальные потери давления в газопроводе, МПа:Нмах=0.0981 (Рнач-Рко„);

19. Удельные потери давления в газопроводе, МПа/м:Ьуд-Нмах/1^г.пр?

20. Переводим давление на входе в газопровод в МПа:Рнач=0.0981-Рнач

21. Технология разработки схем газификации в автоматизированной системе выбора оптимальной схемы газификации региона.Теперь опишем технологию разработки схем газификации в автоматизированной системе выбора оптимальной схемы газопроводов:

22. Подбирается электронная топографическая карта соответствующего масштаба (обычно используются масштаб 1:200), на котором хорошо различимы значимые особенности рельефа, а также инженерные сооружения.

23. Средствами ГИС выделяются зоны, запретные для строительства, проверяется на актуальность слой инженерных сооружений и коммуникаций, задаются предпочтительные зоны прокладки.

24. Собираются сведения о потребителях газа (по формам, представленным в приложении 1)

25. Рассчитывается максимально-часовая и годовая потребность в газе укрупненных потребителей.

26. Если регион, подлежащий газификации велик, то он делится на районы меньшего размера.

27. Средствами ГИС осуществляется синтез возможных путей между предполагаемыми источниками и потребителями газа.

28. В случае, если условия газоснабжения требуют для каких-то отдельных потребителей специальных условий надежности, то они выделяются в отдельную подсеть, и в дальнейшем происходит расчет этой подсети по модели синтеза надежных сетей.

29. С помощью математических моделей синтеза сетей осуществляется выбор оптимальной топологии газовых сетей в заданном регионе.

30. Производится гидравлический расчет газовых сетей.

31. Осуществляется экономическое обоснование согласно модели перевода сооружений теплоэнергетики на газ описанной во второй главе. В случае если переход на газ не выгоден экономически и нет других внешних условий, переходим на пункт 3.

32. Разработан алгоритм определения максимально-часовой и годовой потребности в газе укрупненных потребителей на основе данных о потребности в энергоресурсах.

33. Разработаны стандартизованные формы для сбора исходных данных, позволяющие определить необходимый объем газа по всем видам потребителей.

34. Возможно использование создаваемой информационной среды ЕГИС для всего спектра задач от проектирования и строительства, до эксплуатации и ремонтов.

35. В рамках ГИС обеспечивается подготовка разнообразной оперативной и статистической информации.

36. ЕГИС является основой для решения задач развития экономики региона.

37. Корректность моделирования трубопроводных сетей определяется тем, насколько правильно отображала топология сети и надежна исходная информация.

38. Верная топология сети, позволяет получить адекватные данные по протяженности участков трубопроводных систем.

39. Отображение газораспределительной сети на ЦТК требует специального подбора графических атрибутов (в т.ч. и цветового решения).