автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Разработка концепции рационального проектирования газораспределительных сетей методом итерационного поиска

На правах рукописи 005056921 ^^ _

Клочко Алексей Константинович

Разработка концепции рационального проектирования газораспределительных сетей методом итерационного поиска

05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012 г.

005056921

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: Жила Виктор Андреевич

кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры Теплотехники и теплогазоснабжения МГСУ

Официальные оппоненты: Бодров Валерий Иосифович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.

Авдолимов Евгений Максутович, кандидат технических наук, доцент, декан факультета инженерных систем и экологии (ФГБОУ ВПО МГАКХиС).

Ведущая организация: ОАО «НИИсантехники», г. Москва

Защита состоится 2012г. в часов на заседа-

іши диссертационного совета Д 007.001.01 при Научно исследовательском институте строительной физики РААСН, по адресу: Москва, 127238, Локомотивный проезд, д.21, светотехнический корпус; тел. (495)482-40-76, факс (495)482-40-60

С диссертацией можно ознакомиться в научно-методическом фонде НИИ строительной физики РААСН.

Автореферат разослан « » г 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 007.001.01

'М

Н.П.Умнякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Необходимость развития научной методологии при планировании развития газовой отрасли обусловлена важностью бесперебойного и экономически эффективного удовлетворения внутреннего и внешнего спроса на газ, расширением единой системы газоснабжения России, совершенствованием организационной структуры газовой отрасли страны, что нашло отражение в энергетической стратегии России на период до 2030 года.

Опережение роста газопотребления над темпом развития сетей газораспределения и, как следствие, их работа в нерасчетных условиях, приводящих к частым нарушениям режимов газоснабжения, а также высокая аварийность, связанная со старением основных фондов топливно-энергетического комплекса (почти 60%) на рынке газоснабжения обуславливают актуальность ряда научных проблем, преследующих преимущественно оптимизационные цели:

• действующие нормативы газораспределения базируются на концепциях, обеспечивающих эксплуатационную надежность газораспределительной сети, как наиболее важного её показателя, но не устанавливают методы для снижения сметной стоимости и повышения экономичности её функционирования;

• в качестве критерия экономичности, в ряде случаев, принимаются металлоемкость или материальная характеристика проектируемой сети, которые не в полной мере характеризуют её стоимость и, поэтому, не позволяют качественно осуществлять выбор оптимального варианта системы газораспределения.

Таким образом, актуальной научной проблемой является разработка новых методов оптимизации газораспределительных систем, учитывающих всю совокупность ограничений, возложенных на проектируемую сеть газораспределения.

Целью работы является разработка научно обоснованной концепции проектирования и оценки эффективности систем газораспределения, поиска путей их развития для повышения инвестиционной привлекательности и социальной значимости надежного и безопасного газоснабжения.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1) проведение сравнительного анализа существующих методов проектирования газораспределительных сетей и разработка нового метода их оптимального проектирования на основе метода итерационного поиска;

2) выявление и анализ факторов, оказывающих влияние на конфигурацию оптимальной газораспределительной сети;

3) разработка нового метода трассировки межпоселковых газопроводов и ответвлений от них на основе взвешенного метода наименьших квадратов;

4) сбор и систематизация исходных данных для определения инвестиционной привлекательности газораспределительных систем и разработка математической модели зависимости стоимости прокладки газораспределительной сети от используемых материалов и типоразмеров труб;

3

5) обоснование выбора критерия эффективности инвестиций в мероприятия по газораспределению.

На защиту выносятся следующие результаты:

1) усовершенствованный метод итерационно-поисковой оптимизации конфигурации элементов газораспределительной сети;

2) выявление факторов, влияющих на конфигурацию оптимальной газораспределительной сети. Такими факторами являются: используемый материал труб, объемы потребления газа абонентами сети, количество ступеней регулирования по давлению газа, месторасположение потребителей и условия их подключения к источнику газоснабжения.

3) усовершенствованный метод трассировки межпоселковых газопроводов и ответвлений от них на основе взвешенного метода наименьших квадратов и критерий выбора оптимальной топологии ответвлений;

4) математическая модель зависимости стоимости прокладки газораспределительной сети от ее диаметра и актуализированные значения расчетных коэффициентов общепринятых методик по определению стоимости ее прокладки;

5) метод определения эффективности функционирования газораспределительных систем с использованием такого параметра, как срок их окупаемости.

Научная новизна результатов диссертации состоит в:

1) разработке нового метода определения оптимальной конфигурации газораспределительных сетей на основе математического метода итерационного поиска, позволяющего осуществлять оптимизацию с учетом заданного в качестве целевой функции параметра. Отличительными особенностями предложенного метода являются знакопеременное изменение варьируемых параметров; введение иерархии условий, контролирующих текущее состояние поиска оптимального решения; возможность осуществления оптимизации из любого стартового положения поиска;

2) классификации на две группы параметров, влияющих на формирование газораспределительной сети: 1 - оказывающих влияние на выбор схемы сети, и 2 -влияющих на ее конфигурацию. При проведении расчетных экспериментов установлено, что любому набору исходных данных при выбранной принципиальной схеме газоснабжения потребителей соответствует одна и только одна оптимальная конфигурация сети;

3) разработке метода определения конфигурации межпоселковой газораспределительной сети на базе взвешенного метода наименьших квадратов. Изменен подход к определению удаления пункта потребления газа от проектируемой прямолинейной трассы, состоящий в минимизации расстояния к искомой прямой взамен общепринятого подхода минимизации суммы квадратов отклонений лишь по одной из координат. Получен критерий выбора схемы подключения пары абонентов к основной магистрали.

4) установлении характера степенной зависимости стоимости строительства газораспределительных сетей от их диаметра для стальных трубопроводов и

линейной зависимости для полиэтиленовых трубопроводов при рассмотрении всего ряда применяемых типоразмеров труб и получении математических моделей, описывающих эти зависимости;

5) обосновании ограниченности применения критерия материалоемкости при проведении технико-экономических расчетов.

Практическая значимость — разработанные в диссертации методы, а также методики и программы, могут быть использованы для решения задач по:

1) проектированию газораспределительных сетей с возможностью выбора оптимальной стратегии их развития и реконструкции, определения материала применяемых труб с целью оптимизации принятого в качестве целевого параметра (срок окупаемости, сметная стоимость, надежность, срок выполнения работ и т.д.).

2) проектированию газораспределительных сетей, которое благодаря последовательному рассмотрению выделенных в работе групп факторов существенно упрощается.

3) проектированию межпоселковых газораспределительных сетей с учетом приоритетности абонентов и нежелательности приближения к некоторым заданным объектам.

4) предварительному оцениванию сметной стоимости газораспределительной сети с использованием разработанных математических моделей с более высокой точностью по сравнению с существующими методами.

5) более точному учету привлекательности инвестиций в мероприятия по газораспределению на стадии проведения технико-экономических расчетов.

Личный вклад автора: результаты, выносимые автором на защиту, получены автором лично.

Апробация работы: основные теоретические положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX Международной научной конференции "Качество внутреннего воздуха и окружающей среды" в 17-22 мая 2011г., г. Кошалин, на X Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» 13-20 мая 2012г., г. Будапешт, а также на четвертой международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» МГСУ, г. Москва, 23-25 ноября 2011г.

Внедрение результатов произведено при проектировании проектным институтом ОАО «МосгазНИИпроект» объектов газораспределения Московской области, располагающихся в:

1. деревне Лужки Истринского р-на Московской обл.;

2. деревне Сосенки Дмитровского р-на Московской обл.;

3. деревне Мелихово Дмитровского р-на Московской обл.

Достоверность результатов основана на:

- корректности математической постановки решаемых задач, адекватно описывающих исследуемые процессы и объекты;

- использовании исходных данных, полученных из достоверных источников;

- положительных заключениях о практическом применении результатов диссертации при проектировании реальных газораспределительных сетей.

Публикации: результаты диссертации изложены в 5 опубликованных работах, в том числе 2-х работах, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 3 — в трудах Всероссийских и Международных конференций.

Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит: 120 страниц текста, 37 рисунков, 27 таблиц, список литературы из 68 наименований и 10 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель диссертационной работы и основные задачи исследования. Приведены основные положения, которые составляют научную новизну и практическую значимость работы.

В первой главе рассматриваются особенности функционирования газовых сетей, описывается исторически сложившаяся схема снабжения потребителей газом. Приводится общепринятая классификация газораспределительных систем и указываются области их применения. Отмечаются такие проблемы, как неудовлетворительная надежность и высокая аварийность существующих сетей газоснабжения, недостаточно высокий темп их развития, существенно отстающий от темпа роста потребления газа абонентами сети. Рассматриваются проблемы недостаточной проработки методов оценки эффективности и способов оптимального проектирования газораспределительных сетей, в том числе с применением ЭВМ. Приведен обзор и анализ литературы, посвященной проблематике функционирования и оптимизации газовых сетей.

В разное время развитием вопросов газоснабжения потребителей занимались: Ионин A.A., Жила В.А., Стаскевич Н. Л., Баясанов Д.Б., Берхман Е.И., Борисов С.Н., Даточный В.В., Гордюхин А.И., Иссерлин A.C., Равич М.Б., Левин A.M. и др.

Выполненный обзор-анализ исследований в области оптимального проектирования газораспределительных сетей позволяет сделать обобщение о том, что, несмотря на множество предлагаемых подходов, в настоящее время единой методики по определению оптимальных затрат на строительство и реконструкцию газораспределительных сетей не существует.

В разное время методами оптимизации сетей занимались: Пьер Ферма, Якоб Штейнер, Э. Торричелли, Б. Кавальери, Б. Кастелли, Т. Симпсон, Ф. Хей-нен, Ж. Бертран, Войцех Ярник, Роберт Прим, Л.В. Канторович и др.

С развитием и использованием ЭВМ при решении оптимизационных задач стали применять различные методы математического программирования A.A. Чирас, А.Р. Ржаницын, J1.A. Расстригин, Д.И. Батищев, Е.Г. Николаев, Ю.М. Почтман, Г.В. Филатов, А.Е. Брайсон, H.H. Моисеев.

На кафедре железобетонных конструкций МИСИ им. В.В. Куйбышева д. т. н. Н. Н. Складневым были разработаны основы общей прикладной теории метода итерационного поиска. В дальнейшем указанную методику дорабатывали А.Г. Тамразян, П.Д. Деминов, Р.Г. Арутюнян, В.Н. Гаранин, М.К. Шеховцов, С.П. Сушков и др. Этими учеными выделены основные методы осуществления поиска: оптимизация целевой функции посредством многократного проведения цикла «Ц»-«Р»-«1»-процедур с учетом системы ограничений, накладываемых на целевую функцию, варьируемые параметры и расчетные величины. «Ц»-процедура осуществляет переход поиска из области недопустимых решений (несоответствие решения условиям системы ограничений) в область допустимых решений задачи. «Р»-процедура производит движение поиска к границе допустимых решений и останавливается вблизи нее, сокращая тем самым избыточный запас расчетных величин и минимизирует значение целевой функции. «1»-процедура организует отдаление процедуры поиска от границы допустимых решений.

В диссертации применены вышеуказанные методы оптимизации при проектировании газораспределительных сетей, доработанные с учетом специфики рассматриваемой отрасли и усовершенствована расчетная методика.

Во второй главе обосновано применение в качестве целевых функций следующих показателей:

- срока окупаемости, позволяющего корректно учесть в совокупности капитальные вложения, эксплуатационные расходы, стоимость газа и тариф на услуги по газоснабжению:

- капитальных вложений в систему газораспределения;

- показателя надежности газораспределительной сети.

Проанализирована структура сметной стоимости прокладки трубопроводов газораспределительных сетей, графическая интерпретация которой приведена на рисунке 1. Стоимость строительства газораспределительный сетей зависит от множества таких параметров, как: стоимость трубопровода, тип разрабатываемого грунта, ширина и глубина траншеи, материал трубопроводов и т.д. Наиболее ярко зависимость капитальных затрат на строительство сети прослеживается от ее диаметра.

Получены математические зависимости величины капитальных затрат на строительство газораспределительных сетей от их диаметра, позволяющие с удовлетворяющей степенью точности определять общие затраты на сооружение газопроводов различных типов и протяженностей:

- для полиэтиленовых газопроводов: K(d) = 0,97d + 0,22 (1)

- для стальных газопроводов: K(d) = 2,32d3 - 1,87d2 + 1.59d + 0,22 (2) Графическая интерпретация приведенных зависимостей отображена на рис.2

0,0

• -

200

400

600

800

1000

-Стальные НД —«-материалы земл.работы

1200 Д, мм

2,5

Рис. I. Стоимость прокладки стальных газопроводов низкого давления для различных диаметров трубы.

£

1,5

0,5

0

О 200 400 600 800 1000 1200

— лин.модель — квадр.модель -куб.модель ♦ смета Д,мм

Рис. 2. Зависимость капитальных затрат на прокладку стальных газопроводов

от их диаметра.

Согласно рекомендациям Ионина А.А, для определения капитальных затрат на строительство газораспределительных сетей, используется зависимость:

Кг = Ь * й + а [млн. руб.] (3)

где: Ь, а - коэффициенты стоимости [млн.руб./(100 п.м.*м)] и [млн.руб./100 п.м] соответственно; <1 - диаметр трубы [м].

Путем аппроксимации реальных сметных данных для труб диаметром до 300 мм, получены современные значения коэффициентов: Ь =1.023 и а =0.258.

С учетом структуры затрат на прокладку газопроводов, проанализировано отношение доли стоимости каждой группы затрат к общей сметной стоимости при различных диаметрах.

-•-материал -» Земляные работы Монтажные работы Д. мм -А-материал -земл.рэбогы -«-«онтаж Д'мм

а) б)

Рис.3. Доли затрат в общей стоимости прокладки газопровода при его различных диаметрах: а) стального; б) полиэтиленового

Из представленных графиков видно, что доля стоимости монтажных работ практически сохраняет постоянное значение для всех рассмотренных типоразмеров труб (около 15% для стальных труб и около 12% для полиэтиленовых), в то время как доля стоимости земляных работ имеет ярко выраженную зависимость от диаметра газопровода.

При рассмотрении доли затрат на материалы в общей сметной стоимости нами было установлено, что она существенно изменяется при переходе от использования трубы одного типоразмера к другому (см. рис. За и 36).

Анализ рисунков За и 36 позволил сделать вывод, что использование материалоемкости (материальной характеристики) в качестве критерия экономичности проектируемой газораспределительной сети не приведет к достоверному результату. Материалоемкость, как критерий экономичности, может быть применима лишь для стальных газопроводов в интервале диаметров от 350 мм до 900 мм, в котором доля затрат на материалы не сильно изменяется (в пределах 40-50% от общей сметной стоимости). Для полиэтиленовых труб такой подход не применим вовсе, в силу существенной зависимости этой доли от диаметра используемой трубы.

Таким образом, при оценке экономической эффективности строительства газораспределительной сети необходимо учитывать сумму всех затрат на её сооружение (А), как составной части параметра эффективности системы в целом {тдок).

Структура затрат каждого газоснабжающего предприятия зависит от текущего состояния вверенной ему газораспределительной системы, перспектив ее

развития, особенностей эксплуатации. Каждое предприятие, осуществляющее услуги газоснабжения, утверждает тарифы на газовое топливо по категориям потребителей, необходимые для успешного функционирования предприятия. Учитывая это обстоятельство, в работе для проведения технико-экономических расчетов, опираясь на исторические данные фактических эксплуатационных затрат, проанализирована структура эксплуатационных расходов на содержание газораспределительной системы и получена математическая зависимость для определения расчетных эксплуатационных расходов на содержание газораспределительной сети.

Э = 0,05К + 0,045 [млн. руб./год] (4)

где: К - капитальные затраты на сеть [млн. руб.];

£ Ь — протяженность газопроводов [п.м.].

Приведены расчетные зависимости определения гидравлических потерь давления на трение, значения параметра надежности газораспределительной сети, используемые в диссертации для инженерных расчетов газораспределительных сетей.

В третьей главе приведена методика оптимизации конфигурации газораспределительных сетей на базе метода итерационного поиска.

Описаны применяемые методики построения оптимальных газораспределительных сетей. Примечательно, что они дают различные результаты не только экономических и надежностных показателей, но и геометрических характеристик сетей.

Представлены наиболее часто применяемые методики построения конфигурации оптимальной сети, возможности и результаты их применения.

Разработана методика для решения задачи формирования оптимальной конфигурации газораспределительной сети на базе математического аппарата поисковой оптимизации. Используемый математический аппарат способен учитывать все ограничения, налагаемые на систему газораспределения. Отличительной особенностью газораспределительной сети, как объекта оптимизации, является то, что увеличение диаметров газопроводов приводит к удорожанию газораспределительной сети, в то время как увеличение варьируемых параметров, обозначающих координаты характерных точек газораспределительной сети, может привести как к увеличению, так и к уменьшению стоимости строительства, что создает определенное затруднение для поиска оптимального решения.

Известно, что в условиях, когда целевая функция нелинейная и граница области допустимых решений выпуклая, точка оптимума единственная и лежит на границе допустимой области. Поэтому при разработке поисковой методики требовалось, чтобы обязательно учитывались как изменение целевой функции К, так и граничные условия, в качестве которых выступают минимальные пределы абсолютного давления газа в газопроводе на вводах к потребителям и минимально допустимая надежность сети.

Рис.4. Построение конфигурации сети методом наименьших квадратов

Рис.6 Построение конфигурации сети методом Штейнера

исходная итерация (г) ацг)> г а

промежуточные итерации (г)

Рис.5. Построение конфигурации сети алгоритмом Прима

Начальная точка поиска может находиться как в области допустимых, так и недопустимых решений. Контроль над движением точки поиска производится с помощью промежуточных итераций. Промежуточной является итерация, при которой комбинация варьируемых параметров отличается от комбинации исходной итерации приращением только одного варьируемого параметра:

а2.{г);

ЛЧ')'

а,

1 ,(г)> "2,(,).

«3 .(г)'. а,м; ...

Я3.(г)

Ч(г)

(5)

итерация (г+7) «і,(г+і); а2.(г+іу йз.(г+і);

>,(<■+0

Значения варьируемых параметров в промежуточных итерациях определяются формулой:

ЦП

-ацП±Ааі

(6)

Движение от итерации (г) к итерации (г +1) контролируется тремя показателями - значением целевой функции обобщенной невязки яи и обобщенного избытка я(г).

Обобщенная невязка я(г) и обобщенный избыток я(г) образуются из условия ограничений вида:

ф.=^4-Х> О, (7)

где /-порядковый номер конкретного ограничения: у = 1; 2; 3; ...; п; £(>>) -текущее значение расчетного параметра; {,£*} - предельное значение этого же параметра.

Невязкой и избытком по ограничению ] называются соответственно величины Ну и и, , которые определяются по условиям:

н,= 0 и и,=(ресли да, >0;

(8)

и,=<Р1 и и 1=0, если (»,<0.

Учитываемые ограничения составлены из условия минимума и имеют вид системы неравенств:

Р1__

(9)

где: {Л} - нормируемые величины минимального давления газа у ГРП и потребителей;

{Ясист} - нормируемая величина минимально допустимой надежности системы газораспределения.

Совокупность и и- образуют нормы Н^ и называемыми

обобщенными невязкой и избытком:

"(г>= £«? и Я(г)= ±и) (10)

]= 1 /=1

Значение Н(г) >0 означает, что точка поиска находится в недопустимой зоне, а значение Н(г) = 0 - что точка поиска находится в допустимой зоне.

Поэтому движение поиска должно осуществляться таким образом, чтобы обобщенная невязка Н > от итерации к итерации уменьшалась и, в конце концов, приравнивалась нулю. Такое движение называется «Ц» процедурой.

При соблюдении условия #(,)= 0, значение Я(г)>0 означает, что положение поиска находится в глубине допустимых решений, а значение #(г)= 0 - что положение поиска находится на границе допустимых решений.

Движение, при котором значение обобщенного избытка от итерации к итерации уменьшается и приравнивается нулю, называется «Б» процедурой.

С изменением варьируемого параметра а, (г) в значение а'(г) величины целевой функции^,, обобщенной невязки я (г) и обобщенного избытка получают приращения АК,, АЯ, и А//,

= «",(р)- А1,,), А Я, = Я(г)-Я,(г) И А И, = И(г)-И,(г) (11)

где д:,. (г) , я, (г) и я,(г) - значения соответственно целевой функции, обобщенной невязки и обобщенного избытка при промежуточной итерации для г-го параметра.

Приращения ДЯ, и АК, могут принимать любые значения и проявляться в следующих сочетаниях:

1. ДЯ, < О и ДК, <0 4. ДЯ, = 0 и ДК, <0 7. ДЯ, > 0 и АК,< 0

2. ДЯ, < 0 и АК, = 0 5. ДЯ( = 0 и АК, = 0 8. ДЯ, > 0 и АК, = 0 (12)

3. АН,<0 и АК, >0 6. АН, = 0 и АК, > 0 9. АН, > 0 и АК, > 0

Значение ДЯ, < 0 означает, что точка поиска движется вглубь недопустимой области. Поэтому, при движении по «Ц» процедуре, направления, образующиеся сочетаниями 1-КЗ, должны игнорироваться.

Значение АН,= 0 означает, что положение поиска не изменилось. Но если при этом значение целевой функции снижается (АК, < 0), то такое направление (4-ое сочетание) может считаться эффективным для поиска оптимума. Другие направления (5-ое и 6-ое сочетания) таковыми являться не могут, так как целевая функция либо не меняется (АК, = 0), либо приводит к удорожанию проекта (АК, > 0).

Значение АН, >0 свидетельствует о том, что точка поиска движется в сторону границы допустимых решений. Поэтому сочетания 7-^9 будут считаться предпочтительными направлениями для поиска оптимума.

Таким образом, при движении по «Ц» процедуре порядок условий по приоритету проверки будет:

условие №1. ДЯ, > 0 и АК, < 0 условие №3. АН,>0 и АК,>0 (13)

условие №2. ДЯ, > 0 и АЛ" = 0 условие №4. ДЯ, = 0 и АК, < 0

В случае, если на переходе от итерации (г) к итерации (г+1) условие №1 выполняется хотя бы на одной промежуточной итерации, то остальные условия не проверяются, а движение поиска продолжается по этому направлению. Если

13

условие №1 проявляется в нескольких промежуточных итерациях, то выбор направления движения производится из условия Цх = шах, где числовое значение процедуры поиска Цу определяется формулой:

Ци = АН,-\АК,\. (14)

Если условие №1 не выполняется ни в одной из промежуточных итераций, то проверяется второе по приоритету условие. Выполнение условия №2 хотя бы на одной промежуточной итерации означает, что проверка остальных условий не требуется, а выбор направления движения должен производиться из условия Ц21 = шах, где:

Ц»= ЛЯ, (15)

Далее таким же образом проверяются по очереди условия №3 и №4, а выбор направления движения производится соответственно из условий Ц„= max и Ц = шах где:

ц^т (16)

При движении по «Б» процедуре выбор направления движения осуществляется из условия №4. В случае, если в промежуточных итерациях оно выполняется, то движение поиска продолжается по этому направлению из условия ^ = шах, где:

(17)

ли.

Если условие №4 не выполняется ни в одной из промежуточных итераций, т.е. = 0, то это означает, что точка поиска находится на минимальном расстоянии от границы допустимых решений.

Таким образом, «Ц» и «Р» процедуры обеспечивают переход точки поиска из недопустимой области на границу допустимых решений. Однако абсолютно точного попадания в окрестность точки Копт эти процедуры не гарантируют. Поэтому производится отталкивание по «/» процедуре вглубь недопустимой/допустимой области и оттуда снова делается движение в сторону границы по «Ц» и «Р» процедурам.

Порядок условий по приоритету проверки при «/» процедуре будет: условие 1. ДЯ, < О и ДЯ, < 01 условие 2. ДЯ, <0 и ДК;=0 Г (18)

условие 3. АН, < 0 и АК,. > 0 -I

В случае, если в промежуточных итерациях условие №1 выполняется, то остальные условия не проверяются, а движение поиска продолжается по этому направлению из условия 1и = шах, где:

4 = -Я'. (19)

" АК, У

Если условие №1 не выполняется ни в одной из промежуточных итераций, то подобным образом проверяются по очереди условия №2 и №3, а выбор направления движения производится соответственно из условий 121 = тах и /3, = тах где:

АН

/, = ДЯ,.. 4=^. ■ (20)

Таким образом, последовательность «Ц»-«Р»-«1»-«Ц»... процедур, является пилообразным движением, которое обязательно притягивается к точке оптимума и останавливается при многократном повторении значений варьируемых параметров и целевой функции. Графическая интерпретация процесса поиска оптимального решения приведена на рисунке 7.

ОБЛАСТЬ НЕДОПУСТИМЫХ РЕШЕНИЙ ЗАДАЧИ (Н>0)

ГРАНИЦА ДОПУСТИМЫХ РЕШЕНИЙ

ОПТИМУМ

движение поиска из области недопустимых решений

движение поиска из области допустимых решений

ОБЛАСТЬ ДОПУСТИМЫХ РЕШЕНИЙ ЗАДАЧИ (Н=0; И>0)

_ процедура "Ц"

_ процедура Т"

процедура "I"

движение поиска вглубь: допустимых решений - недопустимых решений

Рис. 7. Схема поиска оптимума по процедурам «Ц»-«Р»-«1» Отыскание положения точки оптимума производится с помощью ее специфического свойства: в случае если точка поиска попадает в оптимальную точку, после выполнения очередного цикла «1»-«Ц»-«Р» процедур поиск обязательно возвращается к ней.

На рисунке 8 продемонстрирован результат применения вышеописанной методики поисковой оптимизации для определения конфигурации сети с минимально возможным сроком окупаемости и максимальной надежностью для заданной принципиальной схемы.

Разработана также методика, позволяющая определить местоположение межпоселковых газопроводов и поселковых ответвлений, на основе модифици-

15

рованного взвешенного метода наименьших квадратов (ВМНК). Результат применения указанной методики показан на рисунке 9.

а) 6)

Рис.8.Результат оптимизации конфигурации газораспределительной сети: а) по параметру «срок окупаемости»; б) по параметру «надежность». Штрихпунктирная линия - построение кратчайшей сети методом Штейнера.

Указанная методика позволяет не только проектировать газораспределительную сеть с «тяготением» к некоторой точке, но и позволяет избегать нежелательного пересечения труднопроходимых препятствий путем введения отрицательного весового коэффициента для этих препятствий.

Определены коэффициенты искомой линии газопровода подключения к питающей магистрали

у = Ах + В:

Л = —- )

а I

в - ^ )

V X

■произвольная система координат

Рис 9. Конфигурация газораспределительной сети, полученная с использованием модифицированного ВМНК

где: а = Ер^Ерл2 - (Ерл)2; Ь = Ерл * - Ер^ £РЛУ1

потреб.-А

Чч \\ \\ второе стартовое положение ГРП

решение—/ задачи №1 -/ потреб.-Б / , первое стартовое положение ГРП / V точка стыковки

1 5 = о \ 1800 2133.3 X

ш 2 5 произвольная система координат

Рис. 10. Задача 1

В четвертой главе на примерах решений задач показано, что предлагаемая методика поисковой оптимизации позволяет:

1. Находить оптимальную конфигурацию газораспределительной сети по заданному целевому параметру с учетом всех ограничительных условий, начиная поиск из любого стартового положения (рис.10);

2. Принимать в качестве варьируемых параметров координаты точек подключения к сети (рис. 11) и к абонентам;

3. Производить оптимизацию газораспределительной сети с учетом невозможности стыковки с газопроводом в заданном геометрическом интервале (рис.12).

Проведенные в диссертации исследования показали, что оптимизация газораспределительных сетей является многофакторной задачей, и её решение путем минимизации только общей протяженности сети не может являться оптимальным. Наиболее эффективные результаты достигаются в случае, если в качестве критерия оптимальности выступает срок окупаемости инвестиций в мероприятия по газораспределению. При сравнении трассировок, полученных предложенной поисковой методикой и построением сети наименьшей длины (дерево Штейнера), выясняется, что разница как в стоимостном, так и в геомет-

1 в-, | Ц рическом плане, невелика.

2 ' первый интервал Это, с одной стороны, свиде-

преграды (1000-1350)

Рис.12 Задача 3 тельствует о состоятельности

потреб.-А і ч

решение—' решение задачи №2 стартовая схема х\/ потреб.-Б

задачи №1 / Т^

—---1/ / 1 / 1 . / оптимальная точка

—- і /7, стыковки

стартовая точка 3--------

стыковки

потреб.-А

2133.3 X

I 2 § произвольная система координат

Рис. 11. Задача 2

решение задачи №3/2

решение задачи №3/1

второй интервал—1 преграды (650-1350)

предложенной методики, с другой стороны, имеющаяся ценовая разница свидетельствует в пользу достоинства предложенной методики.

Задача оптимизации газораспределительной сети предполагает наличие

заданной схемы сети, которую предстоит улучшать в соответствии с выбранными критериями.

Выбор схемы подключения пары абонентов к питающей магистрали предложено определять неравенством: Ь < —т=—. (22)

где: Ь- расстояние между подключаемыми поселками в проекции на питающую магистраль, Н! и Н2 — расстояние от поселков до питающей магистрали.

Рис.13. Выбор схемы подключения абонентов

В пятой главе показано, что оптимальная трассировка газопроводов обуславливается не только значениями принятых в задаче варьируемых параметров. Она в равной степени зависит от параметров, которые в поставленной задаче принимались в качестве исходных. Очень важно на стадии проектирования правильно и в полном объёме учесть все факторы, влияющие на выбор системы газоснабжения и её конфигурацию. Для наглядности изобразим их на упрощенной схеме газоснабжения города (рис.14).

Входные параметры для проектирования газораспределительной сети.

Результаты проектирования газораспределительной сети.

расчетный перепад давления плотность населения

схема газоснабжения [щ]_[п] \ населенного пункта

\ конфигурация газораспреде-•ґ* лительной сети

материал трубопроводов

требуемая надежность системы ^ 0" газораспределения.

характеристики коммунально-/' бытовых потребителей

характеристки крупных / потребителей газа

характеристки газового топлива

й:

ГРП

ГРП ф

соотношение протяженностей газопроводов ВД-НД стоимость строительства газораспределительной системы

эксплуатационные расходы

расчетная надежность системы газораспределения

^ срок окупаемости газораспределительной системы

Я - крупные потребители газа; РК - районная котельная. Рис. 14. Исходные параметры и результаты проектирования системы газоснабжения

Приведенные на схеме факторы можно условно разбить на 2 группы:

влияющие на выбор схемы газоснабжения:

- планировка поселений;

- плотность населения;

- структура газопотребления;

- объемы потребления газа крупными потребителями:

- объем газопотребления бытовыми потребителями;

- требуемая надежность системы газораспределения.

влияющие на конфигурацию сети:

- местоположение и мощность магистральных газопроводов, ГРС, ГНС и др.;

- условие подключения системы газораспределения к потребителям;

- расчетный перепад давления;

- зависимость капитальных затрат на строительство газораспределительной сети от её диаметра;

- зависимость эксплуатационных затрат от протяженности сети;

применяемый материал трубопроводов.

Анализ практики проектирования газораспределительных сетей показывает, что количество потребляемого газа рассматривается только с целью определения диаметров ветвей трубопроводов, а при формировании геометрии сети количество потребляемого газа не учитывается.

В данной работе на проведенных расчетных экспериментах показано, что в оптимизационных задачах величина расхода газа потребителями сказывается не только на экономических параметрах проекта, но влияет и на формирование конфигурации проектируемых газопроводов (рис. 15).

потреб.-А 1 ГЧ решение задачи № 2 потреб.-Б

|

решение-ч задачи № 4 Г4 I

і

Рис. 15. Задача 4

погреб.-А і V

решение

/задачи № 9

\/~ -—-______погреб.-Б

^^^ 2

/ 4

г решение

- {¡¡¡¡¡¡¡як к <£>'7 ! задачи № 2

— /я;

8 8 8 5 8 8 & X

§ £ 8 § 1|

Рис. 16. Задача 9

19

Выявлено также, что в зависимости от выбора материала труб газопроводов геометрическая схема проектируемой сети газораспределения может принимать различные очертания (рис.16).

Рис. 17. Задача 7

Рис. 18. Задача 8

Продемонстрировано, что в оптимизационных задачах условие подключения проектируемой наружной сети к внутренним сетям потребителей является одним из определяющих факторов для формирования конфигурации наружной сети газоснабжения (рис. 17).

Установлено, что перевод газопровода с низкого на среднее давление не только сокращает затраты на прокладку газопроводов, но и обуславливает новую оптимальную схему трассировки проектируемого газопровода (рис.18).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В рамках исследований, изложенных в диссертации, достигнуты следующие наиболее важные результаты:

1) Получены математические зависимости для определения величины капитальных затрат на строительство газораспределительных сетей, позволяющие с удовлетворяющей степенью точности определять общие затраты на сооружение газопроводов различных типов и протяженностей. Продемонстрировано влияние фактора времени на ценообразование при сооружении и последующей эксплуатации газораспределительных сетей.

2) Получена методика итерационного поиска, позволяющая получать решения задачи конфигурирования газораспределительной сети, оптимальной по выбранному в качестве целевой функции параметру с учетом всех ограничительных условий. Предлагаемая методика полезна не только с точки зрения прикладного применения, но и как инструмент для выявления факторов, влияющих на оптимальную трассировку газораспределительных сетей.

3) На примерах решений представленных задач показано, что предлагаемая методика позволяет найти оптимальную конфигурацию сети газораспределения.

4) Продемонстрировано, что каждому набору исходных данных соответствует единственная оптимальная схема газораспределительной сети.

5) Установлено, что в оптимизационных задачах значения исходных параметров при проектировании газораспределительных сетей имеют прямое влияние не только на технико-экономические параметры проекта, но и на формирование конфигурации проектируемых газопроводов.

6) Получен критерий выбора схемы подключения пары абонентов к основной магистрали.

7) Усовершенствована методика, позволяющая определять местоположение межпоселковых газопроводов и поселковых ответвлений от них, представляющая собой модифицированный взвешенный метод наименьших квадратов.

8) Для решения поставленных задач в диссертации разработана соответствующая совокупность вычислительных алгоритмов. Она включает:

- вычислительные алгоритмы расчета технико-экономических показателей проектируемой сети;

- вычислительные алгоритмы оптимизации проектируемой сети по методике поисковой оптимизации;

- вычислительный алгоритм построения конфшурации газораспределительной сети с использованием метода взвешенных наименьших квадратов.

9) Результаты расчетов на ПЭВМ показали высокую эффективность разработанных методов и алгоритмов. Комплексы программ, представляющих интерес для широкого круга пользователей, используются в учебном процессе на кафедре «Теплотехники и теплогазоснабжения» МГСУ.

Основное содержание диссертации представлено в следующих работах:

1. Жила В.А., Клочко А.К. «Анализ и структурирование газифицируемых районов, создание автоматизированной системы распределения ГРП в населенном пункте» - Вестник МГСУ, 7/2011, с. 494-497.

2. Табунщиков Ю.А., Коптев Д.В., Жила В.А., Клочко А.К., Соловьева Е.Б. «Выбор эффективных систем газораспределения» - Вестник МГСУ, 8/2011, с. 222-229.

3. Жила В.А., Клочко А.К., Васильева О.В. «Выбор эффективных систем газоснабжения» - Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: материалы IX международной научной конференции, 17 — 22 мая 2011г., г. Кошалин, с. 160-166.

4. Клочко А.К. «Методика поисковой оптимизации для решения задач по рациональной трассировке газораспределительной сети» - Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: материалы X международной научной конференции, 13 - 20 мая 2012г., г. Будапешт, с.171-177.

5. Клочко А.К., Жила В.А. «Сравнительный анализ трассировок газораспределительной системы, построенной при помощи дерева Штейнера и методом поисковой оптимизации» - Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: материалы X международной научной конференции, 13-20 мая 2012г., г. Будапешт, с. 187-191.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю кандидату технических наук, профессору Жиле В.А. за постоянное внимание к работе, ценные советы и обсуждение результатов, а также доктору технических наук профессору Хаванову П.А. и кандидату технических наук Арутюняну Р.Г. за полезные обсуждения и помощь в работе.

Подписано в печать: 22.10.2012

Заказ № 7736 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Проблемы оптимизации систем газораспределения

1.1. Текущее состояние систем газораспределения.

1.2. Проблемы эксплуатации и развития систем газораспределе- 22 ния.

1.3. Обзор работ по проблематике диссертационного исследова- 26 ния

1.4. Обзор исследований в области оптимального проектирова- 32 ния газораспределительных сетей

Выводы по главе

Глава 2. Экономическая оценка, гидравлический и надежност- 41 ный расчеты газораспределительной сети

2.1. Критерии экономической оценки газораспределительных 41 систем

2.2. Анализ ценообразования и выбор критерия для оценки эко- 44 номической эффективности при строительстве газораспределительных сетей.

2.3 Получение математической зависимости стоимости про- 53 кладки газораспределительных сетей от их диаметра.

2.4 Анализ структуры эксплуатационных затрат на содержание 61 газораспределительной системы.

2.5 Гидравлический расчет газопроводов.

2.6 Расчет показателя надежности газораспределительной сети. 67 Выводы по главе

Глава 3. Метод итерационного поиска

3.1. Построение оптимальной конфигурации газораспредели- 70 тельной сети различными математическими методами

3.2. Образование границы допустимых решений

3.3. Усовершенствование метода итерационного поиска 82 Выводы по главе

Глава 4. Примеры применения метода итерационного поиска для 100 решения задач конфигурирования газораспределительной сети.

4.1. Выбор схемы газоснабжения

4.2. Решение задачи конфигурирования газораспределительной 102 сети с фиксированной точкой подключения к магистральному газопроводу (задача №1).

4.2.1 Решение задачи №1 путем построения дерева Штейнера

4.2.2 Решение задачи №1 методом поисковой оптимизации

4.2.3 Сравнительный анализ решений задачи №

4.3. Решение задачи конфигурирования газораспределительной 118 сети при условии свободного выбора точки подключения к магистральному газопроводу (задача №2)

4.3.1 Решение задачи №2 путем построения дерева Штейнера

4.3.2 Решение задачи №2 методом поисковой оптимизации

4.3.3 Сравнительный анализ решений задачи №

4.4. Решение задачи конфигурирования газораспределительной 127 сети методом поисковой оптимизации при условии ограниченного выбора точки подключения к магистральному газопроводу (задача №3)

Выводы по главе

Глава 5 Анализ факторов, влияющих на оптимальную конфи- 132 гурацию сети газораспределения

5.1 Объемы потребления газа абонентами сети

5.2 Условие подключения проектируемой сети к внутренним 139 сетям газораспределения потребителей

5.3 Количество ступеней регулирования по давлению газа

5.4 Материал труб газопроводов 146 Выводы по главе

Актуальность темы исследования:

Диссертация посвящена исследованию актуальных научных проблем, связанных с применением теоретического подхода к проектированию систем газораспределения, рассматривает вопросы развития существующих и разработки новых эффективных методов конструирования указанных систем и оценивания сметных затрат на их сооружение, оценки оптимальности действующих систем и разработки мероприятий для повышения экономической эффективности их функционирования.

В энергетической стратегии России на период до 2030 года [67] отмечено: «Стратегическими целями развития газовой промышленности являются: стабильное, бесперебойное и экономически эффективное удовлетворение внутреннего и внешнего спроса на газ; развитие единой системы газоснабжения и ее расширение на восток России, усиление на этой основе интеграции регионов страны; совершенствование организационной структуры газовой отрасли с целью повышения экономических результатов ее деятельности и формирования либерализованного рынка газа; обеспечение стабильных поступлений в доходную часть консолидированного бюджета и стимулирование спроса на продукцию смежных отраслей». Тем самым утверждается актуальность развития научной методологии при планировании развития газовой отрасли.

В настоящее время в сфере газоснабжения прослеживается ряд значимых проблем, связанных с текущим функционированием и развитием газораспределительных сетей, среди которых следует отметить: - опережение роста газопотребления от существующих газораспределительных сетей над темпами развития самих газораспределительных систем, в связи с чем большинству из них приходится работать в нерасчетных условиях, что ведет к частым нарушениям режимов газоснабжения потребителей;

- высокую аварийность оборудования, обусловленную низкой производственной дисциплиной персонала, недостатками управления, а также старением основных фондов топливно-энергетического комплекса (в газовой промышленности - почти 60 процентов). В связи с этим возрастает вероятность возникновения аварийных ситуаций в энергетическом секторе экономики.

Большинство газораспределяющих организаций в своей отчетности отмечают ежегодное снижение аварийности на газопроводах, связанное с применением более современных материалов, средств автоматизации и введением в свой состав групп оперативного реагирования на возникающие аварийные ситуации. Однако, на наш взгляд, учитывая информацию, поступающую из СМИ, количество аварий, в том числе крупных, остается на достаточно высоком уровне.

Актуальным становится определение оптимальности газораспределительных систем, как имущественного производственного комплекса, состоящего из организационно и экономически взаимосвязанных объектов, предназначенных для транспортировки и подачи газа непосредственно его потребителям [42], целью которого является осуществление деятельности с низкими издержками, с высокой безопасностью и полным удовлетворением потребителей топливом нужного качества и в требуемом количестве.

Таким образом, газораспределительная система должна рассматриваться как совокупность экономических, организационных и технических составляющих компонент. Успешность функционирования такой сложной системы формируется из эффективного функционирования всех этих компонент. Ранжировать их по степени значимости в различные исторические периоды можно по-разному, но в данной работе мы будем считать их равнозначными. С технической точки зрения, эффективная система обеспечивает требуемую пропускную способность при надлежащем уровне надежности и достаточном уровне безопасности. С экономической точки зрения, эффективная система обеспечивает наименьшую стоимость газа для конечного потребителя при достаточном и своевременном объеме финансирования реконструкции ее изношенных элементов и строительства новых сетей. С организационной точки зрения, эффективная газораспределительная система должна быть обеспечена высококвалифицированным обслуживающим и управленческим персоналом, способным качественно и своевременно планировать и осуществлять производственную деятельность, включая все технические и экономические мероприятия, вопросы оптимизации функционирования газораспределительной системы.

Учитывая важность газового топлива для всех категорий потребителей в России, особенно с 2005 г., активно выполняется программа газификации регионов, о чем свидетельствуют нижеприведенные данные [8].

Так, если по состоянию на 1 января 1999 г. в Российской Федерации уровень газификации в целом достигал 76,6%, в том числе природным газом

- 47,6%, а в сельской местности он составлял 77.9%, в т.ч. природным газом

- 25,4%.[14], то уже к началу 2012 года общий уровень обеспечения страны природным газом составил 63,2%. При этом удовлетворение спроса на природный газ в городах достигло 70%, а в сельской местности - 46,8% [7].

Приведенные цифры свидетельствуют об опережающих темпах роста уровня газификации потребителей в сельской местности в сравнении с городом (в 1,84 раза против 1,33 раза в целом по стране).

Для последних лет характерным стал рост цен на природный газ для всех категорий потребителей. Ниже приводится динамика роста цен на природный газ для различных категорий конечных потребителей [55].

Сравнительный анализ приведенных цен свидетельствует, что цена на газовое топливо для «мелких» потребителей и населения растет быстрее, чем для «крупных» потребителей (в среднем на 3-10% больше).

Увеличение объемов газопотребления экономикой страны и её населением, несмотря на рост цен на газовое топливо, повышает роль последнего в энергетическом балансе страны. Вместе с этим растут и требования к рациональному использованию газа, а следовательно и к газораспределительным системам.

4500 4000 3500 3000

1 2500 § о 2000 £

1500 1000 500 0

2009 год 2010 год 2011 год 2012 год"

Рис.1. Динамика роста цен на природный газ для конечных потребителей

Выбор методологии оценивания эффективности газораспределительных систем является ключевым вопросом успешной производственной деятельности любой газоснабжающей организации.

В условиях множественности подходов и показателей, применяемых для оценки эффективности газораспределительных систем, в качестве основных можно выделить следующие: о среднерыночную цену потребляемого газа; о общее количество чрезвычайных ситуаций, аварий и инцидентов, имеющих место в процессе добычи, транспортировки и потребления газа, и объем совокупного ущерба от них; о темпы развития газораспределительной сети, характеризующиеся ростом общей доли обеспеченности потребителей газовым топливом в сравнении с потребностями в нем.

5Я18 (сами

К» «х. еув.м) 2 грутл (еаав* 103 т. суб.ы) в! груда («г Ю да 100 мм. губ.и и* грула (от 1 доШ ипн. суб.и вонааггелы«) а 5 гругяа<о»0.1 х>

1 млн суС и «оамтикм) ее гр^ляа (о* 0,01 в»

0.1 ыи. суб.и аокмлшы«; о 7 группа {ао0.01 суф.М

5)

03 группа Я

Сложившаяся ситуация на рынке газоснабжения обуславливает актуальность ряда научных проблем:

• отсутствует системный подход к принятию решений по развитию газораспределительных систем, что является одной из причин низкого темпа их развития;

• ввиду отсутствия учета таких важных факторов, как появление новых материалов и оборудования, ценовой динамики, принимаемые инженерные решения порой не только не приводят к положительному эффекту, но и усугубляют ситуацию, что в свою очередь влечет повышение конечной стоимости газа для потребителя;

• газораспределительные сети проектируются в соответствии с нормативными документами, которые содержат исключительно рекомендации по обеспечению требуемого уровня их безопасности и не устанавливают методы оптимизации этих сетей для снижения их сметной стоимости и повышения экономичности их функционирования;

• при принятии проектных решений, в ряде случаев, учитываются такие параметры, как металлоемкость или материальная характеристика сети, которые не в полной мере характеризуют её стоимость и поэтому не позволяют качественно осуществлять выбор оптимального варианта газораспределительной системы из множества возможных.

Таким образом, актуальной научной проблемой является разработка новых методов оптимизации газораспределительных систем, учитывающих всю совокупность рассмотренных выше факторов с целью дополнения существующих нормативных документов.

Изложенные выше научные проблемы сформулировали следующую цель диссертации.

Целью работы является разработка научно обоснованной концепции проектирования и оценки эффективности систем газораспределения, поиска путей их развития для повышения инвестиционной привлекательности и социальной значимости надежного и безопасного газоснабжения.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1) проведение сравнительного анализа существующих методов проектирования газораспределительных сетей и разработка нового метода их оптимального проектирования на основе метода итерационного поиска;

2) выявление и анализ факторов, оказывающих влияние на конфигурацию оптимальной газораспределительной сети;

3) разработка нового метода трассировки межпоселковых газопроводов и ответвлений от них на основе взвешенного метода наименьших квадратов;

4) сбор и систематизация исходных данных для определения инвестиционной привлекательности газораспределительных систем и разработка математической модели зависимости стоимости прокладки газораспределительной сети от используемых материалов и типоразмеров труб;

5) обоснование выбора критерия эффективности инвестиций в мероприятия по газораспределению.

На защиту выносятся следующие результаты:

1) усовершенствованный метод итерационно-поисковой оптимизации конфигурации элементов газораспределительной сети;

2) выявление факторов, влияющих на конфигурацию оптимальной газораспределительной сети. Такими факторами являются: используемый материал труб, объемы потребления газа абонентами сети, количество ступеней регулирования по давлению газа, месторасположение потребителей и условия их подключения к источнику газоснабжения.

3) усовершенствованный метод трассировки межпоселковых газопроводов и ответвлений от них на основе взвешенного метода наименьших квадратов и критерий выбора оптимальной топологии ответвлений;

4) математическая модель зависимости стоимости прокладки газораспределительной сети от ее диаметра и актуализированные значения расчетных коэффициентов общепринятых методик по определению стоимости ее прокладки;

5) метод определения эффективности функционирования газораспределительных систем с использованием такого параметра, как срок их окупаемости.

Научная новизна результатов диссертации состоит в:

1) разработке нового метода определения оптимальной конфигурации газораспределительных сетей на основе математического метода итерационного поиска, позволяющего осуществлять оптимизацию с учетом заданного в качестве целевой функции параметра. Отличительными особенностями предложенного метода являются знакопеременное изменение варьируемых параметров; введение иерархии условий, контролирующих текущее состояние поиска оптимального решения; возможность осуществления оптимизации из любого стартового положения поиска;

2) классификации на две группы параметров, влияющих на формирование газораспределительной сети: 1 - оказывающих влияние на выбор схемы сети, и 2 - влияющих на ее конфигурацию. При проведении расчетных экспериментов установлено, что любому набору исходных данных при выбранной принципиальной схеме газоснабжения потребителей соответствует одна и только одна оптимальная конфигурация сети;

3) разработке метода определения конфигурации межпоселковой газораспределительной сети на базе взвешенного метода наименьших квадратов. Изменен подход к определению удаления пункта потребления газа от проектируемой прямолинейной трассы, состоящий в минимизации расстояния к искомой прямой взамен общепринятого подхода минимизации суммы квадратов отклонений лишь по одной из координат. Получен критерий выбора схемы подключения пары абонентов к основной магистрали.

4) установлении характера степенной зависимости стоимости строительства газораспределительных сетей от их диаметра для стальных трубопроводов и линейной зависимости для полиэтиленовых трубопроводов при рассмотрении всего ряда применяемых типоразмеров труб и получении математических моделей, описывающих эти зависимости;

5) обосновании ограниченности применения критерия материалоемкости при проведении технико-экономических расчетов.

Практическая значимость - разработанные в диссертации методы, а также методики и программы, могут быть использованы для решения задач по:

1) проектированию газораспределительных сетей с возможностью выбора оптимальной стратегии их развития и реконструкции, определения материала применяемых труб с целью оптимизации принятого в качестве целевого параметра (срок окупаемости, сметная стоимость, надежность, срок выполнения работ и т.д.).

2) проектированию газораспределительных сетей, которое благодаря последовательному рассмотрению выделенных в работе групп факторов существенно упрощается.

3) проектированию межпоселковых газораспределительных сетей с учетом приоритетности абонентов и нежелательности приближения к некоторым заданным объектам.

4) предварительному оцениванию сметной стоимости газораспределительной сети с использованием разработанных математических моделей с более высокой точностью по сравнению с существующими методами.

5) более точному учету привлекательности инвестиций в мероприятия по газораспределению на стадии проведения технико-экономических расчетов.

Личный вклад автора: результаты, выносимые автором на защиту, получены автором лично.

Апробация работы: основные теоретические положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX Международной научной конференции "Качество внутреннего воздуха и окружающей среды" в 17-22 мая 2011г., г. Кошалин, на X Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» 13-20 мая 2012г., г. Будапешт, а также на четвертой международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» МГСУ, г. Москва, 23 - 25 ноября 2011г.

Внедрение результатов произведено при проектировании проектным институтом ОАО «МосгазНИИпроект» объектов газораспределения Московской области, располагающихся в:

1. деревне Лужки Истринского р-на Московской обл.;

2. деревне Сосенки Дмитровского р-на Московской обл.;

3. деревне Мелихово Дмитровского р-на Московской обл.

Достоверность результатов основана на:

• корректности математической постановки решаемых задач, адекватно описывающих исследуемые процессы и объекты;

• использовании исходных данных, полученных из достоверных источников;

• положительных заключениях о практическом применении результатов диссертации при проектировании реальных газораспределительных сетей.

Публикации: результаты диссертации изложены в 5 опубликованных работах, в том числе 2-х работах, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 3 - в трудах Всероссийских и Международных конференций.

Структура и объем диссертации диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит: 120 страниц текста, 37 рисунков, 27 таблиц, список литературы из 68 наименований и 10 приложений.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5

1. Оптимальная трассировка газопроводов обуславливается не только значениями принятых в задаче варьируемых параметров. Она в равной степени зависит от параметров, которые в поставленной задаче принимались в качестве исходных. Одним из таких параметров являются объемы потребляемого газа. Практика проектирования газораспределительных сетей показывает, что количество потребляемого газа рассматривается только с целью определения диаметров газопроводов, а при формировании геометрии сети значение этого параметра не учитывается. В данной работе показано, что в оптимизационных задачах величина расхода газа потребителями имеет прямое влияние не только на экономические параметры проекта, но также и на формирование конфигурации проектируемых газопроводов и, поэтому, правильный его учет особо важен.

2. Доказано, что каждой комбинации точек подключения проектируемой наружной сети к потребителям соответствует только одна оптимальная схема газораспределительных сетей. Поэтому, когда для подключения к потребителям предоставляются не фиксированные точки, а некоторые интервалы на внутренних сетях газопроводов, оптимизационная задача становится более сложной и трудоемкой. В подобных случаях поиск оптимального положения ГРП сопровождается одновременным поиском координат характерных точек - точки подключения к питающему газопроводу и точек подключения к внутренним сетям газопроводов потребителей.

3. Установлено, что перевод газопровода с низкого на среднее давление не только сокращает затраты на прокладку газопроводов, но и обуславливает новую оптимальную схему трассировки проектируемого газопровода.

4. В настоящее время для систем газоснабжения изготавливаются трубы из стали, полиэтилена и меди. В данной работе выявлено, что в зависимости от выбора материала труб газопроводов геометрическая схема проектируемой сети газораспределения может принимать различные очертания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках исследований, изложенных в диссертации, достигнуты следующие наиболее важные результаты:

1) Получены математические зависимости для определения величины капитальных затрат на строительство газораспределительных сетей, позволяющие с удовлетворяющей степенью точности определять общие затраты на сооружение газопроводов различных типов и протяженностей. Продемонстрировано влияние фактора времени на ценообразование при сооружении и последующей эксплуатации газораспределительных сетей.

2) Получена методика итерационного поиска, позволяющая получать решения задачи конфигурирования газораспределительной сети, оптимальной по выбранному в качестве целевой функции параметру с учетом всех ограничительных условий. Предлагаемая методика полезна не только с точки зрения прикладного применения, но и как инструмент для выявления факторов, влияющих на оптимальную трассировку газораспределительных сетей.

3) На примерах решений представленных задач показано, что предлагаемая методика позволяет найти оптимальную конфигурацию сети газораспределения.

4) Продемонстрировано, что каждому набору исходных данных соответствует единственная оптимальная схема газораспределительной сети.

5) Установлено, что в оптимизационных задачах значения исходных параметров при проектировании газораспределительных сетей имеют прямое влияние не только на технико-экономические параметры проекта, но и на формирование конфигурации проектируемых газопроводов.

6) Получен критерий выбора схемы подключения пары абонентов к основной магистрали.

7) Усовершенствована методика, позволяющая определять местоположение межпоселковых газопроводов и поселковых ответвлений от них, представляющая собой модифицированный взвешенный метод наименьших квадратов.

8) Для решения поставленных задач в диссертации разработана соответствующая совокупность вычислительных алгоритмов. Она включает:

- вычислительные алгоритмы расчета технико-экономических показателей проектируемой сети;

- вычислительные алгоритмы оптимизации проектируемой сети по методике поисковой оптимизации;

- вычислительный алгоритм построения конфигурации газораспределительной сети с использованием метода взвешенных наименьших квадратов.

9) Результаты расчетов на ПЭВМ показали высокую эффективность разработанных методов и алгоритмов. Комплексы программ, представляющих интерес для широкого круга пользователей, используются в учебном процессе на кафедре «Теплотехники и теплогазоснабжения» МГСУ.

1. Арутюнян Р.Г. Определение рационального усиления железобетонных конструкций, работающих в условиях сейсмических воздействий, методом поисковой оптимизации. Дис. на соиск. уч. ст. канд. тех. наук, МГСУ, 2000 185с.

2. Батищев Д.И. Поисковые методы оптимального проектирования / М.: Сов. Радио 1975 - 216с.

3. Берхман Е.И. Технико-экономические показатели и экономическая эффективность снабжения городов природным газом: Сб. Экономика коммунально-бытового газоснабжения. М.: ГОСНИТИ, 1961.-С.21-27.

4. Берхман Е.И. Экономика систем газоснабжения. 2-ое изд. JL: Недра, 1975. 375с.

5. Брайсон А.Э., Хо Ю-Ши Оптимизация, оценка и управление / Перевод с англ. М.: «Мир» - 1972 - 554с.

6. Гагарин В.Г. Методы экономического анализа повышения уровня теплозащиты ограждающих конструкций зданий. // Журнал «АВОК», 2009, № 1.

7. Газификация регионов Российской Федерации // ООО "Газпром межрегионгаз". Сетевой ресурс. URL: http://www.mrg.ru/node/16 (дата обращения 23.04.2012).

8. Газификация. Сетевой ресурс. URL: http://www.gazprom.ru/ about/production/gasification/ (дата обращения 23.06.2012).

9. Гаранин В.Н. Оптимизация ребристых железобетонных панелей с учетом их действительной работы в составе покрытий и перекрытий зданий. Дис. на соиск. уч. ст. канд. тех. наук МИСИ им. В.В. Куйбышева, 1977 -184с.

10. Гордюхин А.И. Газовые сети и установки. Устройство и проектирование.М.: Стройиздат- 136с.

11. ГОСТ Р 51897-2002. Менеджмент риска. Термины и определения.

12. ГОСТ Р 51901.4-2005. Менеджмент риска. Руководство по применению при проектировании.

13. ГОСТ Р ИСО 10006-2005. Системы менеджмента и качества. Руководство по менеджменту качества при проектировании.

14. Деминов П.Д. Расчет и оптимизация железобетонных балок на упругом статически неоднородном основании. Дис. на соиск. уч. ст. канд. тех. наук. МИСИ им. В.В. Куйбышева, 1977 -221с.

15. Дмитриев А.Н., Ковалев H.H., Табунщиков Ю.А., Шилкин Н.В. Руководство по оценке эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия М.: АВОК-ПРЕСС, 2005. 120с.

16. Жила В. А., Маркевич Ю. Г., Клочко А. К. Анализ систем теплоснабжения с различной степенью централизации // Энергосбережение. 2008. - № 1.-С. 42-^3.

17. Журавлев М.В., Авдолимов Е.М. Совершенствование проектирования распределительных систем теплогазоснабжения на основе математического моделирования / Научно-технический журнал Вестник МГСУ Периодическое изд. №7/2011. / М.: 498 506с.

18. Забержинский Б.Э. Системный анализ и теоретико-графовые модели оптимизации региональных газораспределительных сетей/ автореферат дисс. канд. техн. наук. Самара 2007.- 20с.

19. Ионин A.A. Газоснабжение. М.: Стройиздат, 1989.-439с.

20. Карасевич A.M. Методология и средства управления развитием региональных систем газоснабжения./Дисс. Докт.экон. наук.-2003.-348с.

21. Карасевич A.M., Шерстобитов A.B., Клименко В.А. и др. Определение экономической целесообразности проведения мероприятий по диагностированию газораспределительных сетей и ГРП.//Рекомендации ОАО «ГАЗПРОМ»,- Р ГАЗПРОМ 057-2009.-Введены 2009-11-09.-41с.

22. Клименко В.А., Красильникова М.В., Игнатьева А.И. Определение экономической целесообразности проведения мероприятий по диагностированию подземных газопроводов, ГРП и ШРП. // Газ России.-2008.-№4.-с.12-16.

23. Клокова Т.И., Рыпс Г.С. Некоторые методические вопросы экономики газификации жилищно-коммунального хозяйства. // В кн. «Экономика газовой промышленности». М.: ВНИИЭгазпром, 1972.-C.25-34.

24. Концепция участия ОАО «Газпром в газификации регионов РФ (утверждена 21 августа 2003г. Постановлением Правления Общества № 48).

25. Красильникова М.В. Региональные системы газораспределения и газопотребления: оценка состояния, направления повышения эффективности. Диссертация КЭН.М.: 2009-163с.

26. Ляуконис А.Ю. Оптимизация городских систем газоснабжения в вероятностно-неопределенных условиях. Диссертация ДТН. 1984,-372с.

27. Мероприятия по повышению эффективности и безопасности работы системы газораспределения ОАО «Тверьоблгаз». // Газ России.-2007.-№2. Сетевой ресурс. URL: http://www.tveroblgaz.ru/4p340.html (дата обращения 17.09.2010).

28. Методические указания по заполнению паспорта безопасности опасных производственных объектов газораспределительных систем (утверждены 01.04.2006г. МЧС России).

29. Моисеев H.H. Элементы теории оптимальных систем / М.: Наука -1975-526с.

30. Необходимая исходная информация при оптимизации ГСГ. Архив рубрики «Городские системы газоснабжения». Сетевой ресурс. URL: http://www.stroi-blok.ru/?p=537 (дата обращения 18.02.2011).

31. Николаев Е.Г. Метод случайного m-градиента. Автоматика и вычислительная техника, 1969, № 1.

32. Новостной портал // «10 мая 2009 года на Озерной улице г. Москвы произошел взрыв газа на газопроводе». Сетевой ресурс. URL: http://www.gazeta.ru/ news/seealso/ 1360291.shtml (дата обращения 13.11.2011).

33. Новостной портал // «Взрыв в доме номер 6 по улице Годовикова». Сетевой ресурс. URL: http://www.newsru.com/ russia/10dec2010/gaz.html (дата обращения 13.02.2012).

34. Новостной портал // «Крупное ЧП в Курортном районе Санкт-Петербурга произошло 31.01.2012г.». Сетевой ресурс. URL: http://piter.tv/ event /sepstroreck vzrivgaza/. (дата обращения 13.02.2012).

35. Почтман Ю.М., Пятигорский З.Н. Проектирование оптимальных по приспособляемости пластин при неизвестной теории загружения / Строительная механика и расчет сооружений 1976 - № 3 - С.7-10.

36. Прима Алгоритм // Материал из Википедии. Сетевой ресурс. -URL:http://ru.wikipedia.org/wiki/%C0%EB%E3%EE%F0%E8%F2%EC%CF %F0%E8%EC%E0 (дата обращения 15.02.2012).

37. Растригин JI.A. Статистические методы поиска / М.: Наука 1966 -376с.

38. Ржаницын А.Р. Расчет железобетонных плит методами линейного программирования / Труды VI Всесоюзной конференции по бетону и железобетону. Рига -1966 - 61с.

39. Руководящий документ Госгортехнадзора ПБ 12-529-03. Правила безопасности систем газораспределения и газопотребления.

40. Руководящий документ Госгортехнадзора РД 03-41801 .Методические рекомендации по оценке ущерба от аварий на опасных производственных объектах.

41. Руководящий документ Госгортехнадзора РД 03-496-02. Методические рекомендации по оценке ущерба от аварий на опасных производственных объектах.

42. Савин В.К. Строительная физика. Энергоэкономика. М.: Лазурь, 2011.-418с.

43. Системы газоснабжения. Методические указания по изучению курса и выполнению контрольной работы для студентов специальности 140106 «Энергообеспечение предприятий». Тамбов: Минобрнауки РФ. ГОУ ВПО ТГТУ, 2007.-52с.

44. Складнев H.H. Оптимальное проектирование железобетонных конструкций с учетом требований экономичности, технологичности, надежности, долговечности. Дисс. на соиск. уч. степ, доктора тех. наук.- 1980 -354с.

45. Складнев H.H. Об одном поисковом алгоритме оптимизации железобетонных конструкций / В кн.: Железобетонные конструкции промышленного и гражданского строительства. Сб. трудов МИСИ им. В.В. Куйбишева. № 185 М.: - 1981.

46. Складнев H.H. Проблемы оптимального проектирования железобетонных конструкций / Изв. вузов. Стр. и арх. 1976- № 10 - С.3-20.

47. Смирнов В.А., Ляуконис А.Ю. Вероятностные свойства экономической информации и их учет в экономических сопоставлениях. // в кн. «Экономика газовой промышленности.Вып.З». М.: ВНИИЭгазпром, 1973 с.13-18.

48. Смирнов В.А., Ляуконис А.Ю., Бикялис А.Ю. Применение математических методов при оптимизации городских систем газоснабжения.

49. Литовский математический сборник. т.Х1У.-№2. Вильнюс.: Минтис, 1974,-с.212-213.

50. Смирнов В.А., Ляхова Р.П. Оптимальные перепады давления в газопроводах// Использование газа в народном хозяйстве/ Труды ин-та «ГипроНИИгаз». Саратов: Изд-во «Коммунист», 1965.-С.26-33.

51. СНиП 42-01-2002. Газораспределительные системы.

52. СП 42-101-2003. Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем. 4.1.

53. Справочно-аналитическая информация // Федеральная служба по тарифам РФ. Сетевой ресурс. Ш1Ь: http://www.fstrf.ru/tariffs/analitinfo (дата обращения 23.12.2011).

54. Стаскевич Н.Л. Справочное руководство по газоснабжению. Л.: Недра, 1990.-407с.

55. Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н. Справочник по газоснабжению и использованию газа. Л.: Недра, 1990.-76с.

56. Степанова Л. Задача Штейнера/ реферат СПБГУ ИТМО/ СПб.: 2010.-31с.

57. Сушкова С.П. Оптимизация многоэтажных многопролетных железобетонных рам, собираемых из унифицированных элементов. Дис. на соиск. уч. ст. канд. тех. наук. МИСИ им. В.В. Куйбышева, 1978 -214с.

58. Табунщиков Ю.А., Коптев Д.В., Жила В.А., Клочко А.К., Соловьева Е.Б. Выбор эффективности систем газораспределения. / Научно-технический журнал Вестник МГСУ Периодическое изд. №8/2011. / М.: 222с.

59. Тамразян А.Г. Оптимальное проектирование железобетонных пластин, работающих в условиях поперечного изгиба и плоского напряженного состояния. Дисс. на соиск. уч. степени к. т. н. Москва. -1982. - 164с.

60. Торчинский Я.Л. Оптимизация проектируемых и эксплуатируемых газораспределительных систем. Л.: Недра, 1988.-240с.

61. Туркот И.А. Экономическая эффективность газификации сельских районов Узбекистана. Автореферат диссертации КЭН.1967,- 23с.

62. Федеральный закон от 25 февраля 1999г. №39-Ф3 «Об инвестиционной деятельности в Российской Федерации, осуществляемой в форме капитальных вложений». Сетевой ресурс. URL: http://base.garant.ru/12114699/ (дата обращения 11.03.2010).

63. Чирас А.А. К построению теории оптимизации в механике твердого деформируемого тела. /Пленарный доклад на Всесоюзной конференции «Проблемы оптимизации в механике твердого деформируемого тела»/ Вильнюс, 1974-30с.

64. Шеховцов М.К. Проектирование оптимальных несущих железобетонных конструкций покрытия одноэтажных промышленных зданий. Дис. на соиск. уч. ст. канд. тех. наук, МИСИ им. В.В. Куйбышева, 1973 -178с.

65. Энергетическая стратегии России на период до 2030 года, утвержденная распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р. Сетевой ресурс. URL: http://doc-load.ru/SNiP/Datal/57/57547/index.htm (дата обращения 15.04.2012)

66. Rozen G.R. The gradient projection method for nonlinear programming. " G.Soc. Industr. Appl. Mathr". 1960. - №1.