автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Разработка методологии анализа эффективности транспорта газа в условиях неопределенности исходных технико-экономических показателей

На правах рукописи

ИВАНОВА ЕЛЕНА ПАВЛОВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ АНАЛИЗА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАНСПОРТА ГАЗА В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ИСХОДНЫХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Акционерном научно-проектном внедренческом обществе "НГС-оргпроектэкономика"

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Колотилов Ю.В.

доктор технических наук Орлов Р.В.

доктор технических наук,

профессор Ушаков С.С.

Ведущая организация - ООО «Газнадзор»

Защита диссертации состоится " ^ " ^¿¿A7^ 2000 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 144.05.03 при Открытом акционерном обществе "Энергетический институт им. Г.М.Кржижановского" по адресу: 117927, Москва, Ленинский проспект, 19, ОАО "ЭНИН".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Открытого акционерного общества "Энергетический институт им. Г.М.Кржижановского".

Автореферат разослан

2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук Г.А.Волков

О-Об-б,о ч-Oító-oпм~ео

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в стране создана и успешно функционирует одна из крупнейших в мире по мощности и протяженности единая система газоснабжения (ЁСГ). Дальнейшие перспективы развития газодобывающей промышленности связаны с освоением ресурсов Западной Сибири и, в частности, полуострова Ямал.

Превращение столь отдаленных от основных газопотребляющих районов страны месторождений природного газа в основную сырьевую базу отрасли привело к резкому росту общих капиталовложений, необходимых для ее развития. Наибольшая доля капиталовложений приходится на развитие системы магистральных газопроводов (МГ), что в первую очередь связано с увеличением средней дальности транспорта газа и удорожанием строительно-монтажных работ (СМР) в районах со сложными природно-климатическими условиями. Соответственно возросли удельные металло- и энергозатраты на сооружение и эксплуатацию МГ.

Основным направлением повышения эффективности магистрального транспорта газа является широкое использование прогрессивных технических решений, таких как увеличение в общей протяженности доли газопроводов большого диаметра 1220 и 1420 мм, рост единичной мощности газоперекачивающих агрегатов (ГПА) до 16 и 25 МВт, автоматизация компрессорных станций (КС) и др.

Однако уровень влияние научно-технического прогресса (НТП) на трубопроводном транспорте газа в 3-5 раз слабее действия перечисленных выше отрицательно действующих факторов и недостаточен для преодоления тенденций ухудшения экономических показателей.

В этих условиях чрезвычайную важность приобретает оптимизация технологических параметров МГ на стадии проектирования. При резко возросших капиталовложениях в каждый отдельный объект МГ даже относительно небольшое снижение затрат в результате оптимизации его параметров приведет к существенной экономии капиталовложений на стадии сооружения МГ и эксплуатационных затратах в процессе его работы.

Ранее выполненные оптимизационные исследования частично утратили свою научную ценность ввиду изменившихся экономических условий - перехода от плановой к рыночной экономике.

В период становления рыночных отношений для выбора оптимальных параметров использовались новые экономические критерии, позволяющие учитывать во времени всю совокупность факторов, определяющих формирование и величину стоимостной оценки результатов и затрат при сооружении и эксплуатации МГ.

Указанные критерии оптимальности должны реально оценивать экономическую выгоду того или иного технологического варианта МГ с учетом

всего многообразия факторов, влияющих на формирование результатов от сооружения МГ, определяемых, например, как выручка от продажи товарног газа потребителю, и связанных с получением этих результатов затрат.

В подавляющем большинстве работ по обоснованию оптимальных параметров МГ в качестве основного результата исследования приводятся количественные оценки этих параметров для некоторых конкретных значений исходных стоимостных показателей, т.е. решается оптимизационная задача в детерминированной постановке. Однако, как показал опыт сооружения и эксплуатации МГ, им объективно присуще свойство недетерминированности, проявляющееся, как правило, в неполноте и недостоверности исходной, главным образом стоимостной, информации. В связи с эти детерминированный подход к оптимизации параметров МГ приходит в противоречие с действительностью, когда параметры МГ, найденные с помощью детерминированной оптимизационной модели, являются оптимальными лишь при заданных исходных данных.

Таким образом, разработка оптимизационной модели МГ в рыночных условиях с учетом неопределенности исходной информации, когда внешние условия могут изменяться по сравнению со средними значениями, принимаемыми при решении детерминированной задачи, является актуальной проблемой при создании МГ.

Цель работы - разработка методических положений по анализу эффективности магистрального трубопроводного транспорта газа в условиях неопределенности исходных технико-экономических показателей.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• разработать аналитический метод гидравлического расчета МГ с газотурбинными КС;

• проанализировать существующие подходы к выбору критериев оптимальности параметров МГ в рыночных условиях;

• разработать оптимизационную модель МГ, позволяющую рассчитывать эффективные значения его основных технологических параметров при вариациях исходной стоимостной информации;

• выявить зоны неопределенности полученных оптимальных решений и разработать методику выбора эффективных параметров МГ;

• разработать рекомендации по повышению экономической эффективности МГ на основе предлагаемой оптимальной технологии транспорта газа.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• разработан аналитический метод гидравлического расчета МГ с газотурбинными КС, позволяющий с достаточной для практики точностью, связать производительность МГ с его основными технологическими параметрами и ускорить расчетные процедуры при разработке проектных решений;

• разработана оптимизационная детерминированная модель МГ для условий рыночной экономики, позволяющая рассчитать оптимальные технологические параметры МГ в зависимости от величины заданных стоимостных показателей;

• разработан соответствующий инструментарий для выполнения прогнозных исследований, включающий в себя: методологию обоснования предельной товарной производительности МГ; методику определения предельной степени форсирования товарной производительности МГ при постоянной степени сжатия газа за счет увеличения количества КС; методику определения оптимальных параметров МГ в условиях неопределенности исходной стоимостной информации с использованием минимаксных критериев;

• разработан алгоритм расчета оптимальных параметров МГ в условиях рыночной экономики с учетом неопределенности исходной стоимостной информации, реализация которого позволила получить конкретные рекомендации для МГ диаметром 1420 мм на рабочее давление 7,45 МПа.

Практическая ценность научных исследований и реализация работы в промышленности. Представляемые подходы и модели могут служить методологической основой при обосновании технологических параметров вновь сооружаемых или реконструируемых МГ в условиях рыночной экономики. Разработанные методы позволяют выбрать оптимальные параметры МГ и тем самым существенно повысить их экономическую эффективность по сравнению с существующими.

Выполненные исследования связаны с реализацией насущных задач по обеспечению высоконадежного трубопроводного транспорта. Исследования выполнялись в соответствии с комплексной научно-технической программой РАО ГАЗПРОМ - "Высоконадежный трубопроводный транспорт". Практическая ценность исследований . заключается в целесообразности использования разработанных алгоритмов при компьютерной реализации пакета программ: оптимизация эксплуатационных показателей магистральных газопроводов -программный продукт системы PLSystem / OPRating (Pipeline System / Optimize for Rating) - Москва: ИНЭИ PAH, 1999.

На основе представленных в диссертации модельных исследований были разработаны программные алгоритмы, которые в настоящее время используются в ИНЭИ РАН, НПП "СТРОЙПРОЕКТСЕРВИС" и Управлении РАО ГАЗПРОМ при решении задач перспективного развития энергосистем.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Ш-ей Всесоюзной научно-технической конференции "Трубопроводный транспорт нефти и газа" (г. Ивано-Франковск, 1983) и научно-техническом семинаре "Опыт внедрения достижений научно-технического прогресса в практику проектирования объектов нефтяной и газовой промышленности" (г. Киев, 1988).

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 8 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, приложения и списка использованной литературы из 84 наименований. Содержание работы изложено на 117 страницах и иллюстрировано 12 рисунками и 5 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется ее цель и основные задачи, перечисляются положения, отражающие научную новизну и практическую значимость диссертации.

Первая глава посвящена аналитическому обзору. литературы по оптимизации параметров МГ. В практике проектирования МГ используются графоаналитический, аналитический и численный методы оптимизации параметров. В конце 60-х годов широкое применение нашел графоаналитический метод, сущность которого заключается в определении рациональной области применения труб различного диаметра, рабочего давления и типов, выпускаемых промышленностью ГПА.

С начала 70-х годов графоаналитический метод постепенно стал вытесняться численными методами, основанными на использовании вычислительной техники, что позволило исключить трудоемкие ручные расчеты.

В практике оптимизации получили также распространение аналитические методы, основанные на установлении непосредственных зависимостей целевой функции от исходных параметров. Необходимость таких методов обусловлена тем, что различные варианты МГ должны сравниваться при оптимальных соотношениях между всеми параметрами каждого из сравниваемых вариантов. Такую оптимизацию нельзя осуществить, если нет математических зависимостей между оптимальными значениями всех взаимосвязанных параметров. С помощью аналитических методов относительно легко установить влияние отдельных факторов, выделить среди них наиболее существенные и определить возможности упрощения расчетов.

Однако аналитический метод дает возможность выявить лишь общие закономерности изменения и взаимосвязи оптимальных параметров МГ, вычислив их значения при определенных допущениях, принятых на стадии составления уравнений. В силу перечисленных недостатков аналитические методы не нашли широкого распространения на практике.

Между тем имеется группа проектных задач, для решения которых аналитические методы достаточно эффективны. Это предпроектная оценка и сопоставление различных технологических вариантов МГ, определение перспективных направлений НТП на газопроводном транспорте, определение оптимальной производительности МГ при составлении схемы развития газовой промышленности и др.

В связи со сложившейся практикой для составления схемы развития ЕСГ на длительную перспективу требуется проведение прогнозных расчетов технологических вариантов МГ, выполняемых на основе укрупненной исходной информации в условиях ее неопределенности, когда чрезмерная детализация исходных данных бесполезна. Более того, второстепенная исходная информация затрудняет проведение анализа, требует неоправданно больших затрат машинного времени и подготовки большого объема исходных данных, что сводит на нет преимущества численных методов. В этом случае аналитические и графоаналитические методы оказываются более предпочтительными.

Как показал проведенный анализ, несмотря на наличие обширной литературы по вопросу оптимизации МГ, аналитические методы, позволяющие вычислить оптимальные значения как независимых, так и зависимых переменных, определяющих экстремум выбранной в качестве критерия оптимизации целевой функции без чрезмерной детализации исходных данных, разработаны недостаточно. Объективно существующая недетерминированность данной оптимизационной задачи еще более осложняет выбор оптимального решения.

В связи с этим возникает необходимость в создании более совершенного аналитического метода гидравлического расчета МГ, и на его основе -оптимизационной детерминированной модели МГ и механизма принятия решения (выбора оптимальных параметров) в условиях неопределенности исходной информации (недетерминированности оптимизационной задачи).

Во второй главе дается постановка детерминированной оптимизационной задачи, когда стоимостные показатели составляющих единовременных и текущих затрат однозначно заданы, а также оптимизационной задачи в условиях неопределенности исходной информации, когда существует возможность изменения стоимостных показателей в процессе сооружения и эксплуатации МГ.

В числе прочего. была поставлена задача сопоставить результаты оптимизационных расчетов по предложенной методике с параметрами действующих МГ, технологические параметры которых выбирались в условиях плановой экономики. Очевидно, что такое сравнение может быть корректным только в том случае, рни проводятся в оптимальных условиях. Поскольку параметры действующих МГ, как показали проведенные расчеты, не являются оптимальными в рамках плановой экономики, при которой они сооружались, возникла необходимость в проведении такой оптимизации с использованием соответствующего критерия оптимальности - удельных приведенных затрат. В связи с этим в диссертации помимо задачи оптимизации параметров МГ в рыночных условиях, подробно рассматривается также задача оптимизации параметров МГ в условиях плановой экономики.

Переход к рынку предполагает использование соответствующего инструментария экономических обоснований принимаемых решений. В качестве критерия оптимальности для рыночных условий используется величина экономического эффекта, представляющая собой разность дисконтированных

величин стоимостных оценок результатов и затрат за весь срок сооружения и эксплуатации МГ

Э« = £„,<к(Р«-И(-К,).а( , (1)

где Э( - экономический эффект за расчетный период Р1 - стоимостная оценка товарного газа; И( - стоимостная оценка суммарных текущих затрат на эксплуатацию МГ в 1-ом году; К, - единовременные затраты в 1-ом году; 11 и ^ -соответственно начальный год (год начала финансирования работ), связанных с сооружением МГ и конечный год расчетного периода; о^ -коэффициент приведения.

Опираясь на опыт сооружения многониточных МГ, можно представить указанную выше зависимость (в случае нормы дисконта Е = 0,1) в виде

Э, = № + Ь-^к - У-(Р, - И,) ; ь = Б=1,„ щ-сц ; Г2 = Е,Р.,к а, , (1)

где <р - год приведения результатов и затрат; ^ - коэффициент, учитывающий распределение капитальных вложений по годам с учетом дисконтирования; (2 -сумма коэффициентов приведения за период - 1Р); м - доля капитальных вложений в ¡-ом году; п - конечный год осуществления капитальных вложений; а( - коэффициент приведения к расчетному году

Выразив величины Р( и И, через параметры МГ (с учетом показателей КС), критерий оптимальности (2) приводится к удобному для дальнейших исследований виду.

Помимо критерия Э( при анализе результатов оптимизационных расчетов использовались также удельные показатели, характеризующие совершенство МГ: удельные энергозатраты \УС = (^-¡Ч^/От; удельные металлозатраты Мс = <Об р Ь/От; где Ш5 и Шб- размерные коэффициенты; р - масса единицы длины трубопровода; От- товарная производительность; Ь - длина МГ; N5; - суммарная рабочая мощность ГПА на КС.

Ввиду того, что форма записи критерия Э(позволяет получить аналитические выражения для производных по независимым и зависимым переменным, для решения оптимизационной задачи может быть использован метод множителей Лагранжа.

В третьей главе приведен аналитический метод гидравлического расчета МГ с газотурбинными КС. Являясь менее трудоемким по сравнению с численными методами, он позволяет не прибегая к итерациям, рассчитать количеств«!) и расстановку КС по трассе МГ, суммарный расход топливного газа на КС и товарную производительность МГ.

Рассматривается принципиальная схема однониточного горизонтального газопровода постоянного диаметра без головной и конечной КС. В качестве

допущений принято: режим течения газа установившийся; отборы и притоки газа по трассе отсутствуют; рабочее давление (Р„) принимается постоянным для всех КС, которые оборудованы ГТТА с газотурбинным приводом и электроприводными аппаратами воздушного охлаждения (ABO); топливный газ для газотурбинного привода отбирается после нагнетателя; средняя температура газа (Ttp), коэффициент сжимаемости, (Zcp), коэффициент гидравлического сопротивления (X), соответствующий квадратичному закону сопротивления, принимаются постоянными для всех участков газопровода; температура газа Тк на входе в КС, а также эффективный КПД газотурбинного привода (т|е) и политропический КПД процесса сжатия газа в центробежном нагнетателе (tic) принимаются постоянными на всех КС. Последнее допущение эквивалентно предположению, что при каждом значении производительности газопровода КС оснащаются ГПА оптимального типоразмера, работающими в расчетном режиме.

Потери давления на входе и выходе КС при определении производительности газопровода на участке протяженностью 1 оцениваются с помощью безразмерного коэффициента %, определяемого выражением

X = 1 + Е-ДРВ1/Р„ + ДРШ,„/Р„ , (3)

в которое кроме абсолютных значений потерь давления в обвязке КС на входе АР,,! и выходе ДР„Ы1 входят параметры, постоянные для данного газопровода -рабочее давление Р„ и степень сжатия па КС е.

Тогда выражение для производительности участка МГ между двумя соседними КС можно представить в виде

Q = а,Л1/2 , (4)

где а, = l,0910"6d2'5P„ {[l - (x/e)2]/(A,-A-Tcp-Zcp)}1/2; d - внутренний диаметр трубопровода; Д - относительная плотность газа по воздуху.

Расход топливного газа, в свою очередь, можно записать как

q = arQ , (5)

где а2 = 0,35 kTK [s,/p - l]/[(k - l)r|eHu], р = k-r|c/(k-l); Н„- низшая теплота сгорания природного газа; к - показатель адиабаты.

Тогда для i-ro участка газопровода соответственно имеем

'i = ai2-(l - a2)'2 <M)-(l/Qi)J ,q, = ar(l-a2)M-Qi . (6)

Просуммировав левые и правые части этих уравнений, найдем длину газопровода

ь = Б=1.п 11 = (а^СЬ)2 Х.=1,„ (1 - а2)2 (м> (7)

и суммарный расход топливного газа на КС

ах = Б=.,п-1 = а2-0, 1м.» (1 - а2)2 (И) , (8)

где п, (п - 1) - количество расчетных участков и КС соответственно.

Выражения, стоящие под знаком суммы в (7) и (8) являются геометрическими прогрессиями соответственно со знаменателем (1 - а2)'2 и (1 - а2), поэтому их можно представить в виде

Ь = а,2[1-(1-а2)2°](1/Ов)2/{(1.а2)2(п"1)[1-(1-а2)2]} ; (9)

д2 = 0Л1-(1-а2)п1] . (10)

Введем обозначение аз = а12-(1 - а2)2/[1 - (1 - а2)2] и найдем количество КС на газопроводе (пкс) и суммарный расход топливного газа как

Пкс = 1п[(1 + 0.2Ь/аз)(1 - а2)2]Лп(1 - а2)2 ; (11)

Чх = 0вЧ1 ■ (1 - а2)_1-(1 + Ов2-Ь/аз)'1/2] . (12)

Суммарная рабочая (расходуемая) мощность ГПА на КС может быть определена в виде

= 0,0352-т)е-Ни-От-{(1 - а2)-[1 - (1 - а2)2-0т2-Ь/аз]'ш -1} , (13)

а связь между товарной и валовой производительностями МГ как

От = Ов/1(1 - а2)(1 + Ов2Ь/аз)Ъ. (14)

Значение q£ можно выразить через товарную производительность

От-{(1 - а2) [1 - (1 - а2)2 От2-Ь/а3)-1/2 - 1} . (15)

Из (15) следует, что при прочих равных условиях с увеличением СЬ расход топливного газа q£ возрастает и при (1 - а2)2-От2-Ь/аз = 1 стремится к бесконечности —> со). Этому значению соответствует предельное значение товарной производительности Отпр для данного МГ

QTnP = aI/{5-(l-a2)2]-L},/J .

(16)

Тогда предельная валовая производительность МГ

(2„пР = (1-а2)-Чаз/Ь)ш+Ч1 .

(17)

Для МГ протяженностью Ь = 3000 км из труб диаметром О = 1420 мм на рабочее давление Рн =7,45 МПа при степени сжатия газа на КС с - 1,44 предельная товарная производительность составляет 63,8 млрд.м3/год.

При наличии головной КС (в конце газопровода КС по-прежнему отсутствует) расчетные соотношения принимают более простой вид

Таким образом, задавшись усредненными значениями параметров процесса перекачки и рабочего процесса ГПА, можно с помощью полученных формул провести гидравлический (технологический) расчет однониточного газопровода заданной протяженности. Для подтверждения адекватности предложенного аналитического метода гидравлического расчета МГ было проведено сравнение результатов расчета с помощью данного метода и специально разработанного с этой целью более точного численного метода, позволяющего полнее учесть гидравлический и тепловой режимы работы МГ.

Расчеты с помощью обоих методов, например, при определении предельной товарной производительности (рис.1, qEol„ = qi/q^m.» Qt0™ = Qt/Qt™« q^x = 100 млрд.м3/год; Qiroax = 70 млрд.м3/год) показали хорошее совпадение. Расхождение конечных результатов находилось в пределах 3,6%, что вполне приемлемо для данной оптимизационной задачи.

В четвертой главе рассмотрена предлагаемая оптимизационная модель МГ в условиях плановой и рыночной экономик.

При плановой экономике задача оптимизации параметров МГ, представляющая собой отыскание минимума удельных приведенных затрат (3, = min{3,}), а в условиях рыночной экономики - отыскание максимума экономического эффекта (Э, = шах{Э,}), в общем виде является многопараметрической. Однако в данной постановке она двухпараметрическая - 3, = 3t(QB,e) и Э,= 3t(Q„e), так как все остальные технологические параметры МГ однозначно связаны с независимыми переменными следующими соотношениями (coi, ш2, из - размерные коэффициенты):

пке = 1п[(1 + 0„2-Ь/аз)/1п(1 - аг)2 ; . Че = Qr[(l - От2-Ь/аз)"1Д -1] ;

QTnp = (a3/L)w .

(18)

(19)

(20)

ЯЕоти 0,8

0,6 f

0,4 J 'У

0,2 У А К

0,0 г

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Qtoth

Рис.1. Зависимость расхода топливного газа от товарной производительности для

МГ диаметром D = 1420 мм (• - расчет численным методом;--аналитический

расчет): 1 - Р„ = 5,5 МПа; 2 - Р„ = 7,45 МПа; 3 - Р„ = 9,81 МПа

• зависимостями между общим количеством КС и технологическими параметрами МГ (включая показатели экономичности ГПА)

Пкс = - ln[m,2 + mj (l - miJ)]/ln mf , (21)

mi = 1 - a2 ; m2 = QB2L/ai2;

a, = Cr{l - [C4 + Cv(l + a2/C2)p]/(l + a2/C2)2p}; a2 = C2-(e"p -1);

C, = mrd2'5-(X.-A-Tcp-Zcp)-,/2 ; C2 = M2TKk/[v"u(k - 1)];

c4 = i + АРвых/ДРВ1 ; c5 = АРвх/Рн;

• выражением для суммарного расхода топливного газа на КС

qs = Q.-{l-[mi2 + mi-(l-m12)]-w} ; (22)

• формулой для расчета суммарной рабочей мощности ГПА на КС

Nj; = Оз-ти-Нц-Ях ; (23)

• аналитической зависимостью для определения необходимого количества аппаратов воздушного охлаждения (ABO) - пАво.

При достаточно большой протяженности МГ с переменным шагом КС на нем всегда можно найти линейный участок между двумя последовательно расположенными КС, длине и производительности которого при заданной

температуре окружающего воздуха, грунта и газа на выходе ABO соответствует тепловой режим (температуры Тср и Тк), характеризующий МГ в целом. В результате численного эксперимента было установлено, что на МГ большого диаметра различной протяженности при рабочем давлении Р„ = 7,45 МПа такой линейный участок расположен на расстоянии « 0,6-L от начала газопровода. Этот участок назовем расчетным и все, что к нему относится, обозначим нижним индексом р. Тогда с помощью формул гидравлического расчета МГ основные параметры расчетного участка можно записать в виде

где порядковый номер расчетного участка определяется из соотношения ip = 1 -In[mi2 + 0,6mr(l - mi2)]/In mi2, а затем округляется до ближайшего целого числа.

Средняя по длине расчетного участка температура газа (Тср), температура на входе в КС в конце участка (Тк) и среднее давление газа на участке вычисляется по известным соотношениям, а температура газа на выходе ABO (Тохл) определяется как Тохл = Тв - АТ, где Т„ - температура наружного воздуха; ДТ -температурный режим на выходе ABO.

Тогда для расчетного участка, характеризующего тепловой режим МГ в целом, среднее количество ABO на КС определяется по эмпирической формуле

а затем округляется до большего целого числа. Постоянные коэффициенты <pi ^ (pj принимают для ABO типа 2АВГ-75 значения tpi = 1,565; ср2 = 0,5; фз = 1,24; ф^ = 2, а температура ТВ1 вычисляется как TBI = Тк-(1 + а2/С2).

Мощность, потребляемая одним ABO (Nabo), в общем виде является функцией (jabo, Тм и Тв. Однако учитывая незначительное изменение среднемесячной температуры воздуха Т„ в летний период, самый напряженный с точки зрения загрузки ABO, а также слабую зависимость Nabo от Твх (Nabo ~ Твх°'3), условно принималось Nabo = const.

Наличие аналитических выражений критериев оптимальности, а следовательно, и их производных drr исследуемых технологических параметров (независимых и зависимых переменных) МГ, позволяет для определения max(3,J и min{3(} воспользоваться методом множителей Лагранжа.

Для этого составим вспомогательную функцию Лагранжа, имеющую одинаковый вид для обоих критериев оптимальности

I, = L/Im.^-"-!^!; qp = QB[1 - гп,(1И)] ; Qp = QB - qp ,

(24)

ПАВО = Фз-Qp- [(T„ - T0M)/(TBÍ - Тв)]?4 ,

(25)

Э,.(3с) = Э,(3,) + Xrfi(nKc) + X2f2(qs) + X3 f3(nABo) ,

где А.1, Х2 и Хз - неопределенные множители Лагранжа.

Тогда необходимым условием экстремума функции Э( (аналогично, функции 3,) будет

дЭг/д(}р = 0 ; ЭЭ,./За2 = 0 ; дЭ,-/^ = 0 ;

ЗЭ,./Зпкс = 0 ; 5Э,./5паво = 0 . (27)

Совместное решение нелинейных уравнений (27), из которых предварительно исключаются множители Лагранжа, позволяет свести указанную систему уравнений (в обоих случаях) к двум уравнениям с двумя неизвестными 0„ и е. В результате численного решения этой системы определяются оптимальные значения Овопт и е0Пт, а затем с помощью уравнений связи - оптимальные значения зависимых переменных Ях0пт» пксопт и Пдвоопт-

Найденные таким образом детерминированные решения условно называются локально-оптимальными, поскольку они оптимальны только для данного сочетания внешних условий.

Пятая глава посвящена проблеме выбора оптимальных решений в условиях неопределенности исходной информации. Для этой цели используется платежная матрица (ПМ), элементами которой являются выбранный критерий оптимальности (Э(ц или Зеу), соответствующий ¡-ой товарной производительности От, данного МГ при ^ом наборе варьируемых исходных данных М] (табл.1, где От - товарная производительность МГ и М - сочетание основных стоимостных показателей). Указанная ПМ характеризует изменение экономического эффекта (приведенных затрат) при принятии данного решения, если исходная информация изменилась в сравнении с той, для которой принято данное решение.

В качестве варьируемых исходных данных М] принималось предельное сочетание основных стоимостных показателей элементов МГ: стоимости единицы длины линейной части Цмг, стоимости строительно-монтажных работ (СМР) Цсмр, стоимости единицы мощности ГПА Цц и продажной цены товарного газа Цг. Под предельными понимаются минимальные, средние и максимальные стоимости (цены), получаемые в результате уменьшения и увеличения средней цены на определенное количество процентов (Х%). Поскольку каждый из четырех стоимостных показателей может принимать три различных значения, то размерность платежной матрицы, которая в данном случае является квадратной (И = IV), определяется возможным сочетанием выбранных стоимостных показателей К = N = 81.

По диагонали ПМ (| = ,0 расположены экстремальные значения критерия оптимальности: тах{Эщ} или тш{3щ}, соответствующие данному набору стоимостных показателей Му. Остальные элементы ПМ (1 ф представляют собой значения принятой целевой функции при оптимальных значениях Откшг и степени сжатия газа на КСе|0ПТ, но другом сочетании стоимостных показателей.

Таблица 1

Qt M

M, M, Mi M,

(Qt). Эш(3,„) Э»2(3,„) 3,ij(3|ij) 3iin(3hn)

(Qi)j 3oi(3ai) 3,2:(3,23) 3t2j(3üj) 3ON(3|2N)

(QT), 3U1(3,„) Э|п(3(п) ЭА) 3tiN(3üN)

(Qt)r 3|Rl(3|Rl) Э(ю(3(м) 3,R,(3|Ri) 3|RN(3|R^)

Поскольку вероятность появления значения 3,¡¡ или 3(ц неизвестна, для выбора по ПМ лучших решений применительно к оптимизационным задачам можно использовать критерий максимума среднего по строкам ПМ экономического эффекта или минимума удельных приведенных затрат, полученных в предположении равномерного закона их распределения maxi{3tQ) = N'1 Zj«i,N Э1Ч или ra¡n¡{3tQ} = IV1 Xj=i,N 3,¡j, где 3(q и 3iq - соответственно, средний экономический эффект и средние удельные приведенные затраты при Qt¡= ídem.

Помимо этих критериев для выбора по ПМ лучших решений использовалось также несколько субъективных, поддающихся формализации критериев, в большинстве основанных на . так называемом минимаксном принципе -максиминный критерий Вальда (W = max¡ miiij {3t¡j}), критерий минимального риска Сэвиджа (S = min¡ maxj {3t¡j}) и критерий пессимизма-оптимизма Гурвица (Н = max, {£, rninj {3t¡j} + (1 - Е,) maxj {3t¡j}}), где 0 < < 1 - коэффициент пессимизма.

С помощью разработанной математической модели определены оптимальные параметры МГ протяженностью L = 3000 км диаметром D = 1420 мм на рабочее давление Р„ = 7,45 МПа в условиях неопределенности исходной стоимостной информации. Примем , что все КС оснащены ГПА оптимальных типоразмеров и электроприводными ABO типа 2АВГ-75. Расчеты проводились при различных значениях стоимостных показателей: в сметных ценах 1984 года (табл.2, А) и в мировых ценах (табл.2, Б).

Стоимостные показатели в рублях с учетом территориальных коэффициентов (условно была выбрана трасса Уренгой-Центр И) принимались согласно данным ЮжНИИГипрогаза и ВНИИГаза, а в долларах США - на основании изучения обзора экономической информации и предложения фирмы Дженерал Электрик по строительству газопровода Уренгой - Западная граница СССР с учетом последующей инфляции доллара США. Здесь следует отметить, что в стоимость 1 кВт мощности газотурбинного ГПА, выраженную в долларах США, включены все сооружения КС, в том числе ABO с электроснабжением, автомобильные дороги и другие объекты инфраструктуры. Тогда в соответствие с принятой в предложенной методике структурой затрат при сооружении МГ стоимость КС, не

зависящая от мощности, ABO, а также затраты на инфраструктуру принимались равными нулю.

Таблица 2

Показатели А Б

Стоимость линейной части МГ, 106 руб/км [10& долл/км] 0,282 0,625

Стоимость СМР, 10® руб/км [106 долл/км1 0,1515 1,735

Стоимость КС, не зависящая от мощности, 106 руб 1 —

Стоимость мощности ГПА на КС, 103 руб/кВт [103 долл/кВт! 0,268 1,0

Стоимость ABO с учетом CMP, 106 руб 0,1165 —

Затраты на инфраструктуру, руб/км 250 —

Продажная цена товарного газа, 10"3 руб/мэ flO"3 долл/м3] 60 80

Цена топливного газа, 10"3 руб/м3 [10'3 долл/м3] 52,8 70,44

Стоимость электроэнергии, руб/(кВт ч) Гдолл/(кВт-ч)] 0,02 0,02

Норматив заработной платы, 103 долл/(челтод) ... 63

Численность обслуживающего персонала, 10"2 чел/км ... 0,35

В расчетах использовались две цены природного газа: отпускная и цена топливного газа (на собственные нужды). В случае расчета по мировым ценам в качестве первой принималась фактическая цена на конец мая 1998 года, а в качестве второй - среднее значение между отпускной ценой и ценой газа на промысле. При расчете по сметным ценам 1984 года использовались соответственно замыкающие затраты на природный газ в конце МГ (центральный район) и средние замыкающие затраты по трассе МГ.

Заработная плата обслуживающего персонала принята по аналогии с заработной платой в строительстве США - 25,00 долл/час (с поправкой на инфляцию), которая в 1988 году составляла 23,92 долл/час.

Численность персон ала, непосредственно занятого на эксплуатации МГ, принята по проектным данным, а амортизационные отчисления - по действующим нормам. При заполнении платежной матрицы варьировалось отклонение средних цен в большую и меньшую сторону соответственно на X = ±10% и X = +20%.

Помимо наилучших решений по ПМ (оптимальная технология) для сравнения определялись также основные параметры МГ, соответствующие существующей технологии транспорта газа - QB = 32х109 м3/год и е = 1,44.

Результаты расчетов оптимальных параметров МГ с помощью ПМ по мировым ценам и сметным ценам 1984 года сведены в табл.3 (А - оптимальная технология для варианта расчета в долларах США, Б - оптимальная технология для варианта расчета в рублях, В - существующая технология), а также приведены в виде графических зависимостей (рис.2 и рис.3), где значения оптимальной товарной производительности (Qtout) найденные с помощью различных критериев, отмечены пунктиром (1 - соответствует критерию Вальда и критерию Сэвиджа; 2 - критерию Гурвица при !; = 0,6 и max, {3,q}).

Таблица 3

Показатели А Б В

±0% ±10% ±20% ±0% ±10% ±20%

Валовая производительность, 109 м3/год 34,0 34,0 34,1 34,1 34,1 34,1 32,0

Товарная прошводительность, 10® м3/год 30,8 30,8 30,8 30,8 30,8 30,9 29,0

Степень сжатия газа на КС 1,22 1,22 1,22 1,23 1,23 1,23 1,44

Число КС, шт 41 41 42 41 41 41 21

Средний шаг КС, км 75 75 75 75 75 75 150

Расход топливного газа, 10® м3/год 3,20 3,20 3,20 3,25 3,25 3,26 3,00

Среднее число ABO на КС, шт 0 0 0 0 0 0 21

Суммарная рабочая мощность ГПА, МВт 1102 1102 1108 1111 1111 1113 1034

Удельные энергозатраты, кВтч/м3 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28

Удельные меггаллозатраты, тч/м3 0,54 0,54 0,54 0,54 0,54 0,54 0,51

Относительный экономический эффект, % 107,4 105,3 105,3 106,2 104,6 104,6 100,0

3,Q, 10®

378,2

378,0

377,8

377,6

377,4 _____[

30,60 30,65 30,70 30,75 30,80 <2Т, 10вм3/год

Рис.2. Зависимость среднего экономического эффекта (мировые цены) от товарной производительности (X = ±10%)

Для оптимизации параметров МГ в условиях плановой экономики была выбрана трасса Уренгой-Центр ^II, а стоимостные показатели принимались М; исходя из практики проектных институтов: для севера европейской части - Цмг = 0,23x10б руб/км, Цсмр = 0,545x106 руб/км, Ц* = 0,25х103 руб/кВт, стоимость КС, не зависящая от мощности ЦкС = 15х106 руб; для центра страны Цмг = 0,23х10б руб/км, Цсмр = 0,545х106 руб/км, Цч = 0,2х103 руб/кВт, Цкс = 4,7х106 руб.

долл

1 1

1 1 1

1 1 1

1 1 1

1__J 1

,60 30,65 30,70 30,75 30,80 От 10е

3iq, 10® долл 407,4 407,2 407,0 406,8 406,6

30 м'/год

Рис.З. Зависимость среднего экономического эффекта (в рублях) от товарной производительности (X = ±20%)

Поскольку значения товарной производительности Qt, соответствующие maxi {3tQ} и Н (4 = 0,6), независимо от величины Х% практически совпадают между собой, это значение производительности было принято в качестве оптимального.

Из сопоставления оптимальной и существующей технологий транспорта газа в мировых ценах (табл.3) можно сделать вывод, что в рамках рыночной экономики для МГ диаметром D = 1420 мм на рабочее давление Р„ = 7,45 МПа переход к более низкой степени сжатия газа е = 1,22 ч- 1,23 вместо s = 1,44, принятой на существующих КС, при одновременном увеличении валовой производительности с QB = 32x109 м3/год до QB = 34x10я м3/год за счет сокращения шага КС повышает экономический эффект в зависимости от возможной величины колебания стоимостных показателей: от 5,3% при X = ±10% и X = ±20% до 7,4% при X = ±0%.

При задании стоимостных показателей в сметных ценах 1984 года относительное увеличение экономического эффекта при переходе от существующей к оптимальной технологии получается несколько меньшим -соответственно 4,6% и 6,15%.

Из анализа кривых рис.2, рис.3 и данных табл.3 можно сделать также вывод о высокой степени устойчивости оптимальных решений к возможным изменениям основных стоимостных показателей. Отклонение последних на X = ±10% и X = ±20% приводит к изменению относительного экономического эффекта на 1,5 * 2%.

При существующей ценовой политике на оптовом рынке газа, когда сумма средней расчетной цены (тарифа) производства газа и удельной стоимости его транспорта из района добычи в Центральный регион России (район реализации) по данным Ассоциации "Развитие энергетики" на 1997 год составляет 35x10° долл/м3, и принятой средней норме прибыли 20% абсолютная прибыль от

продажи 1000 м3 газа составит 7 долл. В результате увеличения экономического эффекта при переходе на оптимальную технологию перекачки газа на 6% прибыль от продажи газа составит порядка 0,43х10"3 долл/м3, что при товарной производительности МГ из труб диаметром D = 1420 мм на рабочее давление Рм = 7,45 МПа около 31x10® м3/год приведет к увеличению годовой прибыли от продажи газа приблизительна на 13х106 долларов.

Основным фактором, который может сдерживать использование оптимальной технологии на практике, является прокладка вновь строящихся МГ в старых газотранспортных коридорах с привязкой новых компрессорных цехов к площадкам действующих КС. Однако даже в этом случае оптимальная технология может рассматриваться в качестве альтернативы существующей, поскольку согласно результатам расчета как в мировых, так и в сметных ценах 1984 года, средний шаг КС при оптимальной технологии, равный 75 км, примерно вдвое меньше среднего шага КС при существующей технологии. В связи с этим прокладка новой нитки МГ в старом газотранспортном коридоре позволяет одну половину вновь строящихся компрессорных цехов совместить с площадками действующих КС, а другие, расположенные между площадками действующих КС, строить полностью автоматизированными (без обслуживающего персонала), экономя тем самым денежные средства на инфраструктуре, коммуникациях и др.

Отметим, что результаты оптимизации параметров МГ в текущих ценах 1949 года, пересчитанных с цен 1984 года при помощи соответствующих индексов цен согласно данных информационного аналитического бюллетеня "Индексы цен в строительстве" (вып. 2/27, 1999), практически полностью совпадают с результатами, приведенными в табл.3, включая относительный экономический эффект, разница в величине которого составила порядка 3%.

В результате оптимизации параметров МГ в условиях плановой экономики было установлено, что переход от существующей технологии транспорта газа к оптимальной для МГ диаметром D = 1420 мм на рабочее давление Р„ = 7,45 МПа сопровождается снижением валовой производительности Q„ = 32х109 м3/год до Q. = 26x10' н-27х109 м3/год в результате повышения степени сжатия газа на КС с е = 1,44 до е =1,48 и соответствующего увеличения среднего шага КС со 150 до 200 км в случае прокладки МГ в северных районах европейской части страны или в результате снижения степени сжатия до б = 1,32 и увеличения среднего шага КС до 143 км при прокладке МГ в центральных районах страны.

Из сопоставления этих результатов с данными табл.3 следует, что пути повышения экономической эффективности МГ при переходе к оптимальной технологии в рамках рыночной и плановой экономик совершенно различные. Если в плановой экономике резервом повышения экономической эффективности транспорта газа по существующей технологии МГ является снижение валовой производительности, сопровождаемое ростом или снижением степени сжатия газа на КС в зависимости от района прокладки, то в рыночных условиях оптимальной

технологии соответствует большая по сравнению с существующей валовая производительность МГ, которая обеспечивается путем перехода к более низкой степени сжатия (е = 1,22 -5- 1,23 вместо е =1,44) при одновременном уменьшении вдвое среднего шага КС (¡ср=75 км вместо 1ср = 150 км).

Исследования, проведенные автором, позволили сформулировать следующие выводы:

1. В связи с переходом к рыночной экономике в качестве критерия оптимальности параметров МГ наряду с приведенными затратами может использоваться целевая функция, характеризующая величину экономического эффекта как результат сопоставления дисконтированных величин выручки от продажи товарного газа потребителю и затрат на сооружение и эксплуатацию МГ. При этом в основу предлагаемой оптимизационной модели может быть заложен аналитический метод гидравлического расчета МГ, позволяющий с достаточной для практики точностью, определять производительность, степень сжатия газа на КС и другие технологические параметры при заданном диаметре трубопровода и рабочем давлении.

2. Экономическая эффективность МГ а условиях рыночной экономики при заданных стоимостных показателях определяется набором основных технологических параметров. Сравнение экономических показателей МГ необходимо проводить при оптимальных параметрах, определяющих экстремум целевой функции. С использованием аналитических выражений критерия оптимальности и метода множителей Лагранжа в работе предложена оптимизационная детерминированная модель МГ, позволяющая рассчитать его оптимальные технологические параметры в зависимости от заданных стоимостных показателей, которые в общем случае являются недостаточно определенными. Для нахождения оптимальных решений в условиях неопределенности исходной технико-экономической информации используются: платежная матрица, характеризующая зону неопределенности оптимальных решений, и ряд критериев, основанных на минимаксном принципе.

3. Теоретически обосновано существование предельной товарной производительности данного МГ с газотурбинными КС и получено ее аналитическое выражение. Так, для МГ протяженностью 3000 км и диаметром 1420 мм при степени сжатия газа на КС 1,44 величина предельной товарной производительности при рабочем давлении 5,5 МПа составляет 46 млрд.м3/год, а при давлении 7,45 МПа порядка 63,8 млрд.м3/год.

4. Для определения оптимальнкх параметров МГ в условиях неопределенности можно использовать платежную матрицу, представляющую совокупность значений товарной производительности, полученной в результате многовариантных детерминированных расчетов при различных сочетаниях стоимостных показателей. Выбор эффективных решений осуществляется по платежной матрице с помощью критерия максимума среднего по строкам матрицы экономического эффекта (в предположении равномерного закона их

распределения) или минимума удельных приведенных затрат, а также: максиминного критерия Вальда, критерия минимального риска Сэвиджа и критерия пессимизма-оптимизма Гурвица.

5. Резервом повышения экономической эффективности МГ в рыночных условиях является переход к оптимальной технологии -транспорта газа, отличающейся от существующей технологии в случае МГ диаметром 1420 мм на рабочее давление 7,45 МПа повышением валовой производительности с 32 до 34 млрд.м3/год за счет снижения степени сжатия газа на КС с 1,44 до 1,22 - 1,23 и уменьшения среднего шага КС со 150 км до 75 км. Переход от существующей технологии перекачки газа к оптимальной увеличит экономический эффект за весь срок эксплуатации МГ в среднем на 6%.

6. Результаты многовариантных расчетов показывают, что отклонение основных стоимостных показателей в пределах +10% и +20% приводит соответственно к изменению относительного экономического эффекта на 1,5-2%.

7. При существующей в настоящее время схеме ценообразования переход на оптимальную технологию перекачки газа для однониточного МГ из труб диаметром 1420 мм на рабочее давление 7,45 МПа приведет к увеличению годовой прибыли от его продажи приблизительно на 13 млн.долларов США при поставке газа из СРТО в Центр.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Щербатенко И.В., Иванова Е.П. Выбор параметров систем газопроводов при проектировании. - Тезисы докладов Ш-ей Всесоюзной научно-технической конференции "Трубопроводный транспорт нефти и газа". - Ивано-Франковск: ИФИНГ, 1983, с.73.

2. Щербатенко И.В., Борисенко Т.М., Иванова Е.П. Гидравлический расчет магистрального газопровода. - В сб. "Повышение эффективности трубопроводного транспорта". - М.: ИКТП при Госплане СССР, 1983, вып. 100, с.50-70.

3. Иванова Е.П., Щербатенко И.В. Задача оптимизации параметров магистральных газопроводов в условиях неопределенности исходной информации. - В сб. "Экономико-математические модели планирования транспорта и опыт их использования". - М.: ИКТП при Госплане СССР, 1988, вып. 124, с.169-185.

4. Иванова Е.П., Щербатенйо И.В. Выбор параметров систем газопроводов при проектировании с учетом неопределенности исходной информации. - Тезисы докладов научно-технического семинара "Опыт внедрения достижений научно-технического прогресса в практику проектирования объектов нефтяной и газовой промышленности". - Киев: ВНИПИтрансгаз, 1988.

5. Иванова Е.П., Щербатенко И.В. Опережающий ввод линейной части магистральных газопроводов - резерв экономии топливного газа. - В сб.: Экономика, организация управления нефтегазовым строительством. - М.: ВНИИПКТОНГС, 1989, с.65-76.

6. Щербатенко И.В., Иванова Е.П. Оптимизация параметров магистральных газопроводов в условиях неопределенности исходной информации. - Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1990, N 2, с. 139-149.

7. Щербатенко И.В., Иванова Е.П. Повышение эффективности магистрального транспорта газа. - Газовая промышленность, 1991, N 3, с.14-16.

8. Щербатенко И.В., Иванова Е.П. Оптимизация параметров магистральных газопроводов в рыночных условиях. - Газовая промышленность, 1998, N 2, с. 15-

18.

Соискатель

Иванова Е.П.

Введение.

1. Математические модели и методология анализа эффективности транспорта газа в условиях неопределенности технологических и экономических показателей.

Выводы к главе

2. Математическое моделирование процесса выбора оптимальных параметров магистральных газопроводов.

2.1. Описание критериев выбора оптимальных параметров магистральных газопроводов в плановой 'Экономике.

2.2. Описание критериев выбора ойтимальных параметров магистральных газопроводов в рыночной экономике.

Выводы к главе 2.

3. Разработка методики расчета технологических параметров транспорта природного газа по магистральному газопроводу.

3.1. Расчетная схема и аналитический метод расчета технологических параметров магистрального газопровода.

3.2. Сравнительный анализ результатов расчетов технологических параметров транспорта газа численным и аналитическим методами.

3.3. Определение предельной степени форсирования товарной производительности магистрального газопровода.

Выводы к главе 3.

4. Моделирование процесса оптимизации показателей транспорта газа по магистральному трубопроводу.

4.1. Оптимизационная детерминированная модель магистрального газопровода в условиях плановой экономики.

4.2. Оптимизационная детерминированная модель магистрального газопровода в условиях рыночной экономики.

Выводы к главе 4.

5. Исследование оптимальных решений в условиях неопределенности исходной технико-экономической информации.

5.1. Определение зоны неопределенности оптимальных решений на основе платежной матрицы.

5.2. Анализ результатов оптимизации параметров магистральных газопроводов в условиях реализации рыночной и плановой экономики.

Выводы к главе 5.

Выводы.

В настоящее время в стране создана и успешно функционирует одна из крупнейших в мире по мощности и протяженности единая система газоснабжения (ЕСГ) [72]. Дальнейшие перспективы развития газодобывающей промышленности связаны с освоением ресурсов Западной Сибири и, в частности, полуострова Ямал [38,57,58,74].

Превращение столь отдаленных от основных газопотребляющих районов страны месторождений природного газа в основную сырьевую базу отрасли привело к резкому росту общих капиталовложений, необходимых для ее развития. Наибольшая доля капиталовложений приходится на развитие системы магистральных газопроводов (МГ) [33], что в первую очередь связано с увеличением средней дальности транспорта газа и удорожанием строительно-монтажных работ (СМР) в районах со сложными природно-климатическими условиями [31,39]. Соответственно возросли удельные металло- и энергозатраты на сооружение и эксплуатацию МГ.

Основным направлением повышения эффективности магистрального транспорта газа является широкое использование прогрессивных технических решений, таких как увеличение в общей протяженности доли газопроводов большого диаметра 1220 и 1420 мм, рост единичной мощности газоперекачивающих агрегатов (ГПА) до 16 и 25 МВт, автоматизация компрессорных станций (КС) и др.

Однако уровень влияние научно-технического прогресса (НТП) на трубопроводном транспорте газа в 3 - 5 раз слабее действия перечисленных выше отрицательно действующих факторов [51-53] и недостаточен для преодоления тенденций ухудшения экономических показателей.

В этих условиях чрезвычайную важность приобретает оптимизация технологических параметров МГ на стадии проектирования [1,56,62,73]. При резко возросших капиталовложениях в каждый отдельный объект МГ даже относительно небольшое снижение затрат в результате оптимизации его параметров приведет к существенной экономии капиталовложений на стадии сооружения МГ и эксплуатационных затратах в процессе его работы.

Проблемы оптимизации технико-экономических параметров МГ были предметом изучения многих исследователей: Галиуллина З.Т., Леонтьева Е.В., Хромова Ю.В., Штеле Л.А., Сухарева М.Г., Ставровского Е.Р., Кривошеина Б.Л., Смирнова В.А., Брянских В.Е., Щербатенко И.В., Фурмана И.Я., Чернобыльского М.В., Юнкера Б.М., Ксенза Б.И. и др. Однако, ввиду того, что в качестве критерия оптимизации параметров МГ достаточно часто использовались принятые в плановой экономике приведенные затраты, полученные результаты частично утратили свою научную ценность из-за изменившихся экономических условий -перехода от плановой к рыночной экономике.

В период становления рыночных отношений для выбора оптимальных параметров используются новые экономические критерии, позволяющие учитывать во времени всю совокупность факторов, определяющих формирование и величину стоимостной оценки результатов и затрат при сооружении и эксплуатации МГ.

Необходимым условием использования новых критериев является высокая степень развития экономической самостоятельности участвующих в сооружении МГ демонополизированных предприятий - поставщиков технологического оборудования и строительных организаций, продукция и услуги которых реализуются по свободным ценам, устанавливаемым в результате конкуренции.

Используемые в рыночной экономике критерии эффективности должны реально оценивать экономическую выгоду того или иного технологического варианта МГ с учетом всего многообразия факторов, влияющих на формирование результатов от сооружения МГ, определяемых, например, как выручка от продажи товарного газа потребителю, и связанных с получением этих результатов затрат.

В подавляющем большинстве работ по обоснованию оптимальных параметров МГ в качестве основного результата исследования приводятся количественные оценки этих параметров для некоторых конкретных значений исходных стоимостных показателей, т.е. решается оптимизационная задача в детерминированной постановке. Однако, как показал опыт сооружения и эксплуатации МГ, им объективно присуще свойство недетерминированности, проявляющееся, как правило, в неполноте и недостоверности исходной, главным образом стоимостной, информации. В связи с этим детерминированный подход к оптимизации параметров МГ приходит в противоречие с действительностью, когда параметры МГ, найденные с помощью детерминированной оптимизационной модели, являются оптимальными лишь при заданных исходных данных.

Таким образом, разработка методологии анализа эффективности транспорта газа в рыночных условиях с учетом неопределенности исходной технико-экономической информации, когда внешние условия могут изменяться по сравнению со средними значениями, принимаемыми при решении детерминированной задачи, является актуальной и своевременной при планировании сооружения систем магистрального трубопроводного транспорта.

Научная новизна работы состоит в следующем: • разработан аналитический метод гидравлического расчета МГ с газотурбинными КС, позволяющий с достаточной для практики точностью, связать производительность МГ с его основными технологическими параметрами;

• разработана оптимизационная детерминированная модель МГ для условий рыночной экономики, позволяющая рассчитать оптимальные технологические параметры МГ в зависимости от величины заданных стоимостных показателей;

• разработан соответствующий инструментарий для выполнения прогнозных исследований, включающий в себя: методологию обоснования предельной товарной производительности МГ; методику определения предельной степени форсирования товарной производительности МГ при постоянной степени сжатия газа за счет увеличения количества КС; методику определения оптимальных параметров МГ в условиях неопределенности исходной стоимостной информации с использованием минимаксных критериев;

• разработан алгоритм расчета оптимальных параметров МГ в условиях рыночной экономики с учетом неопределенности исходной стоимостной информации, реализация которого позволила получить конкретные рекомендации для МГ диаметром 1420 мм на рабочее давление 7,45 МПа.

Представляемые в работе подходы и модели [28-30,75,76,78-80] могут служить методологической основой при обосновании технологических параметров вновь сооружаемых или реконструируемых МГ в условиях рыночной экономики. Разработанные методы позволяют выбрать оптимальные параметры МГ и тем самым существенно повысить их экономическую эффективность по сравнению с существующими.

Выполненные исследования связаны с реализацией насущных задач по обеспечению высоконадежного трубопроводного транспорта. Исследования выполнялись в соответствии с комплексной научно-технической программой РАО ГАЗПРОМ - "Высоконадежный трубопроводный транспорт". Практическая ценность исследований заключается в целесообразности использования разработанных алгоритмов при компьютерной реализации пакета программ: оптимизация эксплуатационных показателей магистральных газопроводов 8 программный продукт системы PLSystem / OPRating (Pipeline System / Optimize for Rating) - Москва: ИНЭИ PAH, 1999.

На основе представленных в диссертации модельных исследований были разработаны программные алгоритмы, которые в настоящее время используются в ИНЭИ РАН, НЛП "СТРОЙПРОЕКТСЕРВИС" и Управлении РАО ГАЗПРОМ при решении задач перспективного развития энергосистем.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Ш-ей Всесоюзной научно-технической конференции "Трубопроводный транспорт нефти и газа" (г. Ивано-Франковск, 1983) и научно-техническом семинаре "Опыт внедрения достижений научно-технического прогресса в практику проектирования объектов нефтяной и газовой промышленности" (г. Киев, 1988).

Выводы к главе 5.

Переход от существующей к оптимальной технологии транспорта газа является существенным резервом повышения экономической эффективности МГ. В зависимости от представления стоимостных показателей (в мировых или сметных ценах 1984 года) и возможного их изменения в пределах ±10% и ±20% относительный экономический эффект за весь срок эксплуатации данного МГ в результате перехода на оптимальную технологию возрастет на 4,6 -ь 5,3%.

Форма экономических отношений оказывает принципиальное влияние на результаты оптимизационных расчетов.

105

При плановой экономике переход от существующей технологии транспорта газа к оптимальной для МГ диаметром D = 1420 мм на рабочее давление Р„ = 7,45 МПа сопровождается снижением валовой производительности с QB = 32x109 м3/год до QB = 26x109 -г 27x109 м3/год в результате повышения степени сжатия газа на КС с s = 1,44 до s = 1,48 и соответствующего увеличения среднего шага КС со 150 км до 200 км в случае прокладки МГ в Северных районах европейской части страны или в результате снижения степени сжатия до г = 1,32 и увеличения среднего шага КС до 143 км при прокладке МГ в центральных районах страны.

При рыночной экономике переход от существующей к оптимальной технологии транспорта газа выражается в увеличении валовой производительности МГ с QB = 32x109 м3/год приблизительно до QB = 34x109 м3/год в результате снижения степени сжатия газа на КС с s = 1,44 до е = 1,22 -г 1,23 и соответствующего уменьшения среднего шага КС со 150 до 75 км.

1. В связи с переходом к рыночной экономике в качестве критерия оптимальности параметров МГ наряду с приведенными затратами может использоваться целевая функция, характеризующая величину экономического эффекта как результат сопоставления дисконтированных величин выручки от продажи товарного газа потребителю и затрат на сооружение и эксплуатацию МГ. При этом в основу предлагаемой оптимизационной модели может быть заложен аналитический метод гидравлического расчета МГ, позволяющий с достаточной для практики точностью, определять производительность, степень сжатия газа на КС и другие технологические параметры при заданном диаметре трубопровода и рабочем давлении.

2. Экономическая эффективность МГ в условиях рыночной экономики при заданных стоимостных показателях определяется набором основных технологических параметров. Сравнение экономических показателей МГ необходимо проводить при оптимальных параметрах, определяющих экстремум целевой функции. С использованием аналитических выражений критерия оптимальности и метода множителей Лагранжа в работе предложена оптимизационная детерминированная модель МГ, позволяющая рассчитать его оптимальные технологические параметры в зависимости от заданных стоимостных показателей, которые в общем случае являются недостаточно определенными. Для нахождения оптимальных решений в условиях неопределенности исходной технико-экономической информации используются: платежная матрица, характеризующая зону неопределенности оптимальных решений, и ряд критериев, основанных на минимаксном принципе.

3. Теоретически обосновано существование предельной товарной производительности данного МГ с газотурбинными КС и получено ее аналитическое выражение. Так, для МГ протяженностью 3000 км и диаметром 1420 мм при степени сжатия газа на КС 1,44 величина предельной товарной производительности при рабочем давлении 5,5 МПа составляет 46 млрд.м3/год, а при давлении 7,45 МПа порядка 63,8 млрд.м3/год.

4. Для определения оптимальных параметров МГ в условиях неопределенности можно использовать платежную матрицу, представляющую совокупность значений товарной производительности, полученной в результате многовариантных детерминированных расчетов при различных сочетаниях стоимостных показателей. Выбор эффективных решений осуществляется по платежной матрице с помощью критерия максимума среднего по строкам матрицы экономического эффекта (в предположении равномерного закона их распределения) или минимума удельных приведенных затрат, а также: максиминного критерия Вальда, критерия минимального риска Сэвиджа и критерия пессимизма-оптимизма Гурвица.

5. Резервом повышения экономической эффективности МГ в рыночных условиях является переход к оптимальной технологии транспорта газа, отличающейся от существующей технологии в случае МГ диаметром 1420 мм на рабочее давление 7,45 МПа повышением валовой производительности с 32 до 34 млрд.м3/год за счет снижения степени сжатия газа на КС с 1,44 до 1,22 - 1,23 и уменьшения среднего шага КС со 150 км до 75 км. Переход от существующей технологии перекачки газа к оптимальной увеличит экономический эффект за весь срок эксплуатации МГ в среднем на 6%.

6. Результаты многовариантных расчетов показывают, что отклонение основных стоимостных показателей в пределах +10% и +20% приводит соответственно к изменению относительного экономического эффекта на 1,5-2%. При существующей в настоящее время схеме ценообразования переход на оптимальную технологию перекачки газа для МГ из труб диаметром 1420 мм на

1. Бакаев A.A., Олеярш Г.Б., Иванина Д.С. и др. Математическое моделирование при проектировании магистральных трубопроводов. - Киев: Наукова думка, 1990. - 168 с.

2. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования. М.: Наука, 1965.

3. Беляев Л.С. Решение сложных оптимизационных задач в условиях неопределенности. Новосибирск: Наука, 1978. - 180 с.

4. Белоусов В.Д., Блейхер Э.М., Немудров AT. и др. Трубопроводный транспорт нефти и газа. М.: Недра, 1978. - 407 с.

5. Борисенко Т.М. Оценка основных направлений научно-технического прогресса на транспорте газа. М.: Тр. ИКТП, вып. 85,1981, с.5-20.

6. Борисенко Т.М. Метод оценки тенденций научно-технического прогресса на трубопроводном транспорте газа. М.: Тр. ИКТП, вып. 100, 1983, с.5-20.

7. Брянских В.Е. Оптимальная раскладка лупингов при развитии действующих газопроводов. В сб.: Транспорт и хранение газа. - М.: ВНИИЭгазпром, 1974, N4.

8. Вассерман В.О. и др. Исследование влияния погрешности исходных данных на конечные результаты при проектировании магистральных газопроводов. -В сб.: Транспорт и хранение газа. М.: ВНИИЭгазпром, вып. 3, 1973. - 42 с.

9. Вассерман В.О., Пастернак В.И., Степенская Г.С. и др. Оптимизационныепараметры однониточных газопроводов. В сб.: Транспорт и хранение газа. -М.: ВНИИЭгазпром, вып. 6, 1973. - 54 с.

10. Вентцель Е.С. Исследование операций. М.: Советское радио, 1972. - 552 с.

11. Вольский Э.Л., Константинова И.М. Режим работы магистрального газопровода. Л.: Недра, 1970. - 168 с.

12. Галиуллин З.Т., Леонтьев Е.В., Стурейко О.П. К вопросу об увеличении производительности магистральных газопроводов в летний период. В сб.: Повышение эффективности и надежности газотранспортных систем. - М.: ВНИИГАЗ, 1982, с.3-16.

13. Галиуллин З.Т., Леонтьев Е.В., Хромов Ю.В. К вопросу о низконапорной технологии транспорта газа. В сб.: Повышение эффективности и надежности газотранспортных систем. М.: ВНИИГАЗ, 1982, с. 171-179.

14. Галиуллин З.Т., Леонтьев Е.В., Нейтур С.Х. Влияние проектных параметров газопроводов на энергоемкость транспорта газа. Газовая промышленность, 1982, N3,0.27-29.

15. Галиуллин З.Т., Леонтьев Е.В., Хромов Ю.В., Штеле Л.А. Оптимизация параметров магистральных газопроводов методом базовой точки. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1984, N 3, с.130-136.

16. Галиуллин З.Т., Леонтьев Е.В., Хромов Ю.В., Штеле Л.А., Юнкер Б.Б. Оптимизация параметров магистральных газопроводов. В сб.: Транспорт и хранение газа. - М.: ВНИИЭгазпром, вып. 7,1984. - 56 с.

17. Галиуллин З.Т., Леонтьев Е.В., Хромов Ю.В. Универсальный метод оптимизации параметров магистральных газопроводов. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1985, N 4, с.83-89.

18. Галиуллин З.Т., Черникин В.И. Новые методы проектирования газопроводов. -М.: Недра, 1978.-407 с.

19. Галустова Л.А., Шор Н.З., Розен Н.Е. и др. Алгоритмы оптимизации для решения задач развития единой системы газоснабжения. Газоваяпромышленность, 1978, N 11, с.16-18.

20. Гарляускас А.И. и др. Методические указания по выбору оптимальных параметров магистральных газопроводов с учетом неопределенности исходных данных. М.: ВНИИЭгазпром, 1974. - 36 с.

21. Гарляускас А.И., Калика В.И., Фарфель С .Я. Учет неопределенности исходной информации при решении задачи перспективного развития газоснабжающих систем. М.: ВНИИЭгазпром, 1978. - 32 с.

22. Городецкий В.И. Исследование оптимальных параметров и технико-экономических систем дальнего транспорта газа. В сб.: Транспорт и хранение газа. - М.: ВНИИЭгазпром, 1972. - 31 с.

23. Гольдзберг B.JL, Двойрис А.Д., Кривошеин Б.Л. Расчет параметров трубопроводного транспорта охлажденного газа. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1978, N 1, с. 149-155.

24. Грачев В.В., Ксенз Б.И. Газотранспортная система: альтернатива параметров. Газовая промышленность, 1981, N 5, с. 13-14.

25. Дерцакян Л.К. Справочник по проектированию магистральных газопроводов. -Л.: Недра, 1977.-280 с.

26. Двойрис А. Д. Научно-технический прогресс на магистральном транспорте газа. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1985, N 1, с. 141-151.

27. Иванова Е.П., Щербатенко И.В. Опережающий ввод линейной части магистральных газопроводов резерв экономии топливного газа. - В сб.: Экономика, организация управления нефтегазовым строительством. - М.: ВНИИПКТОНГС, 1989, с.65-76.

28. Короленок A.M., Колотилов Ю.В., Михайличенко С.А., Унтилов C.B., Черний В.П. Влияние термогазодинамических режимов на конструктивные параметры газопровода. М.: ИРЦ Газпром, 1996. - 76 с.

29. Кривошеин Б.Л., Тугунов П.И. Магистральный трубопроводный транспорт (физико-технический и технико-экономический анализ). М.: Наука, 1983. -238 с.

30. Кривошеин Б.Л., Агапкин В.М., Колотилов Ю.В. и др. Методические указания к расчету технико-экономических показателей строительства газотранспортных систем. М.: ВНИИПКТОНГС, 1988. - 33 с.

31. Леонтьев Е.В., Хромов Ю.В., Лернер Б.М., Коршунов В.М. Новые критерии оптимизации параметров магистральных газопроводов. В сб. Повышение эффективности и надежности газотранспортных систем. - М.: ВНИИГАЗ, 1992, с.3-8.

32. Ляуконис А.Ю. Выбор оптимальных параметров систем газоснабжения с учетом экономической неопределенности. В сб.: Экономика, организация и управление в газовой промышленности. - М.: ВНИИЭгазпром, вып. 7, 1979. -36 с.

33. Макаров A.A., Мелентьев Л.А. Методы исследования и оптимизации энергетического хозяйства. М.: Наука, 1973. - 273 с.

34. Макаров A.A., Вигдорчик А.Г. Топливно-энергетический комплекс. М.: Наука, 1979. - 279 с.

35. Макаров A.A., Боксерман Ю.И., Ставровский Е.Р. и др. Стратегия развития газовой промышленности России. М.: Энергоатомиздат, 1997. - 344 с.

36. Мазур И.И. Экология нефтегазового комплекса. Наука. Техника. Экономика. -М.: Недра, 1993. -496 с.

37. Мелентьев JI.A. Системные исследования в энергетике. М.: Наука, 1983. -456 с.

38. Методические рекомендации по технико-экономическому обоснованию проектных решений в энергетике при неоднозначности исходной информации. М.: АН СССР, Научный совет по комплексным проблемам энергетики, 1988. - 76 с.

39. Методические положения по выполнению оптимизационных расчетов в энергетике при неоднозначности исходной информации. М.: АН СССР, Научный совет по комплексным проблемам энергетики, 1977.

40. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. М.: 1994. - 80 с.

41. Методические рекомендации по комплексной оценке эффективности мероприятий, направленных на ускорение научно-технического прогресса. -М.: АН СССР, ГКНТ СМ СССР, 1989. 117 с.

42. Михалевич B.C., Шор Н.З., Галустова JI.A. и др. Вычислительные методы выбора оптимальных решений. Киев: Наукова думка, 1977. - 176 с.

43. Нормативы удельных капиталовложений (УКВ) на 1986-1990 годы и на период до 2000 года. М.: Мингазпром, 1986. - 59 с.

44. ОНТП 51-1-85. Общесоюзные нормы технологического проектирования. Магистральные трубопроводы. Газопроводы. М.: Мингазпром, т. 1, 1985. -220 с.

45. Орлов Р.В. Методические принципы формирования системы цен и тарифов наприродный газ в общей цепи газоснабжения. Вестник ФЭК России, 1998, N 7-8, с.90-92.

46. РТМ 1035-86. Нормативы стоимости строительства и эксплуатации газопроводов и сооружений на них. Киев: ВНИПИтрансгаз, 1986. - 119 с.

47. Смирнов В.А. Единая газоснабжающая система. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1970, N 2, с.66-74.

48. Смирнов В.А. Газовая промышленность. Экономика и организация производства, 1975, N 5.

49. Смирнов В.А. О концепции долгосрочного развития Единой газоснабжающей системы страны. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1981, N 4.

50. Смирнов В.А., Ляуконис А.Ю. Вероятностные свойства экономической , информации и учет в экономических сопоставлениях. Экономика газовойпромышленности, 1973, N 3.

51. Синицын С.Н., Леонтьев Е.В., Барцев И.В. Параметры и схемы компримирования линейных КС большой производительности. М.: ВНИИГАЗ, 1970.

52. СНиП 2.05.06.-85. Магистральные трубопроводы. Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. 52 с.

53. Ставровский Е.Р., Вольский Э.Л., Колотилов Ю.В. и др. Концепция надежности Единой системы газоснабжения Российской Федерации и методы оценки надежности ее функционирования. М.: ИНЭИ РАН, 1994. - 81 с.

54. Ставровский Е.Р. Методы исследования надежности Единой системы газоснабжения и экономических механизмов управления ею. Известия АН. Энергетика, 1995, N 6, с.71-79.

55. Сухарев М.Г., Ставровский Е.Р. Оптимизация систем транспорта газа. М.: Недра, 1975. - 275 с.

56. Сухарев М.Г., Ставровский Е.Р. Расчеты систем транспорта газа с помощью вычислительных машин. М.: Недра, 1971. - 298 с.

57. Сухарев М.Г., Ставровский Е.Р., Брянских В.Е. Оптимизационное развитие систем газоснабжения. М.: Недра, 1981. - 294 с.

58. Сухарев М.Г. и др. Надежность систем энергетики и их оборудования: Справочник. Надежность систем газо- и нефтеснабжения. М.: Недра, т. 1, 1994. -414 с.

59. Титов Е.С. Гидравлический расчет системы магистральных газопроводов. -М.: Центр научно-технической информации Мингазпрома, 1965. 73 с.

60. ТЭО "Система магистральных газопроводов СРТО-Торжок, СРТО-Нечерноземье". Общая пояснительная записка. Оптимизация основных технологических параметров системы. Донецк: ЮжНИИГипрогаз, ВНИИГАЗ, т. 1,1992. - 203 с.

61. Фурман И.Я. Экономика магистрального транспорта газа. М.: Недра, 1978. -281 с.

62. Фурман И.Я. Экономические проблемы повышения эффективности магистрального транспорта газа. Автореферат докторской диссертации. - М.: МИНХиГП, 1981.-48 с.

63. Фурман И.Я. О выборе оптимального шага между компрессорными станциями магистральных газопроводов. Тезисы Всесоюзной конференции "Оптимизация трубопроводного транспорта". - Киев: ВНИПИтрансгаз, 1979, С. 65-68.

64. Фурман И.Я., Чернобыльский М.Б. Критерии выбора оптимального шага между компрессорными станциями. Газовая промышленность, 1980, N 11, с.27-30.

65. Фурман И.Я., Чернобыльский М.Б. Энергосберегающее направление развития магистрального транспорта газа. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1988, N 6, с.137-145.

66. Ходанович И.Е. Аналитические основы проектирования и эксплуатации магистральных газопроводов. М.: Гостоптехиздат, 1961. - 123 с.

67. Чернобыльский М.Б., Шор Л.Д. Резервы снижения трудовых затрат на транспорте газа. Газовая промышленность, 1985, N 12, с.21-23.

68. Чирсков В.Г., Иванцов О.М., Кривошеин Б.Л. Сооружение системы газопроводов Западная Сибирь Центр страны. - М.: Недра, 1986. - 304 с.

69. Чирсков В.Г. Организационно-технологическое проектирование сооружения систем магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1989. - 198 с.

70. Шапиро В.Д., Красулин И.Д., Ставровский Е.Р. и др. Нормирование надежности газопроводов. М.: ИНЭИ РАН, 1994. -167 с.

71. Щербатенко И.В., Борисенко Т.М., Иванова Е.П. Гидравлический расчет магистрального газопровода. В сб.: Повышение эффективности трубопроводного транспорта. - М.: ИКТП при Госплане СССР, 1983, вып. 100, с.50-70.

72. Щербатенко И.В., Иванова Е.П. Выбор параметров систем газопроводов при проектировании. Тезисы докладов Ш-ей Всесоюзной научно-технической конференции "Трубопроводный транспорт нефти и газа". - Ивано-Франковск: ИФИНГ, 1983, с.73.

73. Щербатенко И.В., Борисенко Т.М. Определение технико-экономических параметров газотранспортных систем в динамике. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1986, N 6, с. 138-146.

74. Щербатенко И.В., Иванова Е.П. Оптимизация параметров магистральных газопроводов в условиях неопределенности исходной информации. Известия АН СССР, Энергетика и транспорт, 1990, N 2, с. 139-149.

75. Щербатенко И.В., Иванова Е.П. Повышение эффективности магистрального транспорта газа. Газовая промышленность, 1991, N 3, с.14-16.

76. Щербатенко И.В., Иванова Е.П. Оптимизация параметров магистральных газопроводов в рыночных условиях. Газовая промышленность, 1998, N 2, с.15-18.

77. Юнкер Б.М., Ксенз Б.И. Энергоемкость магистрального транспорта газа.7/У

78. Открытое акционерное общество1. ГАЗПРОМ"

79. Управление прогнозирования перспективного развития117884, ГСП, Москва, В-420, ул. Наметкина, 16, телефон 719-30-01, факс 719-83-33 телекс 411467 GAZ RU

80. ПАУ-ШО-ИРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕтел.: (095)921-05-34;095. 923-42-91; факс: (095) 923-42-911. Отрой ПО1. РФ, 101000

81. Москва, Милютинский пер., дом 14, строение 61. СПРАВКА О ВНЕДРЕНИИ

82. Указанные разработки могут быть рекомендованы для использования в научных производственных фирмах, занимающихся вопросами эффективности строительства энергетических систем.1. Фридман Ю.С.