автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Разработка методов и инструментальных средств для расчета технологически допустимых режимов работы трубопроводных сетей

На правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ Александр Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ ДОПУСТИМЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТРУБОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05 13 18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск-2007

003065743

Работа выполнена в Институте систем энергетики им Л А Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН, г Иркутск

Научный руководитель - доктор технических наук,

Николай Николаевич Новицкий

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

Виктор Романович Чупин

кандидат технических наук, Олег Николаевич Войтов

Ведущая организация - Российский государственный

университет нефти и газа им И.М Губкина

Защита состоится 9 октября 2007 г в 9 часов 00 минут в аудитории 355 на заседании Диссертационного совета Д 003 017 01 при Институте систем энергетики им Л А Мелентьева СО РАН по адресу 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 130

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им Л А Мелентьева СО РАН

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу 664033, Иркутск, ул Лермонтова, 130, на имя ученого секретаря диссертационного совета

Автореферат разослан 07 сентября 2007 г Ученый секретарь

диссертационного совета Д 003 017 01,

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Функционирование трубопроводных систем (тепло, водо-, нефте-, газоснабжения и др ) осуществляется в условиях переменности структуры, параметров и режимов их работы под воздействием многочисленных внешних и внутренних факторов систематического и случайного характера, что уже само по себе определяет сложность задач управления и актуальность его автоматизации на основе применения современных методов математического моделирования и вычислительной техники

Становление рыночных отношений между поставщиками и потребителями, смежными системами и контролирующими органами ужесточают требования к эффективности и надежности трубопроводных систем (ТПС), к качеству и бесперебойности снабжения потребителей, выполнения договорных и экспортных поставок Удовлетворение этих требований вступает в противоречие с низкой технологичностью процессов управления на фоне общего старения оборудования, существенного изменения структуры и уровня нагрузок, когда подавляющее большинство ТПС вынужденно работают в непроектных режимах, в узкой допустимой области, а зачастую и с ее нарушениями Особенно остро эти проблемы стоят для ТПС сложной многоконтурной структуры вследствие жесткой гидравлической взаимосвязи режимов работы всех элементов

Это, в свою очередь, выводит на передний план необходимость развития существующих и разработки специальных методов расчета и количественного обоснования технологически допустимых и оптимальных режимов работы ТПС с гибким учетом технологических ограничений и требований, в том числе налагаемых на само управление как непрерывного, так и дискретного характера На практике при решении указанных задач все еще используются методы расчета потокораспределения при всей трудоемкости и слабой регламентированности такого подхода

Применение методов математического моделирования при управлении режимами ТПС также во многом сдерживается отсутствием универсальных средств интеграции новых информационных технологий и методов решения режимно-технологических задач для ТПС произвольного типа и назначения Наибольший эффект от разработки соответствующего методического и программного обеспечения может быть достигнут на межотраслевом уровне вследствие большой степени общности содержательных и математических постановок задач расчета режимов различных ТПС Это может быть обеспечено на базе'

сформулированного и развиваемого в ИСЭМ СО РАН научного направления -теории гидравлических цепей, с учетом накопленного здесь опыта в области математического моделирования, анализа и синтеза трубопроводных и гидравлических систем

Цель и задачи работы. Цель работы - разработка методов и информационно-вычислительной среды для решения комплексной задачи расчета технологически допустимых гидравлических режимов многоконтурных ТПС

Для достижения этой цели в работе ставились следующие задачи

1 Формализация дискретно-непрерывной математической модели управляемого потокораспределения и задач комплексного расчета технологически допустимых гидравлических режимов

2 Разработка и исследование алгоритма совместного поиска комбинаций насосных агрегатов и положения дросселирующих органов для обеспечения допустимости гидравлических режимов

3 Разработка и исследование подходов для оптимизации режимов по технологическим критериям

4 Программная реализация алгоритмов расчета технологически допустимых гидравлических режимов

5 Разработка информационно-вычислительной среды как универсального интерфейса пользователя для компьютерного моделирования ТПС

6. Апробация разработанного программного и алгоритмического обеспечения для расчета режимов ТПС на примере систем поддержания пластового давления (СППД)

Научная новизна. Впервые на межотраслевом уровне предпринята попытка комплексного исследования задач расчета технологически допустимых гидравлических режимов многоконтурных ТПС, что позволило получить следующие результаты

1 Построены новые дискретно-непрерывные модели управляемого установившегося потокораспределения, обеспечивающие возможность постановки и решения задач расчета допустимых и оптимальных гидравлических режимов при произвольных схемах соединения насосов на активных элементах расчетной схемы

2 Разработан и реализован оригинальный алгоритм совместного поиска комбинаций насосных агрегатов и положения дросселирующих органов для обеспечения допустимости гидравлических режимов, основанный на сочетании

методов последовательного сужения области работы активных элементов и методов расчета допустимого режима ТПС по непрерывным переменным

3 Предложено и исследовано три подхода для дискретно-непрерывной оптимизации режимов В том числе разработан новый метод, основанный на многократном применении алгоритма поиска допустимого режима, обладающий свойством инвариантности к виду привлекаемых критериев, и потенциально, применимый в случае поиска решения по нескольким предварительно ранжированным критериям

4 Разработана универсальная структура базы данных, а также инструментальное средство ее поддержки, обеспечивающие возможность интерактивной настройки баз данных на любые типы ТПС и классы решаемых задач с учетом возможности иерархического представления расчетных схем

5 Создан универсальный графический интерфейс пользователя (информационно-вычислительная среда), обеспечивающий возможность интеграции информационного и вычислительного окружения для решения задач компьютерного моделирования ТПС произвольного типа и назначения

Практическая ценность и реализация работы. Разработанное методическое, алгоритмическое и программное обеспечение может быть использовано при разработке автоматизированных систем диспетчерского управления для решения задач планирования и оперативного управления гидравлическими режимами работы СППД, ТПС тепло-, водо- и газоснабжения, технологического назначения и других Оно также может быть использовано для анализа реализуемости проектных решений и управляемости проектных схем ТПС при возможных отклонениях от расчетных условий, а также в исследовательских и учебных целях

Применение разработанного алгоритмического и программного продукта позволит обеспечить 1) эффективность процессов расчета режимов при их планировании и диспетчерском управлении за счет сокращения непроизводительных затрат на поиск допустимых и оптимальных решений традиционными способами многовариантных гидравлических расчетов, 2) надежность решений по организации режимов за счет учета разнообразных технологических ограничений и требований, 3) повышение степени технологической приемлемости и реализуемости экономически оптимальных режимов

Построенные математические модели, методы и алгоритмы поиска допустимых и оптимальных режимов реализованы в виде программного модуля,

который был апробирован на реальных СППД нефтяных месторождений Западной Сибири (Ноябрьск, Самотлор, ПерьмОйл, Мамонтовнефть и др) Информационно-вычислительная среда (ИВС) и программный модуль для расчета допустимых и оптимальных режимов, совместно с комплексом программ «ДисППД», были использованы в ОАО «СибНИИЭНГ» (г Тюмень) при разработке рекомендаций по оптимизации режимов СППД нефтяных месторождений Западной Сибири

ИВС в составе ПВК «АНГАРА» внедрена в практику разработки эксплуатационных режимов и диспетчерского управления на предприятиях тепловых сетей ОАО «Иркутскэнерго» (в городах Иркутск, Ангарск, Братск, Железно-горек, Черемхово), других организациях страны, а также за рубежом (Национальный диспетчерский центр энергосистемы Монголии)

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях молодых специалистов ИСЭМ СО РАН в 2001-2004г, 2006г, Всероссийских конференциях «Информационные и математические технологии» 2004-2007г, Всероссийских семинарах с международным участием «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем» (Туапсе, 2002г, Минск, 2004г, Санкт-Петербург, 2006г), международной конференции по проблемам энергетики в Улан-Баторе в 2005г

Отдельные результаты данной работы вошли в проект «Разработка методического обеспечения для решения задач организации энергоэффективных те-плогидравических режимов работы теплоснабжающих систем на базе методов теории гидравлических цепей и современных информационных технологий», занявший 2 место в конкурсе исследовательских грантов молодежной программы фонда «Глобальная энергия» в 2005 году Результаты, представленные в главе 3, вошли в проект «Разработка интегрированной информационно-вычислительной среды для компьютерного моделирования трубопроводных систем энергетики на базе методов теории гидравлических цепей» программы ОЭММПУ РАН

Публикации. Основное содержание работы отражено в 17 публикациях, в том числе, в центральных изданиях 4, из них 1- в журнале «Известия РАН Энергетика», 3 - в коллективных монографиях Еще 3 публикации находятся в печати

Объем и структура работы Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (91 наименование) и приложения Изложена на 122 страницах, содержит 26 рисунков, 4 таблицы

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследования, определена его научная новизна и практическая ценность

В первой главе, имеющей обзорно-постановочный характер, дается краткая характеристика современных ТПС, сложившейся практики, проблем и способов управления режимами, уровня автоматизации и применения современных методов математического моделирования, вычислительной техники, новых информационных технологий Выполнен анализ научно-методических работ в области расчета режимов ТПС Дана содержательная постановка целей и задач исследования

Задачи оптимизации режимов магистральных газо- и нефтепроводов исследовались в работах М Г Сухарева, Е Р Ставровского Наиболее развернуто задачи оптимизации потокораспределения и управления режимами работы многоконтурных инженерных сетей исследовались в работах А Г Евдокимова и А Д Тевяшева В ИСЭМ СО РАН предлагалось для оптимизации режимов использовать метод многоконтурной оптимизации, разработанный первоначально для структурной оптимизации ТПС в рамках научной школы В Я Хаси-лева и А П Меренкова

Проведенный обзор литературы показал, что, несмотря на высокую актуальность данных задач, до настоящего времени нет работ, специально посвященных комплексному изучению вопросов допустимости, методам расчета и оптимизации режимов с учетом технологических ограничений и критериев

Под технологически допустимым режимом (ТДР) понимается режим, удовлетворяющий технологическим ограничениям и требованиям, а задача его расчета состоит в нахождении управлений, обеспечивающих реализуемость этого режима при заданных граничных условиях

В табл 1 предложена классификация задач расчета режимов в которой каждая последующая задача предполагает учет большего числа факторов и ее можно рассматривать как очередной уровень обобщения Необходимым условием существования решения для каждой последующей задачи является суще-

ствование решения предыдущей, при этом каждая из представленных задач имеет самостоятельное практическое значение

Табл 1 Классификация задач расчета режимов ТПС

№

Задачи

Цель решения

Потокораспределения

2 Расчета допустимого режима

3 Поиска допустимого режима

Оптимизации режима по технологическим критериям

Многокритериальной оптимизации режимов

Расчет режима при заданных управляющих воздействиях

Определение непрерывных управляющих воздействий для обеспечения допустимости режима Поиск допустимых комбинаций насосного оборудования (дискретных управлений) в сочетании с управлениями непрерывного характера для обеспечения допустимого режима

Расчет оптимальных (по заданному технологическому критерию) управляющих воздействий дискретно-непрерывного характера при соблюдении допустимости режима

Расчет оптимальных управляющих воздействий при соблюдении допустимости режима по системе ранжированных критериев_

Примечание Жирным шрифтом выделены задачи, составляющие предмет работы

Основным объектом апробации разработанных методов и алгоритмов были выбраны СППД Этот выбор обусловлен высокой энергоемкостью этих объектов (составляющей примерно 35% от всех энергозатрат на нефтедобывающих предприятиях России с общим годовым потреблением энергии порядка 15 млрд кВт ч), предполагающей значительную экономию от оптимизации режимов, а также ответственностью и сложностью принятия решений по управлению в условиях высоких давлений (до 200 атм ), что, в свою очередь, определяет важность учета технологических факторов

Эффективность практического применения методов расчета технологически допустимых режимов напрямую зависит от возможности решения информационных и вычислительных задач в рамках единого интерфейса пользователя Тем не менее, следует констатировать отсутствие информационно-вычислительной среды, обладающей свойствами расширяемости на произвольные классы задач и необходимого для них информационного окружения

Во второй главе приводится описание разработанных моделей, методов и алгоритмов расчета допустимых и оптимальных гидравлических режимов работы многоконтурных ТПС

Традиционные модели потокораспределения в гидравлических цепях с сосредоточенными параметрами представляют собой замкнутые системы линейных и нелинейных алгебраических уравнений Необходимые степени сво-

боды для поиска допустимых и оптимальных режимов могут быть доставлены путем введения в состав неизвестных значений управляющих воздействий Наибольшую трудность при этом составляет необходимость учета дискретных управлений, связанных с переключениями насосов на активных элементах

Под моделью активного элемента подразумевается агрегированная модель насосной станции (НС) в целом, когда в роли управляющих выступают как непрерывные параметры (дросселирование), так и дискретные

Состояние каждого насосного агрегата (НА) характеризуется булевой переменной £ =[0,1],}=\, 1= 1, ,пАг, где к1 - число НА на /-ой НС, пА - число НС в ТПС Комбинацией включенных насосов на г-ой НС будем называть конкретную реализацию вектора 51 = {¿>,,,<521, ,8к,} Множеством Ц всех возможных комбинаций включения НА на г-ой НС назовем все множество неповторяю-

"л

щихся векторов 81, тогда Ь = У Ц - множество всех возможных комбинаций

включения НА на всех НС Ниже для простоты выкладок индекс НС в параметре 8р будем опускать

Возможно три типа соединения НА последовательное, параллельное и смешанное, причем расчет характеристик при смешанном соединении сводится к расчету первых двух типов

Для к последовательно подключенных разнотипных НА рабочая зона производительностей НС определяется из условия, что каждый из НА должен работать в рабочей зоне Допустимость комбинации 8 — {8],81, ,8к}состоит в

выполнении условия <2>д, где = <2 = тт(8£тах^ ¿,>0),

б , <2 - нижняя и верхняя границы производительности у-го НА

соотношений, вытекающих из решения системы уравнений по двум точкам на границах рабочей зоны

ТПС

Тогда параметры Н0,И характеристики НС Н = Н0- йс2 вычисляются из

к

к

где Н, "Я2 = 1^0, -,(б2)

Для к параллельно подключенных разнотипных НА имеем

шах(^Яи) + >0)

,2

где Нь = Я0у - , Я2у = Я0у - з^, ]=\, ,к

уЬ^тт ] '

Из приведенных соотношений (как для последовательного, так и для параллельного соединения НА) следует, что = $Дс),), Я, = ЯД«?,) С учетом того, что х, = , где р -плотность жидкости, х, - массовый расход на г-ой ветви, а перепад давлений у1 на г-ой НС связан с напором как у: = р^,, получим эквивалентную характеристику НС вида у1 Для учета возможности дросселирования на НС у, = У0/ (81) - (81 )х(2, где -относительное изменение сопротивления ¡-ой ветви с дросселирующим органом

Таким образом, в обобщенном виде замыкающее соотношение для г-ой активной ветви ТПС можно представить как

С учетом полученных выражений модель управляемого потокораспреде-ления для общего случая дискретно-непрерывных управлений выглядит следующим образом

где и -(п + т-1 )-мерная вектор-функция, задаваемая уравнениями-аналогами первого и второго законов Кирхгофа относительно вектора неизвестных X = {Я,а,3}, Я - (п + т-1)-мерный вектор параметров режима {Р,х} с допустимыми нижней и верхней фаницами изменения Е,Я,Р - {т-\)-мерный вектор узловых давлений, х - п -мерный вектор расходов на ветвях, а,5 - векторы непрерывных и дискретных управляющих параметров, А -(т -1) х п -матрица инциденций т -1 узлов и п ветвей расчетной схемы, ат - т-ая строка полной тхп матрицы инциденций, Q - (те-1)-мерный вектор фиксированных узловых расходов, Рт - фиксированное давление в т-ом узле, /{х,а,6) - и-мерная вектор-функция, задаваемая перечнем аналитических выражений для гидравлических характеристик элементов

У, =/,(<*, А>*,)

\

= 0,

(1) (2)

К{8)<В.<К(8), а> 1, ЗеЬ

Задача поиска допустимого режима заключается в отыскании значений X при соблюдении (1) и (2)

Для расчета допустимого режима (РДР) при фиксированном 6 можно использовать разработанный и развиваемый в ИСЭМ СО РАН И И Дикиным метод внутренних точек (МВТ) Алгоритм МВТ состоит в итеративной корректировке текущего приближения Хк, удовлетворяющего (как и стартовая точка Х!1) строгим неравенствам Х_ < Хк < X На каждом шаге такого процесса монотонно уменьшается норма вектора невязок ЩХк) ограничений равенств Особенности реализации МВТ применительно к трубопроводным сетям исследованы в работах Н Н Новицкого

Метод отличается хорошей сходимостью, простотой реализации^ требует минимальных модификаций при переходе к оптимизационным постановкам, инвариантностью в отношении учета как линейных, так и нелинейных ограничений, обеспечивает возможность идентификации факта их несовместности С появлением дискретных переменных (5) фактическая допустимая область становится несвязной и невыпуклой (рис 1 а ), что нарушает условия применимости МВТ

Предлагаемый алгоритм поиска допустимого режима основан на схеме ветвлений и отсечений и обеспечивает последовательное сужение области неопределенности режимов работы НС Ветвление осуществляется за счет дробления зоны возможных производительностей НС, отсечение - за счет проверки допустимости режима в текущих условиях, а сама проверка - путем решения непрерывной задачи (с помощью МВТ), в которой вместо фактических областей параметров работы активных элементов используется их ближайшая выпуклая аппроксимация

С учетом сказанного, вычислительный процесс поиска допустимого режима может быть организован следующим образом

1 Для всех г е 1А (где 1А - множество активных элементов) полагаем х. =тт{хЛ, х, =гаах{х,}.

/еД " ' /е/, 11

2 Определяются аппроксимирующие функции /(х,), ' е 1А, которые в п 3 принимаются в роли гидравлических характеристик управляемых активных ветвей (рис 1 б)

3 Решается непрерывная задача поиска необходимого дросселирования для ввода режима в допустимую область Если допустимый режим не найден,

то на п 5 Если для всех г е !л {х,^} е В1, то решение общей задачи получено, где Д - фактическая допустимая область работы НС

4 Ситуация {х„у,}£Ц для некоторого ге1А порождает два дополнительных варианта Варианты записываются в очередь с новыми значениями допустимых производительностей г-й НС В одном из них (по отношению к текущему варианту) корректируется только верхняя граница допустимой производительности как тт{х;,тах(х/)}, а в другом - нижняя как тах^тт^)},

причем Ц - множество комбинаций, имеющих пересечения рабочих зон с диапазоном [х/,х1 ], а Ц' - с диапазоном (рис 3 в)

5 Выбирается очередной непросмотренный вариант из очереди и на п 2 Если очередь пуста - допустимого решения общей задачи нет

Поиск решений по данному алгоритму для реальных объектов, как правило, осуществляется за небольшое число шагов П 3 отсеивает сразу множество комбинаций, заведомо не содержащих решения, п 4 обеспечивает формирование вариантов, ближайших к решению непрерывной задачи, а используемая аппроксимация максимально сокращает текущую область неопределенности

Допустимое решение задачи ПДР может быть не единственным Если к модели (1),(2) добавить критериальную функцию, то получим оптимизационную модель

^(Х) тт

Е(3)<11<Я(Я), а>О, ЗеЬ,

Технологические критерии (табл 2 ) так или иначе связаны со стремлением минимизации управляющих воздействий при создании режима, переходе из одного режима в другой или реализации траектории смены режимов на некотором временном отрезке

В первом случае их основной смысл - ограничение числа задействованного насосно-силового и запорно-регулирующего оборудования, а во втором -обеспечение стабильности его работы, что может быть выражено в стремлении минимизации1 суммарного управления, мест приложения управлений, числа управляющих воздействий, нарушений режима по условиям работы оборудования и др

Рис 1 Иллюстрация процесса дробления вариантов при поиске допустимого режима а - фактическая область допустимых решений 1-й НС, б - аппроксимация всей допустимой области (нулевой вариант), в - дробление исходной области и аппроксимация областей возможных решений порождаемых вариантов I - точка, полученная из решения непрерывной задачи расчета допустимого режима

Табл 2 Возможные технологические критерии

Тип управления Создание режима Смена режима

Непрерывное ш. Минимум дросселирования F ^Yu^köp-Köp^™™ izip Минимум регулирования

Дискретное F ~ XI aAN, (х,) -> тт Минимум мощности F = |4 - S, | -»min ■síА Минимум переключений

где Ф1 - весовой коэффициент, характеризующий желательность данного переключения, 1р-лшожество ветвей с регулированием, й, др,к, др - заданная и искомая величина эквивалентного дросселирования, - заданная и искомая комбинация насосов

Было исследовано несколько алгоритмов решения поставленной задачи Первый из них основан на идее метода ветвей и границ (рис 2 )

1) генерируется ряд вариантов загрузки НС в порядке возрастания нижних оценок целевой функции Р, каждый из которых характеризуется своей комбинацией включенного оборудования,

2) для каждого из вариантов решается задача расчета допустимого режима по непрерывным переменным Если режим существует и значение целевой функции для текущего варианта меньшее из всех просмотренных, то оно запоминается как рекорд Если оценка для очередного варианта больше текущего рекорда или просмотрены все варианты, то решение задачи получено и ему соответствует вариант, доставивший этот рекорд

Недостатком данного подхода можно назвать значительное время расчета, обусловленное необходимостью просмотра большого числа вариантов, а также невозможность определения существования допустимого режима без полного обсчета всех 2П вариантов, где п - число всех НА в сети

Второй предлагаемый алгоритм поиска оптимального режима базируется на модификации алгоритма поиска допустимого режима, которая заключаются в следующем

1 Производится расчет нижней оценки целевой функции Р для каждого из генерируемых вариантов, и варианты в очереди выстраиваются по возрастанию значений Р

2 По каждому найденному допустимому режиму вычисляется фактическое значение целевой функции, которое сравниваем с рекордом Если оно меньше полученного ранее, то фиксируется новый рекорд

-!-1-!-!-1-

1 2 3 4 5 6 V

Рис 2. Иллюстрация процесса дискретно-непрерывной оптимизации режима

1 - нижняя оценка целевой функции (£) по допустимым комбинациям (V) дискретных переменных, 2 - оптимальные значения по непрерывным переменным, 3 - рекорд, 4 - точка

прерывания процесса

3 Из очереди удаляются варианты со значениями Р больше рекорда

4 Критерий останова - отсутствие в очереди вариантов со значениями £, меньшими текущего рекорда

По сравнению с первым подходом, поиск оптимальных решений по этому алгоритму, как правило, осуществляется за небольшое число шагов, что позволяет его применять для реальных задач большой размерности и в режиме реального времени, например при диспетчерском управлении Однако, при смене целевой функции требуются изменения реализации алгоритма, поэтому его использование при многокритериальной оптимизации может оказаться затруднительно

Третий, более универсальный подход состоит в следующем при наличии эффективных алгоритмов расчета допустимого режима его оптимизацию можно организовать путем последовательного сокращения интервала неопределенности [£, , заведомо содержащего оптимальное значение целевой функции ^ХХ), где Р10) = Х(0> - решение задачи поиска допустимого режима, нижняя оценка целевой функции, которую, как правило, можно назначить исходя из содержательного смысла задачи

Соответствующая процедура оптимизации по некоторому критерию Р(Х) может быть сведена к следующем основным операциям

1 Пусть задано допустимое решение Х1г\ доставляющее верхнюю границу заданного интервала [£<'),/г(')], где индекс итерации г = 0 В соответствии с каким-либо методом дихотомии определяется величина Fw е [Г1г\р'(г))

2 Решается задача поиска допустимого режима, в которой к имеющимся ограничениям на параметры режима добавляются условия Т7'0 + ср - Р(Х) = 0, (р > 0, где <р - дополнительная фиктивная переменная

3 Выполняется анализ а) если допустимого решения нет, то £<'+1> _ + др ^ р^+ъ _ ре-1 ( где §р _ допустимая точность оптимизации, б) если получено решениеХСг+1), то =^(Х(г+1>), £(г+1) = £(г), в) если | _ ]< §р ; х0 последнее допустимое решение является оптимальным В противном случае полагаем г = г +1 и переход на п 2

Приведенная вычислительная схема не претерпевает изменений, если оптимизация ведется только по непрерывным переменным, при этом вместо поиска допустимого режима на каждом ее шаге решается задача расчета допустимого режима

Эффективность данного алгоритма была проверена на ряде реальных схем СППД и показала высокую эффективность при оптимизации режимов по различным критериям Числовые характеристики работы алгоритма приведены в разделе 4

Как отмечалось выше, по своей природе задачи оптимизации режимов ТПС являются многокритериальными Существует значительное число подходов и методов многокритериальной оптимизации, среди которых наиболее рациональным представляется способ, предполагающий предварительное ранжирование имеющихся критериев по степени важности для конкретных условий Такое ранжирование, в том числе, может быть возложено на субъекта принятия решений по управлению, который при этом получает возможность менять приоритеты в заданной или избыточной системе критериев, в зависимости от конкретных особенностей ТПС и текущих условий

Пусть Р(Х) - векторная целевая функция с компонентами Рк(Х), к = 1, ,К, где индекс критерия к соответствует степени его приоритетности, - подвектор Г(Х) с первыми к компонентами, а Р!к) - значение F<*>(X) в точке решения Х1,к) по К критериям Тогда решение общей задачи может быть сведено к решению К задач вида

гшп(^(1) I и(Х) = О, X <, X < X}

| ЩХ) = О, = Р,{кл) , X < X < X} , к = 2,

что, очевидно, может быть выполнено уже рассмотренными методами одно-критериальной оптимизации При этом верхняя граница очередного критерия Рк(Х) автоматически получается как ^ = Рк(Х!,к~1>)

Таким образом, в работе предложена иерархия алгоритмов решения задач поиска допустимых и оптимальных режимов

В третьей главе описывается методология и инструментальные средства для интерактивного конфигурирования информационно-вычислительных комплексов (ИВК) под трубопроводные и гидравлические системы произвольного типа и назначения, различные классы задач (расчета режимов, анализа свойств, оптимизации схем и параметров) и цели проведения расчетов (проектирование, эксплуатация, диспетчерское управление) Также представлена разработанная информационно-вычислительная среда (ИБС), обеспечивающая поддержку созданного информационно-вычислительного окружения

Моделирование реальных ТПС требует их представлении в виде многоуровневых сетевых структур, что не позволяет использовать для этих целей большинство существующих ГИС, основная функция которых - информационная, а не решения задач прикладного моделирования

Предлагается следующая технология генерации ИВК (рис 3) Для настройки информационного окружения разработано два программных модуля — система настройки баз данных (СИНБАД) и система настройки расчетных задач (СИНРАЗ) Формируемая с их помощью структура реляционной БД позволяет реализовать следующие возможности

1) моделируемая ТПС может состоять из множества расчетных схем различных типов (схемы сетей, насосных станций и т д ),

2) схема определенного типа собирается из своего набора условных обозначений типов элементов,

3) каждый тип элемента может быть задан в одном из двух форматов -узел или связь,

4) реальный элемент ТПС (например, источник) может быть представлен как элементом какой-либо схемы, так и собственной расчетной схемой,

5) каждый элемент может находиться в одном из нескольких состояний (включен, выключен и т.д.), что предполагает необходимость поддержки для него нескольких условных обозначений;

6) все элементы определенного тина имеют одинаковый состав числовых н символьных параметров;

Рис.3. Технология генерации ИВК.

7) информационная модель ТПС должна содержать не только данные во элементам ТПС, но и информацию о взаимосвязи;

• графического изображения каждого элемента со своими данными;

• элементов схемы между собой;

• разных схем между собой;

• каждой схемы со своим планом;

• каждой схемы со своим перечнем расчетных задач;

• порядка выполнения задач.

Для насыщения и работы с подобными реляционными БД разработана универсальная информационно-вычислительная среда (рис.4.), позволяющая интегрировать информационное окружение и вычислительные модули в рамках

единого интерфейса пользователя. Обмен данными между всеми компонентами осуществляется через БД.

^ЗЩЩ^^^ Г*^-*-^*-™ ' ИНДИЯ!---j^^Irafrj-J^J, j^.j

Зхи И is »:= с; О t[«-ajKE: <?;<#| щл

Рис.4, Интерфейс ИВС.

Основными функциями ИВС являются; * графический многооконный интерфейс;

редакторы плана, сети, данных; в поддержка иерархии задач и процессов расчета; ® графическая интерпретация результатов расчета; » сетевой многопользовательский режим работы; ч экспорт-импорт данных из других систем и др.

Разработка ИВС, СИНБАД и СИНРАЗ осуществлена в среде С++ Builder 5.0, выбор которой обусловлен возможностью удобной и быстром разработки пользоватentcкото интерфейса, огромным набором разнообразных ви-зуальных компонент, мощностью и гибкостью языка СН-. Расчетные модули (ПВК), подключаемые я ИВС, могут быть написаны па различных языках программирования (С++, Fortran, Basic и др.).

В четвертой главе рассматриваются вопросы применения разработанных алгоритмов и программ Приводится методика практического применения и апробации программного обеспечения для расчета режимов СППД, примеры ИВК, созданных на основе разработанной ИВС

Исследование разработанных алгоритмов было проведено на ряде реальных схем СППД Западной Сибири (рис 5) Эти системы характеризуются мно-гоконтурностью, наличием нескольких источников, на каждом из которых работает до 10 и более насосных агрегатов

В табл 3 кратко даются характеристики некоторых из этих схем В табл 4 представлены некоторые результаты работы программ расчета допустимых режимов и двухкритериальной оптимизации по критерию минимума задействованного оборудования и минимума суммарного дросселирования Время поиска допустимого режима для указанных схем не превышало 33 сек , максимальное время поиска оптимального режима составило 7 минут Причем большая часть времени (до 80%) приходится на чтение-запись данных

Как видно из табл 3, алгоритм поиска допустимого режима показал достаточно высокую эффективность Так, например, для СППД Ноябрьска при возможных 229=536 870 912 комбинациях включения насосных агрегатов допустимый режим был найден за 16 шагов В целом, оценивая эффективность работы алгоритма поиска допустимого режима, можно сделать вывод, что наибольшее влияние на число итераций оказывают не число насосных агрегатов или источников в сети, а жесткость ограничений по давлениям и наличие НА с разнотипными характеристиками на одном источнике

В качестве примера применения технологии генерации ИВК и практического использования разработанной ИВС приводятся описания реализованных ИВК «ДиСППД» для расчета режимов СППД и ИВК «АНГАРА» для расчета режимов тепловых сетей, а также перечень их внедрений

В приложении помещены: состав исходной информации для расчета режимов СППД, исходные данные по одному из расчетных примеров, протокол программы расчета допустимого режима, сведения о внедрениях

Рис 5 Примеры расчетных схем а) Ноябрьск, б) Самотлор, в) КНС 9, г) КНС 2р, д) ПерьмОйл, е) Мамонтовнефть

Табл 3 Краткая характеристика расчетных схем СПЦД

Число НС Число Число Число Обще- Число возмож-

Имя БД узлов связей связей с ечисло ных комбина-

дрос НА ций НА

Пермь Ойл 2 59 62 4 8 256

КНС 9-1 4 91 100 7 14 16 384

Самотлор 6 380 446 3 21 2 097 152

КНС 9-2 4 91 100 7 14 16 384

Ноябрьск 4 127 174 0 29 536 870 912

КНС 2р 3 64 70 2 14 16 384

Табл 4 Результаты работы программы поиска допустимого режима и оптимиь

зации режима

Поиск допустимого режима Оптимизация

Имя БД Число £НдР, м Число НА Время Число Число 1Ндрм

шагов сек шагов НА

Пермь Ойл 2 3 5 5 11 4 21

КНС 9-1 2 5 11 4 29 11 0

Самотлор 13 6 20 20 421 16 0

КНС 9-2 8 24 12 11 216 11 0

Ноябрьск 16 85 7 33 472 7 12

КНС 2р 8 48 6 11 550 5 14

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Предложена формализация модели управляемого потокораспределе-ния, которая, в отличие от традиционных моделей, доставляет необходимые степени свободы для отыскания допустимых и оптимальных гидравлических режимов за счет введения неизвестных, отвечающих наиболее распространенным типам дискретного и непрерывного управления на ТПС

2 Разработан и реализован в виде программного модуля алгоритм решения комплексной задачи поиска допустимого режима, позволяющий одновременно определять допустимые комбинации включения насосного оборудования и положение дросселирующих органов Данный модуль показал высокое быстродействие, исчисляемое секундами, при отыскании допустимых гидравлических режимов многоконтурных ТПС реальной размерности на ПК стандартной конфигурации

3 Предложено и исследовано несколько подходов для дискретЕЮ-непрерывной оптимизации гидравлических режимов многоконтурных ТПС, основанных на сочетании алгоритмов расчета допустимого режима и метода ветвей и границ В том числе, предложен алгоритм, базирующийся на многократ-

ном применении процедуры поиска допустимого режима, особенностью которого является независимость от вида привлекаемых критериев, а также потенциальная применимость для последовательной оптимизации по нескольким ранжированным критериям

4 Разработана универсальная структура базы данных, а также инструментальное средство ее поддержки, обеспечивающие возможность интерактивной настройки информационного окружения на любые типы ТПС и классы решаемых задач с учетом возможности иерархического представления расчетных схем

5 Разработана универсальная информационно-вычислительная среда, обеспечивающая поддержку иерархических информационных и вычислительных моделей трубопроводных и гидравлических систем различного типа и назначения в рамках единого интерфейса пользователя

6 Разработана методика практического применения созданного программного обеспечения для отыскания технологически допустимых гидравлических режимов ТПС Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение прошло практическую апробацию на реальных системах поддержания пластового давления нефтяных месторождений

7 Разработанная информационно-вычислительная среда нашла применение при создании информационно-вычислительных комплексов для планирования режимов и диспетчерского управления тепловыми сетями, внедренных или проходящих опытно-промышленную апробацию на предприятиях ОАО «Иркутскэнерго» на территории Иркутской области, в ряде других городов России, а также за рубежом (в Национальном диспетчерском центре энергосистемы Монголии)

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:

1 Алексеев А В , Новицкий Н Н, Епифанов С П Расчет технологически допустимых гидравлических режимов трубопроводных систем // Изв РАН Энергетика -2006 -№6 - С 128-138

2 Алексеев А В Разработка нового поколения информационно-вычислительной среды для компьютерного моделирования трубопроводных систем // Системные исследования в энергетике Труды молодых

ученых ИСЭМ СО РАН Вып 31 -Иркутск ИСЭМ СО РАН, 2001 - С 713

3 Алексеев А В Разработка инструментальных средств организации БД для компьютерного моделирования и управления режимами работы ТПС произвольного типа и назначения // Системные исследования в энергетике Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН Вып 32 -Иркутск ИСЭМ СО РАН, 2002 -С 228-235

4 Алексеев А В Разработка и исследование алгоритмов поиска комбинаций включения насосных агрегатов для обеспечения допустимости режимов работы ТПС // Системные исследования в энергетике Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН Вып 33 -Иркутск ИСЭМ СО РАН, 2003 -С 614

5 Алексеев А В Развитие методов расчета технологически допустимых режимов работы трубопроводных систем с учетом дискретных управлений // Системные исследования в энергетике Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН Вып 34-Иркутск ИСЭМ СО РАН, 2004-С 8-14

6 Алексеев А В Исследование задач и разработка алгоритмов (подходов) оптимизации гидравлических режимов трубопроводных систем по технологическим критериям // Системные исследования в энергетике Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН Вып 36 -Иркутск ИСЭМ СО РАН, 2006-С 8-12

7 Алексеев А В Принципы разработки и реализация информационно-вычислительной среды для компьютерного моделирования трубопроводных и гидравлических систем // Информационные и математические технологии / Труды Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии» - Иркутск, ИСЭМ СО РАН, 2004 -С 124-130

8 Алексеев А В , Новицкий Н Н, Токарев В В , Шалагинова 3 И Принципы реализации и направления развития ПВК для расчета режимов теплоснабжающих систем Информационные и математические технологии / Труды X Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии» - Иркутск, ИСЭМ СО РАН, 2005 -С 285294

9 Алексеев А В , Новицкий Н Н, Шалагинова 3 И, Токарев В В Механизмы поддержки многоуровневых информационных и математических моделей трубопроводных систем и их реализация// Информационные и математические технологии в научных исследованиях/ Труды XI международной конференции «Информационные и математические технологии в научных исследованиях» Часть 1 -Иркутск ИСЭМ СО РАН, 2006 -с 7-14

10 Новицкий Н Н , Алексеев А В Методы расчета допустимых гидравлических режимов работы трубопроводных сетей // Трубопроводные системы энергетики Управление развитием и функционированием - Новосибирск Наука, 2004 -С 361-372

11 Prof Novitsky N N, Dr Tokarev V V , Dr Shalagmova ZI, Alexeev A V Experience m developing and using software packages for calculation and organization of large-scale heat supply system operation Ulan-Bator, 2005

12 Алексеев А В , Новицкий H H , Токарев В В , Шалагинова 3 И Принципы разработки и программная реализация информационно-вычислительной среды для компьютерного моделирования трубопроводных и гидравлических систем Трубопроводные системы энергетики Методы математического моделирования и оптимизации Сб науч тр - Новосибирск Наука, 2007-С 221-230

13 Алексеев А В , Токарев В В Организация последовательно параллельных расчетов при разработке эксплуатационных режимов тепловых сетей на единой информационной основе//Трубопроводные системы энергетики Методы математического моделирования и оптимизации Сб науч тр -Новосибирск Наука, 2007-С 246-257

14 Алексеев АВ, Новицкий НН Алгоритмы решения дискретно-непрерывных задач расчета сложных трубопроводных сетей Труды XIII Байкальской международной школы семинара «Методы оптимизации и их приложения» Том 5 Моделирование технических и природных систем -Иркутск ИСЭМ СО РАН, 2005 -С 203-207

15 Алексеев А В , Новицкий Н Н , Токарев В В , Шалагинова 3 И , Гребнева О А , Баринова С.Ю. Иерархическое моделирование тепловых сетей в задачах эксплуатации и диспетчерского управления// Информационные и математические технологии в научных исследованиях/ Труды XII Байкальской всероссийской конференции «Информационные и математиче-

ские технологии в науке и управлении» Часть 1 -Иркутск ИСЭМ СО РАН, 2007 -С 110-121

16 Алексеев А В, Токарев В В , Гребнева О А Математические модели и информационные технологии для повышения эффективности работы теплоснабжающих систем // Материалы международной научно-практическая конференция «Инновационная энергетика», 15-16 ноября 2005 г [Электронный ресурс], Новосибирский государственный университет, Институт теплофизики им С С Кутателадзе СО РАН Международная научно-практическая конференция «Инновационная энергетика», 15-16 ноября 2005 г/-Новосибирск 1 электрон опт диск (CD-ROM) зв цв , 12 см - Систем требования ПК с процессором Pentxum3; Microsoft Windows 98 или выше, 2-скоростной дисковод CD-ROM, 256 цв SVGA дисплей, Acrobat Reader 6 0 и выше - Загл с экрана

17 Алексеев А В , Новицкий H H, Вантеева О В , Гребнева О А , Епифанов С П, Токарев В В , Шалагинова 3 И Проблемы технологического управления в трубопроводных системах энергетики и актуальные направления развития научно-методической базы для их решения // Материалы всероссийской конференции "Энергетика России в XXI веке развитие, функционирование, управление", 12-15 сентября 2005 г [Электронный ресурс], Институт систем энергетики им ЛА Мелентьева СО РАН «Всероссийская конференция "Энергетика России в XXI веке развитие, функционирование, управление», 12-15 сентября 2005 г / - Иркутск 1 электрон опт диск (CD-ROM) цв , 12 см - Систем требования ПК с процессором Pentium3, Microsoft Windows 98 или выше, 2-скоростной дисковод CD-ROM, 256 цв SVGA дисплей, Acrobat Reader 6 0 и выше -Загл с экрана

Соискатель

.Алексеев А В

Заказ № Тираж 100 экз Отпечатано в ИСЭМ СО РАН 664033, Иркутск, ул Лермонтова, 130

Введение.

1. Анализ существующего положения и постановка вопросов.

1.1. Краткая характеристика современных ТПС, проблем организации режимов их работы и уровня применения информационно-вычислительных технологий.

1.2. Аналитический обзор литературы по вопросам расчета режимов работы ТПС.

1.3. Исходные положения и постановка задач исследования.

2. Задачи и методы расчета технологически допустимых гидравлических режимов.

2.1. Модели управляемого потокораспределения.

2.2. Методы расчета допустимых гидравлических режимов.

2.3. Методы поиска допустимых гидравлических режимов.

2.4. Оптимизация режимов по технологическим критериям.

2.5. Многокритериальная оптимизация режимов.

3. Структура и принципы реализации информационно-вычислительной среды для моделирования и расчета режимов ТПС.

3.1. Основные требования к функциям ИВС.

3.2. Принципы реализации ИВС.

3.3. Описание реализации элементов ИВС.

4. Практическое применение разработанных моделей, алгоритмов и программ.

4.1. Методика поиска допустимых режимов систем поддержания пластового давления.

4.2. Примеры практической апробации методики и инструментальных средств.

4.3. О применении результатов диссертационной работы в практике эксплуатации и диспетчерского управления ТПС разного типа и назначения.

Актуальность темы. Трубопроводные системы (тепло-, водо-, нефте-, газоснабжения и другие) представляют собой сложные, структурно неоднородные, многосвязные, пространственно разнесенные иерархические объекты. Функционирование таких систем осуществляется в условиях переменности структуры, параметров и режимов работы под воздействием многочисленных внешних и внутренних факторов систематического и случайного характера, что уже само по себе определяет сложность задач управления и актуальность его автоматизации на основе применения современных методов математического моделирования и вычислительной техники.

Становление рыночных отношений между поставщиками и потребителями, смежными системами и контролирующими органами ужесточают требования к эффективности и надежности трубопроводных систем (ТПС), к качеству и бесперебойности снабжения потребителей, выполнения договорных и экспортных поставок. Центральная проблема здесь состоит в противоречии между возросшими требованиями к экономической эффективности ТПС и низкой технологичностью процессов управления ими на фоне общего старения оборудования, существенного изменения структуры и уровня нагрузок, когда подавляющее большинство ТПС вынужденно работают в непроектных режимах, в узкой допустимой области, а зачастую и с ее нарушениями. Особенно остро проблемы технологичности управления стоят для ТПС сложной многоконтурной структуры вследствие жесткой гидравлической взаимосвязи режимов работы всех элементов.

Это, в свою очередь, выводит на передний план необходимость развития существующих и разработки специальных методов расчета и количественного обоснования технологически допустимых режимов работы ТПС, оптимизации режимов с гибким учетом технологических ограничений и требований, в том числе налагаемых на само управление как непрерывного, так и дискретного характера.

Вопросам расчета режимов ТПС различного типа и назначения посвящены многочисленные работы, что свидетельствует об их актуальности, сложности и многоплановости. Проведенный обзор научно-методической литературы в этой области, однако, показал практическое отсутствие работ, специально посвященных комплексному изучению вопросов допустимости режимов, методам учета технологических ограничений и критериев при их расчете и оптимизации.

Отсутствие соответствующих разработок сдерживает широкое применение методов оптимизации на практике (в том числе и по экономическим критериям), где все еще используются, в основном, методы расчета потоко-распределения со всеми сопутствующими недостатками, вытекающими из большой трудоемкости и слабой регламентированности отыскания допустимых и оптимальных решений на основе многовариантных расчетов потоко-распределения.

Второй, не менее важной, причиной, ограничивающей применение методов математического моделирования при управлении режимами ТПС, является недостаточный уровень использования потенциальных возможностей современных информационных технологий, обусловленный отсутствием универсальных средств интеграции этих технологий и методов решения ре-жимно-технологических задач для ТПС произвольного типа и назначения.

Наибольший эффект от разработки соответствующего методического и программного обеспечения может быть достигнут на межотраслевом уровне, вследствие большой степени общности содержательных и математических постановок задач расчета режимов ТПС различного типа и назначения. В принципе, это может быть обеспечено на базе сформулированного и развиваемого в ИСЭМ СО РАН научного направления - теории гидравлических цепей [50], с учетом накопленного здесь опыта в области математического моделирования, анализа и синтеза трубопроводных и гидравлических систем.

Цель и задачи работы. Цель работы - разработка методов и информационно-вычислительной среды для решения комплексной задачи расчета технологически допустимых гидравлических режимов многоконтурных ТПС.

Для достижения этой цели в работе ставились следующие задачи:

1. Формализация дискретно-непрерывной математической модели управляемого потокораспределения и задач комплексного расчета технологически допустимых гидравлических режимов.

2. Разработка и исследование алгоритма совместного поиска комбинаций насосных агрегатов и положения дросселирующих органов для обеспечения допустимости гидравлических режимов.

3. Разработка и исследование подходов для оптимизации режимов по технологическим критериям.

4. Создание программного модуля для расчета технологически допустимых гидравлических режимов на основе разработанных алгоритмов.

5. Разработка информационно-вычислительной среды как универсального интерфейса пользователя для компьютерного моделирования трубопроводных систем.

6. Апробация разработанного программного и алгоритмического обеспечения для расчета режимов трубопроводных систем на примере систем поддержания пластового давления.

Научная новизна. Впервые на межотраслевом уровне предпринята попытка комплексного исследования задачи расчета технологически допустимых гидравлических режимов многоконтурных ТПС, что позволило получить следующие результаты.

1. Построены новые дискретно-непрерывные модели управляемого установившегося потокораспределения, обеспечивающие возможность постановки и решения задач расчета допустимых и оптимальных гидравлических режимов при произвольных схемах соединения насосов на активных элементах расчетной схемы.

2. Разработан и реализован оригинальный алгоритм совместного поиска комбинаций насосных агрегатов и положения дросселирующих органов для обеспечения допустимости гидравлических режимов, основанный на сочетании методов последовательного,сужения области работы активных элементов и методов расчета допустимого режима ТПС по непрерывным переменным.

3. Предложено и исследовано три подхода для дискретно-непрерывной оптимизации режимов. В том числе разработан новый метод, основанный на многократном применении алгоритма поиска допустимого режима, обладающий свойством инвариантности к виду привлекаемых критериев, и потенциально, применимый в случае поиска решения по нескольким предварительно ранжированным критериям.

4. Разработана универсальная структура базы данных, а также инструментальное средство ее поддержки, обеспечивающие возможность интерактивной настройки баз данных на любые типы ТПС и классы решаемых задач с учетом возможности иерархического представления расчетных схем.

5. Создан универсальный графический интерфейс пользователя (информационно-вычислительная среда), обеспечивающий возможность интеграции информационного и вычислительного окружения для решенья задач компьютерного моделирования ТПС произвольного типа и назначения.

Практическая ценность и реализация работы. Разработанное методическое, алгоритмическое и программное обеспечение может быть использовано при разработке автоматизированных систем диспетчерского управления для решения задач планирования и оперативного управления гидравлическими режимами работы систем повышения пластового давления, систем тепло-, водо- и газоснабжения, трубопроводных систем технологического назначения и других. Оно также может быть использовано для анализа реализуемости проектных решений и управляемости проектных схем ТПС при возможных отклонениях от расчетных условий, а также в исследовательских и учебных целях.

Применение разработанного алгоритмического и программного продукта позволит обеспечить: 1) эффективность процессов расчета режимов при их планировании и диспетчерском управлении за счет сокращения непроизводительных затрат на поиск допустимых и оптимальных решений традиционными способами многовариантных гидравлических расчетов; 2) надежность решений по организации режимов за счет учета разнообразных технологических ограничений и требований; 3) повышение степени технологической приемлемости и реализуемости экономически оптимальных режимов.

Построенные математические модели, методы и алгоритмы поиска допустимых и оптимальных режимов реализованы в виде программного модуля, который был апробирован на реальных системах поддержания пластового давления (СППД) нефтяных месторождений Западной Сибири (Но-ябрьск, Самотлор, ПерьмОйл, Мамонтовнефть и др.).

Информационно-вычислительная среда (ИВС) и программный модуль для расчета допустимых и оптимальных режимов, совместно с комплексом программ «ДисППД» были использованы в ОАО «СибНИИЭНГ» (г.Тюмень) при разработке рекомендаций по оптимизации режимов СППД нефтяных месторождений Западной Сибири.

ИВС в составе ИВК «АНГАРА» внедрены в практику разработки эксплуатационных режимов и диспетчерского управления на предприятиях тепловых сетей ОАО «ИркутскЭнерго» (в городах Иркутск, Ангарск, Братск, Железногорск, Черемхово), других организациях страны, а так же за рубежом (Национальный диспетчерский центр энергосистемы Монголии).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях молодых специалистов ИСЭМ СО РАН в 2001-2004г., 2006г., конференциях «Информационные и математические технологии» 2004-2007г., Всероссийских семинарах с международным участием «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем» (Туапсе, 2002г.; Минск, 2004г.; Санкт-Петербург, 2006г.), международной конференции по проблемам энергетики в Улан-Баторе в 2005г.

Отдельные результаты данной работы вошли в проект «Разработка методического обеспечения для решения задач организации энергоэффективных теплогидравлических режимов работы теплоснабжающих систем на базе методов теории гидравлических цепей и современных информационных технологий», занявший 2 место в конкурсе исследовательских грантов фонда «Глобальная энергия» в 2005 году. Глава 3 включена в программу ОЭММПУ РАН: «Разработка интегрированной информационно-вычислительной среды для компьютерного моделирования трубопроводных систем энергетики на базе методов теории гидравлических цепей».

Публикации. Основное содержание работы отражено в 17 публикациях [4,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,62,63,64,70,86,87], в том числе, в центральных изданиях 4, из них 1 в журнале «Известия. РАН. Энергетика», 3 - в коллективных монографиях. Еще 3 публикации находятся в печати.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (91 наименование) и приложения (на 27 страницах). Изложена на 122 страницах, содержит 26 рисунков, 4 таблицы. Приложение содержит 6 таблиц и 3 рисунка.

Основные выводы по главе 4:

1. Разработана методика поиска допустимых гидравлических режимов с использованием созданных автором расчетного модуля и ИВС.

2. Реализованный в виде программного модуля алгоритм поиска допустимых режимов, испытанный на ряде реальных СППД, показал высокую вычислительную эффективность и позволяет за несколько секунд находить допустимые гидравлические режимы достаточно крупных ТПС.

3. ИВС, созданная автором, совместно с расчетными модулями, разработанными в ИСЭМ СО РАН, представляют собой законченный программный продукт, который уже нашел широкое применение как на практике эксплуатации ТПС, так и в научных исследованиях отдела №50 ИСЭМ СО РАН.

Заключение

Повышение эффективности функционирования ТПС не может быть обеспечено без повышения надежности и качества самого управления. Этим определяется актуальность и практическая значимость исследований, выполненных в диссертации, направленных на разработку и применение новых методов и программных комплексов для расчета и количественного обоснования технологически допустимых режимов работы ТПС. В работе получены следующие основные результаты.

1. Предложена формализация модели управляемого потокораспределения, которая в отличие от традиционных моделей доставляет необходимые степени свободы для отыскания допустимых и оптимальных гидравлических режимов за счет введения неизвестных, отвечающих всем наиболее распространенным типам дискретного и непрерывного управления на ТПС.

2. Разработан и реализован в виде программного модуля алгоритм решения комплексной задачи поиска допустимого режима, позволяющий одновременно определять допустимые комбинации включения насосного оборудования и положение дросселирующих органов. Данный модуль показал высокое быстродействие, исчисляемое секундами, при отыскании допустимых гидравлических режимов многоконтурных ТПС реальной размерности на ПК стандартной конфигурации.

3. Предложено и исследовано несколько подходов для дискретно-непрерывной оптимизации гидравлических режимов многоконтурных ТПС, основанных на сочетании алгоритмов расчета допустимого режима и метода ветвей и границ. В том числе предложен алгоритм, базирующийся на многократном применении процедуры поиска допустимого режима, особенностью которого является независимость от вида привлекаемых критериев, а также потенциальная применимость для последовательной оптимизации по нескольким ранжированным критериям.

4. Разработана универсальная структура базы данных, а также инструментальное средство ее поддержки, обеспечивающие возможность интерактивной настройки информационного окружения на любые типы ТПС и классы решаемых задач с учетом возможности иерархического представления расчетных схем.

5. Разработана универсальная информационно-вычислительная среда, обеспечивающая поддержку иерархических информационных и вычислительных моделей трубопроводных и гидравлических систем различного типа и назначения в рамках единого интерфейса пользователя.

6. Разработана методика практического применения созданного программного обеспечения для отыскания технологически допустимых гидравлических режимов ТПС. Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение прошло практическую апробацию на реальных системах поддержания пластового давления нефтяных месторождений.

7. Разработанная информационно-вычислительная среда нашла применение при создании информационно-вычислительных комплексов для планирования режимов и диспетчерского управления тепловыми сетями, внедренных или проходящих опытно-промышленную апробацию на предприятиях ОАО «Иркутскэнерго» на территории Иркутской области, в ряде других городов, а также за рубежом (в Национальном диспетчерском центре энергосистемы Монголии).

1. Prof. Novitsky N.N., Dr. Tokarev V.V., Dr. Shalaginova Z.I., Alexeev A.V. Experience in developing and using software packages for calculation and organization of large-scale heat supply system operation. Ulan-Bator. 2005. 585 p.

2. Абрамов H.H. Теория и методика расчета систем подачи и распределения воды.-М.:Стройиздат, 1972.-288 с.

3. Автоматизация управления энергообъединениями / В.В. Гончуков, JI.A. Крумм, Ю.Н. Руденко и др.; Под ред. С.А.Совалова, М.:Энергия, 1979, 432с.

4. Алексеев А.В. Развитие методов расчета технологически допустимых режимов работы трубопроводных систем с учетом дискретных управлений // Системные исследования в энергетике: Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Вып. 34.-Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2004.-С.8-14

5. Алексеев А.В. Разработка нового поколения информационно-вычислительной среды для компьютерного моделирования трубопроводных систем // Системные исследования в энергетике: Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Вып. 31. -Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2001.- С. 713.

6. Андрияшев М.М. Гидравлические расчеты водоводов и водопроводных сетей.-М.: Стройиздат, 1964.- 107с.

7. Андрияшев М.М. Техника расчета водопроводной сети. М.: Сов. Законодательство, 1932.- 62с.

8. Вайсфельд В.А., Ексаев А.Р. Геоинформационные технологии и городские инженерные сети-основные принципы интеграции// Информационный бюллетень ГИС, №1(8).-1997.

9. Вайсфельд В.А., Ексаев А.Р. Гидравлические расчеты инженерных сетей как объектов геоинформационных систем // Информационный бюллетень ГИС, №7(14).- 1998.

10. Г.Буч. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++.-М.: «Издательство Бином», 1998г. -560 с.

11. Гиргидов А.Д. Механика жидкости и газа (Гидравлика): Учебник для вузов.-СПб.:Изд-во СПбГПУ, 2003 .-545с.

12. Грофф Дж, Вайнберг П. Энциклопедия SQL.-СПб. Литер, 2004.-896с.

13. Дикин И.И. Исследование задач оптимального программирования методом внутренних точек // Методы оптимизации: Сб.науч.тр. Иркутск: СЭИ СО РАН СССР, 1975, с.72 108.

14. Дикин И.И., Зоркальцев В.И. Итеративное решение задач математического программирования (методы внутренних точек). Новосибирск: Наука, 1980.

15. Евдокимов А.Г. Минимизация функций и ее приложения к задачам автоматизированного управления инженерными сетями.-Харьков: Вищашк., 1985.-288 с.

16. Евдокимов А.Г., Тевяшев А. Д. Оперативное управление потокораспределением в инженерных сетях.-Харьков: Выща шк., 1980.-144 с.

17. Евдокимов А.Г., Тевяшев А.Д., Дубровский В.В. Моделирование и оптимизация потокораспределения в инженерных сетях-М.:Стройиздат, 1990—368с.

18. Евдокимов А.Г., Тевяшев А.Д., Дубровский В.В. Моделирование и оптимизация потокораспределения в инженерных сетях.-М.:Стройиздат, 1990.-368с.

19. Исаев В.Н., Хургин Р.Ю. Трубопроводные коммунальные системы http://www.abok.ru/for spec/articles.php?nid=3298&version=print

20. Каганович Б.М. и др. Расчет сложных тепловых сетей // Водоснабжение и санитарная техника.- 1974.-№4.-СЛ 8-19.

21. Карасев Н.И., Фольгарт В.И., Монахов Г.В. Алгоритмы расчета стационарного потокораспределеиия в инженерных сетях // Автоматизация и информационно-метрологическое обеспечение производства-1981.-с.60-70.

22. Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции М.: Стройиз-дат, 1986.-320 с.

23. Клер A.M., Деканова Н.П., Степанова E.JI. Оптимизация режимных параметров и состава работающего оборудования крупных энергоисточников // Изв.РАН.Энергетика. -2006.- №6.- С.38-47.

24. Константинова И.М., Дубинский А.В., Дубровский В.В. и др. Математическое моделирование технологических объектов магистрального транспорта газа.-М.:Недра, 1988, 192с.

25. Кощеев JI.A., Руденко Ю.Н., Ставровский М.Г. и др. Режимная управляемость систем энергетики-Н.: Наука, 1988.-234с.

26. Крумм JI.A. Методы оптимизации при управлении электроэнергетическими системами. Новосибирск: Наука, 1981. -316с.

27. Крумм JI.A. Методы приведенного градиента при управлении электроэнергетическими системами. Новосибирск: Наука, 1977. -368с.

28. Лафоре Р. Объектно-ориентированное программирование в С++. Классика Computer Science.-СПб. Литер, 2006.-928с.

29. Лобачев В.Г. Вопросы рационализации расчетов водопроводных сетей. М.: ОНТИ, 1936.-148с.

30. Лобачев В.Г. Новый метод увязки колец при расчете водопроводных сетей.- Сан. техника.-1934.-№2.-с.8-12.

31. Лобачев П.В. Насосы и насосные станции М.: Стройиздат, 1990. -320с.

32. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте-, газоснабжения./ А.П, Меренков, Е.В. Сеннова, С.В.Сумароков, В.Г.Сидлер, Н,Н.Новицкий, В.А.Стеннеков, В.Р.Чупин.-Новосибирск: ВО «Наука», Сибирская издательская фирма, 1992.^406 с.

33. Меренков А.П. Дифференциация методов расчета гидравлических сетей// Вычислительная математика и математическая физика.- 1973.-№5,-с 1237-1248

34. Меренков А.П. Математические модели и методы для анализа оптимального проектирования трубопроводных систем.: Автореф. . д-ра ф.-м. наук.-Новосибирск, 1974.-34с.

35. Меренков А.П,, Светлов К.С., Сидлер В.Г., Хасилев В.Я. «Математический расходомер» и его применение в тепловых сетях// Теплоэнергетика, 1971, №11, с.70-71.

36. Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей. М.: Наука, 1985.-280 с.

37. Методы и алгоритмы расчета тепловых сетей./ Хасилев В .Я., Меренков А.П., Каганович Б.М., и др.; Под общей редакцией Хасилева В.Я. и Меренкова А.П.-М.: Энергия, 1978.-176с., ил.

38. Методы управления физико-техническими системами энергетики в новых условиях / Н.И.Воропай, Е.В.Сеннова, Н.Н.Новицкий и др. Новосибирск: Наука, 1995. -335 с.

39. Монахов Г.В. Войтинская Ю.А. Моделирование управления режимами тепловых сетей.-М.: Энергоатомиздат, 1995-224с.

40. Монахов Г.В. Разработка и реализация математических моделей для автоматизации планирования и оперативного управления режимами в системах центрального теплоснабжения. -Дисс. .канд. техн. наук. -М„ 1986г.

41. Морев А.А., Новицкий Н.Н. Комплекс программ для гидравлического расчета и исследования особенностей функционирования систем многониточных нефтепроводов. // Транспорт и хранение нефти и нефтепроводов-1 981 .-№8 .-с. 19-20

42. Морев А.А., Сидлер В.Г., Новицкий Н.Н. Системная идентификация многониточных нефтепродуктов // Транспорт и хранение нефти и неф-тепроводов.-1982.-№11.-С.6-7

43. Национальный доклад «Теплоснабжение Российской Федерации. Пути выхода из кризиса» http://www.ice.ru/files/91537/ Национальный доклад теплоснабжение РФ.с1ос

44. Новицкий Н.Н. Оценивание параметров гидравлических цепей. -Новосибирск: Наука, 1998.

45. Новицкий Н.Н. Оценивание параметров гидравлических цепей-Новосибирск: Наука. Сиб. Предприятие РАН. 1998. -214 с.

46. Новицкий Н.Н. Элементы теории и методов сетевой идентификации трубопроводных систем // Изв.РАН. Энергетика. -2000.-№6.-С.87-97.

47. Новицкий Н.Н., Алексеев А.В. Методы расчета допустимых гидравлических режимов работы трубопроводных сетей.// Трубопроводные системы энергетики: Управление развитием и функционированием-Новосибирск.: Наука, 2004. -С 361-372.

48. Новицкий Н.Н., Дикин И.И. Расчет допустимых режимов работы трубопроводных сетей методом внутренних точек. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2002. -48с.-Препринт.

49. Новицкий Н.Н., Дикин И.И. Расчет допустимых режимов работытрубопроводных сетей методом внутренних точек.// Изв.РАН. Энергетика.-2003.-№5. -С. 104-115.

50. Новицкий Н.Н., Токарев В.В. Релейная методика расчета потокораспределеиия в гидравлических цепях с регулируемыми парамет-рами//Изв.РАН. Энергетика. -2001.-№2.~ С.88-98.

51. Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Шалагинова З.И. Новые информационно-вычислительные технологии для расчета и анализа режимов работ теплоснабжающих систем // Энергетика Тюменского региона. -2000.-№3.-С. 26-29.

52. Панов М.А., Левадный А.С., Щербаков В.И., Стогней В.Г. Моделирование, оптимизация и управление системами подачи и распределения воды: Монография-Воронеж.: Воронежский государственный технический университет, 2005.-489 с.

53. Панов М.Я. Вариационно-топологические методы моделирования и структурно-параметрическая оптимизация гидравлических систем: Дисс. . д-ра техн. наук.-Воронеж, 1994.-391с.

54. Панов М.Я., Квасов И.С. Моделирование потокораспределеиия в трубопроводных системах на основе вариационного принципа // Изв. АН. России Сер. Энергетика и транспорт, Т.38.-1992.-№6.-С111-115.

55. Панов М.Я., Курганов A.M. Многоконтурные гидравлические сети. Теория и методы расчета. Теория и методы расчета.-Воронеж: Воронежский гос. ун-т, 1989. 188с.75. ред. Сухарев М.Г. Надежность систем газо и нефтеснабжения: Справочник. Том 3.

56. Сахаров Н.А. Метод наивыгоднейшего распределения нагрузки между несколькими генераторами. -Электричество. -1927. -№5 С. 167-168.

57. Семенов В.Г. Теплоснабжение РФ в цифрах. http://www.ice.ru/teploreform/91326

58. Сеннова Е.В., Сидлер В.Г. Математическое моделирование и оптимизация развивающихся теплоснабжающих систем.-Новосибирск: Наука, 1987.-223с.

59. Сидлер В.Г. О статистическом подходе к эквивалентированию трубопроводных сетей/ В кн.: Вопросы оценивания и идентификации в энергетических системах. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 1974,- с. 173-178.

60. Сидлер В.Г., Шалагинова З.И. Математическая модель теплогидравлических режимов тепловых сетей.// Тезисы доклада в материалах Всесоюзного семинара по оптимизации систем теплоснабжения при научном совете АН СССР. Харьков, 24-25 ноября 1988.

61. Системные исследования проблем энергетики / Л.С.Беляев, Б.Г.Санеев, С.П.Филиппов и др. Новосибирск: Наука, 2000.

62. Сумароков С.В. Математическое моделирование систем водоснабжения. Новосибирск: Наука, 1983.- 167 с.

63. Сухарев М.Г., Ставровский Е.Р. Оптимизация систем транспорта газа.1. М.: Недра, 1975.-277с.

64. Сухарев М.Г., Ставровский Е.Р. Расчеты систем транспорта газа с помощью вычислительных машин. -М.: Недра, 1971.-206 с.

65. Труб И.И. Объектно-ориентированное моделирование на С++: Учебный курс-СПб.: Питер, 2006.-411с.

66. Хасилев В.Я. Обобщенные зависимости для технико-экономических расчетов тепловых и других сетей. Теплоэнергетика. -1957 - №1-С.28-31.

67. Хасилев В.Я. Элементы теории гидравлических цепей. Автореферат диссертации д-ра техн. наук.-Новосибирск: Секция техн. Наук Объединенного ученого совета СО АН СССР. 1966—98с.

68. Хасилев В.Я. Элементы теории гидравлических цепей//121

69. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт.-1964.-№1 -98с.

70. Холингвэрт Д., Баттерфилд Д, Сворт Б. и др. С++ Builder 5. Руководство разработчика. Сложные вопросы программирования: Пер. с англ.-М.: Издательский дом «Вильяме», 2001.-832с.

71. Цой С., Рязанцев Г.К. Принцип минимума и оптимальная политика управления вентиляционными и гидравлическими сетями Алма-Ата: Наука.-1968.-258с.

72. Черноруцкий И.Г. Методы оптимизации в теории управления: Учебное пособие.-СПб.: Питер, 2004.-256с.

73. Шамис В.А. Borland С++ Builder 6. Для профессионалов.-СПб.:Питер, 2003 .-798с.