Селезнев В.Е., Клишин Г.С., Алешин В.В., Прялов С.Н., Киселев В.В., Бойченко А.Л., Мотлохов В.В. Численный анализ и оптимизация газодинамических режимов транспорта природного газа

Оглавление

Предисловие

Предлагаемая вашему вниманию монография посвящена развитию научного направления, связанного с разработкой практических методов и технологий высокоточного численного анализа режимов функционирования сложных трубопроводных систем с целью повышения их безопасности, экономичности и экологичности.

В данной монографии подробно рассматриваются практические методы и технологии высокоточного численного анализа и математической оптимизации газодинамических режимов транспорта природного газа по трубопроводным сетям газотранспортных предприятий, с учетом прогнозирования и своевременного предупреждения аварийных ситуаций. В их основу положен разработанный В.Е.Селезневым научный подход к повышению безопасности, эффективности и экологичности сложных газопроводных систем топливно-энергетического комплекса (ТЭК), построенный на численном анализе взаимосвязанных базовых моделей механики сплошных сред, адаптированных с минимальными упрощениями к конструкциям и условиям функционирования реальных газопроводных систем, и широком применении гибридных методов численной оптимизации.

Материал, изложенный в монографии, является логическим продолжением и развитием концепций и методов, предложенных в работе В.Е.Селезнева, В.В.Алешина и Г.С.Клишина "Методы и технологии численного моделирования газопроводных систем", опубликованной в издательстве УРСС (г.Москва) в 2002 году (448 с.).

Первая Глава монографии посвящена описанию концепций и основных принципов построения и применения высокоточных газодинамических симуляторов транспорта природного газа по трубопроводным сетям газотранспортных предприятий с целью повышения их безопасности, эффективности и экологичности. При этом газодинамический симулятор представляется в виде компьютерной аналитической системы, условно разделяющейся на три взаимосвязанные части (элемента). Первым элементом системы является построенная из универсальных (типовых) сегментов расчетная схема трубопроводной сети газотранспортного предприятия, минимально отличающаяся от полной топологии реальной сети. Вторая часть – это база данных, содержащая исходную информацию о топологии, параметрах, правилах управления и технологических режимах транспорта газов по трубопроводной системе конкретного предприятия ТЭК. Третьей частью является программно-математический комплекс, предназначенный для построения расчетных схем газопроводов и их численного анализа в соответствии с правилами управления и технологическими режимами транспорта газов, принятыми на предприятиях ТЭК.

В Главе 1 также излагается подход, положенный в основу решения задач снижения энергетических и финансовых затрат на транспорт газа через компрессорные станции (КС) и газотранспортное предприятие в целом в широком спектре установившихся и неустановившихся режимов.

Знакомство с монографией рекомендуется начинать с Главы 1, так как материал данной Главы направлен, прежде всего, на формирование у читателя целостного представления о проблеме построения и эффективного применения высокоточных газодинамических симуляторов.

Во второй Главе монографии рассматривается технология численного анализа безударного неустановившегося неизотермического турбулентного течения вязкой, химически инертной, сжимаемой многокомпонентной теплопроводной газовой смеси по разветвленному трубопроводу с трубами круглого переменного поперечного сечения и абсолютно жесткими шероховатыми теплопроводными стенками. Приводится вариант уравнений состояния, показавший наиболее приемлемые результаты при практическом моделировании реальных процессов. В данной Главе предложены различные модели, предназначенные для описания течения газовых смесей через кран при его работе (открытии/закрытии). При этом проанализированы проблемы, возникающие при моделировании работы кранов. Описан вариант модели для расчета параметров истечения газовых смесей при полном разрыве трубопроводов. В Главе 2 достаточно подробно изложен один из вариантов модели течения двухфазных сред "жидкость–газ" по однониточному трубопроводу в пленочно-кольцевом режиме течения.

В третьей Главе излагаются и научно обосновываются известные и новые методы моделирования установившихся и неустановившихся режимов транспорта природного газа через индивидуальные компрессорные цеха и станции, которые можно применять в режимах "offline" или "online". Под новыми методами в данном случае подразумеваются метод практического моделирования установившихся режимов транспорта природного газа через КС сложной структуры и метод анализа динамических режимов работы компрессорных цехов и станций.

В четвертой Главе описываются, анализируются и обосновываются методы численного моделирования установившихся и неустановившихся режимов транспорта природного газа через трубопроводную сеть газотранспортного предприятия применительно к разработке технологии построения высокоточных газодинамических компьютерных симуляторов. При этом используется описание газотранспортной сети как объекта моделирования, изложенное в Главе 1.

В Главе 4 предлагается подход к автоматической настройке газодинамического симулятора на реальные параметры конкретного газотранспортного предприятия. Здесь также описываются и обосновываются алгоритмы локализации мест разрывов многониточных линейных частей магистральных газопроводов, оперативного анализа текущих режимов транспорта газа, прогнозирования состояния газотранспортной сети при динамическом изменении условий на границах сети и заданных законах изменения управляющих воздействий во времени. В данной Главе описываются функциональные возможности высокоточных газодинамических симуляторов при стратегическом планировании развития газотранспортной сети, численном анализе вариантов ее реконструкции, разработке алгоритмов ремонта дефектных участков трубопровода и численном анализе работы газораспределительных станций.

Глава 4 содержит большой материал, иллюстрирующий результаты практического применения газодинамических симуляторов трубопроводных систем и адекватность данных результатов реальным процессам, протекающим в газотранспортной сети.

В пятой Главе описывается подход и соответствующие расчетные алгоритмы, предназначенные для решения задач оптимизации установившихся и неустановившихся режимов транспорта природного газа через компрессорные станции и газотранспортное предприятие в целом.

Шестая Глава посвящена концепции построения архитектуры высокоточных компьютерных газодинамических симуляторов режимов транспорта природного газа через трубопроводные сети газотранспортных предприятий (или фрагменты трубопроводных сетей газотранспортных предприятий) (сокращенно – ГДС). В данной Главе определен круг потенциальных пользователей симуляторов и рассмотрены возможности автоматизации ввода исходных данных с помощью SCADA-систем. В Главе 6 анализируются факторы, влияющие на производительность, надежность и продолжительность эксплуатации ГДС.

В седьмой Главе дается краткое описание подхода к построению интеллектуальных информационно-управляющих систем для газотранспортных предприятий с применением высокоточных компьютерных газодинамических симуляторов.

Основной текст монографии дополняется и иллюстрируется материалами, приведенными в двух Приложениях. В Приложении 1 проводится сравнительный анализ результатов численного моделирования газодинамических процессов в трубопроводной системе при работе кранов. Анализ производится с применением программно-математического комплекса "AMADEUS" и так называемой миллисекундной SCADA-системы, разработанной в Международной газотранспортной компании "SPP-DSTG".

В Приложении 2 представлен пример моделирования неустановившегося режима транспорта природного газа через компрессорный цех методом последовательной смены стационарных состояний и методом анализа динамических режимов.

Концепция и детальный план-проспект рукописи данной монографии были сформулированы В.Е.Селезневым. Глава 1 написана В.Е.Селезневым; Глава 2 – С.Н.Пряловым при участии и под научным руководством В.Е.Селезнева; Глава 3 – В.Е.Селезневым в соавторстве с В.В.Киселевым (Разделы 3.1, 3.2.1), В.В.Алешиным (Раздел 3.1.1) и С.Н.Пряловым (Раздел 3.2.2); Глава 4 – В.Е.Селезневым в соавторстве с С.Н.Пряловым (4.1.1, 4.1.2, 4.2.2–4.2.6), А.Л.Бойченко (Разделы 4.1.3, 4.2.1–4.2.6), В.В.Киселевым (Разделы 4.2.2–4.2.5, 4.3), В.В.Алешиным (Разделы 4.2.2–4.2.6) и Г.С.Клишиным (Разделы 4.2.2–4.2.6, 4.4); Глава 5 – В.В.Киселевым при непосредственном участии и под научным руководством В.Е.Селезнева и при участии С.Н.Прялова; Глава 6 – В.В.Мотлоховым в соавторстве с В.Е.Селезневым; Глава 7 – Г.С.Клишиным.

Иллюстративные материалы, представленные в Приложении 1, подготовлены В.В.Киселевым и А.Л.Бойченко совместно с В.Е.Селезневым и Яном Марко (Словакия), в Приложении 2 – А.С.Комиссаровым, В.В.Киселевым и С.Н.Пряловым совместно с В.Е.Селезневым.

Научная редакция монографии осуществлена В.Е.Селезневым.

В заключение авторы хотели бы искренне поблагодарить за постоянное внимание к своей работе, научно-технические консультации и критическое обсуждение материала, положенного в основу монографии, академика РАН, директора Российского федерального ядерного центра – Всероссийского научно-исследовательского института, доктора физико-математических наук Радия Ивановича Илькаева, руководителей и ведущих специалистов Международной газотранспортной компании "SPP-DSTG" (Словакия) в лице директора по производству инженера Йозефа Титку, директора по технике инженера Яна Януса, руководителя отделения вычислительных технологий инженера Милана Тирпака, а также ученых Математического института Словацкой академии наук, в лице директора, академика САН, доктора физико-математических наук Анатолия Двуреченского, ученого секретаря института доктора Карола Немогу, ведущих специалистов института доктора Рудольфа Хайоши и доктора Тибора Жачека.

Особую благодарность за плодотворное сотрудничество по проекту "AMADEUS", практические результаты применения которого достаточно широко представлены в монографии, авторы хотели бы выразить главному специалисту по моделированию в Международной газотранспортной компании "SPP-DSTG" инженеру Яну Марко.

Авторы благодарят за поддержку своих разработок директора Представительства компании "CADFEM GmbH" в СНГ Валерия Николаевича Анпилова.

Авторы выражают свою благодарность и признательность сотрудникам Центра вычислительных технологий механики ООО "НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ" Ирине Алексеевне Скитевой, Олесе Вячеславовне Коршуновой, Оксане Владимировне Устюшиной и Валентине Николаевне Марзановой за помощь в подготовке рукописи к публикации. Также авторы искренне благодарят коллектив издательства УРСС за качественную работу по подготовке рукописи к печати в кратчайшие сроки, внимательное и доброжелательное отношение к авторам при работе.

Об авторах

СЕЛЕЗНЕВ ВАДИМ ЕВГЕНЬЕВИЧ

Руководитель Центра вычислительных технологий механики ООО "НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ". Доктор технических наук. Автор более 100 печатных работ, посвященных повышению безопасности, экологичности и эффектив-ности сложных технических систем методами вычислительной механики и математической оптимизации.

КЛИШИН ГЕННАДИЙ СЕМЕНОВИЧ

Директор ООО "НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ". Автор более 70 печатных работ, посвященных созданию и практическому применению информационных программно-аппаратных систем и вычислительных технологий для комплексной оценки состояния промышленных объектов топливно-энергетического комплекса.

АЛЕШИН ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ

Заместитель руководителя Центра вычислительных технологий механики ООО "НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ". Кандидат технических наук. Автор более 50 печатных работ, посвященных разработке и практическому применению методов численного моделирования и вычислительных технологий для повышения безопасности сложных промышленных объектов и технических систем с использованием методов вычислительной механики.

КИСЕЛЕВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

Руководитель лаборатории Центра вычислительных технологий механики ООО "НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ". Автор серии печатных работ в области разработки и практического применения численных методов и программ-но-математических комплексов для оптимального безопасного управления динамическими режимами функционирования промышленных объектов топливно-энергетического комплекса.

ПРЯЛОВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

Заместитель руководителя лаборатории Центра вычислительных технологий механики ООО "НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ". Автор серии печатных работ в области разработки и применения численных методов и программно-математических комплексов для решения практических задач механики жидкости и газов в сложных системах промышленных тру-бопроводов и каналов с открытыми руслами.

БОЙЧЕНКО АЛЕКСАНДР ЛЕОНИДОВИЧ

Научный сотрудник лаборатории Центра вычислительных технологий ме-ханики ООО "НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ". Автор научно-технических публикаций в области разработки и практического применения ком-пьютерных симуляторов систем промышленных трубопроводов и численного анализа газодинамических и гидравлических процессов на объектах топливно-энергетического комплекса.

МОТЛОХОВ ВЛАДИСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ

Научный сотрудник лаборатории Центра вычислительных технологий механики ООО "НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ". Автор научно-технических публикаций в области разработки архитектуры и интерфейса программно-математических комплексов и компьютерных симуляторов для анализа функционирования и управления сложными системами промышленных трубопроводов в режиме реального времени.