Селезнев В.Е., Алешин В.В., Клишин Г.С. Методы и технологии численного моделирования газопроводных систем Изд. 2

Оглавление

Предисловие ко второму изданию

Первое издание данной монографии, вышедшее в свет в 2002 году в издательстве URSS (г.Москва), открывало серию публикаций, посвященных теоретическим основам и практическому применению методов высокоточного моделирования трубопроводных систем. Эти методы были разработаны учеными и ведущими специалистами Российского федерального ядерного центра – Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики для нужд топливно-энергетического комплекса.

В указанный перечень публикаций вошли следующие монографии, выпущенные издательством URSS:

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

2. Алешин В.В., Селезнев В.Е., Кобяков В.В., Дикарев К.И., Клишин Г.С. Численный анализ прочности подземных трубопроводов / Под ред. В.В.Алешина и В.Е.Селезнева.

3. Селезнев В.Е., Алешин В.В., Клишин Г.С., Фотин С.В., Есин В.М., Дикарев К.И., Кобяков В.В. Численный анализ пожарной опасности магистральных газопроводов / Под ред. В.Е.Селезнева.

4. Il'kaev R.I., Seleznev V.E., Aleshin V.V., Klishin G.S. Numerical simulation of gas pipeline networks: theory, computational implementation, and industrial applications / Ed. by V.E.Seleznev.

5. Селезнев В.Е., Алешин В.В., Прялов С.Н. Основы численного моделирования магистральных трубопроводов / Под ред. В.Е.Селезнева.

Настоящее издание подверглось исправлениям и незначительной переработке (Разделы 3.4 и 5.3.1) для отражения современных тенденций в области численного анализа промышленных трубопроводных систем. Ряд исправлений был также внесен по результатам четырехлетней практической эксплуатации методов моделирования, предложенных в первом издании этой монографии.

В подготовке настоящего издания большая помощь была оказана кандидатами технических наук С.Н.Пряловым, В.В.Киселевым и А.Л.Бойченко.

Предисловие к первому изданию

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) является важнейшей отраслью промышленности, обеспечивающей энергетическую безопасность и экономическую самостоятельность промышленно развитой страны. В то же время, с точки зрения экологии, ТЭК выступает как один из главных загрязнителей окружающей среды [1–4]. Поэтому, вопросы повышения безопасности и эффективности объектов ТЭК являются ключевыми для экономического развития государства и снижения вредных воздействий на людей и окружающую среду [5].

Одним из основных компонентов ТЭК являются системы газопроводов высокого давления. Помимо газовой промышленности, газопроводы широко применяются на предприятиях тепловой сети (ПТС), на нефтехимических производствах, в химической промышленности и т.д.

В последнее время в мире отмечается снижение надежности работы трубопроводов ТЭК и увеличение вредной нагрузки на окружающую среду при их работе [6, 7]. По данным Госгортехнадзора России [8], только в период с 1991 по 1994 годы на объектах трубопроводного транспорта ТЭК страны произошло 138 крупных аварий. С октября 2001 года по февраль 2002 года на предприятиях ОАО "Газпром" зарегистрировано 5 разрывов газопроводов высокого давления [9, 10]. Из них 4 аварии сопровождались возгоранием транспортируемого природного газа (по статистике аварий на российских магистральных газопроводах (МГ), свыше 50 % разрывов МГ сопровождаются интенсивными пожарами [9, 10, 12–15]).

Сходные проблемы возникают и у зарубежных компаний, эксплуатирующих трубопроводные системы. Так, например, в США за короткий период (с июня 1999 по август 2000 годов) произошли две крупнейшие аварии на МГ компании "Olympic Pipe Line Co" и МГ компании "El Paso Natural Gas Co" [11], вызвавшие серьезную обеспокоенность состоянием американского трубопроводного транспорта в широких общественных кругах. Обе аварии, помимо потерь большого количества транспортируемого продукта и затрат на восстановление трубопроводов, сопровождались сильными пожарами, приведшими к гибели 18 человек.

Одной из основных причин аварий на трубопроводах ТЭК является их старение. Основной парк газопроводов высокого давления составляют трубопроводы, имеющие срок эксплуатации свыше 20 лет [6, 7].

Помимо аварийных ситуаций, небольшие выбросы вредных газов в атмосферу могут носить плановый характер и производиться в соответствии с технологией транспорта газов по трубопроводным системам (например, плановые выбросы природного газа на газоперекачивающих компрессорных станциях (КС) или газораспределительных станциях (ГРС), газообразные выбросы тепловых электрических станций (ТЭС) (водяные пары, углекислый газ, азот, NO_x, SO₂ + SO₃, CO_x, углеводороды СН₄, С₂Н₄, С₂₀Н₁₂ (бензапирен), V₂O₅, сажа и др.)) [16–19].

Выбросы в атмосферу так называемых парниковых газов и/или их образование в процессе интенсивных пожаров представляют опасность с точки зрения глобального изменения климата. В свете последних международных документов по глобальному изменению климата особое место занимает проблема снижения эмиссии диоксида углерода и метана на предприятиях ТЭК [20–22]. При этом, в мировом масштабе более 60 % от общего количества выбросов в атмосферу загрязняющих веществ приходится на природный газ [21, 22].

Помимо экологических последствий, аварии на газопроводах ТЭК наносят ощутимый экономический урон [23, 24]. Так, по данным канадской фирмы "Associated limited", материальный ущерб от слабого факельного выброса природного газа в атмосферу доходит до 175 тыс. долл. США, а от сильного – до 50 млн долл. США [15].

Все вышеперечисленное свидетельствует об актуальности повышения безопасности транспорта газов по трубопроводным системам ТЭК.

В комплексе с решением проблемы повышения безопасности необходимо решать задачу снижения энергозатрат на транспорт газов по трубопроводам ТЭК. Важность решения данной задачи можно проиллюстрировать следующим примером. Только при доставке природного газа от месторождения до потребителя в газотурбинных приводах газоперекачивающих агрегатов (ГПА) КС может сжигаться свыше двадцати процентов транспортируемого газа [25–27]. Таким образом, большое количество природного газа становится внутренними затратами газотранспортной компании и не попадает на рынок.

На современном уровне развития ТЭК решение проблем повышения безопасности и эффективности трубопроводного транспорта требует применения методов численного моделирования. Данные методы позволяют проводить подробный комплексный анализ сложных технических систем с высокой степенью точности и достоверности.

Применение упрощенных методов прочностных расчетов трубопроводов, определение зон возможных поражений при авариях на объектах трубопроводного транспорта или использование упрощенных газодинамических симуляторов газотранспортных сетей при оптимизации транспорта газов приводит к получению грубых оценок параметров реальных процессов, не удовлетворяющих современным и перспективным требованиям проектирования и эксплуатации трубопроводных систем, или к ошибочным результатам. Проиллюстрируем это на некоторых практических примерах.

Для технической диагностики МГ используются внутритрубные магнитные снаряды-дефектоскопы (СД). Расчетные оценки параметров магнитных полей и величин силовых воздействий на конструкции СД, порождаемых этими полями, необходимы для научно-обоснованного развития и совершенствования средств и технологий внутритрубной технической диагностики. До середины 90-х годов такие оценки проводились с помощью аналитических и полуаналитических зависимостей [28].

Применение аналитических и полуаналитических зависимостей для анализа изменения параметров электромагнитного поля и величин силовых воздействий допустимо только в случае дефектов простейших (строго классифицированных по геометрии) форм и существенно упрощенных расчетных схем для конструкций СД. В случае реальных дефектов и силовых воздействий на конструкции СД отличие между расчетными оценками и результатами натурных измерений может составлять от десятков до сотен процентов [29, 30].

Аналогичные замечания можно сделать и по традиционным методикам расчетной оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопроводных конструкций, базирующимся на методах сопротивления материалов и строительной механики (см., например: [31–34]). Они не позволяют провести адекватный анализ прочности трубопроводов ТЭК с требуемой точностью, а в некоторых случаях могут дать неверную качественную картину НДС конструкции [35–38].

Одной из самых распространенных аварий на газопроводах является их разрыв. Для оперативной локализации места аварии и принятия мер по ее ликвидации рядом исследователей предлагается применять изотермические модели течения газа по трубопроводной системе (или их модификации) [39–41]. Применение данных моделей в случаях реальных аварий в России и странах Западной Европы показало их несостоятельность из-за получения ошибочных расчетных значений параметров течения газа в аварийной системе [42].

Для расчетной оценки концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе, содержащихся в выбросах предприятий, используется методика ОНД-86 [43]. Данная методика основана на полуэмпирических зависимостях и имеет ряд существенных ограничений по высоте устья источника загрязнения атмосферы, скорости ветра, учету рельефа местности, зданий и сооружений и позволяет рассчитать распределение концентраций загрязняющих веществ для приземного слоя атмосферы – на высоте 2,0 м от поверхности земли. В методике ОНД-86 разработчики отталкиваются от экспериментально наблюдаемых законов распределения концентраций за продолжительные отрезки времени и задаются такими параметрами в математическом описании, чтобы экспериментально наблюдаемые значения концентраций с вероятностью 0,9 не превысили расчетные значения при любых погодных условиях, что не позволяет использовать данную методику для расчета текущего состояния концентрационного поля.

По данным работы [44], сравнение экспериментально полученных концентраций SO₂ из трубы ЗАО "Карабашмедь" и рассчитанных по методике ОНД-86 при проектировании показало расхождение в 40–80 раз. Сравнение экспериментально полученных концентраций SO₂ из труб ТЭЦ-21 ОАО "Мосэнерго" и рассчитанных по методике ОНД-86 показало расхождение в 1,2–2,4 раза [2].

Приведенные выше примеры свидетельствуют о необходимости перехода от упрощенных расчетных методик к высокоточному математическому моделированию, основанному на численных методах механики сплошных сред, математической оптимизации и широком использовании современной компьютерной техники [45]. Исходные данные для моделирования могут поступать в автоматизированном режиме от современной диагностической аппаратуры, SCADA-систем, автоматизированных информационно-управляющих систем, GIS и т.д.

Необходимость комплексного анализа состояния трубопроводных систем в нормальном и аварийных режимах их функционирования была указана Г.С.Клишиным.

В данной монографии предлагаются и обосновываются методы и вычислительные технологии для комплексного численного анализа фактического состояния газопроводных систем, высокоточной оптимизации режимов их функционирования и своевременного предупреждения аварийных ситуаций, разработанные под научным руководством В.Е.Селезнева. Разработка предлагаемых в монографии методов и вычислительных технологий проводилась с середины 90-х годов XX века. В их основе лежит предложенный В.Е.Селезневым математический подход к комплексному численному моделированию сложных трубопроводных систем с использованием известных базовых моделей механики сплошных сред (МСС), численных методов механики и гибридных методов математической оптимизации [37, 46].

Первая глава монографии посвящена описанию подхода к численному моделированию газопроводных систем для повышения их безопасности и эффективности. В данной главе излагаются принципы построения или выбора соответствующих математических моделей и методов их численного анализа, приводится пример верификации разрабатываемых методов и технологий при натурных испытаниях.

Во второй главе рассматривается технология численного моделирования работы магнитных приборов для технической диагностики газопроводных сетей.

В третьей главе излагаются методы и технология численного моделирования и высокоточной оптимизации транспорта газов по трубопроводным системам.

Четвертая глава посвящена методам и технологии численного анализа прочности промышленных трубопроводных систем.

В пятой главе описывается технология численного моделирования поражающих факторов при разрушении трубопроводов высокого давления.

В шестой главе дается краткое описание вычислительной технологии "PipEst" и приводятся примеры ее практического применения.

Основной текст монографии дополняется и иллюстрируется материалами, приведенными в одиннадцати приложениях.

Главы 1, 2 (за исключением Раздела 2.4), 3, 5 (за исключением Раздела 5.3.2), Приложение 6 были написаны В.Е.Селезневым, Глава 4, Приложения 7 и 8 – В.В.Алешиным, Предисловие, Раздел 2.4 и Глава 6 – Г.С.Клишиным. Раздел 5.3.2 написан совместно В.Е.Селезневым и В.В.Алешиным. Материалы, представленные в Приложениях 1, 2 и 3, были подготовлены В.Е.Селезневым совместно с С.В.Яцевичем и С.Н.Пряловым. Материалы Приложения 4 подготовлены В.Е.Селезневым совместно с В.В.Мотлоховым, Приложения 5 – В.Е.Селезневым совместно с В.В.Киселевым и А.Л.Бойченко, Приложения 9 – В.В.Алешиным совместно с К.И.Дикаревым, Приложения 10 – В.В.Алешиным совместно с К.И.Дикаревым и В.Е.Селезневым, Приложения 11 – В.В.Алешиным совместно с С.В.Фотиным.

Прежде чем перейти к непосредственному изложению материала монографии, авторы считают своим приятным долгом искренне поблагодарить своих коллег Киселева Владимира Владимировича, Прялова Сергея Николаевича, Фотина Сергея Валентиновича, Яцевича Сергея Владимировича за плодотворные дискуссии по тематике монографии.

Об авторах

СЕЛЕЗНЕВ Вадим Евгеньевич

Заместитель главного конструктора Российского федерального ядерного центра – Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ"), руководитель Центра вычислительных технологий механики (ЦВТМ). Доктор технических наук. Основная специализация: анализ физических процессов функционирования и математическое моделирование промышленных объектов энергетических систем и комплексов. Профессиональные интересы: вычислительная механика и математическая оптимизация. Автор и соавтор более 170 научных трудов, посвященных повышению безопасности, экологичности и эффективности сложных технических систем методами вычислительной механики и математической оптимизации.

АЛЕШИН Владимир Васильевич

Заместитель начальника отделения ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", заместитель руководителя ЦВТМ. Доктор технических наук. Основная специализация: разработка технологий и методов численного анализа высокоэнергонасыщенных промышленных объектов и комплексов. Профессиональные интересы: вычислительная механика. Автор и соавтор более 120 научных трудов, посвященных повышению промышленной и пожарной безопасности энергетических систем и комплексов методами вычислительной механики.

КЛИШИН Геннадий Семенович

Директор ООО "НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ". Основное направление деятельности: разработка аппаратно-программных систем и компьютерных технологий для комплексного анализа и безопасного эффективного управления промышленными объектами топливно-энергетического комплекса. Автор более 120 трудов в областях создания программно-аппаратных систем и анализа состояния промышленных объектов топливно-энергетического комплекса.