Методы контроля и управления городской системой газоснабжения

Своевременное обнаружение и точное определение мест утечек газа является важным условием экологически безопасной эксплуатации систем газоснабжения. Традиционными способами проверки технического состояния газопроводов являются проверка их герметичности при систематических обходах трасс газопроводов, буровой и шурфовой осмотры.

При утечке из газопровода газ через неплотности в грунте в виде воронки поднимается (диффундирует) на поверхность земли. Для отыскания мест утечек газа из подземных газопроводов без разрытия грунта при обходе трасс применяются высокочувствительные газоанализаторы. По результатам проверок герметичности газопроводов при обходе трасс и определении загазованности колодцев, подвалов, каналов и т.д. делается первоначальная оценка технического состояния газопроводов. Конкретное место утечки уточняется буровым и шурфовым осмотром. С целью проверки герметичности подземных газопроводов производятся периодические буровые осмотры. В зависимости от коррозионных условий сроки их проведения назначаются через 5-10 лет.

Места шурфования на газопроводах выбираются на участках наибольшего приближения к электрифицированным железным дорогам, а также на участках газопроводов, проложенных в грунтах с наибольшей коррозионной активностью. При выборе мест шурфования используются данные потенциальных диаграмм. Особое внимание при этом следует обращать на участки газопроводов с анодными и знакопеременными потенциалами.

Однако проведение буровых и шурфовых осмотров является дорогой и трудоёмкой операцией, а эффективность обнаружения утечки или вероятность объективной оценки состояния изоляции газопровода весьма низкая.

Комплексный приборный метод определения технического состояния подземных газопроводов включает в себя: уточнение (при необходимости определения) трассы газопровода, проверку состояния изоляционного покрытия, проверку плотности газопровода. Для уточнения места утечек газа, обнаруженных приборами, и устранения выявленных неисправностей применяются указанные традиционные методы - буровые и шурфовые работы.

В целях повышения надежности эксплуатации газопроводов, особенно при большом количестве обнаруженных повреждений изоляции или утечках газа в результате коррозионных разрушений, приборный метод контроля рекомендуется сочетать с опрессовкой [11,12].

Эксплуатационный контроль над состоянием газовых сетей и их оборудования осуществляет бригада обходчиков отдела линейно-эксплуатационной службы. Обходчики занимаются обнаружением утечек в газовой сети, а также выполняют работы по техобслуживанию газового оборудования внутри зданий, а также производят оценку состояния раскопанных подземных трубопроводов в соответствии с инструкцией об оценке состояния отрезков трубопроводов.

При определение сроков обхода газопроводов учитываются местные условия их эксплуатации (техническое состояние газопроводов, давление газа, продолжительность эксплуатации, пучинистость грунтов, коррозионные условия, время года и др.). Для обслуживания подземных газопроводов составляются и выдаются обходчикам маршрутные карты с присвоенными номерами. В маршрутной карте указываются схема трассы газопроводов и ее данные, а также колодцы подземных коммуникаций и подвалы зданий, расположенные на расстоянии 15 метров по обе стороны от газопроводов.

Проверка герметичности газопроводов при обходах трасс производится посредством взятия проб на загазованность из колодцев и контрольных трубок, установленных на газопроводах, а также колодцев других подземных коммуникаций (телефона, водопровода, канализации, теплосети и др.), из подвалов зданий и коллекторов, расположенных на расстоянии до 15 м в обе стороны от оси газопровода. Утечка газа может быть также выявлена по внешним признакам (пожелтение растительности на трассе, бурые пятна на снегу, выделение пузырьков газа и т.д.). Для измерения концентрации газа вблизи газового оборудования зданий, в помещениях и на объектах газораспределительной сети используются следующие приборы: портативный прибор для обнаружения утечек ЭТХ-1; портативный сигнализатор загазованности ТГГ-90.

Под надежностью систем газоснабжения понимают способность транспортировать потребителям необходимые количества газа с соблюдением заданных параметров в течение определенного периода времени. Прежде всего, системы газоснабжения должны обеспечить на заданном уровне давление газа, а также заданную степень очистки газа от инородных включений и необходимую степень одоризации [2,4].

Системы газоснабжения представляют собой системы длительного действия. В процессе эксплуатации газопроводы находятся в стационарном состоянии и испытывают, главным образом, статические нагрузки. Некоторые участки газовых сетей, которые находятся в зоне интенсивного движения транспорта, подвергаются также динамическим нагрузкам. На газопроводы воздействуют: собственный вес, агрессивные примеси окружающей среды (грунта и воздуха), температурные изменения и т.д. Действует и такой мощный фактор, как время, в котором происходят изменения в молекулярной и субмолекулярной структуры материалов труб, изоляции и т.п. С ростом городов системы газоснабжения расширяются, реконструируются, а износившиеся элементы ремонтируются или заменяются.

В процессе эксплуатации происходят отказы элементов газоснабжающей системы. Отказ элемента - это нарушение его работоспособного состояния, для восстановления которого необходим ремонт с отключением элемента из системы. Однако не всякое отключение элемента приводит к отказу системы. Если же отказы отдельных элементов приводят к отказу системы газоснабжения, то возникают аварийные ситуации.

Существуют два основных пути повышения надежности газоснабжающих систем.

Первый путь - это повышение надежности элементов, из которых состоит система. Это использование труб и оборудования из более прочных и качественных материалов (сталь, бронза, латунь); использование более долговечных изоляционных материалов; повышение качества конструкций оборудования; повышение качества строительно-монтажных работ и повышение требований к контролю качества строительства. Для повышения надежности систем газоснабжения используют, прежде всего, этот путь. Однако следует учитывать, что при этом повышается стоимость системы, а надежность системы оказывается меньше надежности составляющих ее элементов.

Второй путь - путь резервирования, то есть кольцевания сетей, дублирования наиболее важных элементов системы, рациональное секционирование газопроводов. Этот путь реализуется при проектировании и позволяет создать системы, надежность которых выше надежности элементов, из которых они состоят. Следует учитывать, что резервирование связано с большими материальными затратами и поэтому должно быть строго обосновано. Только кольцевание газовых сетей низкого давления не требует существенных дополнительных затрат ввиду большой плотности их прокладки по селитебной территории.

Выбор подземной прокладки обусловлен техническими причинами (подводы к жилым районам и соединительные трубопроводы). В жилых районах имеет место наземная прокладка, поскольку ввод трубопровода в дом на уровне подвального помещения не разрешается. Кроме того, при прокладке и контроле наземных трубопроводов отпадает необходимость в трудоёмких земляных работах. Наземные трубопроводы требуют также меньше затрат на проведение плановых инспекций. Наземные трубопроводы прокладываются вдоль внешних стен зданий, а в ряде случаев - вдоль улиц, пролегающих в пределах жилых районов. Между зданиями, а также в местах пересечения с дорогами газопроводы укладываются на опорные столбы.

Открытость и незащищенность наземных трубопроводов обусловливают их подверженность механическим повреждениям. Статистика отказов свидетельствует о том, что на наземных газопроводах бывает от 5 до 7 повреждений в год. Эти повреждения происходят в результате невнимательности водителей автотранспорта и ошибок, допускаемых при эксплуатации строительной техники. Кроме того, повреждения трубопроводов возникают также по причине ударов падающих вниз веток, камней и сосулек.

Санация включает в себя как подземные, так и наземные трубопроводы. Большой объём санации наземных трубопроводов (53%) объясняется недостаточностью систем антикоррозионной защиты, недостаточным качеством исполнения изоляционных работ и использовавшихся методов проведения ремонта. Эти методы не основаны на классификации повреждений и не позволяют поэтому осуществлять эффективный ремонт и своевременное устранение поражённых коррозией участков трубопроводов.

Необходимость в санации наземной сети трубопроводов устанавливается по результатам работы обходчиков, периодически контролирующих сеть наземных трубопроводов на наличие дефектов, неисправностей и повреждений. Проведение контроля осложняется расположением некоторых трубопроводов на уровне второго этажа, вдоль фасадов зданий, а также на мостовых переходах проездов. Кроме того, критические места, подверженные сильному коррозионному воздействию, как, например, точки опор, могут быть хорошо обследованы только при проведении целенаправленного контроля. Неоднократный ремонт одного и того же повреждённого участка может рассматриваться как признак критического состояния данного участка. Следовательно, наземные трубопроводы, возраст которых превышает 15 лет, нуждаются в основательном обследовании и санации.

Для обоснования рационального распределения природного газа в городских сетях газоснабжения, выбора оптимальных режимов работы газопотребляющего оборудования, проведения профилактических и ремонтных работ в газовой промышленности все шире начинают применять количественные процедуры принятия решений. Однако в связи с наличием разнородной информации об объектах (детерминированной, качественной, статической, интервальной и т.д.), большими затратами времени и средств на измерения, необходимые для точной оценки параметров или вероятностных законов распределения, а также учитывая сложность многоуровневых иерархических систем, применение существующих детерминированных или вероятностных методов принятия решений является крайне затруднительным.

В настоящее время задачи по рациональному распределению природного газа в городских системах газоснабжения и выбору оптимальных режимов работы газопотребляющего оборудования рассматриваются в основном лишь как одноуроневые одноцелевые. Это усложняет процесс согласования решений различных уровней (город-район-участок), приводит к появлению определенных трудностей при использовании полученных результатов оптимизации на практике. На каждом уровне появляется также необходимость учета нескольких критериев, учитывающих эффективность работы газопотребляющего оборудования, минимальные затраты на подготовку природного газа перед его подачей к потребителям и т.д. Многие цели противоречивы, и возникает необходимость принятия решения в конфликтной ситуации.

Возможно проведение простого расчета режима или оптимизация режима работы участка газопровода городской сети газоснабжения по одному из следующих критериев:

· по максимуму суммарного расхода газа в городской сети:

(2.1)

· по максимуму значений давления газа на входах в ГРС:

(2.2)

· по такому распределению заданного отбора газа между ГРС и ГРП, чтобы выбранный режим потребления газа был эффективным с точки зрения эксплуатации газопотребляющего оборудования, допустимым технологически и не включал в себя режимов, имеющих высокую степень неопределенности.

Свести систему нелинейных уравнений давлений и расходов к системе уравнений, линейных относительно квадратов этих параметров, позволяют различные методы линеаризации [41,42]:

(2.3)

или:

(2.4)

где s - номер итерации.

На основе метода линеаризации (2.3, 2.4) система уравнений расходов и давлений газа в сети сводится к системе линейных уравнений на шаге итерации s относительно неизвестных расходов и квадратов давлений . Размерность этой системы может быть понижена путем подстановки некоторых известных значений расходов. Полученная система уравнений решается на основе методов, разработанных для симметричных систем с большим числом нулевых элементов.

Алгоритм итерационного расчета состоит из следующих этапов: с учетом найденных начальных приближений величин решается линеаризованная система уравнений для шага итерации s, уточняются значения потоков по каждому ребру, пересчитываются коэффициенты и проверяется критерий окончания счета - обеспечение сбалансированности потоков с заданной точностью. Если условие сбалансированности выполняется, то расчет заканчивается, в противном случае итерационный процесс повторяется.

Для расчета неизотермических процессов добавляется еще один итерационный цикл для пересчета температур газа в узлах городской сети газоснабжения [43,44].

Перед расчетом необходимо оценить вектор коэффициентов α в модели:

(2.5)

где: ξ - помеха, вносящая некоторую неопределенность в оценку α, χ - вектор.

Эта модель может быть статической или динамической. Задача оценивания может быть решена с помощью различных методов: наименьших квадратов, максимального правдоподобия, адаптации и т.д. При этом делаются различные предположения о типе помехи (аддитивная случайная гауссовская с нулевым математическим ожиданием, мультипликативная и т.д.), учитывается характер априорной и апостериорной информации о процессе и на основе измеряемых величин, для исследований проводится оценка α.

Рассмотрим два метода оценивания на основе нечеткого моделирования, которое является одним из наиболее удачных путей адекватного представления наших объективных и субъективных знаний о системах газоснабжения как объекте исследований. В этом случае коэффициентыα будем рассматривать как нечеткие величины в своих областях определения. Полученные функции принадлежности для α-μ(α) могут быть использованы в дальнейшем непосредственно в нечетких моделях, а также на их основе могут быть получены точечные оценки. Одним из путей построения нечеткого множества L, которое представляет коэффициент α может служить следующий метод [44,45,46,47].

Для модели (2.5) может быть использована рекуррентная процедура оценивания коэффициентов α. Причем для удобства использования имеющейся на практике информации об ошибках замеров параметров в этом случае неопределенность в оценке α можно отнести за счет неточности замера входных x_k и выходных y_k параметров в момент времени k, т.е.:

(2.6)

где: z_k, s_k - точечные значения замеров входных и выходных параметров; v, ω - нечеткие помехи с известными функциями принадлежности μ(v) и μ(ω).

Используя далее условие независимости нечетких величин α, v,ω можно записать [46,47]:

(2.7)

При наличии явной функциональной связи, выражение (2.7) можно упростить, исключив максимум по нечеткой величине y [47]:

(2.8)

Оптимальная оценка параметра α определяется следующим образом:

(2.9)

Рассмотрим метод рекуррентного оценивания на примере оценки коэффициента гидравлического сопротивления λ для уравнения стационарного движения природного газа по трубопроводу по результатам замеров на момент времени k:

(2.10)

где: P_k, R_k – давление соответственно в начале и конце линейного участка трубопровода; Q_k – расход газа; с- константа.

Расход газа и давление измеряют с погрешностями, когда для ошибок измерения v, ω на основе характеристик измерительных приборов заданы функции принадлежности μ(v) и μ(ω). Функция принадлежности для отображения F: P*R→λ строится численным методом по r-уровням нечетких множеств [47]:

(2.11)

Процесс адаптивного уменьшения неопределенности и соответствующего изменения F какфункции μ(λ) по мере поступления опeративной информации для одного из линейных участков распределительной сети газоснабжения г.Ростова-на-Дону приведен на рис 2.1 для нескольких r-уровней.

Для сравнения сходимости различных методов на рис.2.2. приведены результаты расчетов по классическому адаптационному алгоритму и максимизирующее решение алгоритма нечеткой адаптации.

К основным теоретическим результатам следует отнести разработку методов риск-анализа в задачах стратегического планирования.

Рис. 2.1. Изменение функции принадлежности μ(λ) дляr-уровней:
1-0,1; 2-0,5; 3-1,0.

Рис. 2.2. Графики изменения λ⁰ при расчете по классическому адаптационному алгоритму (1) и максимизирующее решение
алгоритма нечеткой адаптации (2).

Разработанные методы основаны на комбинации имитационного моделирования и прямых методов решения двухэтапных минимаксных задач, модифицированных под стохастические процессы [48].

Однако расширение круга решаемых для городских сетей газоснабжения задач в настоящее время потребовало построения новой линеаризированной системы, в которой расширен транспортный блок и перечень рейтинговых показателей, определяющих финансовое положение компании газовой отрасли, и предусмотрено присутствие инвестиционных партнеров с описанием их финансовых интересов. Линейная постановка задачи открывает возможность получения оптимальных решений и привлечения к анализу теории линейного программирования.