Разработка автоматизированной системы выбора оптимальной схемы газификации регионов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Капишников, Александр Евгеньевич

• Капишников, Александр Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Капишников, Александр Евгеньевич

введение.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В ОБЛАСТИ РАЗРАБОТКИ СХЕМ ГАЗИФИКАЦИИ РЕГИОНОВ.

1.1. Условия разработки, состав и источники исходных данных.

1.1.1. Необходимость разработки схем газификации регионов.

1.1.2. Сбор и предпроектная обработка исходных данных.

1.1.3. Расчет и проектирование сети распределительных межпоселковых газопроводов.

1.2. Средства автоматизации разработки схем газификации регионов.

1.3 Использование современных геоинформационных систем при разработке схем газификации региона.

1.3.1 Описание основных принципов организации геоинформационных систем.

1.3.2 Основные виды и методологические основы моделирования в ГИС

1.3.3 Функционально - моделирующие операции, используемые в разработке схем газификации.

1.3.4 Цифровое моделирование рельефа.

Цели и задачи исследования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОЙ СХЕМЫ ГАЗИФИКАЦИИ РЕГИОНА.

2.1 Постановка задачи выбора схем газификации регионов с учетом современных требований.

2.2. Синтез множества схем газификации региона.

2.2.1. Математическая модель задачи синтеза сети с одним источником.

2.2.2. Математическая модель задачи синтеза надежной сети.

2.3. Математическая модель синтеза газоснабжающей системы региона с учетом сезонной неравномерности и альтернативного топливопотребления.

2.3.1 Альтернативное топливо как средство сглаживания сезонной неравномерности использования газа.

2.3.2. Математическая модель.

Выводы второй главы.

3. АЛГОРИТМЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ СХЕМЫ ГАЗИФИКАЦИИ РЕГИОНА.

3.1. Алгоритм нахождения годового и максимально-часового потребления газа укрупненными потребителями.

3.2. Алгоритм гидравлического расчета газопроводных сетей.

3.3. Технология разработки схем газификации в автоматизированной системе выбора оптимальной схемы газификации региона.

Выводы третьей главы.

4. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.

4.1. Геоинформационное обеспечение решения задач газификации региона

4.1.1. Целесообразность компьютеризации процедур проектирования.

4.1.2. Особенности информационного обеспечения.

4.1.3. Формирование единой информационной среды.

4.1.4. Применение геоинформационных систем (ГИС) для информационного обеспечения процесса решения задач развития и реконструкции газопроводных сетей.

4.2. Структура информационного обеспечения.

4.3. Структура программного комплекса и пользовательский интерфейс.

Выводы четвертой главы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка автоматизированной системы выбора оптимальной схемы газификации регионов»

Актуальность темы. В настоящее время газ является наиболее дешевым и экологически чистым источником энергии, а доступ к нему - одним из показателей социальной привлекательности и одним из основных факторов экономического развития региона.

Несмотря на то, что Российская Федерация добывает наибольшее количество природного газа (более 523,2 млрд. кубометров газа в 2003г.) и является крупнейшим его экспортером в мире, внутри РФ уровень охвата газификацией жилого фонда в городах составляет 56%, на селе - 23%. В Воронежской области эти показатели составляют соответственно 81,2% и 25,4% по данным 2003 года.

Проблема усугубляется снижением бюджетного финансирования работ по газификации, а выполняемые работы оплачиваются, в основном, за счет всевозможных схем взаимозачетов, частичного финансирования за счет долгов местных бюджетов перед ОАО "Газпром". Финансовые возможности населения, особенно в сельской местности, также ограничены.

В этих условиях особенно актуальной является задача выбора таких схем газификации, которые обеспечивают максимальное уменьшение инвестиций при выполнении нормативных требований и условий регионов.

В этой ситуации необходимы эффективные методы и алгоритмы синтеза, моделирования и последующей оптимизации газовых распределительных сетей на этапе проектирования и экономического обоснования инвестиций.

Различными вопросами исследования проблем газификации регионов, а также автоматизации их разработки посвящены работы многих советских и российских ученых: Лурье М.В., Сухарева М.Г., Ставровского Е.Р. и других.

Таким образом, на сегодня большую актуальность получила комплексная автоматизация данной предметной области. В настоящей работе предложены как математические модели выбора оптимальной схемы газификации региона для различных условий, так и алгоритмы их решения.

Работа выполнена в рамках одного из основных научных направлений ВГТУ "Интеллектуальные информационные системы" и "Программы разработки унифицированных проектных решений и отраслевой нормативной документации на 2001-2003гг.", утв. ОАО "Газпром" 22.08.2000 г.

Целью работы является разработка автоматизированной системы выбора оптимальной схемы газификации регионов, обеспечивающей повышение эффективности работ в области проектирования и экономического обоснования топологии и характеристик распределительных сетей газопроводов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ особенностей разработки схем газификации регионов, проектирования распределительных газопроводов низкого, среднего и высокого давлений, оценить возможности применения методов моделирования и синтеза для решения задач оптимизации сетей распределительных газопроводов;

- выполнить постановку задачи выбора схемы газификации регионов с учетом современных требований;

- разработать математические модели выбора оптимальной схемы газификации региона;

- разработать формы для сбора информации о потребности в энергоресурсах потребителей;

- разработать алгоритм нахождения потребности в газе укрупненных потребителей;

- разработать алгоритмы гидравлических расчетов, необходимых для выбора оптимальной топологии сети межпоселковых газопроводов;

- разработать информационное и программное обеспечение на основе предложенных моделей и алгоритмов;

- внедрить в опытную эксплуатацию автоматизированную систему и предложить пути ее дальнейшего развития.

Методы исследования. При выполнении работы использованы основные принципы и методы теории САПР, элементы теории графов и теории формальных языков, методы модульного и структурного проектирования, объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна: В диссертации получены следующие основные результаты, которые выносятся на защиту и характеризуются научной новизной: модель синтеза сети с одним источником, позволяющая получить оптимальную по стоимости топологию газовой сети при разработке схем газификации регионов; модель синтеза сети, отличающаяся возможностью обеспечения надежности газоснабжения для части узлов (потребителей); модель, позволяющая оценить экономическую целесообразность сооружения газопроводов и использования сжиженного природного газа (СПГ-технологий) с учетом альтернативного топливопотребления; алгоритм определения максимально-часовой и годовой потребности в газе укрупненных потребителей, выполняемый в автоматизированном режиме и использующий данные о потребности в энергоресурсах; алгоритм гидравлического расчета межпоселковых газораспределительных сетей, основанный на точном математическом описании, благодаря чему повышается точность расчетов по сравнению с методикой, основанной на использовании номограмм.

Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований разработаны и внедрены в эксплуатацию модули автоматизированной системы выбора оптимальной схемы газификации регионов: расчет потребности в газе укрупненных потребителей, гидравлический расчет тупиковых сетей газопроводов давлением до 1,2 МПа, применяемых при газификации районов Российской Федерации.

Результаты проведенных исследований апробированы и внедрены в деятельность ДО АО «Газпроектинжиниринг».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: на семинарах в Воронежском государственном техническом университете (Воронеж, 2002, 2003, 2004); Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 2002, 2003); Всероссийской конференции молодых специалистов «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 печатных работ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: в [1] - описание возможностей ГИС в области проектирования газопроводов; в [2] - алгоритм определения максимально-часовой и годовой потребности в газе; в [3] - алгоритм расчета параметров газопроводов; в [4] - условия реализации и критерии оптимальности математической модели выбора схемы газификации региона.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, изложенных на 118 страницах, списка литературы (106 наименований), трех приложений и содержит 14 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Капишников, Александр Евгеньевич

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. На основе анализа состояния процесса разработки схем газификации регионов в современных условиях выявлены особенности математического и информационного обеспечений и этапы, подлежащие автоматизации.2. Выполнена постановка задачи выбора схем газификации регионов с учетом современных требований.3. Для выбора оптимальной схемы газификации регионов предложены математические модели, определяющие выбор оптимальной топологии распределительных газопроводов: • модель синтеза сети с одним источником, позволяющая получить оптимальную по стоимости топологию газовой сети с одним источником; модель синтеза сети, позволяющая обеспечить надежность газоснабжения для части узлов (потребителей); • модель, позволяющая оценить экономическую целесообразность сооружения газопроводов и СПГ-технологий с учетом альтернативного топливопотребления.4. Разработан алгоритм определения максимально-часовой и годовой потребности в газе укрупненных потребителей на основе данных о потребности в энергоресурсах.5. Разработаны стандартизованные формы для сбора исходных данных, позволяющие определить необходимый объем газа по всем видам потребителей.6. Разработан алгоритм гидравлического расчета межпоселковых газораспределительных сетей, основанный на точных математических формулах. Это позволяет значительно ускорить проведение самого расчета, а также увеличить его точность по сравнению с методикой расчета, основанной на использовании номограмм.7. Разработан модифицированный алгоритм гидравлического расчета газопроводов, позволяющий выполнять расчеты не только межпоселковых, но и внутрипоселковых газовых сетей. Это повышает функциональность системы путем использования ее для проведения новых и проверки ранее выполненных гидравлических расчетов.^ 8. Осуществлен выбор и обоснование структуры информационного обеспечения системы на основе реляционной модели, позволяющей хранение нормативно-справочной, исходной и выходной информации под управлением СУБД реляционного типа. Для синтеза множества схем газификации регионов применена ГИС.

9. Предложено взаимодействие модулей системы, а также пути дальнейшего развития системы на основе использования внешних программных продуктов для вычисления сметной стоимости строительства газопроводов и ^ элементов инфраструктуры газоснабжения.10. Полученные в работе теоретические положения явились основой автоматизированной системы выбора оптимальной схемы газификации региона «GasNetwork», которая использована при разработке ДОАО «Газпроектинжиниринг» проектов газификации ряда районов Воронежской области. Применение системы позволило снизить трудозатраты при проектировании, повысить экономическую эффективность проектных решений за счет выбора оптимальной топологии сети. Экономический эффект в ^ ДОАО «Газпроектинжиниринг» составил 320 тыс. руб.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Капишников, Александр Евгеньевич, 2004 год

1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОЙ СХЕМЫ ГАЗИФИКАЦИИ РЕГИОНА.

2. Задача синтеза сети есть задача (2.3)—(2.7).

3. Задача размещения и унификации обобщает задачи размещения, являющиеся частным случаем задачи (2.3)—(2.7), аналогично тому, как многоиндексные транспортные задачи обобщают обычную.

4. Задача синтеза сети с одним источником это задача (2.3) - (2.7), в которой все аеА имеют вид (Р0,1), где Р0 - заданная корневая вершина.

5. Задача Штейнера на графе есть частный случай задачи 5, в котором все ^ (Хе) имеют вид .

6. Задача о кратчайшем ветвлении это частный случай задачи 7, в котором А - полное множество, т. е. V 1 е V (Р0, е А.

7. Задача размещения производства есть частный случай задачи 6 прик=3.

8. Задача размещения на графах отличается от задачи 10 подобно тому, как различаются матричные и сетевые транспортные задачи.

9. Если все целочисленны, то базисное оптимальное решение задачи (2.32) (2.35) также целочисленно.

10. Математическая модель синтеза газоснабжающей системырегиона с учетом сезонной неравномерности и альтернативноготопливопотребления

11. Ограничения на пропускные возможности газопроводов и каналы поставок СПГ.у йБ8«>4~ К й ¿Ж (2.47)Здесь основную роль играют ограничения для пиковой зоны (з=3).

12. Выполнена постановка задачи выбора схем газификации регионов с учетом современных требований.

13. Проверка длины всех участков (если 1 больше 1тах, то участок делится на несколько участков с длинами не больше 1тах);

14. Находим приведенную длину для всего газопровода, м:1пр-Бэф- кпр;

15. Рассчитываем удельное потребление, м3/(ч-м):Яуд—0час/1 пр»

16. Для каждого участка ищем: путевой расход газа, м3/ч: яуд-1Эф-кпр;пут»пут 1 ч;т)послед. участков»расчетный расход газа, м3/ч: С2Р= рэкв+ От

17. Находим путь (от источника до потребителя) максимальной длины и вычисляем его длину, м:Ег.пр Х^эф»

18. Рассчитываем максимальные потери давления в газопроводе, МПа:Нмах=0.0981 (Рнач-Рко„);

19. Удельные потери давления в газопроводе, МПа/м:Ьуд-Нмах/1^г.пр?

20. Переводим давление на входе в газопровод в МПа:Рнач=0.0981-Рнач

21. Технология разработки схем газификации в автоматизированной системе выбора оптимальной схемы газификации региона.Теперь опишем технологию разработки схем газификации в автоматизированной системе выбора оптимальной схемы газопроводов:

22. Подбирается электронная топографическая карта соответствующего масштаба (обычно используются масштаб 1:200), на котором хорошо различимы значимые особенности рельефа, а также инженерные сооружения.

23. Средствами ГИС выделяются зоны, запретные для строительства, проверяется на актуальность слой инженерных сооружений и коммуникаций, задаются предпочтительные зоны прокладки.

24. Собираются сведения о потребителях газа (по формам, представленным в приложении 1)

25. Рассчитывается максимально-часовая и годовая потребность в газе укрупненных потребителей.

26. Если регион, подлежащий газификации велик, то он делится на районы меньшего размера.

27. Средствами ГИС осуществляется синтез возможных путей между предполагаемыми источниками и потребителями газа.

28. В случае, если условия газоснабжения требуют для каких-то отдельных потребителей специальных условий надежности, то они выделяются в отдельную подсеть, и в дальнейшем происходит расчет этой подсети по модели синтеза надежных сетей.

29. С помощью математических моделей синтеза сетей осуществляется выбор оптимальной топологии газовых сетей в заданном регионе.

30. Производится гидравлический расчет газовых сетей.

31. Осуществляется экономическое обоснование согласно модели перевода сооружений теплоэнергетики на газ описанной во второй главе. В случае если переход на газ не выгоден экономически и нет других внешних условий, переходим на пункт 3.

32. Разработан алгоритм определения максимально-часовой и годовой потребности в газе укрупненных потребителей на основе данных о потребности в энергоресурсах.

33. Разработаны стандартизованные формы для сбора исходных данных, позволяющие определить необходимый объем газа по всем видам потребителей.

34. Возможно использование создаваемой информационной среды ЕГИС для всего спектра задач от проектирования и строительства, до эксплуатации и ремонтов.

35. В рамках ГИС обеспечивается подготовка разнообразной оперативной и статистической информации.

36. ЕГИС является основой для решения задач развития экономики региона.

37. Корректность моделирования трубопроводных сетей определяется тем, насколько правильно отображала топология сети и надежна исходная информация.

38. Верная топология сети, позволяет получить адекватные данные по протяженности участков трубопроводных систем.

39. Отображение газораспределительной сети на ЦТК требует специального подбора графических атрибутов (в т.ч. и цветового решения).