CC BY
84
УДК 614.8:69
ДИАГНОСТИКА УТЕЧЕК В ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
С.А. Сазонова, С.А. Колодяжный, Е.А. Сушко
Рассматривается математическое моделирование задачи диагностики утечек в гидравлических системах. Практическое применение задачи возможно при мониторинге технического состояния систем и получении данных манометрической съемки. Численная реализация поставленной задачи требует комплексного решения ряда дополнительных задач, обеспечивающих надежность функционирования и безопасность гидравлических систем.
Ключевые слова: гидравлические системы, диагностика утечек, математическое программирование, безопасность, мониторинг технического состояния.
Введение. В практике управления сложными физико-техническими системами, к которым принято относить и транспортные гидравлические системы тепло-, водо-, газоснабжения, обычно выделяют два класса инженерных задач: формализуемые и неформализуемые. Первые допускают установление математических связей между входными параметрами и исходными выходными характеристиками, по которым формируется процесс управления режимом функционирования объекта. Для последних найти такую взаимосвязь невозможно, и приходится прибегать к эвристическим методам, базирующихся на концепциях искусственного интеллекта [1].
Между тем существует еще один тип задач, имеющих важное прикладное значение, особенностью которых является частичная формализация, поэтому их условно можно квалифицировать как слабо формализуемые. Рассмотрим одну из них, получившую название «диагностика утечек».
Диагностика утечек в гидравлических системах. Под диагностикой утечек [2, 3] понимают определение ее величины и координаты на расчетной схеме гидравлической системы.
Сазонова Светлана Анатольевна,
канд. техн. наук, доцент,
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет,
Россия, г. Воронеж, e-mail: Sazonovappb@vgasu.vrn.ru. Колодяжный Сергей Александрович,
канд. техн. наук, доцент,
Воронежский государственный архитектурно-
строительный университет. Россия, г. Воронеж,
e-mail: vgasupb@.mail.ru.
Сушко Елена Анатольевна, канд. техн. наук,
Воронежский государственный архитектурно-
строительный университет.
Россия, г. Воронеж,
e-mail: u00075@vgasu.vrn.ru._
© Сазонова С.А., Колодяжный С.А., Сушко Е.А., 2015
Инженерная постановка задачи формулируется следующим образом. Опираясь на данные по манометрической съемке в системе, полученные в исходном и возмущенном (из-за возникновения утечки) состояниях, определить объем утечки и ее местоположение на расчетной схеме.
Пока полагается, что система оснащена устройствами измерения давления во всех узлах, причем их погрешностью можно пренебречь, кроме того, считать, что получаемая на их основе манометрическая съемка объекта соответствует бесконечно малому интервалу времени и ведется непрерывно.
Аналогичные условия предъявляются к гидравлическим характеристикам всех компонентов системы, которые считаются известными с требуемой точностью.
Исходя из содержательной сущности, задачу диагностики следует квалифицировать как обратную задачу анализа возмущенного состояния, поскольку требуется определить вид воздействия, повлекшего известное изменение параметров. Ее принципиальное отличие от оценивания и идентификации заключается в том, что последние также являются задачами обратного анализа, но текущего состояния системы.
Для численной реализации перечисленных задач требуются соответствующие модели анализа потокораспределения. В работе [4] разработаны такие модели для систем газоснабжения, а в работах [5, 6] - для систем теплоснабжения как для систем закрытого типа, но частично открытого типа. Для систем водо- или газоснабжения соответствующие модели принимаются как для систем открытого типа.
Опираясь на инженерную постановку, процедуру диагностики утечек формально можно представить как задачу математического программирования, в которой требуется найти:
шш < F =
при ограничениях:
[Срхп! Срхпг] X
Ъ к • уп 1 ' 2 } ^ 2 |;
= Кхе] X [Я*х1];
(7,
'Яш(сг) 0 V Qnlxl
0 Дп2(сг). Л .С?п2 XI.
(2)
[Кг
О
2] х
Д
п1(сг)
О
О д
Итхп! ^тхлг] X
X
п2(й)
Qnlxl
Чп2Х1
<Зп1Х1] _ г0 п. п — 1-игХ1-1>
Vn2xlJ = [<7тх 1]'
(3)
(4)
где надстрочные индексы «э», «в» определяют экспериментально измеренное и вычисленное (расчетное) значение давления в узле ] соответственно; с^
- искомая величина объема утечки, прикладываемого в узле к; о^ - дисперсия измеряемого давления, определяемая в соответствии с классом точности прибора, пределом его измерения и т.д; п1 = {/г} -количество реальных элементов системы; п2 = {Ге}
- количество фиктивных участков, эквиваленти-рующих абонентские подсистемы; е - полное число энергоузлов с фиксированным узловым потенциалом или характеристикой е = {/* ^ и/°}; р - число независимых цепей (р = е-1); г - число контуров; т = {/£}- множество узлов с нефиксируемым узловым потенциалом; Я,= «ЭДйГ-1 - элемент диагональных матриц; 5 - гидравлическое сопротивление участка.
Задача (1)-(4) представляет собой лишь формальную запись диагностики, поскольку обладает специфической особенностью, заключающейся в том, что целевая функция не может быть явно выражена через искомые аргументы, каковыми являются два параметра: координата и объем утечки. Следовательно, традиционные методы поиска экстремума в данном случае принципиально невозможны. Именно в этом и состоит ее слабая формализуемость. Единственное средство для ее решения основано на том, что расчетные значения узловых давлений могут быть получены, только если одновременно задаться обоими искомыми параметрами. В этом случае нахождение значений Рв сводится к решению задачи, определяемой совокупностью ограничений (2)-(4), поскольку она является замкнутой системой нелинейных уравнений.
Последнее обстоятельство, видимо, является отличительной особенностью слабо формализуемых задач, для которых характерна автономность целевой функции и накладываемых ограничений. Иными словами, комплекс ограничений может быть использован для получения частного решения, задающего вклад в значение целевой функции. Тогда процедура решения заключается в нахождении всех частных решений, по совокупности которых устанавливается целевая функция, то есть появляется возможность нахождения ее экстремума
прямым сопоставлением значений, полученных при варьировании искомыми аргументами.
Рассмотренная задача диагностики утечек является не единственной слабо формализуемой задачей в области управления функционированием инженерных систем. Авторы [1] подтвердили возможность ее решения на основе детерминированного алгоритма, абстрагируясь от погрешности манометрической съемки, плотности размещения контрольно-измерительного оборудования на объекте и т.д. Тем не менее внедрение полученных результатов в практику управления возможно при всестороннем учете отмеченных факторов, главным из которых, вероятно, является размещение датчиков манометрической съемки на объекте. Очевидно, что система ограничений для такой задачи должна быть идентична (2)-(4), а изменению подлежит лишь вид целевой функции. Выбор и обоснование критерия оптимизации нужно рассматривать как самостоятельную задачу дальнейших исследований.
Реализация поставленной задачи требует решения ряда дополнительных задач, обеспечивающих надежность функционирования и безопасность таких сложных систем. Задача диагностики утечек решается в интервале между двумя опросами системы при мониторинге текущего состояния по результатам статического оценивания [4]. Актуален также ряд исследований [7, 8, 9, 10, 11], необходимых для решения комплексных задач.
Выводы:
1. Задача диагностики утечек в гидравлических системах представлена как задача математического программирования.
2. Практическая реализация задачи диагностики утечек для гидравлических систем базируется на данных манометрической съемки при мониторинге текущего состояния в условиях реального времени.
3. Для решения задачи диагностики утечек требуется численная реализация задачи статического оценивания, имеющей в своей основе математические модели потокораспределения. В целом ттребуется комплексное решение целого ряда технических задач.
Библиографический список
1. Квасов И.С. Детерминированный алгоритм диагностики утечек в трубопроводных системах / И.С. Квасов, В.Ф Бабкин, В.И. Щербаков, М.Я. Панов, К.В. Щербаков // Изв. вузов. Строительство, 1998. - № 8. - С. 86-90.
2. Квасов И.С. Энергетическое эквивалентиро-вание больших гидравлических систем жизнеобеспечения городов / И.С. Квасов, М.Я. Панов, В.И. Щербаков, С.А. Сазонова // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2001.- № 4. - С. 85-90.
3. Меренков А.П., Хасилев В.Я Теория гидравлических цепей / А.П. Меренков, В.Я. Хасилев. - М: Наука, 1985. - 278 с.
4. Сазонова С.А. Разработка методов и алгоритмов технической диагностики систем газоснабжения: автореф. дис. ... канд. техн. наук / С.А. Сазонова. - Воронеж, 2000. - 15 с.
5. Колодяжный С.А., Сушко Е.А., Сазонова С.А. Применение энергетического эквивалентирования для формирования граничных условий к модели анализа потокораспределения системы теплоснабжения / С.А. Колодяжный, Е.А. Сушко, С.А. Сазонова // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. - 2013. -№ 3 (12). - С. 8-15.
6. Сазонова С.А. Разработка модели структурного резервирования для функционирующих систем теплоснабжения / С.А. Сазонова // Вестник Воронежского института высоких технологий. - 2008. - № 3. - С. 82 - 86.
7. Николенко С.Д., Михневич И.В. Разработка конструкций пневматических опалубок / С.Д. Николенко, И.В. Михневич // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. - 2014.- № 2 (15). - С. 18-22.
8. Михневич И.В., Николенко С.Д., Попов В.А. К вопросу о защитных свойствах быстровозводимых сооружений на основе пневмоопалубки / И.В. Михневич, С.Д. Николенко, В.А. Попов // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы: сборник статей по материалам III всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 20 сентября 2012 года. ФГБОУ ВПО Воронежский институт противопожарной службы МЧС России. Воронеж, 2012. - С. 234237.
9. Жидко Е.А. Экологический менеджмент как фактор эколого-экономической устойчивости предприятия в условиях рынка: монография / Е. А. Жидко. -Воронеж: ВГАСУ, 2009. - 183 с.
10. Жидко Е.А., Колотушкин В.В., Соловьева Э.В. Теоретические основы проектирования и конструкции жидкостных пылеулавливающих устройств / Е.А. Жидко, В.В. Колотушкин, Э.В. Соловьева // Безопасность труда в промышленности. - 2004. - № 2. - С. 8-11.
11. Жидко Е.А. Управление техносферной безопасностью: учебное пособие / Е.А. Жидко. - Воронеж, 2013. - 178 с.
References
1. Kvasov IS. Determinirovannyj algoritm diagnostiki utechek v truboprovodnyh sistemah / I.S. Kvasov, V.F Babkin, V.I. Shherbakov, M.Ja. Panov, K.V. Shherbakov // Izv. vuzov. Stroitel'stvo, 1998. - № 8. - S. 86-90.
2. Kvasov IS. Jenergeticheskoe jekvivalentirovanie bol'shih gidravlicheskih sistem zhizneobespechenija gorodov / I.S. Kvasov, M.Ja. Panov, V.I. Shherbakov, S.A. Sazonova // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Stroitel'stvo. - 2001.- № 4. - S. 85-90.
3. Merenkov A.P., Hasilev V.Ja. Teorija gidravlicheskih cepej / A.P. Merenkov, V.Ja. Hasilev. - M: Nauka, 1985. - 278 s.
4. Sazonova S.A. Razrabotka metodov i algoritmov tehnicheskoj diagnostiki sistem gazosnabzhenija: avtoref. dis. ... kand. tehn. nauk / S.A. Sazonova. - Voronezh, 2000. - 15 s.
5. Kolodjazhnyj S.A., Sushko E.A., Sazonova S.A.
Primenenie jenergeticheskogo jekvivalentirovanija dlja formirovanija granichnyh uslovij k modeli analiza potokoraspredelenija sistemy teplosnabzhenija / S.A. Kolodjazhnyj, E.A. Sushko, S.A. Sazonova // Nauchnyj zhurnal. Inzhenernye sistemy i sooruzhenija. - 2013. - № 3 (12). - S. 8-15.
6. Sazonova S.A. Razrabotka modeli strukturnogo rezervirovanija dlja funkcionirujushhih sistem teplosnabzhenija / S.A. Sazonova // Vestnik Voronezhskogo instituta vysokih tehnologij. - 2008. - № 3. - S. 82 - 86.
7. Nikolenko S.D., Mihnevich I.V. Razrabotka konstrukcij pnevmaticheskih opalubok / S.D. Nikolenko, I.V. Mihnevich // Nauchnyj zhurnal. Inzhenernye sistemy i sooruzhenija. - 2014.- № 2 (15). - S. 18-22.
8. Mihnevich I.V., Nikolenko S.D., Popov V.A. K voprosu o zashhitnyh svojstvah bystrovozvodimyh sooruzhenij na osnove pnevmoopalubki / I.V. Mihnevich, S.D. Nikolenko, V.A. Popov // Pozharnaja bezopasnost': problemy i perspektivy: sbornik statej po materialam III vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem, 20 sentjabrja 2012 goda. FGBOU VPO Voronezhskij institut protivopozharnoj sluzhby MChS Rossii. Voronezh, 2012. - S. 234-237.
9. Zhidko E.A. Jekologicheskij menedzhment kak faktor jekologo-jekonomicheskoj ustojchivosti predprijatija v uslovijah rynka: monografija / E. A. Zhidko. - Voronezh: VGASU, 2009. - 183 s.
10. Zhidko E.A., Kolotushkin V.V., Solov'eva Je.V. Teoreticheskie osnovy proektirovanija i konstrukcii zhidkostnyh pyleulavlivajushhih ustrojstv / E.A. Zhidko, V.V. Kolotushkin, Je.V. Solov'eva // Bezopasnost' truda v promyshlennosti. - 2004. - № 2. - S. 8-11.
11. Zhidko E.A. Upravlenie tehnosfernoj bezopasnost'ju: uchebnoe posobie / E.A. Zhidko. - Voronezh, 2013. - 178 s.
DIAGNOSIS OF LEAKS IN HYDRAULIC SYSTEMS TO ENSURE THE SAFETY OF THEIR OPERATION
Sazonova S.A.,
Ph. D. in Engineerin, Assoc. Prof.,
Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering,
Russia, Voronezh,
e-mail: Sazonovappb@vgasu.vrn.ru
Kolodyazhny S.A.,
Ph. D. in Engineerin, Assoc. Prof.,
Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering,
Russia, Voronezh,
e-mail: vgasupb@.mail.ru
Sushko E.A.,
Ph. D. in Engineering,
Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering,
Russia, Voronezh,
e-mail: u00075@vgasu.vrn.ru
We consider the problem of mathematical modeling diagnosis of leaks in hydraulic systems. Practical application of the problem is possible in monitoring the technical condition of systems and data acquisition manometric recording. The numerical realization of the problem requires a complex solution of a number of additional tasks to ensure the reliability of the function-tioning and safety of hydraulic systems.
Keywords: hydraulic systems, diagnostics leaks, mathematical programming-tion, security, monitoring, technical condition.
