CC BY
20
В. П. Мешалкин, член-корреспондент РАН, докт. техн. наук, профессор, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук,
г. Москва, vpmeshalkin@gmail.com
Компьютерный анализ и оптимизация структурно-параметрической надежности сложных систем газоснабжения
Кратко изложены научно-технические основы компьютерного анализа, способы обеспечения и методы оптимизации структурно-параметрической надежности энергоресурсо-эффективных сложных систем газоснабжения (ССГ); методика построения топологических (графовых) моделей надежности ССГ. Предложены оригинальные методы качественного анализа «надежности технологической топологии» ССГ и декомпозиционные методы многокритериальной оптимизации надежности ССГ.
Ключевые слова: системы газоснабжения, компьютерный анализ, структурно-параметрическая надежность, отказы газопроводов, оптимизация надежности, энергоресурсоэффективность, компьютерное моделирование.
Введение
Энергоресурсоэффективные сложные системы газоснабжения (ССГ), являющиеся важнейшим инфраструктурным фактором газификации и газоснабжения регионов России, обеспечивают экологически безопасную бесперебойную поставку требуемых объемов газа требуемым потребителям на объектах различных отраслей промышленности, топливно-энергетического комплекса, жилищно-коммунального хозяйства и социально-культурной сферы при экономически оптимальных показателях материало- и энергоемкости, надежности и экологической безопасности ССГ.
Научно обоснованное решение задач расчета и оптимизации характеристик надежности и безопасности энергоресурсоэффектив-ных ССГ на различных этапах их жизненного цикла возможно только благодаря компьютерному моделированию ССГ с использованием специальных комплексов программ.
Методология системного подхода к анализу и оптимизации структурно-параметрической надежности сложных систем газоснабжения
Кратко рассмотрим сущность предложенной оригинальной методологии системного анализа и оптимизации надежности ССГ, обобщающей многолетний опыт отечественных и зарубежных исследований по надежности больших систем энергетики [1-4]. Методология учитывает следующие свойства ССГ как объектов исследования надежности [1; 4; 5]: наличие в структуре ССГ протяженных (трубопроводы) и сосредоточенных (компрессорные станции — КС, газораспределительные станции — ГРС, установки, крановые узлы и др.) объектов; большое число потребителей, разнородных по значимости и объемам потребления газа (а следовательно, множественность производственных функций
[ 17 ]
системы); наличие специальных объектов временного резервирования функционирования ССГ в виде подземных хранилищ газа (ПХГ); установок по сжижению-регазификации, использующихся для повышения бесперебойности снабжения потребителей и выполнения других производственных функций; наличие ПХГ принципиально отличает ССГ от электроэнергетических систем, что наряду со спецификой технологических процессов не позволяет использовать для анализа надежности ССГ традиционные методы анализа надежности электроэнергетических систем.
В отличие от понятия надежности сложных технических систем сформулировано понятие структурно-параметрической надежности ССГ как свойство ССГ выполнять свои основные функции по бесперебойному газоснабжению потребителей в рамках принятых (договорных) обязательств [5].
Обоснована тесная взаимосвязь свойства надежности ССГ со свойством безопасности ССГ, которое не допускает при эксплуатации ССГ (функционировании оборудования, технических подсистем, инфраструктуры) возникновение опасных аварийных ситуаций (взрывов, пожаров, химических загрязнений) для жизни персонала и населения близлежащих районов, для состояния окружающей среды (ОС) [1; 4-6].
Специфические особенности ССГ как объектов исследования надежности делают неприемлемым применение традиционных методов анализа надежности технических систем [1; 4; 5].
В частности, для ССГ характерны следующие специфические особенности как объектов исследования надежности: сложность определения понятия отказа ССГ и основанных на этом понятии показателей надежности; необходимость использования нескольких показателей надежности, зависящих от постановки задачи и рассматриваемого этапа жизненного цикла (ЖЦ) ССГ [5-7].
Важным этапом анализа и оптимизации надежности ССГ является разработка основ-
ных способов обеспечения и повышения надежности сложных ССГ на всех этапах ЖЦ [1; 4-6; 8; 9].
Впервые сформулированы содержательные (инженерно-технологические) постановки задач анализа или расчета и оптимизации показателей надежности ССГ, математические модели надежности ССГ и методы их решения [8-10].
При разработке методических основ структурно-параметрического инжиниринга при проектировании и реконструкции энер-горесурсоэффективных развивающихся ССГ необходимо комплексно учитывать способы обеспечения их надежности и безопасности. Свойства надежности и безопасности ССГ тесно взаимосвязаны и взаимозависимы, так как мероприятия по обеспечению безопасности ССГ способствуют, как правило, обеспечению надежности ССГ и наоборот. Обеспечение безопасности регламентируется требованиями федерального законодательства, государственными стандартами и отраслевыми нормативами [5; 9-11].
Практически методология системного подхода к анализу и оптимизации структурно-параметрической надежности и безопасности энергоресурсоэффективных ССГ реализуется благодаря компьютерному моделированию различных свойств ССГ с использованием специальных комплексов программ расчета и оптимизации надежности, безопасности управления рисками, интегрированной логистической поддержки трубопроводов и объектов ССГ, экологического мониторинга и оценки воздействия ССГ на окружающую среду [1; 3-6; 8].
Методика инженерно-технологического анализа отказов объектов и трубопроводов сложных систем газоснабжения
Предложенная оригинальная методология системного подхода к анализу и оптимизации надежности ССГ и сложных химико-технологических систем (ХТС), которыми являются
объекты ССГ (магистральные станции — МС, КС, ГРС и др.), а также производства нефте-газохимического комплекса (НГХК), состоит из семи основных стадий [1; 4; 5]: 1) анализ ССГ (ХТС) как объекта исследования надежности; 2) разработка различных классов математических моделей надежности ССГ; 3) анализ «надежности технологической топологии» ССГ на этапе проектирования; 4) расчет показателей надежности ССГ; 5) выбор организационно-технических и технологических способов обеспечения и повышения надежности ССГ; 6) оптимизация показателей надежности ССГ, или синтез высоконадежной структуры ССГ; 7) разработка организационных и инженерно-технологических мероприятий по повышению энергоресурсоэффектив-ности функционирования ССГ на основе оптимизации показателей надежности.
Предложена оригинальная методика обнаружения отказов ССГ (ХТС) [1; 4; 7-10], выявляющая признаки обнаружения отказов, устанавливающая характер фактического существования отказов, изучающая причины возникновения отказов объектов ССГ, элементов и подсистем ХТС (в дальнейшем просто — инженерных объектов — ИО) для исследования влияния отказов элементов и подсистем на работоспособность ИО и ССГ в целом, а также расчета оценок различных показателей надежности отдельных ИО.
Методика включает следующие основные операции [1; 8-11]: формулировка понятий различных типов отказов инженерных объектов ССГ в целом; изучение физико-химических и инженерно-технологических причин возникновения отказов и опасных ситуаций для каждого ИО; построение диаграмм смены типов состояний для расчета их показателей надежности; построение диаграмм удельных весов отказов и времени восстановления работоспособности каждого ИО для выявления группы элементов — «узких мест» технологической схемы по свойству надежности; построение диаграмм удельных весов типов отказов по характеру их фактического суще-
ствования для каждого ИО с целью выявления наиболее опасных и часто возникающих типов отказов для различных элементов системы; построение гистограмм для времени восстановления и наработок между отказами каждого ИО с целью установления вида теоретического закона распределения времени восстановления и наработок между отказами и вычисления оценок параметров теоретических законов распределения; выбор и расчет оценок нормируемых показателей надежности каждого ИО.
После формулировки понятий отказа, а также изучения причин возникновения внезапных и постепенных отказов элементов и подсистем, представляющих собой основные операции технической диагностики ССГ при инженерно-технологическом анализе отказов ССГ необходимо исследовать процесс функционирования ИО и систем в целом в некотором интервале времени как процесс смены семи видов различных работоспособных и неработоспособных состояний [5; 9; 10].
Важной операцией инженерно-технологического анализа отказов, необходимой для построения топологических моделей надежности в виде диаграмм смены типов состояний ИО и ССГ в целом, является сбор, накопление и систематизация статистических данных о надежности ИО и ССГ в целом в некотором интервале времени (0, 0 нормальной эксплуатации [10-12].
Изучение взаимовлияния отказов отдельных ИО на работоспособность и надежность ССГ (ХТС) в целом позволяет построить различные математические модели надежности этих сложных технологических систем, которые используются для расчета их показателей надежности. Предложена классификация математических моделей надежности ССГ (ХТС). Разработана методика построения и применения семи классов топологических моделей (графов) надежности ССГ (ХТС): блок-схемы надежности; параметрические графы надежности (ПГН); графы смены
состояний (ГСС) и графы интенсивности переходов (ГИП); деревья отказов (ДО) [1; 4-7].
Основные способы обеспечения структурно-параметрической надежности сложных систем газоснабжения
Структурно-параметрическая надежность, обеспечивающая бесперебойность снабжения потребителей, является важнейшим свойством ССГ. Впервые обобщены, развиты и классифицированы следующие основные специфические способы обеспечения надежности ССГ [1; 4-6; 11; 12]: обеспечение надежности технических коридоров магистральных газопроводов, входящих в структуру ССГ, осуществляется при проектировании за счет предусмотренного расчетного запаса; кольцевание ССГ обеспечивает возможность бесперебойного снабжения городов, других крупных поселений и является генеральной линией развития ССГ; при планировании развивающихся ССГ надежность обеспечивается за счет выбора оптимальной схемы потоков газа.
Разработаны и практически реализованы следующие основные научно обоснованные мероприятия и способы обеспечения надежности и безопасности развивающейся ССГ [4-6; 9-12]: строительство нового и/или увеличение пропускной способности действующего газопровода-отвода; реконструкция (увеличение производительности) действующих ГРС; изменение режимов (маневрирование потоками) ССГ с целью повышения давления на входе в газопровод-отвод; реконструкция или капитальный ремонт объектов ССГ, оказывающих непосредственное влияние на режимы ССГ, с целью повышения давления на входе в газопровод-отвод; подпитка проектируемой сети с нескольких направлений (при этом предполагается строительство новых газораспределительных станций — ГРС); резервирование производственных мощностей на ГРС.
Для обеспечения надежности при выборе структуры развивающейся ССГ необходимо варьировать: трассировку трубопроводов; степень закольцованности; размещение редуцирующих устройств (пункты стыковки сетей разного уровня рабочего давления); размещение запорной арматуры [5; 6].
Для сетей газораспределения, расположенных за ГРС, проводится кольцевание, прежде всего на сетях высокого и среднего давления, а в сетях низкого давления кольцуются только основные газопроводы с использованием для менее значимых газопроводов тупиковых структур (ответвлений к потребителям). Даны рекомендации по размещению запорной арматуры и секционированию сетей и прокладке параллельных газопроводов высокого и/или среднего давления для раздельного снабжения городских районов или групп потребителей [5; 6, 9-12].
Методические основы расчета показателей надежности и безопасности сложных систем газоснабжения
Впервые для анализа ССГ введены показатели безопасности ССГ [5; 6], сформулированы цели исследования и способы обеспечения безопасности, оценены показатели безопасности распределительных сетей по представительной статистической информации, разработаны процедуры анализа показателей безопасности, предложены методы, способы и средства обеспечения безопасности как необходимые компоненты научно-технических основ инжиниринга на всех этапах ЖЦ (проектирование, организация строительства, планирование и реализация безаварийной эксплуатации) энергоресурсоэффектив-ных развивающихся социально-ориентированных ССГ.
Обосновано, что одним из важных обобщенных показателей промышленной и экологической безопасности объектов ССГ является различного вида техногенный риск (про-
мышленный, экологический, социальный) возникновения опасных (аварийных) ситуаций на ССГ. Предложены следующие методы, способы и средства обеспечения безопасности при эксплуатации ССГ [9-12].
1. Использование интегрированных показателей техногенного риска для сопоставления (ранжирования) деятельности объектов ССГ предприятий, деятельности подразделений одного предприятия, технического состояния предприятия в целом и технологических объектов (фрагментов структуры) одного предприятия.
2. Планирование стратегии технического обслуживания и предупредительных ремонтов оборудования (ежегодное и среднесрочное), распределение средств на ремонты между предприятиями холдинга и подразделениями (или объектами) одного предприятия как при эксплуатации, так и при реконструкции ССГ.
3. Использование показателей промышленного и экологического риска при расчете эксплуатационных затрат, а также расчет страховых сумм при технологическом (возможно, и экологическом) страховании.
4. Использование показателей риска для разработки программ по повышению безопасности ССГ.
5. Выявление наиболее опасных узких мест ССГ и их учет при разработке программ технического и экологического мониторинга газотранспортных организаций.
Обобщены и классифицированы следующие основные методы, способы и средства обеспечения безопасности при проектировании ССГ и управления риском при эксплуатации ССГ [1; 4-6; 10].
1. Сопоставление вариантов проекта по интегрированному показателю риска (т. е. по факторам, которые не отражают стоимость строительства и обычно не входят в критерии эффективности ССГ).
2. Корректировка вариантов проекта ССГ для уменьшения показателей риска (не учитываемых общепринятыми экономическими
критериями и ведущих к удорожанию строительства).
3. Выбор отклоняющихся от стандарта проектных решений для уменьшения риска — увеличение глубины заложения трубопровода; выбор способа прокладки (подземная или надземная), материала труб (сталь, полиэтилен); изоляция и др.
4. Выбор структуры газораспределительной системы и направления трасс в соответствии с критерием риска.
5. Использование на всех этапах ЖЦ развивающихся ССГ комплексных критериев технико-экономической эффективности с учетом затрат на обеспечение надежности, безопасности и снижения рисков.
6. Выбор средств и способов контроля за состоянием системы в зависимости от показателя и уровня безопасности риска (патрулирование трассы, аппаратные средства).
Выбор средств и способов организационно-информационного взаимодействия между подразделениями газотранспортных организаций, а также средств и способов оповещения населения.
Для характеристики безопасности ССГ используются показатели производственного, технического и экологического риска. Возникновение и развитие опасных ситуаций зависит от многочисленных факторов: изменение рабочего давления, диаметров и толщины стенок; состояние электрохимической защиты; характеристики агрессивности грунтов и т. д. Примерами факторов, влияющих на ущерб, служат плотность населения, плотность застройки, количество пересечений с дорогами и их значимость (интенсивность движения) и т. д. [5; 6; 9-11].
Оценка вероятности опасных ситуаций проводится либо по статистическим данным, либо экспертно. При этом должны учитываться масштабы разрушений, количество жертв и другие негативные проявления, которые зависят от множества случайных факторов: места, времени, погодных условий и т. д. Помимо прямого ущерба, как правило, воз-
[ 21 ]
никают также косвенные ущербы не только в экономической, но также в социальной сфере и ОС. Социальные и экологические ущербы следует свести к денежному эквиваленту.
Математические модели структурно-параметрической надежности сложных систем газоснабжения
Для анализа и оптимизации структурно-параметрической надежности ССГ разработан комплекс оригинальных специализированных моделей структурно-параметрической надежности [1; 4; 10; 11]. Предложена методика построения модели надежности магистрального газопровода, которая позволяет рассчитывать показатели надежности (функцию распределения пропускной способности) линейных структур, звеньев магистральных газопроводов и технических коридоров газопроводов. Модель позволяет определять показатели надежности линейного объекта через соответствующие функции звеньев. Звенья модели — это компрессорные станции и линейные участки (представляющие собой сложные многониточные трубопроводные системы). Модели надежности звеньев основаны на аппарате использования марковских процессов с непрерывным временем [5; 6].
Разработана методика построения оригинальной модели структурно-параметрической надежности ССГ. В модели учитываются не только одиночные, но и совместные отказы. Модель отображает все ситуации, вызванные одним отказом, и имитирует кратные отказы с использованием метода Монте-Карло. Модель учитывает объекты временного резервирования как источники-стоки в параметрическом графе надежности ССГ [5; 6].
Разработаны оригинальные топологические (графовые) модели анализа структурно-параметрической надежности ССГ [1; 4; 9; 10] в виде параметрических графов надежности и графов смены состояний (ГСС) технических систем, отличающиеся применением ориги-
нальных процедур перечисления элементарных конфигураций (путей и контуров) в графах и процедур имитационного моделирования для различных законов распределения случайных величин газопотребления (в частности, законов распределения Эрланга и эр-ланговского типа), что позволяет рассчитывать показатели надежности закольцованных ССГ.
Для расчета показателей надежности ССГ с использованием ГСС разработана оригинальная методика: для каждого состояния системы определяется потокораспределение, которое при расчете показателей надежности учитывается с весом, равным вероятности состояния. Не отбрасываются априори и маловероятные состояния, так как их суммарную вероятность нельзя считать малой. Для учета маловероятных состояний используется метод Монте-Карло [1; 4; 5].
Структурный метод качественного анализа «надежности технологической топологии» сложных систем газоснабжения
Предложено на этапах проектирования ССГ (ХТС), когда отсутствует достаточная фактическая информация по отказам ИО, надежность системы определять «надежностью технологической топологии» ССГ (ХТС) [1; 4; 9; 10]. Разработан оригинальный топологический метод качественного анализа «надежности технологической топологии» проектируемых сложных ССГ (ХТС), позволяющий выявлять минимальную по числу группу объектов и элементов систем, т. е. подмножество «узких мест технологической системы», отказ которых приводит к нарушению работоспособности системы в целом [1; 10]. Для этих элементов и технологических связей прежде всего следует повышать их показатели надежности. Определение же необходимой степени повышения количественных показателей надежности этих выявленных элементов и связей возможно лишь после расчета показателей надежности ССГ в целом на основе исполь-
зования математических моделей надежности технологических систем и вероятностно-статистических методов [1; 4].
Предложено «надежность технологической топологии» ССГ количественно оценивать по структурным характеристикам параметрического потокового графа (ППГ), отображающего исходную технологическую схему ССГ, которыми являются: связность графа ССГ, ранг вершины и множество сочленения графа. Связность графа позволяет выявить отсутствие необходимых технологических связей в ССГ (ХТС) и «висячие» вершины, соответствующие таким ИО, как, например, подземное хранилище газа (ПХГ).
Ранг вершин ППГ позволяет распределить объекты ССГ в порядке их значимости по влиянию на функционирование системы в целом. Значимость ИО или элемента системы определяют только количеством технологических связей данного объекта (элемента) с другими объектами (элементами) ССГ. При этом не учитывают технологические параметры ИО и условия его эксплуатации. Характеризуя значимость ИО рангом соответствующей вершины ППГ, можно высказать такое предположение: чем выше ранг вершины, тем более сильно ИО, отображаемый этой вершиной ППГ, связан с другими ИО (элементами) системы и тем более ощутимыми будут последствия отказов этого ИО для функционирования ССГ. Множество сочленения ППГ отображает совокупность элементов — «узких мест системы», при отказе которых произойдет отказ всей ССГ. Предложены оригинальные алгоритмы определения ранга вершин, центра графа и множества сочленения сложных ППГ [1].
Математические методы оптимизации надежности сложных систем газоснабжения
Предложена оригинальная классификация задач оптимизации надежности сложных ССГ (ХТС) [1]. По функционально-
структурному признаку задачи оптимизации надежности ССГ (ХТС) разделены на два вида: оптимизация показателей надежности ССГ (ХТС); оптимизация показателей надежности отдельных единиц оборудования ССГ или ХТС [1; 4; 9].
В зависимости от применяемых общих способов и методов повышения надежности ССГ [5; 6], а также организационно-технических и технологических способов повышения надежности ССГ (ХТС) выделяют следующие инженерно-технические типы задач оптимизации надежности ССГ [1]: задачи оптимального резервирования (задачи оптимального управления запасами элементов) с одним или несколькими ограничениями; задачи оптимальной технической диагностики (ТД); задачи оптимального технического обслуживания (ТО).
В зависимости от вида выбранного КЭ [1; 2; 3] при оптимизации надежности ССГ выделяют группу основных и комплексных задач оптимизации показателей надежности ССГ. По характеру оптимизирующих, или управляющих, переменных выделяют следующие три класса основных задач оптимизации показателей надежности ССГ: 1) определение оптимального состава резерва при заданных показателях надежности основных и резервных элементов; 2) оптимизация показателей надежности резервных элементов или оптимальных временных интервалов проведения технического обслуживания (межремонтных периодов); 3) определение оптимальных показателей надежности резервных элементов или оптимальных временных интервалов проведения технического обслуживания и ремонта (ТОиР) и оптимального состава резерва ССГ в целом.
Разработана оригинальная методика решения задач оптимизации показателей надежности ССГ [1; 4]. Для установившегося режима эксплуатации ССГ без восстановления предложено использовать модель надежности ССГ в виде параметрического графа надежности (ПГН) [5-7].
В зависимости от характера ограничений и вида КЭ для каждой из основных задач можно рассматривать два варианта их формулировки: прямую и обратную основные задачи оптимального резервирования, или структурного синтеза оптимально надежных ХТС [1; 4].
В качестве КЭ при решении прямой основной задачи используют приведенные затраты на реализацию оптимального состава резерва или/и стоимость ТОиР [5-7].
Обратная основная задача формулируется при наличии следующих ограничений: затраты К(Х) для обеспечения мероприятий
Рис. 1. Блок-схема двухуровневых методов решения прямой и обратной комплексных задач
оптимального резервирования ССГ и ХТС
Fig. 1. Flow chart of two-level methods for decision of direct and inverse complex problems of Complex Gas Supply Pipeline Systems and Chemical Processes Systems optimal reservation
[ 24 ] -
IT in chemical technology Computer modeling
по повышению надежности системы в целом не должны превышать допустимую величину, т. е. К(Х) < Ко; координаты вектора состава резерва ССГ Х — числа целые и неотрицательные; показатель надежности каждого /-го резервного элемента (х) — число неотрицательное, / = 1, N. КЭ при решении обратной основной задачи — показатель надежности ССГ в целом Р (Х), который должен быть максимальным [1; 4].
Предложена математическая формулировка первого класса основных задач оптимизации надежности ХТС с применением поэлементного резервирования [1; 4]. Предложены оригинальные методы решения основных задач оптимального резервирования технических систем как одноуровневых задач целочисленного нелинейного программирования.
При оптимизации показателей надежных ССГ учет изменений только величины капитальных затрат или значений Р( Х) недостаточен. Необходимо также оценивать влияние включения резервного оборудования на увеличение объема транспортируемого газа и на величину издержек. В более общем случае необходимо принимать во внимание социальный или народно-хозяйственный эффект оптимального повышения надежности ССГ [2; 3; 7].
Впервые предложены оригинальные формулировки комплексных задач оптимизации показателей надежности ССГ и разработаны
специальные многоуровневые методы решения комплексных задач оптимизации надежности ССГ [1; 4]. Выделены прямая и обратная комплексные задачи оптимального резервирования ССГ (ХТС). Прямая комплексная задача — это задача оптимизации характеристик надежности системы, в которой требуется определить такую величину надежности (вероятности безотказной работы) системы в некотором интервале времени, достижение которой с применением оптимального состава резерва дает максимальный экономический эффект в виде чистого приведенного дохода Эгод (Ро) = ДОТУ [2; 3; 7].
Обратная комплексная задача оптимизации надежности ССГ [1; 4] состоит в определении такой величины приведенных затрат системы, реализация которых в виде оптимального состава резерва Х0 обеспечивает максимальный экономический эффект в виде чистого приведенного дохода.
Разработаны оригинальные быстродействующие двухуровневые методы решения прямой и обратной комплексных задач оптимизации надежности сложных ССГ (ХТС), блок-схемы которых представлены на рис. 1-3.
Для решения экстремальной задачи локального уровня А. — задачи определения оптимального варианта резерва ХТС — используют метод неопределенных множителей Лагранжа (рис. 2).
Рис. 2. Информационная структура двухуровневого метода решения прямой комплексной задачи оптимального резервирования ХТС: — локальный алгоритм; А — центральный алгоритм
Fig. 2. Information structure of two-level method for decision of direct complex problem of Chemical Processes System optimal reservation: Aj — local algorithm; A — central algorithm
Рис. 3. Блок-схема двухуровневого метода решения обратной комплексной задачи оптимизации структурного резервирования химико-технологических систем (ПГН — параметрический граф надежности)
Fig. 3. Flow chart of two-level method for decision of inverse complex optimization problem of structural reservation for Chemical Processes Systems (ПГН — parametral reliability graph)
Для решения экстремальной задачи центрального уровня А - задачи выбора оптимального показателя надежности ССГ — используют метод сканирования по ряду предварительно задаваемых значений уровня надежности системы.
Каждое новое значение показателя Р&+1) (Х) задается в результате коррекции предыдущей его величины по полученному значению глобального критерия — разность чистых приведенных доходов [2; 3; 7].
Указанные декомпозиционные методы многокритериальной оптимизации надежности и управления рисками ССГ успешно применены для решения задач оптимизации энер-горесурсоэффективности ССГ Республики Татарстан [6; 7], а также ХТС производств карбамида, слабой азотной кислоты и капро-лактама [1; 2; 3; 11].
Заключение
Обобщены и развиты специальные способы обеспечения структурно-параметрической надежности ССГ, представляющей собой комплексное свойство ССГ обеспечивать бесперебойное газоснабжение потребителей в заданных объемах и в определенные сроки при их проектировании и реконструкции (структурная избыточность и резервирование производственных мощностей при выборе основных технологических параметров ССГ, в том числе определение расчетного резерва поставок газа, перераспределение потоков и управление запасами газа, структурно-функциональная избыточность оборудования, выбор оптимальных материалов, типоразмеров оборудования и заводов-изготовителей, оптимизация стратегии ремонтов и технического обслуживания), а также применение многоуровневых автоматизированных систем диспетчерского управления бесперебойным газоснабжением потребителей, что позволяет определять оптимальные структурно-параметрические и технологические характеристики энергоресурсоэффек-
тивных высоконадежных экологически безопасных безаварийных региональных ССГ на всех этапах их жизненного цикла.
Реализация рассмотренных методов компьютерного анализа и оптимизации надежности ССГ посредством специализированных комплексов программ позволит получать научно обоснованные решения задач расчета и оптимизации показателей надежности, безопасности и рисков на различных этапах жизненного цикла энергоресурсоэф-фективных ССГ.
Список литературы
1. Кафаров В. В., Мешалкин В. П., Грун Г., Ной-манн В. Обеспечение и методы оптимизации надежности химических и нефтеперерабатывающих производств. М.: Химия, 1987. — 272 с.
2. Мешалкин В. П. Энергоресурсоэффективные методы энергообеспечения и минимизации отходов нефтеперерабатывающих производств. М.; Генуя: Химия, 2010. — 393 с.
3. Мешалкин В. П., Товажнянский Л. П., Капустен-ко П. Л. Основы энергоресурсоэффективных экологически безопасных технологий нефтепереработки. Харьков: «НТУ ХПИ», 2011. — 615 с.
4. Gruhn G., Kafarov V. V., Meshalkin V. P., Neumann W. Zuverlaessigkeit von Chemieanlagen. Leipzig, VEB, Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, 1979. — 256 р.
5. Кантюков Р. А., СухаревМ. Г., Смирнов Л. А., Мешалкин В. П., Гимранов Р. К., Попов А. Г. Обеспечение надежности и безопасности проектируемых и реконструируемых территориальных систем газоснабжения. Смоленск: Изд-во «Универсум», 2014. — 110 с.
6. Гимранов Р. К., Кантюков Р. А., Сухарев М. Г., Попов А. Г., Модин В. К., Мустафин Ф. М., Рыжен-ков И. В. Методические основы расчета и обеспечения надежности сложных газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб // Химическая промышленность сегодня. 2015. № 5. С. 29-37.
7. Мешалкин В. П. Логистика ресурсоэнергосбереже-ния — важнейший организационно-управленческий фактор повышения конкурентоспособности нефтегазохимического комплекса // В кн.: Тез. докл. 3 Междунар. промышл.-эконом. форума «Стратегия объединения: Решение актуальных проблем нефтегазового и нефтехимического комплексов на современном этапе». М., 2010. C. 45-47.
[ 27 ]
8. Мешалкин В. П. Методика анализа и прогнозирования опасных ситуаций на объектах газохимического комплекса // В кн. Основные направления повышения ресурсоэнергоэффективности и экологического безопасности газотранспортных систем: Сб. тр. Науч.-практ. сем. в рамках 26-й Междунар. Чугаев-ской конф. Казань, 2014. С. 7-13.
9. Кафаров В. В., Мешалкин В. П. Проектирование и расчет оптимальных систем технологических трубопроводов. М.: Химия, 1991. — 368 с.
10. Мешалкин В. П. Принципы прогнозирования и предупреждения чрезвычайных ситуаций на объектах химической промышленности // В кн. Химическая гидродинамика и теоретические основы нелинейных химико-технологических процессов; под ред. А. М. Кутепова. М.: МГУИЭ, 1998. С. 72-91.
11. Мешалкин В. П. Казаков Д. В., Сокол Б. А., Меньшиков В. В. Техногенные риски и чрезвычайные ситуации в цепях поставок предприятий нефтега-зохимического комплекса // В кн. Сб. научн. тр. 2-й Междунар. науч.-практ. конф. «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности (МНПК «ЛЭРЭП-2-2007»). Саратов, 2007. Т. 3. С. 48-53.
12. Мешалкин В. П. Основные концепции «зеленой» логистики // В кн. Основные направления повышения ресурсоэнергоэффективности и экологической безопасности газотранспортных систем: Сб. тр. науч.-практ. сем. в рамках 26-й междунар. Чугаев-ской конф. Казань, 2014. С. 150-155.
References
1. Kafarov V. V., Meshalkin V. P., Gruhn G., Noy-mann V. Obespechenie i metody optimizatsii nadyozh-nosti khimicheskich i neftepererabatyvayushchikh proizvodstv [Support and optimization methods of chemical processes and refineries reliability]. Moscow, Khimiya Publ., 1987. 272 p.
2. Meshalkin V. P. Energoresursoeffektivnye metody en-ergoobespecheniya i minimizatsii othodov neftepererabatyvayushchikh proizvodstv [Energy and resource effective methods of energy supply and waste minimizing for refineries]. Moscow-Genoa, Khimiya Publ., 2010. 393 p.
3. Meshalkin V. P., Tovazhnyanskij L. P., Kapusten-ko P. L. Osnovy energoresursoeffektivnykh ekologiches-ki bezopasnykh tekhnologij neftepererabotki [Fundamentals of energy and resource effective environmentally safety technologies for refineries]. Kharkov, NTU CHPI Publ., 2011. 615 p.
4. Gruhn G., Kafarov V. V., Meshalkin V. P., Neumann W. Zuverlaessigkeit von Chemieanlagen. Leipzig, VEB, Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, 1979. 256 р.
5. Kantyukov R. A., Sukharev M. G., Smirnov L. A., Meshalkin V. P., Gimranov R. K., Popov A. G. Obespechenie nadyozhnosti i bezopasnostiproektiruemykh i rekon-struiruemykh territorial'nyh sistem gazosnabzheniya [Support of reliability and safety for designed and reconstructed territorial gas supply pipeline systems]. Smolensk, Universum Publ., 2014. 110 p.
6. Gimranov R. K., Kantyukov R. A., Sukharev M. G., Popov A. G., Modin V. K., Mustafin F. M., Ryzhen-kov I. V. Metodicheskie osnovy rascheta i obespech-eniya nadyozhnosti slozhnykh gazoraspredelitel'nyh sistem iz metallicheskih ipolietilenovykh trub [Methodical bases of calculation and reliability support of the complex gas distribution pipeline systems consisting of the metal and polyethylene pipes]. Khimcheskaya promyshlennost segodnya—Chemical Industry Today, 2015, no. 5, pp. 29-37.
7. Meshalkin V. P. Logistika resursoenergosberezheni-ya — vazhneyshiy organizatsionno-upravlencheskiy faktor povysheniya konkurentosposobnosti neftegazo-khimicheskogo kompleksa [Resource and energy saving logistics — the most important organizational and management factor in increasing the competitiveness of the petrochemical complex]. Trudy 3 Mezhdunarodnogo Promyshl.-Ekonom. Foruma «Strategiya ob'edineniya: Reshenie aktual'nykh problem neftegazovogo i neft-ekhimicheskogo kompleksov na sovremennom etape» [Proc. 3th Int. Industrial-Econom. Forum «The strategy of the integration: solution of actual problems of oil and gas and petrochemical complexes at the present stage»]. Moscow, 2010, pp. 45-47.
8. Meshalkin V. P. Metodika analiza i prognozirovaniya opasnykh situatsiy na ob'ektakh gazokhimicheskogo kompleksa [Analysis and forecasting techniques of dangerous situations in the facilities of gas and chemical complex]. Trudy Nauchno-pract. sem. «Osnovnye napravleniya povysheniya resursoenergoeffektivnosti i ekologicheskoj bezopasnosti gazotransportnykh system» v ramkakh 26 Mezhdunar. Chugaevskoj konf. [Proc. Sc.-Pract. Sem. «The main directions of improving resource-energy and environmental safety of gas pipeline systems» in the frame of 26th Chugaev's Conf.]. Kazan, 2014, pp. 7-13.
9. Kafarov V. V., Meshalkin V. P. Proektirovanie i raschet optimal'nykh sistem tekhnologicheskikh truboprovodov [Design and calculation of optimal systems of technological pipeline systems]. Moscow, Khimiya Publ., 1991. 368 p.
10. Meshalkin V. P. Printsipy prognozirovaniya i predu-prezhdeniya chrezvychaynykh situatsij na ob'ektakh khimicheskoj promyshlennosti — V kn.: Khimiches-kaya gidrodinamika i teoreticheskie osnovy nelinejnyh khimiko-tekhnologicheskikh processov [Forecasting and prevention principles of emergency situations
in the chemical industry facilities — in Monograph «Chemical hydrodynamics and theoretical fundamentals of nonlinear chemical technological processes»]. Ed. by A. M. Kutepov. Moscow, MSUIE Publ., 1998, pp. 72-91.
11. Meshalkin V. P. Kazakov D. V., Sokol B. A., Men'shikov V. V. Tekhnogennye riski i chrezvychajnye situatsii v tsepyakh postavok predpriyatij neftegazokhimichesk-ogo kompleksa [Man-made risks and emergencies in the supply chain of f petrochemical complex enterprises]. Trudy 2 Mezhdunarodnoj Nauchno-Pract. Konf. «Lo-gistika i ekonomika resursosberezheniya i energosber-ezheniya vpromyshlennosti (MNPK «LEREP-2-2007»
[Proc. 3th Int. Sc.-Pract. Conf. «Logistics and economics of resource and energy saving in industry («LE-REI — 2-2007»]. Saratov, 2007, vol. 3, pp. 48-53.
12. Meshalkin V. P. Osnovnye kontseptsii «zelyonoj» lo-gistiki [The basic conception of «green» logistics]. Trudy Nauchno-pract. sem. «Osnovnye napravleniya povysheniya resursoenergoeffektivnosti i ekologiches-koj bezopasnosti gazotransportnykh system» v ramkakh 26Mezhdunar. Chugaevskoj konf. [Proc. Sc.-Pract. Sem. «The main directions of improving resource-energy and environmental safety of gas pipeline systems» in the frame of 26th Chugaev's Conf.]. Kazan, 2014, pp. 7-13.
V. Meshalkin, Dmitry Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Nikolay Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia, vpmeshalkin@gmail.com
Computer-aided analysis and optimization of structural and parametrical reliability of complex gas supply pipeline systems
The scientific and technical basis of the computer-aided analysis, optimization methods and techniques to ensure the structural and parametrical reliability of energy and resource saving Complex Gas Supply Pipeline Systems (CGSPS) are generalized and developed. The methodology for support and optimizing the performance reliability of CGSPS is presented. Original techniques for engineering and technological failure analysis of facilities and complex gas pipelines, forcasting, reliability diagnostics and troubleshooting the causes of CGSPS are developed. New engineering techniques to ensure the reliability and safety of CGSPS systems are proposed. The technique for construction and practical application of the original topological (graph) models of gas supply pipeline systems reliability is briefly stated. On the basis of these models original methods of reliability factors calculating, including a qualitative analysis method of «the reliability of gas supply pipeline system topology» and decomposition methods of reliability multi-criteria optimization for CGSPS, are developed. Special program complexes for calculation and optimization of reliability, security risk management, integrated logistic support of gas pipelines and facilities of CGSPS, environmental monitoring and CGSPS impact assessment on the environment are developed.
Keywords: gas supply pipeline systems, computer-aided analysis, structural and parametrical reliability, gas pipelines failures, reliability optimization, energy and resource efficiency, computer-aided modeling.
About authors:
V. Meshalkin, Dr of Technique, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Professor For citation:
Meshalkin V. Computer-aided analysis and optimization of structural and parametrical reliability of complex gas supply pipeline systems. Prikladnaya Informatika — Journal of Applied Informatics, 2016, vol. 11, no. 4 (64), pp. 17 - 29 (in Russian).
