CC BY
10Определение структуры расчета модели надежности систем газоснабжения при внешнем воздействии
Шеногин Михаил Викторович
кандидат технических наук, доцент, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, msh001@list.ru
В условиях интенсивного развития рынков газа чрезвычайно актуальной является проблема обеспечения надежности и эффективности работы газотранспортной системы, что достигается постоянным поддержанием объектов в надлежащем функциональном состоянии, что, в свою очередь, требует своевременного и полного финансирования. Как известно, методы повышения надежности газопроводных систем подразделяются на доэксплуатационные (схемные и конструктивные) и эксплуатационные. Влиять на надежность функционирующего газопровода можно лишь обеспечив правильную техническую эксплуатацию. Эксплуатация, помимо непосредственного использования основного и вспомогательного технологического оборудования для выполнения производственных задач по транспортировке газа, включает в себя также систему технического обслуживания и ремонта, исполнителей, необходимых для поддержания и восстановления качества объектов и их элементов, входящих в систему. Учитывая тот факт, что аварийность магистральных газопроводов и FPA остается достаточно высокой, а темпы их старения значительно опережают темпы выполнения капитального ремонта, одним из главных средств поддержания эксплуатационной надежности является система технического обслуживания и ремонта
Ключевые слова: газопотребление, газоснабжение, системы проектирования, конструкция, эксплуатация.
Методы и подходы к решению перечисленных задач базируются на результатах исследований ведущих ученых [8]. Вместе с тем, анализ опыта эксплуатации газотранспортных систем и научных исследований в этой области доказывает необходимость дальнейшей проработки задач и совершенствование организации эксплуатационного обслуживания линейной части, CSC, FPA и их элементов [4]. С позиций системного анализа система технического обслуживания и ремонта характеризуется определенным составом, структурой и режимом функционирования [1].
Существующие способы оптимизации обслуживания основываются на стратегиях, для реализации которых необходима информация о большом количестве параметров режима работы агрегата, что создает определенные трудности в решении задачи [7]. Поэтому для оценки состояния FPA следует сузить круг определяющих параметров и выбрать один обобщающий, который наиболее полно характеризовал бы надежность работы каждого газоперекачивающего агрегата и CSC в целом [3].
Рассматривая топливно-энергетическое хозяйство как единую структуру, можем осуществить его разделение на локальные системы, между которыми существуют тесные внешние связи. Каждая такая система выполняет конкретные, только ей присущие функции [6]. На самом высоком иерархическом уровне система газоснабжения выступает как локальная система топливно-энергетического хозяйства [10с]. Дальнейшее деление системы газоснабжения на внутренние локальные системы осуществляется в зависимости от решаемых задач [5]. К таким локальным системам можно отнести газодобывающие районы, газовые промыслы, районные газоснабжающие системы, отдельные магистральные газопроводы или группы газопроводов, выделенные в систему, станции подземного хранения газа (или группы хранилищ, обеспечивающих один узел потребления), компрессорные станции, линейные участка магистрального газопровода [9]. Далее рассмотрим работу газотранспортной локальной системы и определим критерии надежности ее функционирования. Основной функцией газотранспортной системы является бесперебойная подача природного газа потребителю, где мерой производительности является количество газа, транспортируемого в единицу времени [2].
Любая выделенная локальная система выступает как источник выполнения определенных функций применительно к той части системы газоснабжения, которая является потребителем ее продукции (рис. 1).
СО ч V
X X
о
го А с.
X
го m
о
Рисунок 1. Локальная система как источник применительно к другой системе газоснабжения
ю
2 О
м м
es es о es
en
о
Ш
m
X
<
m о x
X
И «источник», и «потребитель», как локальные системы, обладают определенными характеристиками. Так основной характеристикой возможностей локальной системы как источника выполнения заданных функций является потенциальная производительность (или мощность) ш в определенный период времени. «Потребитель» характеризуется значением спроса (или плановой производительностью) в тот же период (потребностью в газе, плановым заданием по закачке или отбору газа, необходимым объемом транспортировки газа). В целом спрос V может отличаться от соответствующих величин, определенных планов, однако этот вопрос здесь рассматривать не будем, и примем, что спрос соответствует требованиям выполнения плановых заданий (перспективных, текущих, оперативных). Величины ш и V переменны во времени и зависят от многих факторов. Так, производительность газотранспортной системы (характеристика источника) может варьироваться через выход из строя оборудования, ремонт или ликвидацию отдельных установок и объектов системы, включение в работу восстановленных и вновь построенных установок, модернизацию оборудования, изменение давления в сети, изменение коэффициентов гидравлического сопротивления газопроводов и тому подобное. Соответственно для потребителя определяющими факторами, влияющими на график газопотребления, являются колебания температуры и других условий внешней среды, ввод новых мощностей и районов газопотребления, изменение планов газопотребления, изменение технологий у потребителей газа, возможные выходы из строя и ремонты газотранспортного и газопотребляющего оборудования.
В целом, мгновенные производительности» источника ш и потребителя V являются нестационарными случайными функциями. Поэтому проблема надежного газоснабжения решается при обеспечении оптимального согласования ш и V в заданном интервале времени Т (например, Т=365 суток). В зависимости от конкретных условий задачи каждая из величин (ш и V) на определенном промежутке времени Т функционирования системы может быть задана либо функцией времени (в том числе и случайная), либо набором возможных дискретных значений и соответствующих им вероятностей, либо непрерывной функцией распределения.
Далее рассмотрим основные показатели надежности локальной газотранспортной системы, что является характерными для «источника» и «потребителя» продукции и найдем среди них определяющие, с помощью которых можно давать оценку надежности системы.
Работу потребителя за период Т характеризуют следующие показатели:
- средняя нагрузка, зависящая от вида задачи мгновенной нагрузки или как средняя по времени,
при максимальной по-
- 1 Г V
1 о 1
(1)
постоянной нагрузкой
v(t)
требности в газе за период,
V v Т - — - ——Т
1т 1
vm vm (2)
- максимальный коэффициент неравномерности газопотребления за период Т
K„=V™ Т
Lm
(3)
обращен ли к нему
- коэффициент использования максимума нагрузки Тм/Т.
Так, при количестве суток за год использования максимума нагрузки Тм = 310 (Т=365 суток) коэффициент неравномерности Кн =1,18.
По аналогии с «потребителем», «источник» может быть охарактеризован некоторыми своими параметрами:
- средней производительностью (мощностью)
(D ■
\;\co(t)dt
СО = Е(со)
(4)
- максимально возможной или проектной производительностью (когда все элементы локальной системы исправны) шт=тахш;
- средним значением недоиспользования проектной производительности
© = ©„-© (5)
- коэффициентом запаса производительности источника, указывающим на степень изменения потенциальной производительности в данном промежутке времени.
Если ш рассматривается как случайная величина, то рос удобнее характеризовать дисперсией
ее разб D=a2= Е
_ ст
(О.
или безразмерным коэффициентом
где V - общая потребность в продукции (количестве транспортируемого газа) за период т, или как математическое ожидание величины V:
V — Е(\>) - максимальная нагрузка (в заданном интервале времени)
Ут=тах V - время использования максимума нагрузки (количество суток, часов). Это-период, в течение которого система газопотребления работала бы с
вариации
Для определения основных показателей надежности, характерных для обеих локальных систем, рассмотрим совместную работу источника и потребителя. Из рис. 1 видно, что в соответствии с условием материального баланса, в любой момент времени поток от «потребителя» к «источнику» равен наименьшей из величин производительности и потребности в продукции. Таким
образом, ?=ПШ1{ю,у}
Работа системы характеризуется двумя различными состояниями, которые наступают в последовательные промежутки времени: в промежутки времени Т1 и необходимое нагрузки полностью обеспечивается локальной системой (ш> V), а в промежутки времени Т2i нужное нагрузки лишь частично обеспечивается локальной системой (ш<у). Таким образом, общее время исправной
Тг=ЪТц
работы системы за период Т составит г , а общее время неисправной работы - I .
Доля времени, когда система исправна, то есть полностью обеспечивает нужную нагрузку, характеризуется коэффициентом готовности системы
т тх+т2
(6)
Для вероятностной системы более точным определением коэффициента готовности является вероятность исправной работы, то есть в нашем случае
Р=р(соЪ>) (7)
Коэффициент готовности - важный показатель надежности.
Для условных систем, в которых снижение мощности ниже необходимого предела, означает отказ системы, например, для отдельных элементов сложной газотранспортной системы ^РА, адсорберы, вентиляторы и т.п.), коэффициент готовности можно считать основным, практически исчерпывающим показателем надежности.
Рассматриваемая нами локальная системы является безусловной, поскольку характеризуется, в основном, лишь определенным недопоставкой продукции по сравнению со спросом, а не полным отказом системы. Поэтому здесь необходимо использовать параметры надежности, указывающие на степень недопоставки продукции за время Т2, в течение которого и><у. Мгновенное недопоставка определяется разницей этих величин q_=v-u>, а среднее за время Т недопоставки зависимостью
- 1 Т
0 (8)
или как математическое ожидание этой величины
В ряде работ, посвященных исследованию надежности газотранспортных и аналогичных им локальных систем, ставится вопрос о том, какой из показателей надежности системы является основным, определяющим. В [4] предлагается рассматривать как такой показатель математической недопоставки газа q_. Необходимость оценки средней или интегральной величины недопоставки газа потребителям во время исследования надежности и резервов не вызывает сомнений, поскольку именно эта величина определяет глубину убытка от невыполнения требований контрактов по поставкам продукции потребителям. Данный показатель будет иметь значительное влияние и на обоснование оптимальных резервов системы, однако объем недопоставки газа в натуральном выражении не дает возможности сравнивать разные по производительности системы. Поэтому мы предлагаем как основной показатель надежности использовать относительное недопоставку газа за время Т или коэффициент недопоставки
у V (9)
где: Q_=q_T - суммарное недопоставку за определенный промежуток времени, для которого ведется анализ; У=уТ - суммарная потребность в природном газе за это время.
Считаем, что удобно также использовать понятие коэффициента производительности локальной системы
к —
е.
V V (10)
аналогично принятому в энергетике «индекса надеж-
Некоторые авторы для оценки надежности энергетических систем используют такой показатель как индекс надежности, считая его исчерпывающей характеристикой. Однако такой подход односторонний, поскольку при одном и том же суммарном недопоставке энергии или газа потребителю возможно разное относительное время, в течение которого предприятие не выполняет условия договоров, контрактов и тому подобное. Так, если в течение года компрессорная станция из-за аварии была отключена на несколько дней, а все остальное время выполняла заказ в полном объеме, то такая ситуация означает более высокую надежность, чем хоть и частичное, но систематическое неисполнение заказа (при том же суммарном недопоставках) в течение всего периода.
По нашему мнению, для полной оценки надежности локальной газотранспортной системы следует использовать коэффициент готовности и коэффициент производительности системы, а во время анализа абсолютного ущерба из-за ненадежности системы - также и объем недопоставки продукции (природного газа). В то же время при оценке надежности отдельных элементов локальной системы можно ограничиться лишь одним из показателей надежности - коэффициента готовности.
Литература
1. Боброва, О. Д. Пути повышения надежности систем газоснабжения / О. Д. Боброва // Наука, образование и культура. - 2019. - № 4(38). - С. 11-13. - EDN TTJQWY.
2. Власова, Л. В. Оценка влияния природных воздействий в задачах обеспечения надежной и безопасной эксплуатации газотранспортной системы ПАО "Газпром" / Л. В. Власова // Научно-технический сборник Вести газовой науки. - 2017. - № 1(29). - С. 49-56. - EDN ZHROKV.
3. Жила, В. А. Надежность газораспределительных систем / В. А. Жила, Е. А. Гусарова, М. Д. Гулюкин // Научное обозрение. - 2017. - № 20. - С. 38-44. - EDN ZRNCHF.
4. Карпенко, П. А. Повышение надежности систем газоснабжения / П. А. Карпенко // Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 01-20 мая 2017 года. -Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2017. - С. 2425-2429. - EDN RSYYMT.
5. Медведева, О. Н. Основные критерии оценки надежности систем газоснабжения / О. Н. Медведева // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. - 2019. - № 11. - С. 460-464. -EDN XRPMOY.
6. Осипова, Н. Н. Повышение надежности автономных систем газоснабжения индивидуальных жилых зданий / Н. Н. Осипова, И. М. Бычкова // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. -2019. - № 2(75). - С. 121-130. - EDN ZSVGPB.
7. Сухарев, М. Г. Влияние фактора системной надежности на решения при планировании развития и реконструкции объектов системы газоснабжения / М. Г. Сухарев, Е. Р. Ставровский, В. С. Шелекета // Научно-технический сборник Вести газовой науки. - 2017. - № 1(29). - С. 4-12. - EDN ZHROIN.
X X
о
го А с.
X
го т
о
ности».
2 О
м м
8. Сухарев, М. Г. Модели взаимодействия систем электро- и газоснабжения на современном этапе развития энергетики / М. Г. Сухарев // Известия Российской академии наук. Энергетика. - 2018. - № 4. - С. 14-20. -DOI 10.31857/S000233100002359-8. - EDN VMYZPN.
9. Терешкин, А. А. Надежность системы газоснабжения / А. А. Терешкин // Вестник магистратуры. - 2021. - № 5-6(116). - С. 59-62. - EDN UYIRXE.
10. Технологические решения для повышения надежности эксплуатации подземных хранилищ газа в современных условиях развития единой системы газоснабжения Российской Федерации / И. А. Колодяжный, А. С. Сергеев, Д. А. Поваров, А. В. Формин // Газовая промышленность. - 2021. - № 1(811). - С. 78-89. - EDN ELUUEO.
Determination of the structure of calculation of the reliability model of
gas supply systems under external influence Shenogin M.V.
Vladimir state University named after Alexander Grigorievich and Nikolai
Grigorievich Stoletovs JEL classification: L61, L74, R53
In the conditions of intensive development of gas markets, the problem of ensuring the reliability and efficiency of the gas transmission system is extremely urgent, which is achieved by constantly maintaining facilities in proper functional condition, which, in turn, requires timely and full financing. As is known, methods for improving the reliability of gas pipeline systems are divided into pre-operational (schematic and constructive) and operational. It is possible to influence the reliability of a functioning gas pipeline only by ensuring proper technical operation. Operation, in addition to the direct use of the main and auxiliary technological equipment to perform production tasks for gas transportation, also includes a system of maintenance and repair, performers necessary to maintain and restore the quality of facilities and their elements included in the system. Taking into account the fact that the accident rate of main gas pipelines and gas pipelines remains quite high, and the rate of their aging is significantly ahead of the pace of major repairs, one of the main means of maintaining operational reliability is the maintenance and repair system Keywords: gas consumption, gas supply, design systems, construction, operation.
References
1. Bobrova, O. D. Ways to improve the reliability of gas supply systems / O.
D. Bobrova // Science, education and culture. - 2019. - No. 4 (38). - S. 11-13. - EDN TTJQWY.
2. Vlasova, L. V. Assessment of the influence of natural impacts in the tasks
of ensuring reliable and safe operation of the gas transmission system of Gazprom PJSC / L. V. Vlasova // Scientific and technical collection of Vesti gazovoy nauki. - 2017. - No. 1 (29). - S. 49-56. - EDN ZHROKV.
3. Zhila, V. A. Reliability of gas distribution systems / V. A. Zhila, E. A.
Gusarova, M. D. Gulyukin // Scientific Review. - 2017. - No. 20. - P. 3844. - EDN ZRNCHF.
4. Karpenko, P. A. Improving the reliability of gas supply systems / P. A.
Karpenko // International Scientific and Technical Conference of Young Scientists of BSTU. V.G. Shukhova, Belgorod, May 01-20, 2017. -Belgorod: Belgorod State Technological University. V.G. Shukhova, 2017. - S. 2425-2429. - EDN RSYYMT.
5. Medvedeva, O. N. The main criteria for assessing the reliability of gas
supply systems / O. N. Medvedeva // Resource and energy efficient technologies in the construction complex of the region. - 2019. - No. 11.
- P. 460-464. - EDN XRPMOY.
6. Osipova, N. N. Increasing the reliability of autonomous gas supply systems
for individual residential buildings / N. N. Osipova, I. M. Bychkova // Bulletin of the Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Construction and architecture. - 2019. - No. 2 (75).
- S. 121-130. - EDN ZSVGPB.
7. Sukharev, M. G., Stavrovsky, E. R., Sheleketa, V. S., Influence of the
system reliability factor on decisions when planning the development and reconstruction of gas supply system facilities, Scientific and Technical Collection of Vesti gazovoy nauki. - 2017. - No. 1 (29). - P. 4-12. - EDN ZHROIN.
8. Sukharev, M. G. Interaction models of power and gas supply systems at
the present stage of energy development / M. G. Sukharev // Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Energy. - 2018. - No. 4. - P. 14-20. - DOI 10.31857/S000233100002359-8. - EDN VMYZPN.
9. Tereshkin, A. A. Reliability of the gas supply system / A. A. Tereshkin //
Bulletin of the Magistracy. - 2021. - No. 5-6 (116). - S. 59-62. - EDN UYIRXE.
10. Kolodyazhny I. A., Sergeev A. S., Povarov D. A., Formin A. V. Technological solutions for improving the reliability of operation of underground gas storage facilities in modern conditions of development of the unified gas supply system of the Russian Federation // Gas industry. - 2021. - No. 1 (811). - S. 78-89. - EDN ELUUEO.
СЧ СЧ
о
es
СП
о ш m
X
<
m о x
X
