CC BY
39
машинах [1]. Данные системы машин работают в стесненных условиях на оптимальных режимах, имеют многоцелевое назначение, их можно быстро перебазировать на любой участок реконструируемого предприятия. Эти качества наряду с невысокой стоимостью, повышенной надежностью и экономичностью характеризуют указанные комплекты как наиболее эффективные при реконструкции.
Список литературы /References
1. Бедов А.И., Сапрыкин В.Ф Обследование и реконструкция железобетонных и каменных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений. Москва: М.:АСВ, 1995. 180 с.
2. Шагин А.Л. Реконструкция зданий и сооружений. М.СПб: М.: Высш. шк., 1991. 352 с.
3. Вольфсон В.Л., Ильяшенко В.А., Комисарчик Р.Г. Реконструкция и капитальный ремонт жилых и общественных зданий: Справочник производителя работ. 2-е изд., изд. Москва: М.: Стройиздат, 2003. 252 с.
РЕШЕНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ ПО РАСШИРЕНИЮ МОЩНОСТИ РЕЗЕРВУАРНОГО ПАРКА НЕФТЕБАЗЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
1 2 3
Щербань П.С. , Себровский Д.А. , Голованов В.В. Email: Shcherban1137@scientifictext.ru
1Щербань Павел Сергеевич - кандидат технических наук, ассистент, Инженерно-технический институт Балтийский федеральный университет им. И. Канта; 2Себровский Дмитрий Александрович - магистрант, Институт финансов, экономики и менеджмента; 3Голованов Владислав Вадимович - студент, специальность: информатика и вычислительная техника, факультет АПУ, Калининградский государственный технический университет, г. Калининград
Аннотация: в статье рассматривается проблема поиска оптимального решения по расширению производственных мощностей нефтебазы, анализируются технические параметры различных вариантов компоновок резервуарных парков, проводится их экономическая оценка. На основе методов математического моделирования производится поиск точки оптимума по подбору наиболее технически и экономически оправданной схемы размещения емкостей в резервуарном парке. В работе используются элементы целочисленного программирования. Представлен алгоритм решения оптимизационной задачи по размещению резервуаров в ограниченном пространстве.
Ключевые слова: управление предприятием нефтегазового комплекса, нефтяные резервуары, технико-экономическое обеспечение проектирования нефтегазового предприятия, поиск оптимального решения, математическое моделирование, компьютерное моделирование.
SOLUTION OF THE TECHNO-ECONOMIC PROBLEM OF ENHANCING THE CAPACITY OF THE TANK RESERVOIR PARK USING COMPUTER MODELING METHODS Shcherban P.S.1, Sebrovskii D.A.2, Golovanov V.V.3
1Shcherban Pavel Sergeevich - PhD in Technical Sciences, Assistant, ENGINEERING INSTITUTE" BALTIC FEDERAL UNIVERSITY OF I. KANT; 2Sebrovskii Dmitry Aleksandrovich - Master Student, INSTITUTE OF FINANCE, ECONOMICS AND MANAGEMENT;
3Golovanov Vladislav Vadimovich - Student, FACULTY OF PRODUCTION AUTOMATION AND CONTROL, DEPARTMENT OF CONTROL SYSTEMS AND COMPUTER ENGINEERING, KALININGRAD STATE TECHNICAL UNIVERSITY, KALININGRAD
Abstract: article provides an overview of the issue of searching for the optimum decision on expansion of capacities of an oil depot, analysis of technical parameters on various variants of reservoir park layouts and their economic evaluation is carried out. The search of the optimal and the most technically and economically justified scheme for reserving tanks in a tank farm is performed based on mathematical modelling methods. The article includes elements of integer-valued software engineering. In addition, an algorithm of solving the optimization issue concerning the placement of tanks within limited area.
Keywords: oil and gas complex management, oil reservoirs, technical and economic support of oil and gas enterprise design, search for the optimal solution, mathematical modeling, computer modeling.
УДК 51-74
Постановка задачи
Современное развитие нефтегазового комплекса, во многом сопряжено с ежегодным ростом объема потребления углеводородов, в особенности в крупных городах и агломерациях. Это приводит к необходимости расширения существующих мощностей по транспортировке, хранению и перевалке нефтепродуктов.
В большинстве случаев возникает ряд вопросов по оптимизации схемы расширения резервуарного парка. Необходимо отметить многофакторность данной задачи. Наряду с предъявляемыми заказчиками требованиями по увеличению объемов хранения тех или иных углеводородов, существенным является стоимость различного оборудования по хранению нефтепродуктов и пространственные особенности территорий предназначенных для размещения новых резервуаров.
Управляющему персоналу предприятий приходится решать многофакторную задачу по одновременному поиску оптимальных схем расширения мощностей резервуарного парка (с учетом требования рынка), необходимого оборудования по хранению углеводородов и рационального размещения данного оборудования в выделенной зоне. Решение данной задачи усматривается в разработке алгоритма по поиску решений на основе последовательного применения комплекса управленческих, организационных и информационно-математических методов.
Разработка алгоритма решения задачи
Расширение мощности резервуарного парка на первом этапе предполагает проведение маркетингового исследования рынка, а именно получения информации по динамике спроса на различные углеводороды на региональном уровне. Проведение подобного исследования, сбор и обработка его результатов, в целом находятся за рамками решаемой задачи, однако итоговые данные используются в ходе расчетов и существенно влияют на их результат. Укрупненно представим общий алгоритм решения задачи по выбору оптимальной схемы расширения резервуарного парка нефтебазы.
Рис. 1. Алгоритм решения технико-экономической задачи по расширению мощности
резервуарного парка
Исходя из представленного алгоритма, можно выделить, во-первых, подготовительный этап в решении данной технико-экономической задачи. Он связан с решением отдельных маркетинговых и производственных подзадач. Так мониторинг рынка углеводородов по региону (а именно оценка скорости роста автомобилизации населения, оценка скорости роста объемов потребления дизельного и мазутного топлива крупными автотранспортными предприятиями и производствами) позволит прогнозировать требуемые производственные мощности от резервуарных парков. Однако, в проведении данного исследования, важно использовать не только общие статистические данные, но и учитывать зону размещения нефтебазы, объемы закупа основными потребителями, их планы и действия по расширению производственных мощностей и т.д.
Важным элементом в получении предварительных данных является оценка существующих производственных мощностей резервуарного парка. Исходя из этих данных, руководство может принять решение о замене резервуаров различного назначения, об их ремонте или пере монтаже. Также основываясь на данных о текущих объемах хранения и на линии тренда в росте объемов потребления различного топлива, становится возможным рассчитать недостающие объемы.
В случае если руководство резервуарного парка по итогам полученных исходных данных устанавливает невозможность в использовании или модернизации существующих мощностей под необходимые в будущем к хранению объемы, то
возникает необходимость оценить возможность расширения резервуарного парка. Этот момент и является отправной точкой в решении рассматриваемой технико -экономической оптимизационной задачи. В данном случае руководство нефтебазы стоит перед альтернативой - либо расширять резервуарные мощности в пределах подготовленной территории или отчуждать территорию дополнительно.
Как правило в пределах крупных городов и агломераций расширять резервуарные парки за счет прилегающих территорий затруднительно (возникает целый комплекс юридических, технических и экологических проблем). В результате наиболее частым является решение задачи по поиску оптимальной схемы размещения резервуаров максимального возможного объема в пределах подготовленной территории и с учетом ценового диапазона по приобретаемому оборудованию.
Задание ограничивающих условий пространственного размещения новых резервуаров на нефтебазе
В качестве примера, укрупненно рассмотрим ряд расчетов, выполненных для условий нефтебазы «Западная» расположенной в г. Калининграде. Так исходными данными в работе послужили результаты анализа текущих трендов по изменению объемов закупа углеводородов различного типа в г. Калининграде в 2011 - 2016 г.г., а также оценка существующих производственных мощностей нефтебазы.
В результате было установлено, что в течение 2011 - 2016 гг. по г. Калининграду объем закупаемого оптовыми потребителями дизельного топлива в среднем ежегодно увеличивался на 34 тыс. т, бензина различных марок на 27 тыс. т. Однако с учетом пространственно-географического размещения резервуарного парка и с учетом специфики его основных клиентов предполагается, что в течение 2017 - 2021 гг. потребуются дополнительные мощности, позволяющие переваливать ежегодно 10 тыс. т дизельного топлива и 45-50 тыс. т бензина различных марок. В настоящее время существующие мощности резервуарного парка (рисунок 2) не позволяют существенно изменить объемы перевалки. Вместе с тем рассматриваемая нефтебаза территориально ограничена в возможностях своего расширений - существующей промышленной зоной, дорогами общего пользования и рекой.
На рассматриваемой территории располагается зона, подготовленная для возможного расширения производственных мощностей нефтебазы (осуществлена обваловка, дренирование, подготовка площадки под размещение вертикальных стальных резервуаров) [1]. В результате чего складываются все условия по решению оптимизационной задачи по размещению максимального объема в ограниченном пространстве с учетом требований пространственного размещения вертикальных стальных резервуаров на территории нефтебазы и с учетом стоимости резервуаров различной комплектации [2].
П-
Рис. 2. План исследуемого резервуарного парка
1. Главные ворота, для проезда на территорию автоцистерн; 2. Проезд для спец. техники; 3. Контрольно- пропускной пункт нефтебазы 4. Операторная для управления и контроля наливных насосов; 5. Авто эстакады для налива нефтепродуктов в автоцистерны; 6. Здание пожарной безопасности; 7. Пожарные резервуары с водой 700 м3; 8. Нефтяные резервуары на цементных обваловках, объёмами: 5000 м3, три резервуара 1000 м3; 9. Пожарный проезд на территорию нефтебазы; 10. Лаборатория для анализа качества проб нефтепродуктов; 11. Цистерны для отстаивания некачественного топлива (Горизонтальные цилиндрические резервуары); Железнодорожные пути; 12. Железнодорожные пути; 13. Разгрузочно-погрузочная эстакада с площадкой. Насосы при эстакаде для перекачки нефтепродуктов; 14. Технологические трубопроводы различного назначения; 15. Железобетонный забор; 16. Территория, планируемая для использования установки новых резервуаров.
Представим ряд требований по пространственному размещению вертикальных стальных резервуаров в пределах нефтебазы:
• Минимальное расстояние между резервуарами, располагаемыми группой с общей вместимостью до 4000 м3 не нормируется и регламентируется лишь необходимостью проезда малогабаритной техники и прохода людей (до 5 м.) [1];
• Диаметры резервуаров составляют: РВС - 400 - 8500 мм, РВС-1000 - 10500 мм, РВС-2000 - 15200 мм. [2];
• Обваловка резервуаров по периметру осуществляется искусственной насыпью или бетонными ограждениями высотой не менее 1 м.;
• Расположение резервуаров группой объемом менее 1000 м3 осуществляется не более чем в 4 ряда, объемом от 1000 до 10000 м3 не более чем в три ряда [3];
• Расстояние от наземных резервуаров до железнодорожной эстакады и автоцистерн составляет не менее 20 м и до разливочных не менее 15 м.
Обзор стоимости различных резервуаров допустимых к установке на исследуемой территории
Размещая резервуары в пределах представленной территории закономерен вопрос о типе и объемах хранения того или иного нефтепродукта. Стоит отметить, что в настоящее время заинтересованность клиентов в выборе нефтебаз связана с их техническими возможностями.
44
Чем больше нефтебаза предоставляет условий для хранения (количество резервуаров), тем большее количество клиентов можно будет привлечь к сотрудничеству [4]. Также количество резервуаров влияет и на разнообразие хранимых топлив. На представленной нефтебазе оборот дизельного топлива и АИ-92 в настоящее время достаточен для активного функционирования. Но для того, чтобы нефтебаза удержалась на рынке данных услуг в ближайшие пять лет, необходим ввод в эксплуатацию резервуаров для хранения не менее популярного у потребителей бензина АИ-95. В качестве примера приведем усредненные данные по стоимости покупки и монтажа вертикальных стальных резервуаров различной вместимости (рисунок 3).
5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5
т
1
РВС-400
РВС-500
РВС-1000
РВС-2000
РВС-5000
Средняя цена резервуара на рынке и Средняя стоимость монтажных работ при рулонной поставке
0
Рис. 3. Сравнительная ориентировочная стоимость закупки и установки вертикальных стальных резервуаров различных марок на территории нефтебазы
Математическое решение размещения резервуаров максимального объема в ограниченном пространстве
С точки зрения математики представленная задача относится к комбинаторным. Одним из методов решения задач подобного рода является метод двухмерной упаковки. Поскольку проблема, решаемая задачей, № - трудная, то различные алгоритмы, используемые для ее решения, находят оптимум с заданной точностью, но не гарантируют рационального размещения объектов [5]. Зададим условия задачи математически. Пусть существует единственная зона размещения объектов (площадка для размещения резервуаров) размера V и множество п резервуаров с прилежащими зонами безопасности размеров аь...ап. Необходимо найти уровень размещения резервуаров - В (с прилежащими зонами безопасности) и разбиение множества { 1 ,. . .,п} на В подмножеств 5Х и . . .и5в таких, что е Бк аь^У для всех к = 1,...,В. Размещение оптимально при минимальном значении В и ап. Далее минимальное значение В будем обозначать ОРТ.
В целом задача размещения резервуаров минимального объема в ограниченном пространстве может быть сформулирована как задача целочисленного программирования следующим образом:
Минимизировать В = £ "= 1уь
При ограничениях:
n
V/6 {1.....n]
Vi6 {1.....n}
.....n} V,-6{1.....n}
i=1
Уг 6 {ОД} хн 6 {0,1}
В данном случае yi =1 если зона используется и xiJ=1, если резервуар j размещен в зоне размещения объектов V.
Существуют три вида алгоритмов, для решения задач подобного рода: уровневые, шельфовые и плоские [6]. В случае с представленной проблемой рационального размещения максимального объема резервуаров в ограниченном пространстве наиболее оптимально использование одного из шельфовых алгоритмов. Данные алгоритмы позволяют последовательно заполнять исследуемое пространство (площадку для резервуаров) объектами, минимизируя количество пустых зон. Наиболее подходящим из шельфовых алгоритмов для решения данной проблемы является алгоритм BFDH (Best Fit Decreasing Height). Алгоритм был прописан в на языке C++ в результате чего был получен ряд оптимальных решений по размещению резервуаров в исследуемой зоне.
Использование программного обеспечения для решения задачи по размещению резервуаров в ходе расширения мощностей нефтебазы
Представим итоговый код алгоритма по решению данной задачи и различные результаты размещения резервуаров в пределах площадки со значениями по объему. Суть алгоритма состоит в том, что из уровней, подходящих для расстановки резервуаров по исследуемой зоне, выбирается не первый, а лучший. Лучший уровень — это такой, на котором останется минимум места после установки резервуара.
Проще говоря, выбирается минимальное подходящее пространство, что способствует лучшему заполнению уровней и зоны в целом [6]. В результате был реализован следующий алгоритм (рисунок 4).
Результаты анализа вариантов размещения резервуаров в ограниченном пространстве показывают, что максимальный возможный совокупный объем резервуаров для размещения в указанной зоне составляет 3000 м3 - Вариант С (рисунок 5).
Однако, при таком размещении не учитывается особенность хранения углеводородов различного типа. Так в случае вывода одного из резервуаров в ремонт или увеличения типов хранимого топлива наличие только двух резервуаров, (пусть и большей вместимости) сделает систему недостаточно гибкой.
Конец ^
Рис. 4. Алгоритм решения задачи по размещению резервуаров в ограниченном пространстве
Вариант Е не рационален в виду наименьшего из возможного совокупного объема хранения углеводородов (общий объем в 2600 м3). Три оставшихся варианта размещения резервуаров Л, B и D значительно отличаются по стоимости исполнения. Так, исходя из данных, представленных на рисунке 3. стоимость размещения по типу А составит порядка 9,8 млн р.; по типу В порядка 7,2 млн р.; по типу D порядка 5,8 млн р. При этом объемы хранения по всем трем типам равны.
Рис. 5. Анализ вариантов размещения резервуаров в ограниченном пространстве
Варианты размещения резервуаров: A - общим объемом 2800 м3; B - общим объемом 2800 м3; С - общим объемом 3000 м3; D - общим объемом в 2800 м3; E - общим объемом в 2600 м3.
В результате руководству компании необходимо подобрать ту из схем, которая в наибольшей степени будет сочетать как гибкость в хранении углеводородов различного вида, так и адекватную стоимость. Исходя из представленных данных и сообразно конъюнктуре конкретного локального рынка наиболее оптимальна планировка по типу B. Заключение
Представленный подход по решению управленческой задачи по расширению производственных мощностей резервуарного парка нефтебазы, в целом позволяет управлять тремя группами взаимовлияющих факторов: факторов конъюнктуры локального рынка углеводородов, факторами стоимости закупки различного нефтегазового оборудования и его монтажа и параметрами размещения резервуаров в ограниченном пространстве. Управление первой группой факторов осуществляется через планомерное маркетинговое исследование и использование полученных данных в проектировании. Управление второй группой факторов основывается на оценке стоимости различных комплектаций стандартных резервуаров и стоимостях их монтажа.
Оптимизация же схемы размещения резервуаров осуществляется по средством решения комбинаторной задачи методом двухмерной упаковки и написания программного кода для обработки результатов в компьютерной среде. Проведя все обозначенные расчеты и исследования, руководство нефтебазы может выбрать наиболее рациональную стратегию расширения производственных мощностей своего предприятия.
Список литературы /References
1. ВНТП 5-95. Нормы технологического проектирования предприятий по обеспечению нефтепродуктами (нефтебаз).
2. ГОСТ 31385-2016. Резервуары вертикальные цилиндрические стальные для нефти и нефтепродуктов.
3. Коршак А.А. Нефтебазы и автозаправочные станции. Учебное пособие. Издательство Феникс, 2015. 496 с.
4. Шишкин Г.В. Справочник по проектированию нефтебаз. М.: Недра, Переиздание, 2009. 197 с.
5. Martello Silvano and Toth Paolo. Knapsack problems. Chichester. UK: John Wiley and Sons, 1990. P. 221.
6. Рейнгольд Э., Нивергельт Ю., Део Н. Комбинаторные алгоритмы. Теория и практика. М.: Мир, 1980. 476 с.
