Синтез сетевых структур при реконструкции действующих трубопроводных систем Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 656.56

СИНТЕЗ СЕТЕВЫХ СТРУКТУР ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ ДЕЙСТВУЮЩИХ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ

ТАРАРЫЧКИН И.А., д.т.н., проф. кафедры транспортных систем

Луганский национальный университет им. Владимира Даля

(ЛНР, 91034, г. Луганск, кв. Молодежный). E-mail: donbass_8888@mail.ru

Представлен разработанный метод синтеза сетевой структуры трубопроводных транспортных систем при их реконструкции. Основу метода составляют закономерности развития процесса прогрессирующего повреждения элементов сетевой структуры, установленные в результате имитационного компьютерного моделирования. Приведены конкретные примеры решения практических задач синтеза и принятия решений при оценке свойств и характеристик альтернативных вариантов сетевых структур. Показано, что окончательное решение по выбору структуры принимается по результатам моделирования свойств сетевых объектов.

Ключевые слова: трубопровод, система, реконструкция, структура, синтез, повреждения, проектирование.

Введение

Трубопроводные транспортные системы применяются в различных отраслях производства, в том числе в нефтегазовом комплексе в условиях химических и металлургических производств, при доставке сырья, полуфабрикатов, готовой продукции. Структура трубопроводных систем промышленных предприятий формируется с учетом необходимости решения конкретных технологических задач и может изменяться в течение жизненного цикла. Такого рода изменения связаны с возможным расширением технологических возможностей систем, модернизацией производства, переходом на новые режимы функционирования и т.п. При этом изменяются не только технологические свойства и характеристики систем, но и уровень их безопасности, ремонтопригодность, способность сопротивляться развитию повреждений сетевой структуры под воздействием факторов различной природы и т. д. [1].

В дальнейшем под стойкостью к повреждениям сетевой структуры понимается способность системы выполнять свои функции

процессов прогрессирующего повреждения и разработка метода синтеза сетевых структур с заданными свойствами при реконструкции действующих систем.

Способность сетевой структуры трубопроводной системы сопротивляться развитию процесса прогрессирующего повреждения оценивается при помощи показателя стойкости Г^, представляющего собой среднее значение доли трубопроводов, которые необходимо перевести в неработоспособное состояние для прекращения доставки целевого продукта потребителям. Возникающие при реконструкции систем типовые задачи связаны с необходимостью сопоставления нескольких возможных вариантов и выбором альтернатив. При этом проблема синтеза рациональной сетевой структуры трубопроводной системы, обеспечивающей получение наивысших значений показателя стойкости, является актуальной.

Для решения задачи синтеза и принятия проектных решений необходимо установить закономерности влияния

при наличии повреждений линейных элементов (трубопроводов). При этом причины возникающих повреждений могут быть самыми разными, а процесс прогрессирующего повреждения рассматривается как последовательный переход в неработоспособное состояние линейных элементов системы, осуществляемый в случайном порядке [2].

Целью настоящей работы является изучение влияния структуры трубопроводной системы на ее способность сопротивляться развитию

Таблица 1

Обозначение подмножеств линейных элементов в составе сетевой структуры

Обозначение подмножества линейных элементов

G1

G2

G3

G4

G5

Характеристики соединения точечных элементов

Источник - потребитель

Условное графическое изображение элементов соответствующих подмножеств

Потребитель -потребитель

Потребитель -распределительный узел

Распределительный узел - распределительный узел

Источник -распределительный узел

Количество элементов подмножества в составе сетевой структуры

01

02

03

05

|Рис. 1. Сетевая структура трубопроводной системы с обозначением SB

А

отдельных структурных элементов систем на развитие процесса прогрессирующего повреждения.

Так, возможные варианты соединения отдельных точечных структурных элементов в системе показаны в табл. 1. Видно, что в общем случае множество всех линейных элементов системы можно разделить на пять подмножеств: в1 ... в5.

Изучение влияния элементов, принадлежащих различным подмножествам, на развитие процесса прогрессирующего повреждения выполнялось с использованием сетевой структуры, показанной на рис. 1.

Состав рассматриваемой структуры с условным обозначением БВ характеризуется набором значений: д1 = д2 = д3 = д4 = д5. Если из состава ББ последовательно исключать элементы подмножеств ... Э5, то возникающая при этом совокупность сетевых объектов ББ1 ... ББ5 будет характеризоваться набором значений д1 ... д5, показанным в табл. 2. В этой же таблице приведены и соответствующие значения показателей стойкости Г^, установленные в результате имитационного компьютерного моделирования процесса прогрессирующего повреждения.

Видно, что наибольшее влияние на стойкость сетевой структуры к прогрессирующим повреждениям оказывают элементы подмножества 01. Элементы остальных подмножеств оказывают меньшее влияние, степень которого непрерывно убывает по мере перехода от 02 к 03 и далее к 04 и 05.

Указанные закономерности оказываются справедливыми и для иных сетевых объектов с другим количеством структурных элементов.

В целом можно заключить, что установленные закономерности позволяют корректно сопоставлять свойства сетевых структур с одинаковым количеством потребителей, равным числом узлов и линейных элементов. Совокупность объектов с перечисленными особенностями в дальнейшем рассматривается как вариативная группа, а информация о составе подмножеств ... в5 каждой из сетевых структур вариативной группы позволяет оценивать их ожидаемые свойства.

Формирование структуры трубопроводной системы, осуществляемое при подготовке к реконструкции, связано с принятием решений, обеспечивающих возможность достижения заданных эксплуатационных свойств и показателей.

Возникающие при этом сложности обусловлены наличием большого количества различных вариантов решения задачи. В этих условиях требуется установить, какие из рассматриваемых структур следует оценивать как наиболее предпочтительные. Так, результаты компьютерного моделирования позволяют заключить, что наиболее высокой стойкостью к прогрессирующим повреждениям характеризуются объекты из состава вариативной группы с наибольшим числом элементов подмножества 01.

Если у рассматриваемой совокупности объектов количественный состав оказывается одинаковым, то наилучшими свойствами будут обладать структуры с большим количественным составом подмножества Э2. В случае необходимости возможно и дальнейшее сопоставление количественного состава подмножеств в3 ... Э5.

Синтез сетевых структур при реконструкции трубопроводных систем

Реконструкция и расширение технологических возможностей систем трубопроводного транспорта сопровождаются изменениями в структуре и свойствах отдельных элементов, характере их взаимодействия и режимов функционирования. Кроме того, не исключается и возможность добавления новых фрагментов или даже объединения нескольких систем.

Очевидно, что при изменении числа структурных элементов будет происходить и изменение характеристик стойкости всей транспортной сети к прогрессирующим повреждениям. Однако достоверная информация о том, как эти процессы связаны между собой, отсутствует. Тем не менее установленные ранее закономерности могут быть использованы при решении практических задач, связанных с реконструкцией действующих систем.

В общем случае формирование структуры и принятие соответствующих проектных решений связаны с типовыми задачами реконструкции, содержательная постановка и методы решения которых рассматриваются ниже.

Таблица 2

Результаты моделирования процесса прогрессирующего повреждения для различных сетевых структур

Условное обозначение структуры Состав сетевой структуры Показатель

^ 1 ^ 1 ^ 1 Як 1 ^ стойкости ^

БВ1 0 4 4 4 4 0,5887±0,005

БВ2 4 0 4 4 4 0,6597±0,005

БВ3 4 4 0 4 4 0,68±0,006

БВ4 4 4 4 0 4 0,7436±0,004

БВ5 4 4 4 4 0 0,7495±0,005

Рис. 2. Альтернативные варианты формирования структурных схем трубопроводной системы

Включение в состав сетевого объекта дополнительных точечных элементов

Постановка задачи. При проведении реконструкции в состав имеющейся сетевой структуры требуется включить один или несколько точечных элементов (узлов), позволяющих изменять режимы функционирования или расширить возможности управления транспортной системой.

Добавление в состав сетевого объекта k точечных элементов автоматически приводит и к увеличению количества линейных элементов на k единиц. Общее изменение количества отдельных структурных элементов сопровождается и изменением свойств сетевого объекта.

С использованием метода имитационного моделирования можно показать, что процедура добавления точечных элементов сопровождается непрерывным ухудшением свойств объекта. По этой причине рекомендуется избегать добавления в состав трубопроводной системы новых точечных элементов. Если же избежать этого невозможно, то их количество следует минимизировать, не допуская появления «лишних» узлов.

Работы по реконструкции могут быть также связаны и с необходимостью изменения расположения отдельных узлов при сохранении общего количества как узлов, так и трубопроводов.

Если при этом количество узлов-потребителей не меняется, то возникающие альтернативные структуры будут принадлежать одной вариативной группе, а оценка ожидаемых свойств таких объектов должна производиться с учетом соответствующего количественного состава подмножеств G1 ... G5.

Здесь, однако, следует отметить и наличие некоторых особенностей. Так, пример сетевых структур, принадлежащих одной вариативной группе с различной локализацией точечных элементов, показан на рис. 2. Количественный состав подмножеств G1 ... G5 у представленных объектов оказывается идентичным (табл. 3). Указанное обстоятельство не позволяет отсеять объекты с

неудовлетворительными свойствами и приводит к необходимости расчетного определения значений Гщ для каждой из рассматриваемых структур.

Результаты компьютерного моделирования процесса прогрессирующего повреждения, приведенные в табл. 3, позволяют заключить, что наилучшими свойствами характеризуется структура, показанная на рис. 2а.

Кроме того, следует отметить, что диапазон расчетных значений Гщ для рассматриваемых структурных объектов оказывается весьма значительным.

Так, наибольшее значение Гщ превышает наименьшее более чем на 14%, притом что количественный состав подмножеств G1 ... G5 для всех объектов оказывается идентичным.

Включение в состав сетевых объектов дополнительных линейных элементов

Постановка задачи. Реконструкция транспортной системы связана с необходимостью введения в ее состав дополнительных трубопроводов. Требуется оценить итог такого рода структурных изменений.

Результаты моделирования показывают, что по мере добавления в состав системы новых трубопроводов ее характеристики, связанные со способностью сопротивляться прогрессирующим повреждениям, будут возрастать. Таким образом, с точки зрения обеспечения стойкости к прогрессирующим повреждениям любые изменения в структуре, связанные с добавлением новых трубопроводов при реконструкции системы, приводят к позитивному эффекту.

Включение в состав сетевого объекта дополнительных узлов - потребителей и линейных элементов

Постановка задачи. При наличии исходной структурной схемы с известным положением источника целевого продукта и узлов потребителей требуется расширить технологические возможности трубопроводной системы за счет добавления новых потребителей и линейных элементов. При этом из существующего набора альтернатив следует выбрать сетевую структуру, обладающую наивысшим уровнем стойкости к прогрессирующим повреждениям.

Предположим, что при такой постановке задачи требуется выполнить реконструкцию системы, структурная схема которой показана на рис. 3. Расширение системы следует осуществить путем дополнительного включения в ее состав трех потребителей целевого продукта и трех трубопроводов. Возможные варианты решения поставленной задачи показаны на рис. 4.

Таблица 3

Характеристики состава и свойств сетевых структур, соответствующих различным вариантам реконструкции

Сетевая структура, показанная на рисунке Количество потребителей продукта Количество узлов Количество линейных элементов Количественный состав отдельных подмножеств многослойного объекта Показатель стойкости ^

91 9? 9з 94 95

2а 1 11 14 0 0 2 10 2 0,419

2б 1 11 14 0 0 2 10 2 0,387

2в 1 11 14 0 0 2 10 2 0,367

|Рис. 3. Структурная схема трубопроводной системы с одним источником А и тремя потребителями целевого продукта - В, С, й

|Рис. 4. Альтернативные варианты формирования структурных схем трубопроводной системы после осуществления

реконструкции

Видно, что процесс реконструкции связан с добавлением к существующий базовой системе новых точечных и линейных элементов. При этом с точки зрения обеспечения возможностей функционирования системы, все альтернативные варианты являются равнозначными.

Поскольку из четырех вариантов необходимо выбрать структуру с наибольшим значением то следует учесть, что все эти объекты принадлежат одной вариативной группе. Данные по количественному составу подмножеств 01 ... 05 для каждой из анализируемых структур приводятся в табл. 4.

Видно, что наилучшими свойствами будет обладать структура, показанная на рис. 4 г.

Результаты определения значений для каждого из рассматриваемых объектов приведены в табл. 4 и позволяют заключить, что действительно наилучшими свойствами характеризуется структура, показанная на рис. 4 г.

Таким образом, именно эту схему и следует рассматривать как результат решения задачи структурного синтеза.

Синтез структуры при объединении сетевых объектов

Постановка задачи. Исходную сетевую структуру в результате реконструкции требуется объединить с другой, расширив тем самым технологические возможности объединенной трубопроводной системы.

Объединенная система в своем составе будет иметь базовую часть с источником целевого продукта, узлами-потребителями и другими структурными элементами, а также добавленный фрагмент с потребителями продукта,

распределительными узлами и линейными элементами. Соединение базовой части с дополнительным фрагментом производится при помощи заданного числа линейных элементов.

Таким образом, в результате структурной трансформации новая трубопроводная система будет содержать базовую часть, добавленный в соответствии с проектными требованиями фрагмент расширения, а также соединительные элементы (трубопроводы), обеспечивающие целостность объекта и возможность достижения целей реконструкции при функционировании. Требуется исходя из набора возможных вариантов формирования структуры выбрать схему, которая обеспечивает достижение наивысших значений показателя стойкости

Рассмотрим задачу поиска структурной схемы трубопроводной системы на примере реконструкции и объединения базовой части с фрагментом расширения (рис. 5). Предположим, объединение этих двух частей выполняется при помощи двух трубопроводов, положение которых в транспортной системе и требуется определить.

Среди возможных вариантов решения поставленной задачи рассматриваются структурные схемы, представленные на рис. 6. Требуется из имеющегося набора вариантов выбрать структурную схему с наибольшим значением показателя стойкости

Таблица 4

Характеристики состава и свойств сетевых структур трубопроводных систем, соответствующих различным вариантам реконструкции

Сетевая структура, Количество потребителей продукта Количество Количество линейных элементов Количественный состав отдельных подмножеств многослойного объекта Показатель

показанная на рисунке узлов g1 g2 gз g4 g5 стойкости ^

4а 6 11 14 1 5 4 2 2 0,468

4б 6 11 14 1 5 4 2 2 0,496

4в 6 11 14 1 2 7 2 2 0,463

4г 6 11 14 2 4 7 0 1 0,525

Таблица 5

Характеристики состава и свойств сетевых структур трубопроводных систем, соответствующих различным вариантам реконструкции

Сетевая структура, Количество потребителей продукта Количество Количество линейных элементов Количественный состав отдельных подмножеств многослойного объекта Показатель

показанная на рисунке узлов 91 9? 9з 94 95 стойкости ^

6а 7 12 17 3 5 8 1 0 0,522

6б 7 12 17 3 7 6 1 0 0,574

6в 7 12 17 5 5 6 1 0 0,629

6г 7 12 17 5 5 6 1 0 0,627

|Рис. 5. Базовая часть и фрагмент расширения трубопроводной системы

|Рис. 6. Альтернативные варианты структурных схем, возникающие при объединении базовой части системы и фрагмента расширения

Несложно показать, что все структурные объекты, представленные на рис. 6, принадлежат одной вариативной группе. Оценка их ожидаемых свойств может быть выполнена путем сопоставления количественного состава соответствующих подмножеств G1 ... G5.

Результаты такого анализа, а также расчетные значения показателей стойкости, установленные для каждой из анализируемых структурных схем, приведены в табл. 5.

Видно, что реконструкцию базовой трубопроводной системы, связанную с расширением ее технологических возможностей, целесообразно осуществлять на основе структурной схемы, показанной на рис. 6г.

В то же время следует заметить, что значения Гщ у структур, показанных на рис. 6в и 6г, оказываются практически одинаковыми. Это означает, что окончательный выбор следует сделать между этими структурами.

-

Л /

с а)

Л /

-

А /

с 6)

А /

Выводы

1. Синтез структуры трубопроводной транспортной системы на этапе реконструкции представляет собой процесс, связанный с оценкой и сопоставлением ожидаемых свойств альтернативных вариантов решения задачи.

2. Принятие окончательного решения по выбору сетевой структуры осуществляется по результатам имитационного моделирования процесса прогрессирующего повреждения нескольких альтернативных структур.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Селезнев В.Е., Алешин В.В., Прялов С.Н. Математическое моделирование трубопроводных сетей и систем каналов: методы, модели и алгоритмы. М.: МАКС Пресс, 2007. 695 с.

2. Кононов Д.А., Кочкаров А.А., Пономарев Н.О. Стойкость сложных технических систем: сценарный взгляд на проблему // Тр. НИИСИ РАН. Т. 2. № 2. 2012. С. 80-86.

THE SYNTHESIS NETWORK STRUCTURES FOR THE RECONSTRUCTION OF EXISTING PIPELINE SYSTEMS

TARARYCHKIN I.A., Dr.Sci (Tech), Prof. of the Department of Transport Systems

Lugansk National University named after Vladimir Dal (Molodezhnyy Kvartal, 91034, Lugansk, LNR). E-mail: donbass_8888@mail.ru

ABSTRACT

The article presents the developed method synthesis of the network structure of the pipeline transport systems in their reconstruction. The method is based on the laws of the process development of progressive damage at network structure elements established in the result of computer simulation modeling. The article gives specific examples solving practical problems of synthesis and making decision when assessing the properties and characteristics of alternative variants of the network structures. It is shown that the final decision on the choice of the structure is adopted by results of modeling the properties of network objects.

Keywords: pipeline, system, reconstruction, structure, synthesis, damage, design. REFERENCES

1. Seleznev V.Ye., Aleshin V.V., Pryalov S.N. Matematicheskoye modelirovaniye truboprovodnykh setey isistem kanalov: metody, modeli i algoritmy [Mathematical modeling of pipeline networks and canal systems: methods, models and algorithms]. Moscow, MAKS Press Publ., 2007. 695 p.

2. Kononov D.A., Kochkarov A.A., Ponomarev N.O. Persistence of complex technical systems: scenario view of the problem. Trudy NIISI RAN, 2012, vol. 2, no. 2, pp. 80-86 (In Russian).