Министерство образования и науки Российской Федераций

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

А.И. Колосов, М.Я. Панов

ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ

РЕСТРУКТУРИЗАЦИИ ГОРОДСКИХ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

МОНОГРАФИЯ

Воронеж 2017

УДК 692.2

ББК 38.763

К 614

Рецензенты:

Р.А. Гнеушев, заместитель директора по строительству филиала ОАО «Газпром газораспределение Воронеж» в г. Воронеже.

В.М. Попов, докт. техн. наук, проф. кафедры электротехники, теплотехники и гидравлики Воронежского государственного лесотехнического университета имени Г.Ф. Морозова.

Колосов А.И. Введение в теорию реструктуризации городских систем

К614 газоснабжения: монография /А.И. Колосов, М.Я. Панов; ВГТУ. –

Воронеж: ВГТУ, 2017. – 95 с.

В книге изложены теоретические основы моделирования процесса реструктуризации городских систем газоснабжения, которые фиксируют восстановление функционирования транспортных систем природного газа после ремонтов, природных катаклизм и присоединения (отторжения) структурообразующих элементов (источников, групп потребителей, трубопроводных структур и т.д.). Реструктуризация сложных систем становится возможной благодаря заложенного в ее основу принципа энергетического эквивалентирования. Структуры моделей потокораспределения формируются на основе принципов аналитической механики и принципа Лежандра-Гаусса, с использованием кибернетического подхода.

Издание предназначено для научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области проектирования, эксплуатации и управления городскими системами газоснабжения, а также может быть полезным аспирантам, магистрантам, обучающимся по направлению «Строительство»

Ил. 22. Табл. 19. Библиогр.: 139 назв.

УДК 692.2

ББК 38.763

Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом ВГТУ

ISBN © Колосов А.И.,

Панов М.Я.

© ВГТУ, 2017

Оглавление

Сокращения, обозначения и операторы……………………………………..	4
Введение……………………………………..…………………………………	8
Глава 1. Методология формирования моделей потокораспределения в системах газоснабжения на основе вариационных принципов аналитической механики………………………………………………..........	13
1.1. Основные понятия и определения ……………………..…….................	13
1.2. Формирование математических моделей потокораспределения на основе интегральных принципов аналитической механики………………	14
1.3. Математическое моделирование потокораспределения с изотермическим течением вязкого газа на основе вариационного принципа виртуальных скоростей……………………………………………………………….……...	20
1.4. Расчет невязок по сетям низкого и среднего давлений………..………	31
1.5. Точное потокораспределение в системах газоснабжения (гидравлическая увязка)…………………………………………………………………………..	37
Глава 2. Математическое моделирование на основе принципов энергетического эквивалентирования городских систем газоснабжения……………..……...	44
2.1. Условия однозначности в задачах анализа и синтеза транспортных гидравлических систем………………………………………………………..	44
2.2. Вариационные принципы и эквивалентирование………………………	48
Глава 3. Реструктуризация городских систем газоснабжения, функционирующих по принципу «Регулирование по ошибке»……………………………..……	59
3.1. Обзор результатов исследований в области управления функционированием городских систем газоснабжения……………………….……………………	59
3.2. Модели потокораспределения системы, функционирующей по принципу «Регулирование по ошибке»…………….……………………………………	61
3.3. Результат реструктуризации городских систем газоснабжения, функционирующих по принципу «Регулирование по ошибке»……….......	66
3.4. Синтез дроссельных характеристик модели «управления по ошибке» городских систем газоснабжения…………………………………………….	70
3.5. Дроссельные характеристики управляемых из компьютерного центра дросселей……………………………………………………………………….	72
Заключение……………………………………..………………………………	79
Библиографический список……………………………………..…………….	81
Приложение……………………………………..……………………………..	92

Сокращения, обозначения и операторы

Основные сокращения

АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическим процессом;

ГС – гидравлическая система;

ПГС – полноразмерная гидравлическая система;

СТГ – структурный граф;

ГРП – газорегуляторный пункт;

РП – регуляторный пункт;

ГРУ – газорегуляторная установка;

ГРС – газораспределительная станция;

МПГС – модель полноразмерной гидравлической системы;

АП (МАП) – абонентские подсистемы (модель АП);

РФ – расчетный фрагмент системы;

РЗ – расчетная зона;

ЭУ – энергоузел;

Э (f) – эквивалентный (фиктивный);

ЭЭ – энергетическое эквивалентирование;

ЦП – целевой продукт (например природный газ);

УРЗ – унарная расчетная зона;

БРЗ – бинарная расчетная зона;

ИФС – исследуемый фрагмент системы;

ГУ – граничные условия;

НУ – энергетически нейтральный узел ветвления;

УД (РР) – управляемый дроссель (регулятор расхода);

ЦФ – целевая функция;

МВС – модель возмущенного состояния;

МНК – метод наименьших квадратов;

ПЭВМ – персональный ЭВМ;

БГС – большие гидравлические системы;

ПВК – программный вычислительный комплекс.

Физические величины и свойства транспортируемой среды

t – время, с., ч.;

ρ – плотность, кг/м³;

Т – кинетическая энергия, Дж;

U – потенциальная энергия, Дж;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

Параметры участков

W – скорость течения среды, м/с;

Q – объемный расход природного газа, приведенный к нормальным физическим условиям, нм³/ч;

D – внутренний (наружный) диаметр, м;

λ (λ) – коэффициент гидравлического сопротивления трению (неопределенный множитель Лагранжа соответственно);

F – площадь внутреннего сечения канала, м²;

L – длина, м;

S – коэффициент гидравлического сопротивления;

h – потери напора, м;

∆Р – потери давления, (даПа, мм. в. ст);

ξ – коэффициент местных сопротивлений.

Параметры узлов

+q(-q); +Q(-Q) – приток (отбор) газа к системе; приток (отбор) газа в составе системы соответственно;

Н – пьезометрический напор, м.

Параметры системы

n – количество участков (дуг);

m – количество вершин (узлов);

e – число узлов с фиксированным (известным) потенциалом;

р(Р) – предельное число независимых цепей в системе (абсолютное или избыточное давление) соответственно;

γ – число участков в составе цепи;

υ – число участков в составе контура (кольца);

ɛ - число участков, инцидентных узлу;

r – предельное число независимых контуров (колец) в системе – цикломатическое число;

– число узлов питания сети, отождествляемых с источниками (ГРП, ГРУ, ГРС);

– число конечных (висящих) узлов и узлов схода потоков;

– общее число энергоузлов.

Операторы

[ ] – матрица;

[ ], – матрица клеточной структуры;

[E] – матрица, составленная из единичных элементов;

Верхний индекс «z» принимает значения:

-1 – символ обращения матрицы;

Т – символ транспонирования матрицы;

m – метасистема:

m(э) – метасистема эквивалентная,

m(R) – метасистема реальная;

к(К) – порядковый номер параметра (текущее число итераций) соответственно;

Нижние индексы «Х» и «Y» обозначают размеры матрицы (подматрицы).

Для обозначения матриц – столбцов и диагональных матриц символ «Y» принимает значения:

I – матрица-столбец;

(d) – диагональная матрица;

µ - число узлов с нефиксированным узловым потенциалом;

В – число резервных (байпасных) линий.

Множества и подмножества

Используются для обозначения количественных показателей расчетной схемы или ее структурных образований. Типовая конструкция для обозначения множества (подмножества) имеет вид .

Символ множеств (подмножеств) М принимает следующие значения:

I – для множества участков (дуг);

J – для множества узлов (вершин).

Элементы множеств (подмножеств) обозначаются соответствующими строчными буквами:

i – текущий номер участка (дуги);

j – текущий номер узла (вершины).

Надстрочный индекс «z» относится к элементам ИФС, РЗ.

Подстрочные индексы «x», «y» принимают значения:

1 – элементы ЛП;

а – элементы АП или их эквиваленты в составе РЗ или ЛП;

f – фиктивные участки (элементы);

R – реальные участки (элементы);

Э – эквивалентные элементы;

– питатель;

ɳ - потребитель;

χ - число энергетически нейтральных узлов (узлов ветвления);

Р – в узле фиксируется давление;

q – в узле фиксируется приток или сток;

φ – в узле фиксируется характеристика Р=φ(q) нагнетателя или регулятора соответствующего типа.

Над множествами и подмножествами определены операции:

- элемент принадлежит множеству;

- пересечение двух множеств;

- объединение двух множеств;

- принадлежность подмножества к множеству;

- пустое множество.

Специальные символы

- символ обозначения участков с притоком ЦП к узлу;

- символ обозначения участков с оттоком ЦП от узла;

͡ ( ) – символ обозначения фиксируемого параметра в узле.