Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Оптимизация технико-экономических параметров крупных насосных станций с учетом их надежности

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Оптимизация технико-экономических параметров крупных насосных станций с учетом их надежности"

ш

На правах рукописи

РГК од

БУРКОВА ЮЛИЯ ГЕННАДЬЕВНА

2 4 |Ш 2000

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КРУПНЫХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ С УЧЕТОМ ИХ НАДЕЖНОСТИ

Специальность 06.01.02 сельскохозяйственная мелиорация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена на кафедре "Насосы и насосные станции" Московского государственного университета природообустройства.

Научный руководитель:

д.т.н., профессор В.Ф. Чебаевский

Научный консультант:

к.т.н., доцент В.Н. Краснощеков

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор В.И. Виссарионов, к.т.н., профессор В.Н. Рыбкин

Ведущая организация: АОЗТ компания "СОВИНТЕРВОД"

Защита состоится « О » (\LbCHQ 2000 года в часов на

заседании диссертационного совета К 120.16.02 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, 19, МГУП, ауд. 201/1, корпус 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат разослан «

ж

_» а 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук Т.И. Сурикова

рОб 0. 3/1./,¿?

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Большинство сельскохозяйственных угодий в Российской Федерации расположено в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения, что приводит к необходимости использовать зарегулированный местный сток для орошения, обводнения, получения электроэнергии и рыборазведения. В современных условиях при значительном сокращении госинвестиций в области строительства и эксплуатации гидромелиоративных систем необходимы меры по предотвращению падения эффективности орошаемого земледелия.

Восстановление потенциала оросительных мелиорации и получение гарантированных урожаев требует пересмотра действующих и разработки новых нормативов по проектированию и эксплуатации оросительных систем (ОС).

Большая часть пригодных для орошения земель, расположенных ниже водоисточников, в нашей стране уже освоена. Новые орошаемые массивы требуют механического подъема воды (например, в Поволжье до 50 ... 200 м), для чего необходимо строить крупные насосные станции (НС) с подачей более 10 м"7с . Недостаточно обоснованные решения при проектировании таких станций могут привести: к потере урожая на оросительных системах, к значительным непредвиденным увеличениям затрат при их строительстве и эксплуатации, ущербам в результате отказов системы у таких потребителей, как энергетика, промышленность и рыбное хозяйство и др.

Проектирование НС производится в соответствии с ведомственными строительными нормами (например, « Мелиоративные системы и сооружения. Насосные станции». Нормы проектирования ВСН 33-2.2.12-87. Министерство мелиорации и водного хозяйства СССР. -М: 1988), которые периодически обновляются. В них учитывается весь предыдущий опыт проектирования, на основе которого предлагается перечень рекомендаций не только для проектирования, но и для строительства и эксплуатации насосных станций различного назначения. До 1990 г., когда мелиоративное и водохозяйственное строительство велось весьма интенсивно и в больших масштабах, этот опыт был весьма богатым.

Переход к рыночной форме экономики в нашей стране в несколько раз сни-

зил объем проектных работ, во многих районах нарушилась нормальная эксплуа тация мелиоративных систем, в том числе и насосных станций. Резко изменилис стоимости отдельных видов работ, материалов, электроэнергии, оборудования, транспортных услуг, стоимости сельскохозяйственной продукции и др. Поменялось и соотношение ценовых показателей между ними, причем тенденция таких изменений будет наблюдаться и в дальнейшем. В таких экономических условия? можно ожидать, что заказы на проектные работы будут выполняться на конкурс ной основе несколькими проектными организациями. При этом приоритетом будут пользоваться проекты, в которых, наряду с нормативными документами, будут использованы научно обоснованные технологии проектирования, позволяю щие экономически и технически обосновать выбор оптимальных проектных вариантов с применением современных компьютерных средств, гибких и универсальных математических методов. Такие технологии проектирования позволят и только увеличить число просматриваемых вариантов во много раз, что существенно повысит достоверность принимаемых решений, но и прогнозировать повс денне рассматриваемой системы, а значит давать обоснованные рекомендации п оптимальным режимам ее эксплуатации. Большое значение имеет сбор и обрабо ка методами математической статистики и теории надежности эксплуатационнь: данных реальных насосных станций и использование этих данных при разработ новых технологий проектирования и эксплуатации НС.

Анализ процесса функционирования действующих насосных станций пою зал, что фактические режимы их работы обычно отличаются от проектных. В ча стности, при проектировании не учитывается стохастический характер водолод; чи н влияние этого фактора на надежность работы системы.

Выбор состава оборудования, схем коммуникаций, компоновки гидроузл; насосных станций часто недостаточно обоснован с точки зрения фактора надеж ности. Наблюдения за работой многих действующих НС показал, что болынинс во из них спроектированы на режимы водоподачи, превышающие существуют! водопотребление, что создает неэкономичные режимы работы системы и приво дит к увеличению эксплуатационных затрат.

Целыо дпссертационной работы являлось: разработка математических моделей функционирования крупных НС и алгоритмов расчета их параметров на оснопе анализа режимов работы действующих насосных станций;

создание методики проектирования крупных насосных станций, позволяющей:

• обосновать оптимальные параметры: число и тип насосных агрегатов; схему напорных коммуникаций; материал и диаметры напорных трубопроводов; режим ремонтных работ насосных агрегатов; режим ввода в строй очередей станции, а также целесообразность сооружения регулирующей емкости (водохранилища) в верхнем бьефе станции и др.;

• определить основные технико-экономические показатели насосной станции и показатели ее надежности;

проведение машинного эксперимента и получение оптимальных решений, наиболее адекватно отражающих процесс функционирования рассматриваемых объектов.

Выполнение поставленной цели было связано с решением следующих задач: анализ режимов эксплуатации действующих крупных насосных станций мелиоративного и комплексного назначения;

обработка данных функционирования действующих станций методами математической статистики;

анализ существующих методик проектирования насосных станций, аналитических моделей их функционирования и надежности;

разработка аналитической модели крупной насосной станции, работающей до первого отказа и вывод аналитических зависимостей вычисления показателей ее надежности с учетом их «сшивки» на границах графика требуемых подач; создание аналитической и имитационной математических моделей крупной насосной станции как восстанавливаемой системы с разработкой алгоритмов расчета и реализацией их в программах для персональных компьютеров, проведение расчетов по обеим методикам и сравнение полученных результатов с целью проверки их адекватности;

-5- проведение машинного эксперимента с имитационной моделью системы и

выбор оптимальных вариантов технико-экономических параметров для реал!

пых проектируемых оросительных насосных станций.

Научная новизна работы заключается в том, что предложен системный подход выбора параметров при проектировании и реконструкции мелиоративнь насосных станций, учитывающий: режимы эксплуатации, случайные отказы и восстановления, схемы напорных коммуникаций, наличие регулирующих емкостей, схемы переключений насосных агрегатов , изменения подач и напоров агр гатов в соответствии с рабочими характеристиками , мутность перекачиваемой воды и другие факторы. При этом впервые одновременно использовались такие математические методы и теории как метод имитационного моделирования, те рия массовог о обслуживания, теория надежности, метод непрерывных марковских цепей и др.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенная методика позволяет получить экономический эффект за счет обоснованного вы бора типов и количества основного насосно-силового оборудования, схем напо; ных коммуникаций, необходимости устройства регулирующих емкостей с учет случайных факторов и др. Критерием оптимальности указанных параметров яа ется минимум интегральных дисконтированных затрат.

Данная методика позволяет ускорить и автоматизировать процесс прое! тирования; обосновать оптимальность принимаемых проектных решений и пр< цесса эксплуатации насосных станций с наиболее высокой экономичностью и I дежностью.

Реализация работы

Предложенные автором методики были использованы при проектирован] головных насосных станций Комсомольской оросительной системы в Поволжь (Приволжгипроводхоз), а также при проектировании крупных насосных станщ институтом АОЗТ компания "СОВИНТЕРВОД" (имеются Акты внедрения).

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на научне технических конференциях Московского государственного университета прир

цообустройства, в Литовской сельскохозяйственной академии (г. Каунас), филиале Укргипроводхоза (г. Чернигов), в институтах АОЗТ компания "СОВИНТЕР-ВОД" и Приволжгипроводхоз.

Публикации. По теме диссертации имеются б публикаций.

Структура и объем работы. Работа содержит 156 страниц машинописного текста и 30 рисунков. Список литературных источников насчитывает 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дается обзор состояния исследуемых вопросов.

Рассматривается существующая в настоящее время методика выбора насосного оборудования крупных насосных станций.

Анализируется случайный процесс функционирования насосных станций с точки зрения надежности насосных агрегатов.

Рассматриваются математические модели сложных систем, в том числе оросительных и систем водоснабжения, а также насосные станции различного назначения. Методики расчета технико-экономических и надежностных параметров для данных систем приведены в работах Н.А.Алсксеена, В.Я. Балахнина, C.B. Бапьвы, И.И. Науменко, Н.П. Белозорова, М.В. Луговского, В.И. Виссарионова, М.А. Сомова, Н.П. Буслспко, Е.С. Вентцель, Г.Х. Исмайылова, Г.В. Воропаева, В.Р. Булдея, В.Я. Карелина, P.A. Новодережкина, А.И. Голованова, Е.П. Галями-на, А.Т. Манушина, В.Ф. Чебаевского, В.Д. Потапова, А.Д. Яризова и др.

Анализируются методы определения показателей надежности насосных станций и их элементов, изложенные в работах H.H. Абрамова, Л.Г. Дерюшева, Ю.А. Ильина, Ц.Е. Мирцхулавы, В.Г Новохатнего, О.В. Яременко, Я. Карассика, Ф. Галетто, В. Фразера, X. Эшера и др.

Обзор имеющейся литературы показал, что при проектировании насосных станций и в существующих методиках расчета их показателей, не в достаточной степени отражены вопросы неопределенности расчетных параметров и надежностные показатели оборудования. В результате проведенного обзора приняты основные направления исследований работы.

Во второй главе рассмотрены данные функционирования действующих н; сосных станций, и, в частности, фактические подачи четырех станций перекачки Энгельсской оросительной системы за ряд лет за каждые сутки оросительного ш риода. На станциях установлены крупные вертикальные: осевые и центробежны насосы, а также горизонтальные центробежные насосы. Была принята статистич екая гипотеза о соответствии фактических подач исследуемых насосных станцш нормальному распределению с 5% критическим коэффициентом значимости, принимаемым обычно при проверке гипотез. При этом использовался критерий согласия хи-квадрат Фишера. Анализ полученных оценок правдоподобия для па раметров нормального распределения подач показал более близкое соответствие теоретического и эмпирического законов распределения в середине вегетационного периода, что вызвано неустойчивостью климатических условий.

Анализ величин фактических подач показал, что гипотеза о независимост! суточных подач должна быть отвергнута, что необходимо учитывать при состав лении расчетных моделей крупных насосных станций данного региона; гипотез.' корреляции недельных подач может быть принята с 5% уровнем значимости.

Исследования режимов эксплуатации проводились также для насосной станции гидроузла Нового, предназначенной для поддержания необходимых уровней в водохранилище при недостатке стока р. Иртыш в маловодные годы. Е качества данных для изучения статистических закономерностей принимался pя^ требуемых подач станции в течение 30 лет с шагом в один месяц. С уровнем зн: чимости 0,05 была принята гипотеза о распределении Вейбулла. При этом болс< точное соответствие теоретических и эмпирических функций распределения до тягается при описании данной случайной величины двумя законами, имеющим различные параметры для малых и больших подач. В работе приводится метод моделирования случайных величин подач для данного случая.

В третьей главе в соответствии с целью диссертационной работы с учетом рассмотренных режимов эксплуатации действующих насосных станций бы составлены математические модели крупных насосных станций мелиоративног комплексного назначения.

Для наиболее полного анализа работы сложной системы «насосная станция» и проверки адекватности создаваемых моделей использовались:

1. Аналитическое исследование для вывода зависимостей, описывающих работу насосных станций до первого отказа с целью получения показателей надежности системы при заданных показателях надежности ее элементов.

2. Рассмотрение крупной НС как системы массового обслуживания.

С точки зрения теории надежности насосная станция является восстанавливаемой системой, т.е. в процессе выполнения своих функций допускает ремонт. Однако с момента начала функционирования до первого отказа показатели надежности станции можно описать как для невосстанавливаемой системы. Эти показатели функционально связаны с критериями восстанавливаемых объектов, кроме того их необходимо знать в случае, если применяется резервирование с восстановлением отказавших резервных устройств в процессе работы НС, причем отказ всей резервированной системы не допускается. Анализ работы НС до первого отказа может быть обоснованием ее работы в автоматическом режиме.

В качестве основных показателей надежности приняты: вероятность безотказной работы насосной станции; среднее время безотказной работы; интенсивность и частота отказов НС. Для определения численных показателей надежности системы должна быть намечена принципиальная схема насосной станции и всех ее основных сооружений и элементов. Гидравлические расчеты системы позволяют найти комбинации элементов, которые должны находится в рабочем состоянии для обеспечения нормальной работы насосной станции, затем определяются вероятностные показатели надежности таких комбинаций. Система может включать в себя как основные рабочие, так и резервные агрегаты.

В качестве исходных данных для расчета показателей надежности НС принимаются следующие:

]. Общее число агрегатов на станции - Ыо. Случайный процесс в системе "насосная станция", является непрерывной марковской цепью; интенсивность отказов насосного агрегата - Я „„ ,ч4.

2. График водопотребления включает в себя число периодов, равное МР.

3. Необходимое число работающих насосов в г -ыйпериод- п ¡.

-94. Количество агрегатов, находящихся в исправном состоянии к началу первого

периода, равно Л^.

Расчёт ведется по периодам графика водопотребления. Для удобства вычислений каждый г'-ый период начинается с кулевого отсчета времени, е [0+Т,

В каждый момент времени система находится в каком-либо состоянии с номером _/, г. нашем случае это означает, что в момент времени на станции у агрегатов находятся в исправном состоянии. Переходы из одного состояния в другое происходят в случайные моменты времени.

Для описания случайного процесса, протекающего в системе, применяются вероятности состояний, которые являются функциями времени. В данном случа( они совпадают с вероятностями числа исправных агрегатов на станции (гд / - номер периода графика водопотребления; / - число исправных агрегатов в момент времени ). Эти величины находятся как решение системы дифференциал! ных уравнений Колмогорова, составляемых при помощи графа состояний системы для каждого / периода графика водопотребления (рис.1). Цифра в кружке обе значаег номер соответствующего состояния системы, а стрелка - возможные переходы из одного состояния в другое с помеченными над ними интенсивностям] (рассматриваются состояния, лишь необходимые для дальнейшего расчета).

Рис.1 Граф состояний системы

Решение системы для последнего момента времени г'-ого периода (=Т,) 6 дет являться начальными условиями при решении уравнений (¡+])-го периода,

Р"'; (0)=Р) (Гг). (

Для первого периода, учитывая исходные данные

Р'»„(0) = 1;Р) (0)=0 , (

где / = 1, 2, 3,..., N.( при I, = 0 - все агрегаты исправны ). Таким образом формула ( 1 ) представляет собой как бы "сшивку" вероятностей на границах периодов графика водопотребления.

Вероятность безотказной работы насосной станции вычисляется как сумма зотказных состояний системы.

Вычислив вероятности состояний системы на всех интервалах графика по-14, получим го допой график изменения вероятности безотказной работы НС, со-•ветстпующий исходному ступенчатому графику водоподачи при отсутствии :монтов. Интеграл функции вероятности безотказной работы НС характеризует >еднее время безотказной работы.

Приведенная зависимость дает представление о показателях надежности ¡сосной станции в случае отсутствия ремонтов. Она может быть использована 1я определения времени плановых ремонтов. Например, если уровень надежно-"и насосной станции не может опускаться ниже величины Р,п,ь то время профи-нсгаческого ремонта определяют по приведенному графику , как прообраз >чки Р1аЛ. После этого находим решение уравнений Колмогорова , подстановкой общие интегралы начальных условий: Р'цо( = ^ Р) (1г>™) = 0.

Для вычисления вероятностей состояний и вероятности безотказной работы асосной станции при любом ступенчатом графике требуемых подач, была полу-гна общая формула решения систем уравнений Колмогорова с учетом «сшив-ил вероятностей состояний на границах периодов. Использование этой форму-ы позволяет найти для каждого периода графика подач вероятности безотказ-ых состояний и вероятность безотказной работы насосной станции без предва-ительного составления графов состояний системы:

где т - номер безотказного состояния, ш=( 1,2,/, );

/, - число безотказных состояний НС в 1 период, /,• =Мо-п, + 1 ; Ст.к - постоянные интегрирования, вычисляемые исходя из начальных словий для г-го периода с учетом «сшивки» вероятностей подстановкой в юрмулу (3) значения времени 11 ~0. Начальные условия:

- для первого периода =0'): Рцо'(0)=1 ; РИо., ' (0)=0 ;...; Р„,' (0)=0;

(3)

-для/ периода (1, = 0): РКо 1 (0) =РЛо "(Т,.,) ; '(0)=Рц (Г,.,);...;

Р„/(0)=Р„/(Т„)

Вероятность безотказной работы насосной станции в текущий момент времени г периода вычисляется по формуле:

^ рМ), (4

т-л

где./=№>, N0-1, ...,и, .

В реальных условиях насосные станции являются восстанавливаемыми сис темами. Имеющиеся аналитические модели выбора насосно-силового оборудова ния с учетом его надежности описывают разные стороны процесса работы снстс мы во времени: либо влияние на этот процесс ремонтов элементов тракта водо-подачи (график требуемой водоподачи прн этом детерминированный по периодам)) либо определение его характеристик с точки зрения пропускной способности системы массового обслуживания. Между тем эти стороны процесса тесно взаимосвязаны между собой и вместе влияют на его ход.

Отказом насосной станции будем считать неподачу или недоподачу требу« мого в данный момент времени количества воды.

Например, при эксплуатации отказ насосной станции может произойти как в результате выхода в ремонт того или иного числа насосных агрегатов, так и из-за нехватки их подачи в пиковые периоды водопотребления. Кроме того, во время максимальных требований на воду в засушливые годы эти две причины могу" возникнуть одновременно и вызвать значительные ущербы у потребителя.

Предлагаемая математическая модель рассматривает обе стороны процесс; работы мелиоративной насосной станции во взаимодействии, используя как теорию систем массового обслуживания, так и анализ надежности насосных агрегатов. Такое объединение возможно благодаря тому, что и процессы обслуживани. заявок насосными агрегатами и процессы их функционирования во времени с точки зрения надежности являются случайными и к ним можно применить одни те же математические методы, а именно, методы непрерывных марковских процессов, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями.

Насоснуго станцию можно представить как систему массового обслуживания ЖО), имеющую ЛЬ каналов обслуживания (насосных агрегатов). В каждый пе-юд графика требуемой подачи составляется линейно-треугольный граф ее воз-ожных состояний (рис.2), определяемый общим числом насосов на станции N0, юлой постоянно работающих насосов Линейная часть графа соответствует зстояниям станции с постоянно работающими насосами Nn, треугольная - со 1учайным числом дополнительных насосов Л^.,, работающих одновременно с по-гоянным числом насосов . Нумерация состояний в треугольной части графа про-зводится по диагонали.

События, переводящие систему из одного состояния в другое: по вертикали вниз - поступление на систему массового обслуживания - НС »явки (требования на воду) с интенсивностью, равной безразмерному объему за-вки;

по вертикали вверх - окончание обслуживания этой заявки НС с интенсивно-гыо потока обслуживания заявок, равной безразмерной подаче одного насоса; по горизонтали вправо - с выходом насосного агрегата в ремонт с интенсивио-тью, равной параметру потока отказов насосного агрегата;

по горизонтали влево - с выходом из ремонта с интенсивностью восстановления.

Среди всех состояний системы можно выделить отказные, то есть те, кото-ые приводят систему к отказу либо из-за неисправности агрегатов (линейная асть графа), либо из-за занятости всех исправных каналов (диагональные состоя-ия треугольной части графа ). Вероятности состояний станции, в том числе и от-азных, вычисляются как решение системы дифференциальных уравнений Кол-югорова, соответствующей данному графу:

' ¿РИл"°0)М = ЛиаРнп"*' (О

<№„^'(№=2* Л11аР^°-2({) + (I) -(и» Рып^'(0 ( 5 )

Вероятность отказа насосной станции определяется как сумма вероятностей угказных состояний.

N„4на

Б.

Л на М ■

jJ.ua

/1 на

£

п

I ■ •

I и/Я^

/¿на

2&И

А

Б1

4

7

Л на -параметр потока отказоб агрегатоб (1т -интенсибность босстанобления Л -обоем заябки Ж -безразмерная подача насоса Nо-общее число насособ на станции М -постоянное число насособ Исл-случайное число насособ

Состояние Б? 1 агрегатоб б ремонте агрегатоб работает

Рис. 2 Грсзф состоянии СМО 'насосная станция'

Зная вероятности состояний в каждый период, вычисляем вероятный обьем оды (м ■'), недоподанной за год насосной станцией ®„ел :

(а1*0„*Т1*Р„т<), (6)

це № число периодов графика подач ;

Рот I - вероятность отказа НС в /-том периоде; а, - среднее число насосов, работающих в каждый /'-тый период:

а,= £(Рк*к).

Вероятность работы к насосов:

I /V (7)

у-0

це и Не.*- число насосов, работающих постоянно и случайное число подключаемых к ним насосов в /-тый период; - общее число насосов на станции; /V - вероятности состояний в г'-тый период. Случайная составляющая требуемой подачи за каждый период, как и сама е величина, формируется под влиянием большого количества факторов. Закон ее аспределения стремится к нормальному закону по центральной предельной тео-еме вероятностей. Это непрерывное распределение было аппроксимировано пскретным законом Пуассона с введением безразмерных параметров для их со-пасования.

Дальнейшее исследование посвящено выбору, с использованием получен-ых показателей, структуры насосной станции - числа и типа основных насосных [регатов на станции. Выбор производился вариантным методом, в качестве кри-;рия выбора принят минимум интегральных дисконтированных затрат. Дисконтированные затраты вычисляются по формуле:

3',/(1+Е)' + К/(1+Е)' ->тт, (8)

це Е- норма дисконта (требуемая инвестором норма доходности на единицу авансированного капитала);

3', = С,+У, (9)

где С, - ежегодные эксплуатационные затраты ( переменная часть), руб.;

У, - вероятный годовой ущерб у потребителя в результате ненадежной работы НС :

У,=У*сонед, (10

где у - ущерб от недоподачи насосной станцией 1м3 воды потребителю, руб. (эта величина предполагается известной, входит в расчет в качестве исходных данных и определяется по одной го существующих методик);

а „,.,) - вероятное количество недоподанной за год воды, м; К- строительная стоимость сооружений насосной станции ( без учета стоимости земляных работ, принимаемой равной для сравниваемых вариантов):

К=К„с+Ктр+КвЫ), (11

где К „о ,К еод -строительные стоимости соответственно насосной станцш и водовыпуска, которые могут быть вычислены, например, по формулам, полученным А.Т.Манушиным на основе обработки сметных материалов по построй ным объектам;

Ктр - стоимости трубопровода, могут быть вычислены при Н<140 м по да: ным института "СОВИНТЕРВОД", аппроксимированным В.Ф.Чебаевским.

Вышеизложенная модель системы является аналитической, она связана с решением систем дифференциальных уравнений и , поэтому, учет в ней большо количества факторов, действующих на работу НС, затруднен. В целях учета наи большего количества факторов была создана имитационная модель сложной сш темы "насосная станция".

В четвертой главе методом имитационного моделирования решается зад ча выбора числа и типа насосных агрегатов на насосных станциях, работающих сеть каналов, с учетом фактора надежности, которую можно сформулировать с. дующим образом.

Требуется: определить тип и оптимальное число насосных агрегатов на новых или реконструируемых насосных станциях по условию получения минимума интегральных дисконтированных затрат с учетом ущерба у потребителя с недоподачи насосной станцией определенного количества воды.

На насосной станции установлены однотипные агрегаты. Предполагается, что 1ужба эксплуатации будет обеспечивать равномерную загрузку всех агрегатов.

Решение этой задачи осуществляется при помощи имитационного модели-эвания работы НС вариантным методом.

Основными факторами, влияющими на работу насосной станции, являются:

режимы эксплуатации и ремонтов НС - соответственно сезонный или рав-эмерный в течение года; графики требуемых водоподач НС; наличие в верхнем ьефе станции регулирующей емкости;.число и рабочие характеристики насосов, юдезический напор, схема напорных коммуникаций, число, длина и диаметр шорных трубопроводов; показатели ремонтопригодности агрегатов - наработка 1 отказ и длительность ремонтов; лвод насосной станции в одну или несколько гередей; мутность перекачиваемой воды.

Математическая модель, основанная на методе имитационного моделирова-1я, представляет собой последовательность математических и логических опера->ров , описывающих процесс функционирования насосной станции по времени.

Моделирующий алгоритм включает в себя элементы, отражающие:

• состояние насосного агрегата - работу, простой по разным причинам, ремонт и т. п.;

• состояние насосной станции - подключение нового агрегата, переход к новому периоду водоподачи, и др.

В результате вычисляются не только конкретные значения характеристик, > и создается качественная картина , учитывающая взаимное влияние элемен-рных явлений в системе «насосная станция».

Процесс функционирования насосной станции, представляющий собой че-■дование безотказной работы того или иного количества насосов и ремонтов аг-татов, вышедших из строя, является случайным процессом.

Моделируя значения основных случайных величин, мы воспроизводим воз-зжное поведение насосной станции за определенное время ( например, за срок ¡ужбы), получая , таким образом , одну реализацию процесса. Изменяя значения [учайных величин, получаем вторую реализацию, и т.д. Расчет производится с агом Л1.

После выполнения необходимого числа реализаций осредняем искомые величины для данного варианта расчета. Изменяя исходные данные, повторяем рас чет для следующего варианта и т.д. По результатам расчетов для ряда вариантов выбирается оптимальный вариант с минимальными дисконтированными затратами с учетом реальных возможностей строительства.

Среди большого числа случайных факторов, влияющих на работу насосной станции, значимыми являются характеристики надежности агрегатов, а также, в наибольшей степени, случайный характер водопотреблення обслуживаемых ста! цией объектов. В данной методике использовались три случайных величины: дв< характеристики надежности насосного агрегата - наработка между отказами и вр мя восстановления, а также случайная величина требуемых подач насосной стан ции, параметры законов распределения которой могут быть найдены обработка-фактических подач для действующих НС или вычислены с использованием расчетных графиков подач разной обеспеченности для вновь проектируемых НС.

Для моделирования работы насосной станции как сложной системы при п< мощи метода имитационного моделирования составлен пакет программ для персональных компьютеров (алгоритм расчета представлен в виде укрупненной блок-схемы ( рис.3 ... 5).

Для каждой реализации выводятся: среднегодовое потребление электроэнергии, кВт ч и вероятный объем недоподанной станцией воды за количество лет, равное ТК, тыс. м3;

Искомыми величинами являются средние по реализациям:

• суммарные дисконтированные затраты по варианту;

• годовые затраты электроэнергии;

• суммарный объем недоподанной воды за расчетный срок;

• вероятность отказа насосной станции;

• время работы, простоя в исправности и простоя в ремонте за расчетный период для каждого насоса;

• число реализаций моделируемого процесса.

В пятой главе были проведены исследования функционирования крупнь насосных станций перекачки Поволжья, как проектируемых, так и действующ*

иа

В пол исходных данных с клапщ-турм для данного вариант о табличной форме

Ввод из файла __ 1 Запись данных

Текстовый файл

Расчет для данного дилмегра иямормого трубопровода

1. Расчет строительной стоимости насосном станции, напорных трубопроводов, водовыпуска и водохранилища

2. Определение параметров рабочих точек при работе од-мого, двух ит.д параллельно работающих иа трубопровод насосов в зависимости от схемы напорных комму-никацип

4. Расчет ряда реализаций процесса функционирования насосной станции (см. рис 4 )

5. Вычисление годового требуемого объема поданяемой воды 50% обеспеченности, времени начала и конца пикового периода графика подач последней очереди

Выьод результатов расчета для данною лнаметра напорного трубопровода данного варианта, средних по реализациям

МН

3. Выбор материала напорных трубопроводов п зависимости от требуемого напора и диаметра напорного трубопровода

Подпрограмма аппроксимации рабочих характеристик насоса спланн-функциями

Подпротрамча вычисления коэффициенте кубического сплайна

Проект программ для выбора опгимзлього варианта с минимальными дисконтированными затратами

Текстовый файл

Рис. 3 Алгоритм и структура пакета программ для расчета одного варианта

Распет одной реализации процесса

1 Определение случайных величин наработки между ремонтами и времени ремот-оп насосных атрегатов, учет разной надежности агрегатов

2. Расчет для каждого шага времени Л/ (см рис. 5)

3. Подключение к работе станции новых насосных агрегатов (следующих очереден ПС ), переход к следующему году эксплуатации_

4. Переключение работающих агрегатом в целях их равномерной за\-ругки во времени

5. Вычисление времен» вывода в ремонт насосных агрегатов при 2 и 3 режимах ремонтов

Вывод при необходимости промежуточных результатов расчета через шаг печати но времени

Вывод результатов расчета одной реализации

Подпрограмма моделировании случайной нслп'пшм с известным законом распределения

Подпрограмма моделирования чередования paOoibiтрубопроводов и подключенных к ним насосов

Подпрограмма формирования групп номеров работающих насосов

11

Генератор случайных чисел

Рис. 4 Алгоритм расиста одной реализации процесса функционирования НС

Расчет для каждого тяга времени А1 <—--— Подпрограмма моделирован случайной величины с извес ним законом распределени

1. Определение требуемой подачи насосной станции -►

2. Включение необходимого числа насосов для обеспечения требуемой подачи и наполнения водохранилища

3. Определение объема недоподанной воды н ущерба у потребителя в случае нехватки исправных насосов

4. Вывод насосных агрегатов в ремонт, организация очередности ремонтов

5. Подсчет затрат электроэнергии за время Л/

Рис. 5 Алгоритм расчета для шага времени At

использованием двух различных моделей системы: имитационной и аналитиче-:ои (НС как СМО) с целью проверки адекватности методик расчета и проведе-■1Я но ним машинного эксперимента. При этом получено хорошее соответствие гсчетных величин в пределах инженерной точности, в частности оптимальное 1сло насосов - с точностью до 1.

Методика выбора числа и типа насосных агрегатов на насосных станциях ыла внедрена при проектировании насосной станции перекачки №7 (НСП 7) омсомольской оросительной системы институтом Приволжгипроводхоз.

Для данного объекта был проведен так называемый «машинный» экспери-ент с моделью требуемой насосной станции, целью которого являлось определено меры влияния того или иного исходных факторов на изменение показателя |>фективности работы станции и на ее надежность.

При этом варьируемыми параметрами могут быть: тип насосного агрегата, цельный ущерб от недоподачи, схема напорных коммуникаций при том же числе асосов, режим эксплуатации (более частые или редкие профилактические и пла-овые ремонты), длина трубопровода или геодезический напор при проектирова-ии новой станции и т.п.

На рис.6 приведена зависимость дисконтированных затрат от числа насосов ля различных подач насосных агрегатов и диаметров напорного трубопровода.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Опыт проектирования и эксплуатации насосных станций показал, что неостаточная надежность их работы может привести к недоподаче воды, а следова-елыга к ущербам у потребителя, поэтому показатели надежности и величина озможного ущерба от ненадежной работы НС должны одновременно учитывать-я уже на стадии проектирования.

Анализ работы действующих насосных станций показал, что их фактиче-кие подачи носят стохастический характер, причем дисперсии, характеризующие разброс подач относительно средних величин, порой достигают довольно олыних значений, особенно в начале и в конце вегетационного периода, что обу-

-120ВЦ 6,3-100, п=10 ——120ВЦ 6,3-100, п= 11 120ВЦ 6,3-100, п=12

-200ВЦ 16-63-3, п=5 ......200ВЦ 16-63-3, п=6 --- 200ВЦ 16-63-3, п=7

■120ВЦ 6,3-63, п=14 -120ВЦ 6,3-63, п=15 —*—120ВЦ 6,3-63, п=16

Рис.6 Дисконтированные затраты для вариантов с различными типами насосных агрегатов

говлеио неустойчивостью климатических условий. В результате недостаточно ¡основанных проектных решений насосная станция может не обеспечить тре-,'емую подачу.

Были выведены аналитические зависимости подсчета вероятностей безот-13ной работы насосной станции до первого отказа, при этом не требуется пред-фительного составления графов состояний системы.

Предложенные методы определения основных проектных параметров и подателей надежности могут быть использовапы при применении методик проек-фования, учитывающих стохастический характер их подач.

Существующие методики выбора насосно-силового оборудования крупных 1сосных станций мелиоративного и комплексного назначения, различными пу-1ми используя надежностные показатели оборудования, недостаточно учитыза-т стохастический характер водопотребления.

Разработана принципиально новая методика выбора оптимального варианта 1сосной станции как системы массового обслуживания, основанная на одновре-5лном учете двух причин возникновения отказов станции: аварий агрегатов и ¡хватки насосов.

Для более полного учета различных факторов, определяющих работу сложит системы «насосная станция», и для проверки адекватности моделей разрабо-«а математическая модель, основанная на применении метода имитационного эделирования.

Предложена основанная на имитационной модели методика проектиро-шия крупных насосных станций мелиоративного и комплексного назначения. С змощью этой методики можно обосновать: оптимальное число и тип насосных регатов; оптимальную схему напорных коммуникаций, материал и диаметры шорных трубопроводов; оптимальный режим ремонтных работ насосных эгретов; оптимальный режим ввода в строй очередей станции; целесообразность со-зужения регулирующей емкости (водохранилища) в верхнем бьефе станции.

При этом методика позволяет определить основные технико-экономические Указатели насосной станции и показатели ее надежности.

Для расчетов по методикам составлены проекты программ для персональ-

ных компьютеров.

9. Расчетно-теоретические исследования показали, что при проектировании насосных станций необходимо учитывать такие наиболее важные случайные и д терминированные факторы, как: случайная величина требуемых подач; режим ремонтов насосных агрегатов, их надежностные характеристики; возможный ущерб у потребителя при недоподаче станцией воды (например, из-за потери урожая для оросительных НС ); содержание наносов в перекачиваемой воде и д{ В силу гибкости выбранной модели методика выбора проектных параметров позволяет легко вводить и учитывать новые факторы, воздействующие на систему в том числе она может быть легко адаптирована для любого района.

10. Использованный метод имитационного моделирования эффективен ] только при проектировании новых, но и при реконструкции существующих кру ных оросительных насосных станций и станций комплексного назначения.

11. Проведение машинного эксперимента с имитационной моделью насосной станции позволяет рассчитать большое количество вариантов с различными исходными данными, что усиливает обоснованность выбора оптимального вариан при проектировании и эксплуатации с технико-экономической точки зрения.

Публикации по теме диссертации :

1. Буркова Ю.Г. Определение показателей безотказности насосной станции./ Пр родообустронство и экологические проблемы водного хозяйства и мелиораш Тезисы докладов Научно-технической конференции МГУП.- М., 1999, с. 179

2. Буркова Ю.Г. К вопросу надежности водообеспечения./ Межвузовский сборник. Вопросы проектирования и экспуатации систем водоснабжения,-Л.: изд. ЛИСИ, 1988, с.74 - 81 (в соавторстве).

3. Буркова Ю.Г. Имитационное моделирование каскада насосных станций./ Экс номическое обоснование и мат. моделиров. водохозяйств. систем и меропри тий., -М.: МГМИ, 1987 с. 100 - 107 (в соавторстве).

4. Буркова Ю.Г. Математическое моделирование режимов работы насосных ст; ций каскада на ЭЦВМ./ Повышение эффективности мелиоративных систем,-МГМИ, 1986, с. 127 - 133 (в соавторстве).

Буркова Ю.Г. Выбор насосно-силового оборудования станции с учетом режима ее эксплуатации. Экспресс-информация ЦБНТИ,серия 8, выпуск 2, -М.: 1986, с. 1 - 5 (в соавторстве).

Буркова Ю.Г. Выбор насосно-силового оборудования станций с учетом надежности работы элементов гидроузла./ Вопросы совершенствования мелиоративных систем,- М.: МГМИ, 1985, с.77 - 81 (в соавторстве).

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Буркова, Юлия Геннадьевна

ЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ.

ВЕДЕНИЕ. пава 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АСОСНЫХ СТАНЦИЙ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

ЮДЕЛИРОВАНИЯ.

1 Существующие методики определения количества и типа агрегатов на 1сосных станциях при проектировании мелиоративных систем.

2 Аналитические модели надежности насосных станций. ыводы по главе 1. пава 2. АНАЛИЗ СТОХАСТИЧЕСКОГО ХАРАКТЕРА

УНКЦИОНИРОВАНИЯ ДЕЙСТВУЮЩИХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ. ыводы по главе 2. пава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ КАК СИСТЕМЫ

АССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ

ЮДЕЛИ.

1 Цель исследования и исходные данные для составления математической эдели.

2 Определение экономического критерия при оценке эффективности вариггов проектов насосных станций.^

3 Применение метода непрерывных марковских цепей для исследования :казов насосных агрегатов до первого отказа системы.

4 Общая формула для расчета вероятности безотказной работы насосной ^ анции до первого отказа.

5 Расчет надежности работы насосной станции с учетом восстановления. »

6 Применение теории массового обслуживания для системы « насосная ол акция >>.„, ыводы по главе 3. лава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КРУПНОЙ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ ОМПЛЕКСНОГО НАЗНАЧЕНИЯ МЕТОДОМ ИМИТАЦИОННОГО ЮДЕЛИРОВАНИЯ.

1 Содержательное описание процесса функционирования НС

2 Выбор и обоснование математической модели, точность модели.

3 Оценка экономической эффективности функционирования насосной ганции при имитационном моделировании ее работы.

4 Определение параметров рабочих точек насосов, выбор материала тру-эпровода, учет мутности перекачиваемой воды.

5 Учет режимов эксплуатации насосной станции.

6 Учет работы водохранилища, находящегося в верхнем бьефе насосной ганции.

7 Расчет насосной станции при вводе ее в строй по очередям.

8 Оценка ущербов при недополучении урожая в результате недополив сельскохозяйственных культур.

9 Проект программ для имитационного моделирования работы насосной анции. ыводы по главе 4. пава 5.ПРОВЕДЕНИЕ ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И АНАЛИЗ ИХ

ЕЗУЛЬТАТОВ. П

5 Л Сопоставление результатов расчетов НС как СМО и методом имитационного моделирования.

5.2 Выбор оптимальных вариантов технико-экономических показателей

ТСП-7 Комсомольской ОС методом имитационного моделирования. |

5.3 «Машинные» экспериментальные исследования работы НС. ыводы по главе 5.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Оптимизация технико-экономических параметров крупных насосных станций с учетом их надежности"

Актуальность проблемы

Большинство сельскохозяйственных угодий в Российской Федерации распо-жено в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения, что приводит к необ-димости использовать зарегулированный местный сток для орошения, обводне-я, получения электроэнергии и рыборазведения. В современных условиях при ачительном сокращении госинвестиций в области строительства и эксплуатации цромелиоративных систем необходимы меры по предотвращению падения эф-ктивности орошаемого земледелия.

Восстановление потенциала оросительных мелиорации и получение гаранти-ванных урожаев требует пересмотра действующих и разработки новых норма-вов по проектированию и эксплуатации оросительных систем (ОС).

Большая часть пригодных для орошения земель, расположенных ниже водо-гочников, в нашей стране уже освоена. Новые орошаемые массивы требуют ме-нического подъема воды (например, в Поволжье до 50 . 200 м), для чего необ-димо строить крупные насосные станции (НС) с подачей более 10м/с. Недоста-чно обоснованные решения при проектировании таких станций могут привести: ютере урожая на оросительных системах, к значительным непредвиденным еличениям затрат при их строительстве и эксплуатации, ущербам в результате казов системы у таких потребителей, как энергетика, промышленность и рыбное зяйство и др.

Проектирование НС производится в соответствии с ведомственными строи-пъными нормами (например, « Мелиоративные системы и сооружения. Насосные шции». Нормы проектирования ВСН 33-2.2.12-87. Министерство мелиорации и дного хозяйства СССР. -М.: 1988), которые периодически обновляются. В них итывается весь предыдущий опыт проектирования, на основе которого предлага-:я перечень рекомендаций не только для проектирования, но и для строительства жсплуатации насосных станций различного назначения. До 1990 г., когда ме-оративное и водохозяйственное строительство велось весьма интенсивно и в лыпих масштабах, этот опыт был весьма богатым.

Переход к рыночной форме экономики в нашей стране в несколько раз сни-л объем проектных работ, во многих районах нарушилась нормальная эксплуа-гщя мелиоративных систем, в том числе и насосных станций. Резко изменились оимости отдельных видов работ, материалов^ электроэнергии, оборудования, анспортных услуг, стоимости сельскохозяйственной продукции и др. Поменя-сь и соотношение ценовых показателей между ними, причем тенденция таких менений будет наблюдаться и в дальнейшем. В таких экономических условиях >жно ожидать, что заказы на проектные работы будут выполняться на конкурс-й основе несколькими проектными организациями. При этом приоритетом будут льзоваться проекты, в которых, наряду с нормативными документами, будут ис-льзованы научно обоснованные технологии проектирования, позволяющие эко-мически и технически обосновать выбор оптимальных проектных вариантов с именением современных компьютерных средств, гибких и универсальных мате-тических методов. Такие технологии проектирования позволят не только увели-ть число просматриваемых вариантов во много раз, что существенно повысит стоверность принимаемых решений, но и прогнозировать поведение рассматри-емой системы, а значит давать обоснованные рекомендации по оптимальным ремам ее эксплуатации. Большое значение имеет сбор и обработка методами ма-матической статистики и теории надежности эксплуатационных данных реалъ-¡х насосных станций и использование этих данных при разработке новых техно-гий проектирования и эксплуатации НС.

Анализ процесса функционирования действующих насосных станций пока-я, что фактические режимы их работы обычно отличаются от проектных. В част-сти, при проектировании не учитывается стохастический характер водоподачи и ияние этого фактора на надежность работы системы.

Выбор состава оборудования, схем коммуникаций, компоновки гидроузла сосных станций часто недостаточно обоснован с точки зрения фактора надежно-и. Наблюдения за работой многих действующих НС показал, что большинство из х спроектированы на режимы водоподачи, превышающие существующее водо-требление, что создает неэкономичные режимы работы системы и приводит к еличению эксплуатационных затрат.

Целью диссертационной работы являлось: разработка математических моделей функционирования крупных НС и алгоритмов расчета их параметров на основе анализа режимов работы действующих насосных станций; задание методики проектирования крупных насосных станций, позволяющей: обосновать оптимальные параметры: число и тип насосных агрегатов; схему напорных коммуникаций; материал и диаметры напорных трубопроводов; режим ремонтных работ насосных агрегатов; режим ввода в строй очередей станции, а также целесообразность сооружения регулирующей емкости (водохранилища) в верхнем бьефе станции и др.; определить основные технико-экономические показатели насосной станции и показатели ее надежности; проведение машинного эксперимента и получение оптимальных решений, наиболее адекватно отражающих процесс функционирования рассматриваемых объектов.

Выполнение поставленной цели было связано с решением следующих задач: анализ режимов эксплуатации действующих крупных насосных станций мелиоративного и комплексного назначения; обработка данных функционирования действующих станций методами математической статистики; анализ существующих методик проектирования насосных станций, аналитических моделей их функционирования и надежности; разработка аналитической модели крупной насосной станции, работающей до первого отказа и вывод аналитических зависимостей вычисления показателей ее надежности с учетом их «сшивки» на границах графика требуемых подач; создание аналитической и имитационной математических моделей крупной насосной станции как восстанавливаемой системы с разработкой алгоритмов расчета и реализацией их в программах для персональных компьютеров, проведение расчетов по обеим методикам и сравнение полученных результатов с целью проверки их адекватности; проведение машинного эксперимента с имитационной моделью системы и выбор оптимальных вариантов технико-экономических параметров для реальных проектируемых оросительных насосных станций.

Научная новизна работы заключается в том, что автором предложен сис-мный подход выбора параметров при проектировании и реконструкции мелиора-вных насосных станций, учитывающий: режимы эксплуатации, случайные отка-[ и восстановления, схемы напорных коммуникаций, наличие регулирующих ем-стей, схемы переключений насосных агрегатов , изменения подач и напоров аг-гатов в соответствии с рабочими характеристиками , мутность перекачиваемой ды и другие факторы. При этом впервые одновременно использовались такие тематические методы и теории как метод имитационного моделирования, тео-я массового обслуживания, теория надежности, метод непрерывных марковских пей и др.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенная медика позволяет получить экономический эффект за счет обоснованного выбора пов и количества основного насосно-силового оборудования, схем напорных ммуникаций, необходимости устройства регулирующих емкостей с учетом слу-йных факторов и др. Критерием оптимальности указанных параметров является шимум интегральных дисконтированных затрат.

Предложенная методика позволяет ускорить и автоматизировать процесс юектирования; обосновать оптимальность принимаемых проектных решений и оцесса эксплуатации насосных станций с наиболее высокой экономичностью и дежностью.

Реализация работы

Предложенные автором методики были использованы при проектировании ловных насосных станций Комсомольской оросительной системы в Поволжье ;риволжгипроводхоз), а также при проектировании крупных насосных станций [статутом АОЗТ компания "СОВИНТЕРВОД" (Акты внедрения приведены в зиложении).

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно

- 10хнических конференциях Московского государственного университета шродообустройства, в Литовской сельскохозяйственной академии (г. Каунас), -ииале Укргипроводхоза (г. Чернигов), в институтах АОЗТ Компания ЮВИНТЕРВОД" и Приволжгипроводхоз.

Публикации. По теме диссертации имеются 6 публикаций. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов и комендаций, списка литературы и приложения.