Планирование замены труб в автоматизированной системе управления эксплуатацией тепловых сетей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Планирование замены труб в автоматизированной системе управления эксплуатацией тепловых сетей

В городах с большим объемом тепловых сетей, ежегодное количество повреждений может исчисляться сотнями. А, к примеру, в Санкт-Петербурге, счет идет на тысячи.

Износ труб на всей территории города очень неравномерен. Чтобы определить оптимальный ежегодный объем замены трубопроводов, необходимо при составлении планов ремонта ежегодно анализировать состояние всех трубопроводов теплосети. Приоритетная цель - своевременно менять максимально изношенные участки трубопроводов, в объеме, определяемом максимальной частотой повреждений.

Существует много систем, в которых учет повреждений ведется на компьютере. Но оценка концентрации и выделение основных причин дефектов, обобщение всех повреждений за весь период жизни каждого участка теплосети не выполняется - поэтому ежегодное планирование замены участков основано на интуитивных алгоритмах, которые создает тот или иной специалист или руководитель тепловых сетей в силу своего опыта и знаний. В результате, средний срок замены теплосетей по России составляет 17 лет. При этом в период замены, в 90% случаях 70% трубопроводов могли бы отработать свой нормативный срок и более. Так как расчетная толщина стенки проектируется на рабочее давление 16ати плюс коррозионный запас, а фактически оно часто существенно ниже, а толщина стенки выше проектной. При расчетной степени коррозии ресурс работы таких трубопроводов должен быть выше проектного.

Чтобы исключить субъективность, учесть все факторы и видеть физическое состояние тепловых сетей на текущий момент, оптимально планировать объем замены участков, исходя из их аварийноопасности, НТЦ “ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ” в составе ранее созданной “ИАСУ-ТС” разработал подсистему « Анализ аварийности и планирование замены теплосетей».

Результатом работы подсистемы является ранжированный по степени аварийноопасности список участков теплосети (рис. 1).

Здесь можно указывать участки для отрисовки на схеме, включать и исключать их из списка замены (столбец “+” , 1 - включить, 0 - исключить) с получением сумм по включенным - “Итоги”; автоматически отсекать список по заданной ориентировочной стоимости перекладок, весу или суммарной длине заменяемых труб. Результат можно экспортировать в Microsoft Excel.

Краткое описание системы “ИАСУ-ТС”:

Компьютерная система “ИАСУ-ТС” используется в ТГК-11 в качестве интегрированной автоматизированной системы управления эксплуатацией тепловых сетей. В настоящее время она обслуживает более 30 рабочих мест в Тепловых сетях и других подразделениях Омского филиала.

Удобный графический интерфейс и продуманная структура базы данных (БД) системы позволили в достаточно короткий срок (2 года) ввести подробную информацию о составе и топологии тепловых сетей всего города Омска (рис.2). Поддержка аппарата многоуровневого представления позволяет работать отдельно с магистральными сетями, на которых врезки внутриквартальных сетей обозначены элементом “обобщенный потребитель” (рис.3.).

Этот элемент может быть развернут в схему внутриквартальных сетей (рис.4.). Если внутриквартальные сети подключены через ЦТП, то “обобщенный потребитель” разворачивается в схему ЦТП (рис.5.), на которой, в свою очередь, вывод во внутриквартальную сеть так же обозначается “обобщенным потребителем”.

Такой механизм обеспечивает хорошую визуализацию за счет декомпозиции (хотя есть режим отображения сразу всех уровней), возможность гидравлических и тепловых расчетов очень больших схем с детализацией до каждого индивидуального теплового пункта (ИТП) - т.е. при расчете режимов расчитываются параметры элементов регулирования (дросселирующих устройств ИТП). Сложность схемы и возможности системы можно охарактеризовать следующими цифрами: база данных по тепловым сетям г.Омска содержит более 128 тыс. элементов, в т.ч. 5 источников тепла (ТЭЦ и котельных, если считать по выводам с источников - 17 лучей), свыше 10 тыс. ИТП, 52 ЦТП , более 100 регуляторов, 15 насосных станций (ПНС). Т.е. полная информация о сетях и потребителях от источников до каждого дома и ИТП. (При этом нужно отметить, что система может рассчитывать закольцованные сети от многих источников - в случае г.Омска от пяти).

Полноту хранимой информации можно проиллюстрировать на данных по участку трубопровода (рис.6). На этой же иллюстрации, в совокупности с предыдущими, видно, что в системе существуют разные виды отображения - в виде трассы со значками, в виде принципиальной схемы (подробно отображаются все элементы), на карте или без нее.

В рамках единого информационного пространства системы различными подразделениями решаются следующие задачи:

· Служба наладки Тепловых сетей:

- Производит ежегодный расчет оптимальных гидравлических режимов. Расчет производится с учетом тепловых потерь, что повышает точность расчета. Полученные в результате параметры дросселирующих устройств передаются в Тепловые районы для наладки ИТП.

- Производит моделирование наиболее вероятных аварийных ситуаций для подготовки оптимальных решений в случае их возникновения.

- По потребности производит аналитические работы на основе развитого аппарата получения информации по “универсальному запросу” (строится логическими операциями над элементами, их параметрами и диапазонами этих параметров), цветовых диаграмм (например по удельным гидравлическим, тепловым потерям и т.п.).

- Совместно с абонентской службой корректирует в БД тепловые нагрузки на ИТП в случае их изменения.

· Районы Тепловых сетей:

- Поддерживают актуальность БД системы - вносят изменения при перекладках, прокладках новых участков и т.п. Вносят данные о повреждениях, шурфовках, замерах и вырезках образцов, опрессовках и т.п., т.е. данные для анализа аварийности и планирования ремонтов.

- Используют систему как информационно-справочную.

· Диспетчерская служба Тепловых сетей:

- Использует систему как информационно-справочную (содержащую информацию о текущем состоянии сетей).

- Прощитывает варианты переключений при возникновении нештатных ситуаций.

- Просчитывает варианты переключения в летний период для обеспечения горячего водоснабжения при проведении ремонтных работ.

· Служба ремонта Тепловых сетей:

- На основе данных по аварийности, опрессовкам, шурфовкам, замерам и т.д. система генерирует список участков трубопроводов для замены в порядке приоритета. Это позволяет службе ремонта спланировать замену участков труб, исходя из реальных возможностей - с максимальной эффективностью.

- Производит анализ аварийности и состояния сетей, используя БД и функциональные возможности системы с целью выявления наиболее аварийноопасных участков и причин повышенного корозионного износа.

· Департамент реализации энергии и присоединений:

- Использует систему для принятия решения о возможности и точке присоединения новых потребителей.

- Использует расчетные возможности системы для принятия решения о мероприятиях локального характера для обеспечения присоединения нового потребителя.

· Департамент перспективного развития:

- Прорабатывает варианты модернизации и развития сетей с целью увеличения рынка сбыта тепловой энергии и снижения ее стоимости. При этом решаются как задачи снижения тепловых и гидравлических потерь, так и перераспределение нагрузок между источниками.

Полномасштабная эксплуатация системы в ОАО ЭГК в течении последних трех лет позволило существенно улучшить гидравлические режимы тепловых сетей. Планирование ремонтов с ее помощью на порядок снизило аварийность в течении отопительного сезона.

Проработка вариантов модернизации сетей привело к принятию таких решений, как:

- Изменена последовательность перспективного строительства теплотрассы “Октябрьская”, что позволяет по завершении третьей очереди, без строительства второй, сразу же подключить новую нагрузку более 100 Гкал в центральной части города.

- Определены узкие участки, препятствующие загрузке ПНС-7.

- Определены мероприятия и расчитаны трубопроводы, позволившие закрыть нерентабельную котельную “Сибзавод”, и многое другое.

- В совокупности, с помощью системы разработаны мероприятия, позволяющие подключить к пяти источникам перспективные нагрузки до 2020 года.

Система проста в освоении - от специалиста требуется минимум знаний в области информатики. Практика показала, что достаточно одной недели обучения для того, чтобы специалист начал самостоятельно работать с системой, в процессе работы осваивая ее расширенные возможности.

Наряду со сложными тепловыми сетями большого города, система может быть эффективно применена и на сравнительно небольших сетях (предприятий, ведомственных котельных, сетях районных центров и т.п.). Есть положительный опыт внедрения системы на многих предприятиях. При этом процесс внедрения, включая ввод информации о сетях, занимает не более двух месяцев, а экономический эффект гарантирует окупаемость затрат на приобретение и внедрение системы в течении одного отопительного сезона.

Систему можно с успехом использовать и при проектировании новых сетей. В этом случае она позволяет выполнить полный комплекс гидравлических и тепловых расчетов, проработать множество вариантов с целью определения оптимального.

Система постоянно развивается, наращиваются ее функции. Начиная с версии 7.0, в системе реализована задача « Планирования замены изношенных труб», в основу которой положен анализ аварийности.

Алгоритм планирования замены труб.

Для реализации этой задачи в системе реализована БД повреждений (течи) и результатов обследования (шурфовки, вырезки образцов и т.п.). Данные вводятся оператором и отображаются на схеме треугольниками: красными - повреждения, зелеными - результаты обследования.

Для формирования выборок по повреждениям и результатам обследования применяется фильтр. С помощью фильтра на повреждения и реализованного в системе “универсального запроса” производится анализ аварийности сетей.

Например, настроив фильтр на “течь стенки трубы” за последние 4 года, производим универсальный запрос для труб не старше 15 лет с подземной канальной прокладкой. Применив команду “Просмотр выделенного” сразу видим пересечение выборок - т.е. дефекты на указанных трубах.

При определении заменяемых участков и их ранжировании по приоритету в очереди на замену учитываются следующие факторы в порядке их значимости:

1. плотность повреждений на участке за прошедшее количество лет;

2. динамика повреждений - нарастание или убывание количества повреждений в год (/месяц) в рассматриваемый период (за указанное количество лет);

3. результаты опрессовки;

4. остаточная толщина стенки - определяется как фактическая (в результате непосредственных замеров при вырезке образцов и т.д.) или расчетная с учетом данных по индикаторам коррозии и других фактических данных.

Концептуальная модель и алгоритм формирования спецификации:

В качестве модели для решения задачи используются ориентированные взвешенные графы. Перед решением задачи создается исходная модель-граф. В процессе решения строится и модифицируется результирующая модель-граф. аварийность тепловой сеть трубопровод

Исходная модель: Граф участков. Участок - связная цепочка труб между соседними камерами (т.е. подающая и обратная - разные участки с одинаковыми границами) с весами: суммарной длиной и количеством повреждений. Кроме того, производится предварительная обработка - расчет координат повреждений и точек источников информации (шурфовки, замеры и т.д.) и привязка их к участкам.

Результирующая модель: Граф отрезков. Отрезок - часть участка (может состоять из одной или нескольких связанных труб и/или связанной части/частей труб с общм приоритетом в очереди на замену). Отрезки разбиваются в пределах участка. При первоначальной разбивке отрезки разделяются при изменении диаметра трубы, номинальной толщины стенки, года закладки, вида прокладки.

Модификация результирующего графа.

Формируются три группы отрезков, отличающиеся методами формирования и обработки (отрезки формируются в пределах участков):

[- 0-я группа - отрезки первоначального разбиения (не обработанные алгоритмом)]

- 1-я группа (с наибольшими приоритетами замены - группа реальной аварийности) - отрезки трубопроводов, на которых имеются эксплутационные течи за рассматриваемый период;

- 2-я группа - отрезки, на которых отсутствуют течи при эксплуатации, но присутствуют течи, возникшие при опрессовке - группа вероятной аварийности;

- 3-я группа - отрезки без зарегистрированных течей - группа прогноза.

Исходя из реальной ситуации на теплосетях (изношенность, недостаток средств на полномасштабные ремонтные работы) на сегодня актуально планировать замену труб на основе анализа 1-й и 2-й групп. При этом (аварийность уже проявилась) выбор производится исходя из анализа плотности повреждений и нарастания аварийности во времени (динамика повреждений). Остальные факторы используются для анализа причин ускоренного износа (1-я и 2-я группы) и прогнозирования износа (3-я группа).

А. Формирование отрезков 1-й группы:

I. Просматривается множество отрезков 0-й группы только с ненулевым количеством повреждений и выбирается отрезок с наличием как минимум 2-х эксплуатационных повреждений и с минимальным расстоянием между ними. Если такой отрезок найден, то участок между повреждениями выделяется в отдельный отрезок 1-й группы (и соответственно выделяются граничащие с ним отрезки 0-й группы). Если такого отрезка не найдено - заканчивается формирование отрезков 1-й группы.

II. Далее производится “наращивание полученного отрезка”. Если отрезок содержит в себе n повреждений (1-ое и n-ое повреждение - границы отрезка, n - первоначально равно 2), то производится поиск (в пределах граничащих отрезков 0-ой группы) ближайшего от одной из границ повреждения, лежащего на расстоянии <= L от границы.

L = lт / (n-1) * Kс + ?L,

где lт - длина текущего отрезка, (n-1) - количество уже присоединенных отрезков, где Kс - коэффициент, ограничивающий скорость нарастания L при увеличении отрезка (по умолчанию равно 3, подбирается эмпирически), ?L - добавочное расстояние, допуск (по умолчанию равно 5, подбирается эмпирически). Т.е. наращивание участка происходит при линейном увеличении шага поиска (L).

Если такое повреждение найдено (оно отмечается как выбранное, для исключения в дальнейшем рассмотрении), то отрезок увеличивается до него (увеличивается lт на величину расстояния от прежней границы до найденного повреждения, n = n + 1), соответственно граничный отрезок 0-й группы укорачивается. Если повреждение не найдено (расстояние до ближайшего повреждения > L, исчерпаны граничные отрезки 0-й группы, в т.ч. конец участка, изменение диаметра, номинальной толщины стенки, года закладки, вида прокладки), то наращивание отрезка завершается (он полностью сформирован). При окончательном формировании отрезка учитывается: а) расстояние от его границы до камеры или (если оно есть и является отрезком 0-й группы) - если это расстояние меньше, чем заданный процент (25%), то отрезок продлевается до камеры; б) заданный напуск (10% от длины отрезка, но не более 5 м) - на эту величину отрезок увеличивается в обе стороны, но не далее камеры или границы ближайшего отрезка 1-й группы. Для этого отрезка рассчитывается удельная аварийность Ay в единицах - (кол-во повреждений/100 м), происходит переход к формированию следующего отрезка данной группы (I).

Проиллюстрируем описанный алгоритм на примере (рис.7)

Выбрав начальную пару повреждений 1 и 2, расстояние между которыми равно, скажем 1 м, определяем по формуле L (шаг поиска). L = 1 м / (2-1) * 3 + 5 м = 8 м. Если ближайшее повреждение (3) находится на расстоянии (положим 7 м) от одной из вершин (2) меньше L=8 м, то отрезок 2-3 присоединяется к наращиваемому отрезку. После этого рассчитывается следующее значение L = (1м + 7м)/(3-1)*3 + 5м = 17 м. И следующее повреждение ищем на расстоянии не более L=17 м от повреждений 1 или 3. Процесс продолжается до отрицательного результата поиска.

Б. Формирование отрезков 2-й группы.

Алгоритм полностью идентичен описанному в пункте А., но рассматриваются повреждения, возникшие при опрессовке.

В. Отрезки 3-й группы - оставшиеся от 0-ой группы после работы алгоритмов А. и Б.

Формирование приоритетов (присвоение веса отрезкам - ребрам графа).

Упорядочивание отрезков присвоением приоритетов производится отдельно по каждой группе.

А. Ранжирование отрезков 1-й группы.

I. Учет динамики повреждений. Для каждого отрезка рассчитывается коэффициент динамики нарастания повреждений (повреждений /в месяц за месяц) за базовый период времени.

При этом базовый период времени и дискрета времени выбирается от текущего момента назад таким образом, чтобы получить явную тенденцию нарастания количества повреждений во времени, что можно наглядно проиллюстрировать следующими графиками: рис.8 а) и б).

Перечень используемых дискрет: месяц, квартал, полгода, год. Поиск базового периода начинаем с дискреты - месяц.

Минимальный размер базового периода - 2, достаточный - 3, т.е. 3 >= n >= 2. Допускаем возможность включения только одной дискреты без нарастания количества повреждений и только при n = 2. Включение дискреты с убыванием количества повреждений не допускается и если при этом n >=2, то имеем базовый период, если n <2, то переходим к следующей по величине дискрете. Если при максимальной дискрете (год) базовый период не определен, то коэффициент динамики нарастания повреждений Кдин принимаем равным 0. Иначе рассчитываем Кдин по формуле:

Кдин = ?n (Kп i - Kп i+1) / n * Kt

, где Kпi - количество повреждений за период i-й дискреты, n - количество дискрет в базовом периоде, Kt - коэффициент приведения к месяцу, равный для перечисленных дискрет, соответственно 1, 3, 6, 12.

II. Учет повреждений опрессовки, как усиливающего фактора.

Из числа невыбранных повреждений при опрессовке выбираются все, лежащие в пределах рассматриваемого отрезка. По ним рассчитывается удельная аварийность по опрессовке.

III. Окончательное ранжирование 1-й группы.

Для наглядности рассмотрим алгоритм на графической иллюстрации (рис.9), где отрезки поименованы разными цветами.

Производится сортировка отрезков по удельной аварийности в порядке убывания - столбец а) и по значению коэффициента динамики нарастания повреждений - столбец в); далее между ними строим равноудаленную секущую линию б) и соединяем ячейки одинакового цвета (т.е., соответствующих одному и тому же отрезку) линией того же цвета. В результате получаем точки пересечения этих линий с секущей. Порядок точек разного цвета на секущей определяет результат ранжирования по двум параметрам - столбец г).

Далее полученный результат (порядок) аналогично обрабатывается со столбцом, полученным сортировкой по убыванию удельной аварийности по опрессовке (III) - столбец д).

Полученный столбец е) является окончательным результатом ранжирования 1-й группы. Отрезкам присваивается приоритет Р = (n-i+1) * k, где n - мощность множества отрезков первой группы, k - коэффициент, обеспечивающий превышение значений приоритетов первой группы над приоритетами остальных групп.

Если в столбце в). есть отрезки с нулевым значением коэффициента, то объединяем их одной позицией, как видно на рис.10.

Б. Ранжирование отрезков 2-й группы.

Приоритеты для отрезков 2-й группы всегда меньше, чем минимальный приоритет отрезка 1-й группы.

I. Аналогично 1-й группе для отрезков в пределах 2-й группы рассчитываются коэффициент динамики нарастания повреждений и удельная аварийность (только по повреждениям при опрессовке).

II. Ранжирование 2-й группы. Производится аналогично ранжированию 1-й группы.

В. Ранжирование 3-й группы.

Приоритеты для отрезков 3-й группы всегда меньше, чем минимальный приоритет отрезка 2-й группы.

I. Отрезки упорядочиваются в порядке возрастания по коэффициенту коррозионного запаса Ккз = Sо / Sr , где Sо - остаточная толщина стенки, Sr - минимально допустимая (расчетная) толщина стенки.

II. Внутри группы с одинаковым (+ - 5%) Ккз отрезки сортируются по приоритету, определяемому следующим образом:

n

P = ??????, где ?? - вес i-го фактора, усиливающего интенсивность коррозии,

I принимающий значения:

1 - вид прокладки;

2 - коррозионная активность грунта;

3 - наличие обводнения;

4 - наличие наведенных токов и повышенный электропотенциал труба-земля;

5 - внутреннее состояние канала.

В результате описанных выше действий получаем исходный список (“первичный результат”).

Укрупнение участков:

I. Объединение отрезков на одной трубе.

Попытка объединения двух отрезков 1-й группы производится, если:

- они принадлежат одному участку;

- они идентичны по параметрам год закладки, диаметр трубы, номинальная толщина стенки, вид прокладки;

- между ними один участок второй или третьей группы идентичный по перечисленным выше параметрам;

- удельная аварийность объединенного отрезка не ниже заданной пороговой величины.

Объединение производится если для связующего отрезка Ккз < 1. В случае если Ккз >= 1 производится проверка достоверности значения остаточной толщины стенки. Если она базируется на фактических данных и дата фактического замера не старше 2-х лет, то объединение не производится. Если дата фактического замера старше 2-х лет или фактические данные отсутствуют, то объединение не производится, но рассматриваемый отрезок помещается в список для уточнения (для отрезков этого списка необходимо произвести шурфовки с вырезкой образцов для замера остаточной толщины стенки в первую очередь).

Как вырожденный случай объединения рассматривается случай присоединения (т.е. к одному отрезку 1-й группы присоединяется один отрезок 2-й или 3-й группы).

II. Объединение отрезков на прямых и обратных трубопроводах.

Для окончательного формирования списка труб на замену принимается во внимание тот факт, что при подземной (канальной и безканальной) прокладке затраты на выполнение работ соизмеримы со стоимостью труб и нерационально вскрывать (раскапывать) канал для замены только одной из двух (подающей или обратной) труб. Поэтому с результирующей модели строится окончательная БД той же структуры, но поле PO (признак подающая/обратная - “П”/”О”) может принимать значение не только “П” или “О” но и “ПО”, что означает сдвоенный отрезок. Процесс “сдваивания” отрезков производится перебором отрезков сверху (с наибольшими приоритетами) вниз. Для текущего отрезка производится поиск “пары” (“П” для “О” и “О” для “П”) среди отрезков с меньшими приоритетами (т.е. находящихся ниже текущего в перечне), лежащих на том же участке (между теми же камерами) и имеющего пересечение по длине с текущим. Если такой отрезок найден в 1-й или 2-й группах, то текущему отрезку присваивается признак PO=”ПО”, его длина определяется как объединение отрезков (max расстояние между границами отрезков - рис.11).

Отрезок “пара” исключается из перечня.

Если “пара” найдена в числе отрезков 3-й группы, то из нее вырезается отрезок, длиной и расположением равный текущему.

Результат работы задачи отражается в таблице (рис.1). Цветом отмечены строки: красным - 1-я группа, желтым - 2-я, зеленым - 3-я.

Преимуществами реализованной в ИАСУ-ТС задачи планирования перекладки труб являются:

- автоматическое разбиение на участки с присвоением приоритетов;

- возможность ограничивать список заменяемых участков указанием ориентировочной стоимости перекладки и при этом гарантировать замену наиболее аварийноопасных труб;

- возможность использования задачи как при наличии любой полноты фактической информации (т.е. полученной с использованием приборов), так и при минимальной информации - только по повреждениям и опрессовкам; при этом, по крайней мере, 1-я группа (наиболее аварийно-опасные трубы) определяется с очень большой степенью вероятности.

Внедрение задачи в Тепловых сетях АК ОМСКЭНЕРГО (ТГК-11) с 2004 г. позволило снизить количество повреждений за сезон по сравнению с предыдущими годами на порядок при тех же ежегодных затратах на перекладку труб.

При этом сроки замены всех участков сети видно в реальном времени и на этой основе более рационально проектируются реконструкции и развитие сетей, с учетом перспективы присоединения новых потребителей.

Организационно, такая программа работоспособна тогда, когда у нее общая база исходных данных с другими программами расчетов теплосети, что и реализовано в системе ИАСУ-ТС.

Размещено на Allbest.ru