Разработка методов и алгоритмов технической диагностики и обеспечение безопасности систем пожаротушения, тепло-, водо-, газоснабжения и промышленных технологических трубопроводов

БЕЗОПАСНОСТЬ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

ПОЖАРНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

УДК 614.8:69

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ СИСТЕМ ПОЖАРОТУШЕНИЯ, ТЕПЛО-, ВОДО-, ГАЗОСНАБЖЕНИЯ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

С.А. Сазонова, Е.А. Сушко

В статье рассматриваются в совокупности разработанные методы и алгоритмы для технической диагностики гидравлических систем. Разработан метод статического оценивания состояния гидравлических систем, реализуемый на практике с помощью проведения манометрической съемки объекта. Полученные с помощью телеизмерений показания для гидравлической системы необходимо обрабатывать с помощью программного обеспечения в автоматизированных системах управления с целью восполнения полной информации о исследуемом объекте для лица, принимающего решение. Разработаны методы и алгоритмы диагностики утечек и резервирования функционирующих гидравлических систем, реализуемые с целью обеспечения безопасности их функционирования и для обеспечения требуемого объема потребления транспортируемой среды. На стадии проектирования задача резервирования может рассматриваться для рационального подбора конфигурации и параметров системы. Апробация разрабатываемых методов и алгоритмов для инженерных задач выполнена с помощью пакета прикладных программ.

Ключевые слова: гидравлические системы, безопасность эксплуатации, аварии, системы пожаротушения, техническая диагностика, математические модели, статическое оценивание, диагностика утечек, параметрическое и транспортное резервирование.

Введение. Инженерные системы централизованного снабжения в составе топливно-энергетического комплекса в настоящее время представлены весьма широким спектром объектов различного назначения, масштабности, принципов построения, физической сущности процессов функционирования [1]. К ним относятся глобальные системы страны

(электроэнергетическая и газоснабжающая); межрегиональные (магистральные газо- и нефтепроводы, групповые водоводы); городские системы (тепло-, водо- и газоснабжения, пожаротушения); системы отопления, вентиляции и

кондиционирования жилых зданий и промышленных объектов.

Отправной точкой создания универсальных подходов к исследованию является их общая сущность, поскольку практически все указанные системы квалифицируются как транспортные. Способствует унификации и однородность их структурного состава, обычно включающего источники (устройства подачи целевого продукта (ЦП) в систему); абонентские подсистемы (АП), отождествляемые с потребителями, а так же распределительные сети, предназначенные для транспортировки среды [1].

Особое место среди систем централизованного снабжения занимают гидравлические трубопроводные системы (ГС), что обусловлено динамикой их развития, исключительным многообразием, значительной капиталоемкостью и т.д. Собирательный термин «гидравлическая система» [1] будет использоваться для обозначения прежде всего городских и промышленных систем тепло-, водо-, газоснабжения, а так же систем пажаротушения и промышленных технологических трубопроводов.

Решение описанной проблемы. Для ГС на основе применения функционального

эквивалентирования АП [1, 2, 3] при моделировании потокораспределения [4] решен целый ряд инженерных задач. Эквивалентирование АП, в отличие от ранее существующих научных подходов, дает существенное преимущество в силу того, что с эго помощью можно решить любые прикладные задачи моделирования

трубопроводных ГС. Это необходимо при реализации программного обеспечения для систем автоматизированного проектирования и

оперативного управления [5, 6, 7] с помощью автоматизированных систем управления (АСУ). Несмотря на то, что современные компьютеры имеют высокое быстродействие, все равно остается проблема их быстродействия при выполнении технической диагностики при мониторинге текущего состояния в силу больших размеров и сложной конфигурации ГС. Для осуществления мониторинга технического состояния ГС в диспетчерских пунктах должно быть установлено соответствующее программное обеспечение АСУ и обеспечена информационная безопасность объекта защиты [8, 9]. На исследуемой ГС должны быть установлены датчики давления в соответствии с разработанными научными рекомендациями, показания с которых с помощью телеизмерений при их одновременном опросе должны поступать в диспетчерский пункт. По программе на компьютере полностью восполняется информация по всем параметрам системы в данный момент времени. Следующий опрос датчиков можно выполнять только после выполнения обработки результатов предыдущего опроса. При сопоставлении результатов двух соседних опросов датчиков можно сделать заключение о причинах возможных резких изменений, например, в случае аварии [10], утечки [11] или не санкционированного отбора ЦП. При этом программный комплекс точно укажет координату на ГС с указанными неполадками, что существенно сэкономит время и деньги для обнаружения аварий. В случае аварий на ГС, особенно на системах газоснабжения, требуется оперативность при их устранении, так как от этого зависит количество жертв при ликвидации аварии и размер экономического ущерба.

Дополнительно можно отметить, что применение эквивалентирования АП позволят не

использовать расходомеры при выполнении диагностики ГС, так как при таком подходе для восполнения полной информации о состоянии системы достаточно использовать только датчики давления. Причем разработаны методы для восполнения псевдоизмерений [3] в узлах подключения потребителей, с помощью которых можно уменьшить требуемое количество датчиков давления на реальном объекте, то есть нет необходимости оснащать все такие узлы датчиками. Таким образом достигается существенная экономия средств за счет уменьшения количества дорогостоящих приборов учета на ГС.

При разработке методов решения задачи диагностики утечек (или несанкционированных отборов ЦП) были решены подзадачи: определение местоположения утечки [1]; определение ее размера (объема) [1]; определение факта ее существования или отсутствия в промежуток времени между двумя опросами датчиков давления на системе [3, 12]. На основе имитационного моделирования аварийных ситуаций [13] разработаны методы и алгоритмы резервирования [14] транспортного (определение мест в системе для установки дополнительных перемычек или линий с расчетом всех требуемых параметров) и параметрического (изменение диаметров, параметров насосов и т.д.).

Описание базовой технологии. Для реализации в составе АСУ задач диагностики утечек и резервирования разработаны методы и алгоритмы статического оценивания состояния ГС. Термин «статическое» применяется в силу того, что с помощью датчиков давления выполняется «мгновенный снимок» (опрос) ГС в расчетных узлах. Так как мгновенность предполагает застывшее состояние в пределах очень маленького промежутка времени, то движение ЦП в такой момент не учитывается, а систему рассматривают как статичную. Именно в таком состоянии выполняется полный расчет параметров системы. Для другого такого опроса в другой момент времени они будут уже другими, но тоже статичными. По результатам многократного статического оценивая ГС [3] можно решать задачи диагностики утечек, резервирования

функционирующих систем и целый ряд сопутствующих инженерных задач.

При разработке методов и алгоритмов технической диагностики ГС для обеспечения безопасности их функционирования необходимо учесть специфику функционирования различных ГС. Для систем водоснабжения дополнительно можно рассматривать присоединенные системы пажаротушения [15], для которых весьма существенной задачей является обеспечение требуемого расхода воды в случае возникновения пожара. Если заранее предусмотреть места присоединения участков для пожаротушения в ГС, то с помощью разработанных моделей

резервирования можно рассчитать такие участки с возможными повышенными расходами воды, после чего лицо принимающее решение может сформулировать обоснованные рекомендации для реконструкции существующей системы водоснабжения с учетом норм для участков пожаротушения. С помощью же разработанных моделей статического оценивания [3] можно провести расчеты для существующей системы и сделать рекомендации о конкретных предпочтительных местах присоединения участков пожаротушения для случая, если не предполагается реконструкция системы с введением резервных участков. Так же необходимо учесть, что ГС могут быть открытого (например, системы водо-, газоснабжения) [16], закрытого (например, системы теплоснабжения без отбора ЦП) или смешанного типа (например, системы теплоснабжения с отбором ЦП) [17], в них могут транспортироваться ЦП различной температуры.

Апробация разрабатываемых методов и алгоритмов для инженерных задач выполнена с помощью пакета прикладных программ HYDROGRAPH, позволяющего выполнять расчеты для городских и промышленных

распределительных систем газо-, тепло-, водоснабжения.

В качестве объектов исследований, например, рассматривались система газоснабжения низкой ступени давления, схема которой

представлена на рис. 1. Схема включает 94 участка, 73 узла и 21 контур. Узлы, в которых необходимо установить датчики давления, заштрихованы: 2 источника питания и 27 узлов подключения потребителей АП.

В качестве другого примера рассмотрим расчетную схему распределительной сети теплоснабжения, представленную на рис. 2. Сеть включает 130 узлов 243 участка 114 контуров. Источниками питания являются две ТЭЦ между узлами 501-1 и 601-101 с действующими напорами 150 м и 130 м соответственно. В объекте функционируют три насосные подстанции на участках 607-504, 704-628 и 607-606 с располагаемыми напорами 40 м каждая. В узле 118 есть приток 535 т/ч, а в узле 619 такой же сток. На участках 704-628, 607-606 и 607-504 установлены три регулятора давления «после себя» для поддержания в узле 704 избыточного напора 30 м и в узле 607 напора 17 м. В качестве узла с фиксированным давлением выбран обратный коллектор одной из ТЭЦ (узел 501), напор в этом узле 22 м. Для узлов 704 и 607 геодезические уровни составляют 15 м и 2 м соответственно.

Проведенные вычислительные

эксперименты подтвердили работоспособность разработанных математических моделей. Результаты экспериментов подробно изложены в научных работах [1, 3, 14, 16].

Рис. 1. Расчетная схема системы газоснабжения

Выводы. В результате проведенных исследований разработан метод статического оценивания состояния ГС по результатам манометрической съемки при мгновенном опросе системы для обработки результатов с помощью программного обеспечения в диспетчерских пунктах с целью получения полной информации о функционирующей системе в любой момент времени и для обеспечения безопасности объектов защиты. Разработаны методы и алгоритмы диагностики утечек и резервирования функционирующих ГС, реализуемые с помощью решения задачи статического оценивания. Задача резервирования может рассматриваться как самостоятельная на стадии проектирования.

Библиографический список

1. Квасов И.С. Анализ и параметрический синтез трубопроводных гидравлических систем на основе функционального эквивалентирования: автореф. дис. доктора технических наук /Воронеж, 1998. — 30 с.

2. Сазонова С.А., Манохин В.Я., Манохин М.В. Обеспечение безопасности функционирования трубопроводных систем при реализации математических моделей на основе функционального эквивалентирования / С.А. Сазонова, В.Я. Манохин, М.В. Манохин // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. — 2015. — №2(15). - С. 32-36.

3. Сазонова С.А. Разработка методов и алгоритмов технической диагностики систем газоснабжения: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Воронеж, 2000. - 15 с.

4. Сазонова СА. Моделирование неустановившегося и установившегося потокораспределения систем теплоснабжения / С.А. Сазонова // Научный журнал. Инженерные системы и

Апробация разрабатываемых методов и алгоритмов для инженерных задач выполнена с помощью пакета прикладных программ.

Предлагаемые научные исследования могут быть использованы для проектирования ГС [18, 19] и для создания АСУ систем пожаротушения, тепло-, водо-, газоснабжения и промышленных технологических трубопроводов. Исследования необходимо продолжить, выполнить большую детализацию по расчетным схемам объектов, решить сопутствующие инженерные задачи с целью получения более достоверных результатов при проведении технической диагностики для всех видов перечисленных ГС.

References

1. Kvasov I.S. Analiz i parametricheskij sintez truboprovodnyh gidravlicheskih sistem na osnove funkcional'nogo ehkvivalentirovaniya: avtoref. dis. doktora tekhnicheskih nauk / Voronezh, 1998. — 30 c.

2. Sazonova S.A., Manohin V.YA., Manohin M. V. Obespechenie bezopasnosti funkcionirovaniya truboprovodnyh sistem pri realizacii matematicheskih modelej na osnove funkcional'nogo ehkvivalentirovaniya / S.A. Sazonova, V.YA. Manohin, M.V. Manohin // Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MCHS Rossii. — 2015. — № 2 (15). - S. 32-36.

3. Sazonova S.A. Razrabotka metodov i algoritmov tekhnicheskoj diagnostiki sistem gazosnabzheniya: avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tekhnicheskih nauk / Voronezh, 2000. - 15 s.

4. Sazonova S.A. Modelirovanie neustanovivshegosya i ustanovivshegosya potokoraspredeleniya sistem teplosnabzheniya / S.A. Sazonova // Nauchnyj zhurnal. Inzhenernye sistemy i

сооружения. - 2013. - №1(10). - С. 55-60.

5. Сазонова С.А. Комплекс прикладных задач оперативного управления, обеспечивающих безопасность функционирования гидравлических систем / С.А. Сазонова // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. - 2015. - №2(15). - С. 37-41.

6. Сазонова С.А., Мезенцев А.Б. Математическое моделирование гидравлических систем в области управления функционированием и развитием / С.А. Сазонова, А.Б. Мезенцев // Моделирование систем и процессов. - 2015. - Т. 8. - №1. - С. 60-63.

7. Сазонова С.А. Обеспечение безопасности гидравлических систем при реализации задач управления функционированием и развитием / С.А. Сазонова // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. -2016. - №1(18). - С. 22-26.

8. Жидко Е.А. Методология формирования системы измерительных шкал и норм информационной безопасности объекта защиты / Е.А. Жидко // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2015. -№2(97). - С.17-22.

9. Жидко Е.А., Попова Л.Г. Логико-вероятностно-информационное моделирование информационной безопасности / Е.А. Жидко, Л.Г. Попова // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - 2014. - № 4. - С. 136-140.

10. Николенко С.Д., Сазонова С.А. Дистанционное обнаружение утечек в гидравлических системах с целью обеспечения безопасности функционирования при своевременном предупреждении аварий / С.Д. Николенко, С.А. Сазонова // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Информационные технологии в строительных, социальных и экономических системах. - 2016. - №1. - С. 151-153.

11. Сазонова С.А. Решение вспомогательных задач диагностики утечек для обеспечения безопасности функционирующих трубопроводных систем / С.А. Сазонова //Моделирование систем и процессов. - 2015. - Т. 8. - №1.

- С. 57-59.

12. Сазонова С.А. Обеспечение безопасности функционирования систем газоснабжения при реализации алгоритма диагностики утечек без учета помех от стохастичности потребления / С.А. Сазонова // Вестник Воронежского института высоких технологий. - 2015. -№14. - С. 60-64.

13. Мезенцев А.Б., Сазонова С.А. Имитационное моделирование аварийных ситуаций в гидравлических системах /А.Б. Мезенцев, С.А. Сазонова //Моделирование систем и процессов. - 2015. - Т. 8. - №2. - С. 23-25.

14. Мезенцев А.Б., Сазонова С.А. Результаты расширенного вычислительного эксперимента по оценке надежности и резервированию распределительных гидравлических систем / А.Б. Мезенцев, С.А. Сазонова // Моделирование систем и процессов. - 2015. - Т. 8. - №2.

- С. 26-29.

15. Сазонова С.А. Методы обоснования резервов проектируемых гидравлических систем при подключении устройств пожаротушения / С.А. Сазонова // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. - 2015. -№4 (17). - С. 22-26.

16. Сазонова С.А., Николенко С.Д., Манохин В.Я., Манохин М.В. Численная апробация математических моделей мониторинга безопасного функционирования систем газоснабжения / С.А. Сазонова, С.Д. Николенко, В.Я. Манохин, М.В. Манохин // Известия Казанского

sooruzheniya. - 2013. - № 1 (10). - S. 55-60.

5. Sazonova S.A. Kompleks prikladnyh zadach operativnogo upravleniya, obespechivayushchih bezopasnost' funkcionirovaniya gidravlicheskih sistem / S.A. Sazonova // Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MCHS Rossii. - 2015. - № 2 (15). - S. 37-41.

6. Sazonova S.A., Mezencev A.B. Matematicheskoe modelirovanie gidravlicheskih sistem v oblasti upravleniya funkcionirovaniem i razvitiem / S.A. Sazonova, A.B. Mezencev // Modelirovanie sistem i processov. - 2015. - T. 8. - №1. - S. 60-63.

7. Sazonova S.A. Obespechenie bezopasnosti gidravlicheskih sistem pri realizacii zadach upravleniya funkcionirovaniem i razvitiem / S.A. Sazonova // Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MCHS Rossii. - 2016. - № 1 (18). - S. 22-26.

8. ZHidko E.A. Metodologiya formirovaniya sistemy izmeritel'nyh shkal i norm informacionnoj bezopasnosti ob"ekta zashchity / E.A. ZHidko // Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. -2015. - № 2 (97). - S. 17-22.

9. ZHidko E.A., Popova L.G. Logiko-veroyatnostno-informacionnoe modelirovanie informacionnoj bezopasnosti / E.A. ZHidko, L.G. Popova // Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. A.N. Tupoleva. - 2014. - № 4. - S. 136140.

10. Nikolenko S.D., Sazonova S.A. Distancionnoe obnaruzhenie utechek v gidravlicheskih sistemah s cel'yu obespecheniya bezopasnosti funkcionirovaniya pri svoevremennom preduprezhdenii avarij / S.D. Nikolenko, S.A. Sazonova // Nauchnyj vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Informacionnye tekhnologii v stroitel'nyh, social'nyh i ehkonomicheskih sistemah. - 2016. - №1. - S. 151-153.

11. Sazonova S.A. Reshenie vspomogatel'nyh zadach diagnostiki utechek dlya obespecheniya bezopasnosti funkcioniruyushchih truboprovodnyh sistem / S.A. Sazonova // Modelirovanie sistem i processov. - 2015. - T. 8. - № 1.

- S. 57-59.

12. Sazonova S.A. Obespechenie bezopasnosti funkcionirovaniya sistem gazosnabzheniya pri realizacii algoritma diagnostiki utechek bez ucheta pomekh ot stohastichnosti potrebleniya / S.A. Sazonova // Vestnik Voronezhskogo instituta vysokih tekhnologij. - 2015. -№14. - S. 60-64.

13. Mezencev A.B., Sazonova S.A. Imitacionnoe modelirovanie avarijnyh situacij v gidravlicheskih sistemah / A.B. Mezencev, S.A. Sazonova // Modelirovanie sistem i processov. - 2015. - T. 8. - № 2. - S. 23-25.

14. Mezencev A.B., Sazonova S.A. Rezul'taty rasshirennogo vychislitel'nogo ehksperimenta po ocenke nadezhnosti i rezervirovaniyu raspredelitel'nyh gidravlicheskih sistem / A.B. Mezencev, S.A. Sazonova // Modelirovanie sistem i processov. - 2015. - T. 8. - № 2. -S. 26-29.

15. Sazonova S.A. Metody obosnovaniya rezervov proektiruemyh gidravlicheskih sistem pri podklyuchenii ustrojstv pozharotusheniya / S.A. Sazonova // Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MCHS Rossii. - 2015.

- № 4 (17). - S. 22 - 26.

16. Sazonova S.A., Nikolenko S.D., Manohin V.YA., Manohin M.V. CHislennaya aprobaciya matematicheskih modelej monitoringa bezopasnogo funkcionirovaniya sistem gazosnabzheniya / S.A. Sazonova,

государственного архитектурно-строительного

университета. - 2016. - №1 (35). - С. 255-264.

17. Сазонова С.А. Решение прикладных задач управления функционированием системами теплоснабжения / С.А. Сазонова // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. - 2013. - №2 (11). -С. 59-63.

18. Сазонова С.А., Мезенцев А.Б. Методы обоснования резервов при проектировании гидравлических систем / С.А. Сазонова, А.Б. Мезенцев // Моделирование систем и процессов. - 2015. - Т. 8. - №2. - С. 37-40.

19. Сазонова С.А. Комплекс прикладных задач в области проектирования, обеспечивающих безопасность функционирования гидравлических систем / С.А. Сазонова // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. - 2015. - №3 (16). - С. 30-35.

S.D. Nikolenko, V.YA. Manohin, M.V. Manohin // Izvestiya Kazanskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. - 2016. - № 1 (35). - S. 255 - 264.

17. Sazonova S.A. Reshenie prikladnyh zadach upravleniya funkcionirovaniem sistemami teplosnabzheniya / S.A. Sazonova // Nauchnyj zhurnal. Inzhenernye sistemy i sooruzheniya. - 2013. - № 2 (11). - S. 59-63.

18. Sazonova S.A., Mezencev A.B. Metody obosnovaniya rezervov pri proektirovanii gidravlicheskih sistem / S.A. Sazonova, A.B. Mezencev / Modelirovanie sistem i processov. - 2015. - T. 8. - № 2. - S. 37-40.

19. Sazonova S.A. Kompleksprikladnyh zadach v oblasti proektirovaniya, obespechivayushchih bezopasnost' funkcionirovaniya gidravlicheskih sistem / S.A. Sazonova // Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MCHS Rossii. - 2015. - № 3 (16). - S. 30-35.

DEVELOPMENT OF METHODS AND ALGORITHMS OF TECHNICAL DIAGNOSTICS AND SAFETY OF SAFETY SYSTEMS, HEAT, WATER, GAS SUPPLY AND INDUSTRIAL TECHNOLOGICAL PIPELINES

The article deals with the developed methods and algorithms for the technical diagnostics of hydraulic systems. A method for static estimation of the state of hydraulic systems has been developed, implemented in practice by means of a manometric survey of an object. The indications obtained by means of telemetry for the hydraulic system must be processed using software in automated control systems in order to make full information about the object under examination for the person making the decision. Methods and algorithms for diagnosing leaks and reserving the functioning hydraulic systems have been developed, implemented to ensure the safety of their operation and to ensure the required volume of consumption of the transported medium. At the design stage, the backup task can be considered for rational selection of the configuration and parameters of the system. Approbation of the developed methods and algorithms for engineering tasks is carried out with the help of a package of applied programs.

Keywords: hydraulic systems, operation safety, accidents, fire extinguishing systems, technical diagnostics, mathematical models, static estimation, leak diagnostics, parametric and transport reservation.

Сазонова Светлана Анатольевна,

доцент кафедры пожарной и промышленной безопасности, доцент, к.т.н.,

Воронежский государственный технический университет

Россия, Воронеж,

e-mail: Sazonovappb @vgasu. vrn. ru

Sazonova S.A.,

associate Professor of the Department of Fire and Industrial Safety, Cand. Tech. Sci., Assoc. Prof., Voronezh State Technical University, Russia, Voronezh,

e-mail: Sazonovappb @vgasu. vrn. ru.

Сушко Елена Анатольевна,

заведующая кафедрой пожарной и промышленной безопасности, доцент, к.т.н.,

Воронежский государственный технический университет,

Россия, Воронеж,

e-mail: u00075@vgasu.vrn.ru,

Sushko E.A.,

Head. of Dept. of Fire and Industrial Safety, Cand. Tech. Sci.,

Voronezh State Technical University,

Russia, Voronezh,

e-mail: u00075@vgasu.vrn.ru

© Сазонова С.А., Сушко Е.А., 2017