Математичні моделі та інформаційні технології автоматизованого управління системами протикорозійного захисту магістральних трубопроводів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 004.03:624.15

МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ ТА ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ АВТОМАТИЗОВАНОГО УПРАВЛІННЯ СИСТЕМАМИ ПРОТИКОРОЗІЙНОГО ЗАХИСТУ МАГІСТРАЛЬНИХ ТРУБОПРОВОДІВ

05.13.06 - автоматизовані системи управління та

прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук

Скляров Станіслав Олександрович

Харків - 2002

Дисертація є рукопис.

Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Дудар Зоя Володимирівна, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри програмного забезпечення ЕОМ.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Самойленко Микола Іванович, Харківська державна академія міського господарства, завідувач кафедри систем автоматизованого проектування.

- доктор технічних наук, професор Кузнецов Борис Іванович, Українська інженерно-педагогічна академія м. Харків, завідувач кафедри систем управління.

Провідна установа:

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Міністерство освіти і науки України, кафедра автоматизованих систем обробки інформації та управління, м. Київ

Захист відбудеться 17.12.2002 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 в Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, Харків, пр. Леніна, 14, тел.: (0572) 40-91-13.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою 61166, Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий 15.11.2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.І. Саєнко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Магістральні підземні трубопроводи являють собою складні інженерні споруди, що не піддаються практично моральному зносу. Термін їхньої експлуатації при антикорозійному захисті може досягати багатьох десятків років. На сьогоднішній день на Україні експлуатується понад 42 магістральних газопроводів загальною протяжністю понад 34 тисячі кілометрів. Значна їхня частина експлуатується більше 20 років. Однієї з основних причин відмов і аварій на магістральних трубопроводах є грунтова корозія металу.

У відмінності від країн Заходу газопроводи України посередньо або погано ізольовані через старіння ізоляційних покриттів, низьку якість ізоляційних матеріалів, а також недотримання нормативів по укладці трубопроводів у грунт під час будівництва. Тому їхня довговічність і надійність безпосередньо залежить від рівня розвитку засобів протикорозійного захисту. У зв'язку з цим на Україні широко поширений активний катодний метод захисту. На сьогоднішній день магістральні газопроводи України захищають понад 5 тис. установок катодного захисту, кожна з яких вимагає технічного обслуговування і ремонту.

Основною задачею по боротьбі з корозією є забезпечення безперебійної роботи установок катодного захисту з метою підтримки необхідного рівня захисного потенціалу як по протяжності газопроводу, так і в часі. При цьому дуже актуальним є питання ефективності роботи засобів електрохімзахисту. Шляхами до його підвищення є оптимальне планування робіт, пов'язаних з ремонтом засобів електрохімзахисту (ЕХЗ) та заміною ізоляційних покриттів трубопроводу, а також узгодження режимів роботи катодних установок з метою забезпечення повного захисту газопроводів по протяжності при мінімальних витратах енергоресурсів. Ці проблеми постають особливо гостро у зв'язку з обмеженістю матеріальних і енергетичних ресурсів на Україні.

Актуальною також є проблема забезпечення надійності трубопроводів шляхом зниження кількості аварій, що виникають через корозійне розчинення металу. Рішення цієї проблеми полягає у своєчасному виявленні корозійно небезпечних ділянок і прийнятті відповідних заходів для запобігання можливої аварійної ситуації.

Шляхами до зниження витрат, пов'язаних із трубопровідним транспортом, є підвищення ефективності і надійності роботи систем протикорозійного захисту за рахунок автоматизації вирішення задач обробки даних сезонних та комплексних корозійних обстежень трубопроводів, розрахунку оптимальних режимів роботи катодних установок, планування робіт по заміні катодних установок, ізоляційних покриттів і тіла труби на ділянках трубопроводів в умовах обмеженості матеріальних та фінансових ресурсів.

Вирішення цих задач є комплексною науково-технічною проблемою, яка пов'язана як з фундаментальними дослідженнями в області фізико-хімічних процесів корозії, так і розробками організаційно-технологічних систем управління протикорозійним захистом. Головною передумовою до реалізації цих задач є розробка математичних моделей систем електрохімзахисту з використанням фундаментальних підходів до розрахунку електрохімічних полів значної складності, розробка науково обгрунтованих методик дослідження поточного стану систем протикорозійного захисту (ізоляційних покриттів, катодних і протекторних установок, дренажних підсистем, заземлювачів), а також використання сучасних методів ідентифікації параметрів математичних моделей розподілення захисної різниці потенціалів “труба-земля”. Великий внесок у розробку теоретичних і прикладних питань математичного моделювання процесів протикорозійного захисту зробили Францевич И.Н., Остапенко В.Н., Лукович В.В., Глазов Н.П., Ягупольська В.В., Притула В.В., Глазков Н.Г., Шеферд В., Бекман В. та ін.

Дослідження, що проведені в даній роботі спрямовані на автоматизацію задач обробки даних корозійних обстежень магістральних трубопроводів, оптимального управління катодними установками та діагностування корозійного стану трубопроводів на основі розробки математичних моделей управління системами протикорозійного захисту, методів визначення місць пошкодження ізоляційного покриття, а також створення інформаційно-аналітичної моделі організаційно-технологічного комплексу електрохімзахисту. Таким чином, проблеми розробки математичних моделей та інформаційних технологій автоматизованого управління системами протикорозійного захисту магістральних трубопроводів є актуальними як з теоретичної, так і з практичної точок зору.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася на кафедрі програмного забезпечення ЕОМ Харківського національного університету радіоелектроніки та в лабораторії ЕХЗ науково-дослідного проектного інституту АСУ транспортом газу (НДПІАСУТрансгаз). Дисертаційна робота виконана по плану науково-технічних робіт НДПІАСУТрансгаз за договором №416-УГП\95-97 №326\94 "Розробити і впровадити на підприємствах галузі автоматизовану систему управління захистом трубопроводів від корозії" (№0194U036808), де аспірант Скляров С.О. працював як виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка математичних моделей та інформаційної технології оброблення електрометричних даних систем електрохімзахисту, що дає можливість отримувати інформацію для прийняття найбільш ефективних рішень з експлуатації засобів протикорозійного захисту, управління режимами їх роботи, а також складання раціональних планів проведення капітальних ремонтів труби та ізоляції магістральних трубопроводів. Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішуються такі задачі:

1. Розробити математичну модель розподілу захисної різниці потенціалів "труба-земля" з постійним коефіцієнтом згасання на всій розрахунковій ділянці трубопроводу.

2. Розробити математичну модель розподілу захисної різниці потенціалів “труба-земля” з різними коефіцієнтами згасання на ділянках між сусідніми катодними установками.

3. Розробити дискретну математичну модель розповсюдження струму вздовж трубопроводу з неоднорідним перехідним опором “труба-ізоляція-грунт”.

4. Розробити метод визначення координати і довжини пошкодження ізоляції на основі обробки даних вимірів поперечного градієнта потенціалів, та різниці потенціалів “труба-земля”.

5. Розробити метод розрахунку оптимальних режимів роботи катодних установок ділянки трубопроводу.

6. Розробити функціональну структуру і інформаційно-аналітичну модель організаційно-технологічного комплексу протикорозійного захисту магістральних трубопроводів.

7. Розробити інформаційну технологію автоматизованого управління системами протикорозійного захисту магістральних трубопроводів.

Об'єкт дослідження - організаційно-технологічний комплекс протикорозійного захисту магістральних газопроводів.

Предмет дослідження - математичні моделі розподілу захисної різниці потенціалів вздовж трубопроводу, методи визначення пошкоджень ізоляції, методи визначення оптимальних режимів систем протикорозійного захисту.

Методи дослідження базуються на принципах розрахунку напруженості електричних полів складної конфігурації, статистичних методах та алгоритмах параметричної ідентифікації і оптимізації.

Наукова новизна одержаних результатів. В процесі вирішення поставлених задач автором особисто отримані такі результати:

1. Вперше розроблені математичні моделі розподілу захисної різниці потенціалів “труба-земля”, а саме: модель з постійним коефіцієнтом згасання, модель з різними коефіцієнтами згасання на ділянках між сусідніми катодними установками, дискретну модель з нерівномірним перехідним опором “труба-ізоляція-грунт” у вузлах дискретизації. Розроблені моделі використовуються у математичному забезпеченні комплексу задач обробки даних електрометричних обстежень та оптимізації режимів роботи катодних установок. Кожна модель орієнтована на конкретні методики отримання вхідних даних.

2. Вперше розроблено метод визначення місць і розмірів пошкодження ізоляційного покриття на основі даних вимірів різниці потенціалів “труба-земля” і поперечних градієнтів потенціалів “земля-земля”, що отримуються при проведенні корозійних обстежень контактним методом. Це дає можливість використовувати методи вимірів, які не потребують постійної комутації катодних установок, що значно знижує витрати на виконання польових робіт. Метод використовується при вирішенні задач діагностики корозійного стану трубопроводу в підсистемі планування ремонтно-відновлювальних робіт.

3. Вперше розроблено метод визначення оптимальних режимів роботи засобів електрохімзахисту, за допомогою якого визначається вектор оптимальних вихідних струмів катодних установок, а також, при необхідності, формуються рекомендації по реконструкції системи протикорозійного захисту, які використовуються в задачах прийняття рішень по зменшенню витрат електроенергії на катодну поляризацію трубопроводу.

4. Удосконалено функціональну структуру системи управління протикорозійним захистом магістральних трубопроводів; вперше розроблено графоаналітичну модель газотранспортної системи та об'єктно-оріентований масштабований класифікатор технологічного обладнання, які були використані при створенні інформаційної моделі інтегрованої бази даних автоматизованої системи управління захистом трубопроводів від корозії.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені у дисертаційній роботі методи та моделі були використані в програмно-технічному комплексі збирання та оброблення даних обстежень корозійного стану магістральних трубопроводів (акт впровадження від 15 липня 1998 р.), та в програмному комплексі розрахунку оптимальних режимів роботи системи катодного захисту (акт впровадження від 9 січня 1998 р.) у складі автоматизованої інтегрованої інформаційно-дорадчої системи моніторингу корозійного стану магістральних трубопроводів. Комплекси були здані у експлуатацію в управлінні магістральних газопроводів Харків-Трансгаз. Впровадження першого комплексу дало змогу знизити витрати на проведення комплексних корозійних обстежень трубопроводів за рахунок того, що закладені в його основу математичні моделі та алгоритми обробки даних дозволяють використовувати методи вимірів, які не потребують комутації катодних установок. Другий програмний комплекс дозволяє знизити витрати електроенергії на катодну поляризацію трубопроводу, оскільки дає можливість розраховувати оптимальні режими роботи катодних установок, а також отримувати рекомендації по реконструкції системи електрохімзахисту з метою підвищення її ефективності. Розроблено інформаційну технологію автоматизованого управління системами протикорозійного захисту, що надає можливість знизити витрати на моніторинг корозійного стану трубопроводів за рахунок його автоматизації.

Особистий внесок здобувача. Всі результати дисертації отримані автором самостійно. У роботі [4] розроблені дві моделі розподілення захисної різниці потенціалів “труба-земля”. Кожна з них прилаштована до своїх умов застосування і зорієнтована на вирішення певної задачі. У роботі [6] автором розроблений програмно-технічний комплекс для збору та обробки даних вимірів, що отримані в результаті комплексних корозійних обстежень. У роботі [5] автором розроблено і доведено до програмної реалізації об'єктно-орієнтоване ядро розподіленої бази даних інтегрованої автоматизованої системи ДК Укртрансгаз.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідалися, обговорювалися і були схвалені на:

3-й Міжнародній конференції "Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації" Туапсе 1997;

4-й Міжнародній конференції "Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації" Туапсе 1998;

4-му Міжнародному форумі "Радіоелектроніка і молодь у ХХ1 столітті" 2000;

5-й Міжнародній конференції "Нафта - Газ України" - Полтава -1998, а також на наукових семінарах;

7-й Міжнародній конференції "Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації" Туапсе 2001.

Публікації. Основні наукові положення дисертації опубліковані в друкарських роботах, із котрих 5 статей, 6 тез доповідей, 3 авторських посвідчення.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури, додатків, 20 малюнків, 30 таблиць, - усього 170 сторінок. Основний текст дисертації 150 сторінок.

інформаційний математичний електрохімзахист трубопровід

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі стисло поданий предмет і об'єкт дослідження, обгрунтована актуальність дисертаційної роботи, приведені відомості про зв'язок обраного напрямку досліджень із планами організації, де була виконана робота, відзначена наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, приведені дані про їхнє використання в газовій промисловості.

У першому розділі приведена характеристика організаційно-технологічного комплексу захисту магістральних трубопроводів від корозії як об'єкту автоматизації. Досліджено чинники, що впливають на інтенсивність та характер корозійних процесів. Проаналізовано існуючі методи захисту трубопроводів від корозії, а також наведені критерії оцінки захищеності підземних металевих споруджень. Проведено аналіз існуючих підходів до моделювання систем протикорозійного захисту. Зроблені наступні висновки. 1) системи протикорозійного захисту трубопроводів є досить складними технологічними об'єктами, експлуатація яких пов'язана з великою відповідальністю і потребує від обслуговуючого персоналу глибоких знань і досвіду роботи; 2) Для підвищення ефективності роботи служби електрохімзахисту необхідно створення нової інформаційної технології, за допомогою якої можливо приймати ефективні рішення що до експлуатації засобів електрохімзахисту та трубопроводів; 3) для створення такої інформаційної технології необхідно мати адекватний математичний опис об'єкту управління та ефективні алгоритми обробки даних; 4) існуючі математичні моделі об'єктів протикорозійного захисту не повною мірою задовольняють вимогам адекватності і недостатньо пристосовані до реальних умов експлуатації. На основі проведених досліджень сформульовані зазначені вище мета та задачі дисертаційної роботи.

В другому розділі розроблені математичні моделі залежності розподілу захисної різниці потенціалів труба-земля від вихідних струмів установок катодного захисту.

Модель розподілу захисної різниці потенціалів “труба-земля” з урахуванням впливу протяжливих анодних заземлень і постійним коефіцієнтом згасання використовується в умовах коли дані вимірів різниці потенціалів труба-земля відсутні, але відомі такі характеристики як глибина закладання трубопроводу, геометрія анодних заземлень, товщина стінки труби, діаметр труби, середній перехідний опір ізоляції, питомий опір грунтів вздовж трубопроводу та поблизу анодів.

Різниця потенціалів труба-земля складається з двох складових - позитивного потенціалу грунту , що створюється електричним полем анодних заземлювачів та негативного потенціалу поверхні труби , що виникає за рахунок протікання катодного току вздовж трубопроводу.

Електричне поле в грунті, що спотворене зосередженим у точці анодним заземлювачем описується наступним співвідношенням:

, (1)

де - значення потенціалу грунту в точці з координатами x, y, що задані відносно міста розташування анодного заземлювача;- струм кола “заземлювач - грунт - труба”; - питомий опір грунту навколо анодного поля.

Розподілення захисного потенціалу вздовж трубопроводу представлено наступним виразом:

, (2)

де - значення потенціалу труби на відстані x від точки підключення станції катодного захисту, - вхідний опір труби, - стала розповсюдження струму, - повздовжній опір труби, - перехідний опір ізоляційного покриття.

Розглянемо систему катодного захисту, що складається з протяжливого трубопроводу та однієї катодної установки, катодна клема якої підключена у точці xк до трубопроводу, а анодна до зосередженого заземлювача, що розташований на відстані y від вісі труби і зсунутий на відносно xк вздовж вісі труби. (рис. 1.)

Різниця потенціалів труба-земля у будь-якій точці трубопроводу буде розрахована наступним чином:

, (3)

або

.(4)

Для протяжних анодних заземлень вираз (1) не підходить.

Використовуючи позначення, що прийняті на рис. 1, можна записати формулу для визначення потенціалу грунту над трубою, що враховує вплив протяжних заземлень:

. (5)

де i - щільність електричного струму, , .

Припустимо, що в системі катодного захисту трубопроводу використовується n станцій катодного захисту (СКЗ), які катодними клемами підключені до трубопроводу в точках , а анодними до заземлень, що встановлені в точках з координатами і мають довжини . Тоді різниця потенціалів “труба-земля” в точці x над трубопроводом буде дорівнювати:

, (6)

де .

Модель розподілу захисної різниці потенціалів “труба-земля” з різними коефіцієнтами загасання на ділянках між сусідніми СКЗ використовується при наявності даних вимірів різниці потенціалів “труба-земля” на контрольно-вимірювальних пунктах (КВП).

Захисна різниця потенціалів у будь-якій точці ділянки між двома СКЗ записується наступним чином:

,

де A, ? - параметри, що залежать від різниці потенціалів у точках дренажу; - функції впливу протяжливих анодних полів першої і другої катодної установки.

Функція впливу електричного поля протяжного анодного заземлення має вигляд:

, (7)

де - струм катодної установки; - питомий опір грунту поблизу анодного заземлення; - початок анодної лінії; - довжина анодної лінії; - відстань анодної лінії від вісі трубопроводу.

Для визначення характеру кривої розподілу захисної різниці потенціалів на ділянці між двома СКЗ, необхідно виконати оцінку параметрів .

Припустимо, що є дані вимірів захисної різниці потенціалів “труба-земля” у деяких точках між СКЗ1 та СКЗ2 - . Тоді можна записати :

, (8)

де - різниця потенціалів, що була виміряна в j-й точці; U(xj) - теоретичне значення різниці потенціалів у j-й точці; - відхилення виміряного значення різниці потенціалів, від теоретичної кривої в j-й точці.

Для визначення параметрів ?, ?, A по виміряних значеннях необхідно вирішити наступну задачу мінімізації:

. (9)

Значення різниці потенціалів “труба - земля” у будь-якій точці ділянки трубопроводу, що захищається декількома (n) СКЗ, є лінійна суперпозиція різниці потенціалів, накладених усіма СКЗ, а отже, буде справедливе наступне рівняння:

, (10)

де - вектор значень різниці потенціалів “труба-земля” в точках підключення СКЗ, - симетрична () матриця коефіцієнтів, елементи якої - .

Коефіцієнт залежності власної різниці потенціалів від струму i-ї СКЗ зображується наступним чином:

, (11)

де Ii - значення струму i-ї СКЗ.

Вектори є рішенням задачі ідентифікації параметрів математичної моделі і використовуються в розрахунку значень різниці потенціалів “труба-земля” для заданих вихідних струмів СКЗ.

При зміні струму i-ї СКЗ на ?I, зміна захисної різниці потенціалів у точці дренажу даної СКЗ буде дорівнювати:

. (12)

Зміна різниці потенціалів у будь-якій точці газопроводу на інтервалі між i та (i+1) СКЗ обчислюється наступним чином:

, (13)

де x - відстань від i-ї СКЗ до розрахункової точки.

Зміна різниці потенціалів у будь-якій точці газопроводу на інтервалі між i та (i - 1) СКЗ відповідно:

. (14)

Зміна різниці потенціалів у будь-якій точці між p і (p-1) СКЗ ділянки можна записати наступними виразами:

, (15)

, (16)

де - відстань від p-ї СКЗ до розрахункової точки.

Застосовуючи формули (12 - 16) можна розрахувати значення різниці потенціалів у будь-якій точці ділянки трубопроводу при зміні значення вихідного струму на будь-якій СКЗ.

У дискретній моделі розподілу різниці потенціалів “труба-земля” для ідентифікації параметрів використовуються дані вимірів повздовжнього змінного струму, створеного пробним генератором, що підключається до системи “труба - земля” у заданій точці трубопроводу.

Ізольований підземний трубопровід, що захищається станціями катодного захисту можна представити наступною еквівалентною електричною схемою (рис. 2).

У третьому розділі виконані дослідження та аналіз існуючих методів корозійних обстежень магістральних трубопроводів з метою оцінки виникаючих похибок та їх характеристик. Результати цих досліджень були використані для урахування характеристик похибок при розробці алгоритмів ідентифікації параметрів математичних моделей розподілу захисної різниці потенціалів “труба-земля”, що розроблені у другому розділі.

У розділі розроблені наступні розрахункові алгоритми: 1) визначення оптимальних режимів роботи засобів електрохімзахисту на ділянці трубопроводу; 2) визначення місць і розмірів пошкодження ізоляційного покриття на основі даних вимірів різниці потенціалів “труба-земля” і поперечних градієнтів потенціалів “земля-земля”.

Проведені дослідження адекватності розроблених математичних моделей на імітаційній моделі і на реальних даних. При цьому максимальне відхилення розрахованої різниці потенціалів “труба-земля” від вимірів не перевищувало 10 відсотків.

Розроблені методи та алгоритми входять до складу інформаційної технології автоматизованого управління системами протикорозійного захисту магістральних трубопроводів, яка дозволяє приймати ефективні рішення, що до експлуатації магістральних трубопроводів і засобів ЭХЗ.

У четвертому розділі визначена функціональна структура системи управління протикорозійним захистом магістральних трубопроводів. Функції організаційно-технологічного комплексу поділяються на інформаційні та управляючі. До складу системи входять наступні інформаційні функції: 1) збір, збереження і відображення інформації, що отримується під час проведення сезонних і комплексних корозійних обстежень; 2) ідентифікація параметрів моделей управління катодними установками; 3) визначення місць пошкодження ізоляції та діагностики корозійного стану трубопроводу; 4) визначення показників технічного стану засобів електрохімзахисту; 5) визначення оптимальних режимів роботи установок катодного захисту; 6) формування звітних документів, що використовуються для прийняття рішень і виробітки управляючих впливів.

Система також має наступні управляючі функції: 1) формування планів проведення капітальних ремонтів трубопроводу; 2) формування планів капітальних ремонтів установок катодного захисту; 3) регулювання режимів роботи катодних установок.

Для реалізації вищеназваних функцій та задач було розроблено інформаційну модель інтегрованої бази даних, в основу якої покладено графоаналітичну модель газотранспортної системи, а також об'єктно-орієнтований масштабований класифікатор технологічного обладнання.

На основі розроблених в дисертації моделей і методів створена інформаційна технологія, яка призначена для автоматизації інформаційних функцій і складається з п'яти основних програмних модулів: 1) паспортизація і параметризація об'єктів; 2) збирання, накопичення та відображення даних вимірів; 3) діагностика ізоляційного стану трубопроводів; 4) оптимізація роботи систем катодного захисту; 5) управління даними, розподілення і обмін інформацією між організаційними рівнями.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведені теоретичні узагальнення і нові вирішення задачі удосконалення системи організаційно-технологічного управління ЕХЗ, за рахунок розробки математичних моделей та інформаційної технології управління організаційно-технологічним комплексом протикорозійного захисту магістральних трубопроводів. Для вирішення цієї наукової задачі були розроблені математичні моделі розподілу електричних полів вздовж поляризованого підземного трубопроводу, а також метод оптимізації режимів роботи катодних установок та метод виявлення ділянок з пошкодженою ізоляцією. Розроблена інформаційна технологія автоматизованого управління, яка призначена для вирішення задач підвищення ефективності функціонування організаційно-технологічної системи управління протикорозійного захисту. У ході дослідження досягнуті наступні результати.

1. Проведено аналіз організаційно-технологічного комплексу системи протикорозійного захисту магістральних трубопроводів, і обгрунтована необхідність створення інформаційної технології автоматизованого управління системами катодної поляризації. Проаналізовані існуючі математичні моделі розподілу захисної різниці потенціалів “труба-земля” і виявлені недоліки що до практичного їх застосування. Поставлені задачі дослідження.

2. Розроблено математичну модель розподілу захисної різниці потенціалів “труба-земля” з урахуванням впливу протяжливих анодних заземлень та постійним коефіцієнтом згасання, яка дозволяє визначити різницю потенціалів у будь якій точці розрахункової ділянки в умовах відсутності даних сезонних або комплексних обстежень трубопроводу. Її доцільно використовувати при вирішенні задачі управління режимами роботи катодних установок, що захищають трубопроводи з незначним строком експлуатації і рівномірним розподілом пошкоджень ізоляції по довжині.

3. Розроблено математичну модель розподілу захисної різниці потенціалів “труба-земля” з урахуванням впливу протяжливих анодних заземлень і різними коефіцієнтами згасання на ділянках між сусідніми катодними установками. Модель використовується в математичному забезпеченні комплексу задач регулювання струмів катодних установок в умовах наявності незначних об'ємів вимірів на трасі.

4. Розроблено дискретну математичну модель розподілу захисної різниці потенціалів "труба-земля" з нерівномірним перехідним опором “труба-ізоляція-грунт” у вузлах дискретизації та урахуванням геометрії анодних заземлень. Модель використовується в математичному забезпеченні комплексу задач регулювання струмів катодних установок при наявності даних комплексних корозійних обстежень трубопроводу безконтактним методом.

5. Розроблено метод визначення місць і розмірів пошкоджень ізоляційного покриття на основі даних вимірів різниці потенціалів “труба-земля” і поперечних градієнтів потенціалів “земля-земля”, що отримуються контактним методом. Використовується в математичному забезпеченні комплексу задач діагностики корозійного стану трубопроводу та плануванні ремонтно-відновлювальних робіт. Метод не потребує проведення обстежень з одночасним підключенням та відключенням катодних установок ділянки, що обстежується. Це дозволяє знизити витрати на проведення польових робіт на трасі і підвищити достовірність отриманих результатів.

6. Розроблено метод визначення оптимальних режимів роботи засобів електрохімзахисту, за допомогою якого визначається вектор оптимальних вхідних струмів катодних установок, а також, при необхідності, генеруються рекомендації по реконструкції системи протикорозійного захисту з метою підвищення ефективності її роботи. Дозволяє знизити витрати електроенергії на катодну поляризацію, за рахунок автоматизованого вирішення задач оптимального регулювання струмів катодних установок, планування своєчасної заміни анодних заземлень, поновлення ізоляції труби, встановлення додаткових катодних станцій, або протекторів.

7. Удосконалено функціональну структуру системи управління організаційно-технологічним комплексом протикорозійного захисту магістральних трубопроводів; розроблено графоаналітичну модель газотранспортної системи та об'єктно-оріентований масштабований класифікатор технологічного обладнання, які були використані при створенні інформаційної моделі інтегрованої бази даних автоматизованої системи управління захистом трубопроводів від корозії.

8. Проведені дослідження адекватності розроблених математичних моделей.

9. Розроблено інформаційну технологію автоматизованого управління системами протикорозійного захисту магістральних трубопроводів. Інформаційна технологія реалізована у вигляді програмно комплексу клієнтських додатків і пакету серверних процедур згідно технології клієнт-сервер СУБД ORACLE, та була впроваджена в експлуатацію в управлінні магістральних газопроводів Харків-Трансгаз, що підтверджено відповідними актами. Впровадження програмного комплексу дало можливість знизити витрати на проведення комплексних корозійних обстежень трубопроводів за рахунок того, що закладені в його основу математичні моделі та алгоритми обробки даних дозволяють використовувати методи вимірів, які не потребують комутації катодних установок. Крім того, запропонований метод розрахунку оптимальних експлуатаційних режимів катодних установок дозволив знизити витрати електроенергії на катодну поляризацію трубопроводу.

ПУБЛИКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Скляров С.А. Математическая модель идентификации распределения защитного потенциала вдоль магистрального трубопровода при заданных режимах работы установок катодной защиты. // АСУ и приборы автоматики 1998. - №108 - С. 77 - 85.

2. Скляров С.А. Передумови побудови АСУ системи електрохiмзахисту магiстральних трубопроводiв // Радиоэлектроника и информатика - 1998. - №4 - С. 41 - 43.

3. Скляров С.А. Алгоритм оптимизации режимов работы системы противокоррозионной защиты магистральных трубопроводов // АСУ и приборы автоматики - 1999 г. - № 110. - С. 45 - 50.

4. Дударь З.В. Скляров С.А. Математическая модель распределения разности потенциалов труба - земля с учетом влияния электрических полей анодных заземлителей // Новые решения в современных технологиях. - 2000. - № 80 - С. 30 - 33.

5. Борисенко В.П., Скляров С.О., Сендецкий Р.А., Андреев В.В. Адаптивный объектно-классификационный подход к построению интегрированной распределенной базы данных ИАСУ ДК "Укртрансгаз"// Тезисы докладов -7-я международная конференция "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" - Харьков: ХТУРЭ, 2001. - С. 234 - 235.

6. Програмне забезпечення для збору та обробки даних комплексних корозійних обстежень магістральних трубопроводів : ВП № 361. Україна / С.О. Скляров, А.В. Батозська, О.А. Скоробогатов, Д.О. Кудін, Г.О. Ютина заявл. 22.06.1999, видане 09.07.1999.

АНОТАЦІЯ

Скляров Станіслав Олександрович Математичні моделі та інформаційні технології автоматизованого управління системами протикорозійного захисту магістральних трубопроводів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. - Харківський національний університет радіоелектроніки.

Дисертація присвячена розробці інформаційної технології управління організаційно-технологічним комплексом протикорозійного захисту магістральних трубопроводів. Для вирішення цієї наукової задачі були розроблені математичні моделі розподілу електричних полів вздовж поляризованого підземного трубопроводу, а також метод оптимізації режимів роботи катодних установок, та метод виявлення ділянок з пошкодженою ізоляцією. Інформаційна технологія реалізована у вигляді розподіленої модульної програмної системи, яка дозволяє вирішувати задачі діагностики корозійного стану трубопроводів, оптимального управління режимами роботи систем протикорозійного захисту, а також задачі ефективного планування проведення ремонтно-відновлювальних робіт.

Ключові слова: магістральні трубопроводи, протикорозійний захист, математичні моделі, діагностика корозії, оптимальне управління, інформаційна технологія, інформаційна модель.

АННОТАЦИЯ

Скляров Станислав Александрович Математические модели и информационные технологии автоматизированного управления системами противокоррозионной защиты магистральных трубопроводов. - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники.

Диссертация посвящена разработке информационной технологии управления организационно-технологическим комплексом противокоррозионной защиты магистральных трубопроводов. Для решения этой научной задачи были разработаны математические модели распределения электрических полей вдоль поляризованного подземного трубопровода, а также методы оптимизации режимов роботы катодных установок и определения участков с поврежденной изоляцией. Информационная технология реализована в виде распределенной модульной программной системы, которая позволяет решать задачи диагностики коррозионного состояния трубопроводов, оптимального управления режимами работы систем противокоррозионной защиты, эффективного планирования проведения ремонто-восстановительных работ. В соответствии с этим в первом разделе приведена характеристика организационно-технологического комплекса защиты магистральных трубопроводов от коррозии. Исследованы факторы, влияющие на скорость и характер коррозионных процессов. Проанализированы существующие методы защиты от коррозии, а также критерии оценки защищенности подземных металлических сооружений. Проведен анализ существующих подходов к моделированию систем противокоррозионной защиты. В результате проведенного анализа определены основные задачи исследования: разработка математических моделей распределения защитной разности потенциалов труба-земля вдоль поляризованного трубопровода, разработка метода оптимизации режимов работы катодных установок, разработка метода определения мест и протяженности повреждения изоляционного покрытия, разработка функциональной структуры и логической модели данных информационной технологии автоматизированного управления организационно-технологическим комплексом противокоррозионной защиты магистральных трубопроводов, программная реализация разработанных моделей, методов и элементов информационной технологии.

Во втором разделе были разработаны следующие математические модели зависимости распределения защитной разности потенциалов "труба-земля" от выходных токов катодных установок: математическая модель распределения защитной разности потенциалов труба-земля с учетом влияния протяженных анодных заземлений и постоянным коэффициентом затухания, математическая модель распределения защитной разности потенциалов труба-земля с учетом влияния протяженных анодных заземлителей и различными коэффициентами затухания на участках между соседними катодными установками, дискретная математическая модель распределения защитной разности потенциалов "труба-земля" с неравномерным переходным сопротивлением "труба-изоляция-грунт" в узлах дискретизации. Каждая из этих моделей имеет свою область применения в зависимости от методик проведения измерений и полноты данных. Разработан метод определения координат и размеров повреждения изоляционного покрытия, на основе контактных методов измерений без коммутации катодных установок.

В третьем разделе проанализированы существующие методы измерений параметров системы электрохимзащиты и определены статистические характеристики погрешностей. Разработаны следующие алгоритмы: алгоритм оптимизации режимов работы катодных установок, алгоритм поиска повреждений изоляционного покрытия, алгоритм расчета кривой распределения разности потенциалов "труба-земля" при заданных режимах роботы катодных установок.

В четвертом разделе разработана функциональная структура и логическая модель информационной технологии автоматизированного управления организационно-технологическим комплексом противокоррозионной защиты магистральных трубопроводов. Разработаны и программно реализованы элементы информационной технологии.

Ключевые слова: магистральные трубопроводы, противокоррозионная защита, математические модели, диагностика коррозии, оптимальное управление, информационная технология, информационная модель.

ABSTRACT

Sklyarov Stanislav Alexandrovich, mathematical models and informational technologies of automated control by the systems of anticorrosion protection of arterial pipelines. - Manuscript.

The thesis is presented for submitting of science degree in speciality 05.13.06 - automated control systems and progressive information technologies. - Kharkov national university of radioelectronics, Kharkov - 2002.

The thesis is devoted to working out informational control technology by organizational-technological complex of anticorrosion protection of arterial pipelines. For solving this scientific problem mathematical models of allocation electrical currents along the polarized underground pipelines were worked out as well as the method of optimization of regimes of cathode installation's work and the methods of revealing fields with damaged isolation. Informational technology is realized in a kind of distributed unit program system which allows to solve, the problems of diagnostics of pipelines' corrosion state, optimal regimes' control of anticorrosion protection systems' work and the problems of effective planning realization of repair-restorations works as well.

Key words: arterial pipelines, anticorrosion protection, mathematical models, diagnostics of corrosion, optimal control, informational technology, informational model.

Размещено на Allbest.ru

...