Использование ЭВМ при проектировании трубопроводов и хранилищ

Проектирование таких протяженных объектов как трубопроводы, пересекающих районы с самыми разнообразными топографическими, геологическими и климатическими условиями, встречающими на пути различные естественные и искусственные препятствия, представляет собой очень непростую задачу. Речь идет о том, чтобы не просто доставить нефть, нефтепродукт или газ из одной точки в другую, а сделать это с минимальными затратами средств на строительство, которое должно завершиться в заданные сроки. Кроме того, проектные решения должны обеспечить высокую надежность работы трубопровода, его экологическую безопасность. Наконец, требования к качеству проектов становятся все более жесткими, а сроки их выполнения - предельно сжатыми.

Объем работ, выполняемых при проектировании хранилищ, значительно меньше. Однако здесь также выполняется большое количество однотипных расчетов и чертежей в сжатые сроки.

Обеспечить высокое качество выполнения проектных работ в ограниченные сроки без увеличения количества задействованных работников проектных организаций позволяет использование систем автоматизированного проектирования (САПР). САПР объединяет технические средства (ЭВМ, графопостроители и т.д.), математическое, информационное и программное обеспечение, позволяющее автоматизировать проектирование на всех или отдельных стадиях проектирования объектов.

Применение ЭВМ для решения отдельных проектных задач началось одновременно с их появлением. Однако оно было эпизодическим, количество решаемых задач было ограничено. В настоящее время с помощью ЭВМ решается широкий круг проектных задач:

- выбор оптимальных трассы и конфигурации магистральных трубопроводов;

- оптимизация их параметров;

- оформление технической документации;

- выполнение технико-экономических расчетов. Рассмотрим в качестве примера решение на ЭВМ задачи выбора оптимальной трассы магистрального трубопровода.

Пусть заданы начальная А и конечная В точки магистрального трубопровода (рис. 18.1). На первый взгляд наилучшей трассой для него является прямая, проведенная между данными точками, поскольку металлозатраты при этом минимальны. Однако может оказаться, что именно на этом направлении сосредоточено большое количество естественных и искусственных препятствий, преодоление которых потребует значительных затрат. Необходимо выбрать такую трассу трубопровода, при которой общие затраты на его строительство будут наименьшими.

Перед поиском оптимальной трассы целесообразно ограничить область ее поиска, чтобы уменьшить объем исходной информации. Но при этом область поиска должна быть такой, чтобы в ней обязательно находилась лучшая трасса, а за ее пределами любая трасса была заведомо худшей.

Весь предшествующий опыт строительства трубопроводов показывает, что действительная длина магистрали, как правило, больше длины прямой, соединяющей начальную и конечную точки трассы. Это объясняется тем, что на пути трубопровода встречаются различные препятствия, которые при возможности целесообразно обойти.

Обозначим расстояние между начальным и конечным пунктами по геодезической прямой через L_(|, а длину реальной трассы через L,. Коэффициент пропорциональности между ними К_р = Ц/ L₀ называется коэффициентом развития трассы. По статистическим данным его величина равна: для равнинной местности К^ = 1,05; для средне-пересеченной болотистой местности К_р = 1,03...1,24; для сильнопересеченной местности с большим числом естественных и искусственных препятствий K_t = 1,16...1,4.

Если задан максимальный коэффициент развития трассы К, то ее предельно возможную длину можно найти как L_pn._K= К._к • L_(J. Таким образом, вводится жесткое ограничение на положение границы области прокладки Ь_ф < L_m.

Все возможные трассы, удовлетворяющие этому условию, должны быть заключены внутри кривой, каждая точка которой удалена от начального и конечного пункта трубопровода, на расстояния, дающие в сумме L _MAX. Такой кривой с точки зрения геометрии является эллипс с текущими координатами К, L, M, N, О и фокусами в точках А и В, малая ось которого в принятых обозначениях равна

 

 

Рис. 18.1. Область поиска оптимальной трассы

Рис. 18.2. Сетки, используемые при выборе трасс

 

Из теоретически определенной области поиска сразу же исключаются заведомо нецелесообразные зоны: области, находящиеся за начальной и конечной точками трассы, территории городов, поселков, заповедников, карьеров и т.п. На рис. 18.1 они заштрихованы.

Для поиска оптимальной трассы трубопровода на ЭВМ необходимо представить все многообразие условий местности в виде цифровой модели. Для этого на карту местности наносится сетка: прямоугольная без диагоналей, прямоугольная с диагоналями или произвольная (рис. 18.2). Точку, в которой сходятся более двух линейных элементов сетки, называют узлом, а линию между двумя смежными узлами - дугой. Чтобы зафиксировать элементы сетки друг относительно друга все дуги и узлы нумеруют (рис. 18.3), после чего определяют координаты узлов сетки на местности. Эта операция позволяет увязать произвольно нанесенную сетку с картой. Далее начинается самая кропотливая работа: вдоль каждой дуги определяется протяженность участков местности различных категорий. Всего по условиям и стоимости строительства выделено 79 категорий, например: 1-я - грунт песчаный без леса с низким стоянием грунтовых вод, 12-я - грунт плывунный, 32-я - переход через автомобильные и железные дороги, 35-я - орошаемые земли и т.д. Пример обработки карты местности показан на рис. 18.4. Верхняя цифра обозначает категорию местности, а нижняя -протяженность участка данной категории в километрах. Благодаря этой операции карта заменяется цифровой моделью местности, ко: торую вводят в компьютер в виде базы данных. Далее ЭВМ просчитывает стоимость прокладки магистрального трубопровода из начальной точки в конечную по всем возможным направлениям и выбирает как наилучший вариант, более других соответствующий выбранном}' критерию оптимальности (минимальные затраты на строительство, наименьшие металлозатраты, кратчайшие сроки сооружения трубопровода и т.д.).

 

Рис. 18.3. Пример нумерации дуг сетки

Рис. 18.4. Пример определения длин участков различной

категории вдоль дуг

(Верхние цифры обозначают номер категории участка, а нижние - длину участку данной категории в км.)