«Автоматизация и информатизация ТЭК»

Анализ и выбор математических уравнений нестационарного течения газа для машинного обучения прокси-моделей магистральных газопроводов

УДК: 519.63
DOI: -

Авторы:

¹ Газпром, Санкт-Петербург, Россия
² НИИгазэкономика, Москва, Россия
³ Газпром трансгаз Чайковский, Чайковский, Россия

Ключевые слова: газотранспортные системы, системы дифференциальных уравнений, численные методы, нейросетевые модели

Аннотация:

Изменение структуры и поведения энергетических рынков существенно влияет на работу действующих газотранспортных систем (ГТС). Современные условия функционирования ГТС характеризуются часто меняющейся нагрузкой, вызванной ростом неравномерности газопотребления, существенным отличием текущих технологических режимов транспортировки газа от проектных, а также увеличением вариативности режимов. Для оперативного управления ГТС необходимо внедрение современных инструментов моделирования и оптимизации режимов транспорта газа. Но если ранее планирование режимов осуществлялось преимущественно с использованием моделей стационарного течения газа, то в настоящее время актуальной задачей становится переход на нестационарные модели. Вместе с тем, несмотря на большие достижения науки в области разработки математического обеспечения для решения задач имитации нестационарных режимов ГТС, прогресс в области оптимизации таких режимов менее значим ввиду вычислительной сложности соответствующих расчетных задач. В связи с этим активно продолжаются исследования, направленные на создание рационально построенных быстродействующих алгоритмов имитации и оптимизации нестационарных режимов ГТС. Перспективным направлением этих исследований является использование прокси-моделей (также именуемых суррогатными), основанных на применении методов машинного обучения. Такие модели позволяют имитировать процессы нестационарного течения газа в магистральных газопроводах. Для создания прокси-моделей могут использоваться нейросетевые архитектуры или другие виды моделей машинного обучения. Они характеризуются высокой скоростью вычислений и при этом обладают точностью, приемлемой для решения многих практических задач транспорта газа. Обучение прокси-моделей осуществляется на основе заранее подготовленных обучающих выборок – фактических или синтезированных данных, полученных путем проведения многовариантных теплогидравлических расчетов. В статье представлены результаты анализа нескольких известных моделей нестационарного течения газа в линейных участках магистральных газопроводов, которые можно использовать для подготовки этих обучающих выборок. На основе результатов проведенных вычислительных экспериментов осуществлен выбор рекомендуемой модели. Основными критериями выбора модели являлись адекватность получаемых результатов и скорость вычислений.

Список литературы:

1. Казак А.С., Олейников А.В. Применение методов системного анализа для построения цифровых двойников фрагментов газотранспортных систем на основе нейросетевого моделирования (основные положения методологии анализа и синтеза) // Автоматизация и информатизация ТЭК. – 2024. – № 1(606). – С. 5–12.
2. О новом методе цифрового моделирования нестационарных режимов течения газа в магистральных газопроводах с применением нейронных операторов / А.В. Белинский, Д.В. Горлов, И.А. Пятышев, А.Е. Титов // Газовая пром-сть. – 2024. – № 5(865). – С. 54–66.
3. Сарданашвили С.А. Расчетные методы и алгоритмы (трубопроводный транспорт газа). – М.: Изд-во "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005. – 577 с.
4. Методика расчета течения природного газа по трубе в программном комплексе моделирования газотранспортных систем "Волна" / А.А. Воробьев, А.А. Калинин, Г.В. Каспиев [и др.] // Мат. моделирование. – 2014. – Т. 26, № 7. – С. 87–96.
5. Сухарев М.Г., Самойлов Р.В. Анализ и управление стационарными и нестационарными режимами транспорта газа: моногр. – М.: Издат. центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2016. – 397 с.
6. Сухарев М.Г., Косова К.О. Метод идентификации параметров систем газоснабжения при нестационарных режимах течения газа // Автоматика и телемеханика. – 2017. – № 5. – С. 141–151.
7. Сухарев М.Г., Попов Р.В. Новая методика моделирования нестационарных течений газа в системах газоснабжения // Изв. РАН. Энергетика. – 2015. – № 2. – С. 150–159.
8. Цыбульник В.Н., Рубель В.В. Комплекс моделирования и оптимизации газотранспортных систем "АСТРА" // Газовая пром-сть. – 2006. – № 1. – С. 27–29.
9. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ 2015617924 Рос. Федерация. ПВК "Веста-КС" / С.А. Сарданашвили, С.К. Митичкин, Д.Г. Леонов [и др.]; правообладатель ООО Фирма "ИНГОЙЛ". – № 2015613212; заявл. 21.04.2015; опубл. 20.08.2015.
10. Попов Р.В. Математическое и компьютерное моделирование и оптимизация нестационарных режимов в крупномасштабных газотранспортных системах: дис. … канд. техн. наук: 05.13.18. – М., 2016. – 151 с.
11. От простого к сложному: иерархический подход к расчетам магистральных газопроводов как сложных систем / А.С. Казак, Н.А. Кисленко, А.М. Чионов [и др.]; под общ. ред. А.С. Казака. – М.: НИИгазэкономика, 2021. – 320 с.