Современные информационные технологии/3.Программное обеспечение

Коданова Ш.К.

Атырауский институт нефти и газа, Республика Казахстан

Основные интерфейсы компьютерной системы оптимизации природоохранных мероприятий

По результатам анализа и сравнения критериев выбора для программной реализации природоохранных мероприятий в данной работе выбрана среда Visual Basic Главным критерием при выборе средства программирования являлся удобства и простата.

Приведем описание интерфейса разрабатываемой компьютерной системы. оптимизации природоохранных мероприятий. Главное меню системы приведено в рисунке 1. Как видно из приведенного меню предлагаемая компьютерная система моделирования и оптимизации природоохранных мероприятий в нефтегазовом производстве состоит из двух основных подсистем: подсистема моделирования; подсистема оптимизации, в которых реализуются соответствующие функции создаваемой системы.

В данной работе программно реализованы основные функции подсистемы: моделирование процесса протекания растекания аварийных нефтяных загрязнений на акватории моря; моделирование дрейфа нефтяного пятна по водной поверхности; моделирование процесса трансформации нефтяного загрязнителя в пятне, а также моделирование рассеивания загрязняющих веществ по атмосферу. Приведем более подробное описание этой подсистемы.

Как видно, из рисунка 1 подсистема моделирования имеет подменю «Моделирование аварийных нефтяных загрязнений на акватории моря», «Моделирование дрейфа нефтяного пятна», «Моделирование трансформации нефтезагрязнителя в пятне» и «Моделирование рассеивания загрязняющих веществ».

При выборе подсистемы оптимизации становятся доступными меню «Оптимизация природоохранных мероприятий при ликвидации нефтезагрязнений», «Определение длины боковых ограждений для ликвидации нефтяного пятна», «Выбор оптимального состава и мест дислокации средств ликвидации» и «Оптимизация природоохранных мероприятий в нечеткой среде».

Рисунок 1 – Главное меню создаваемой системы

«Моделирование аварийных нефтяных загрязнений на акватории моря» осуществляется на основе гидродинамических моделей приведенных в работе [1]. Моделирование растекании нефти по поверхности моря проводится с учетом трех режимов: инерционный, гравитационно-вязкий и режим поверхностного натяжения.

Будем приближенно характеризовать R - объем вылитой нефти характерным радиусом и толщиной h, так что характерный объем пленки V=pR^2×h сохраняется. В инерционном режиме сила горизонтального градиента давления уравновешивается силой инерции:

(1)

где Р – давление, ρ_н – плотность нефти, r₀ – радиальная координата, и – радиальная компонента скорости.

Выражая градиент давления через градиент толщины пленки имеем:

(2)

где g – ускорение свободного падения, ρ – плотность воды, h – толщина нефтяной пленки.

В инерционном режиме сила горизонтального градиента давления уравновешивается силой инерции. Зависимость радиуса пленки нефти от времени для инерционной фазы растекания определяется по формуле (3).

(3)

где k₁ – константа, характеризующая разницы между переходными толщинами и их радиусами в инерционной фазе, обычно около единицы.

Переход от инерционного к гравитационно-вязкому режиму происходит тогда, когда толщина пленки становится достаточно малой, а толщина вязкого пограничного слоя достаточно большой.

В гравитационно-вязком режиме растекания нефтяного пятна учитывается силы вязкого трения в пленке по (4)-(7).

(4)

где z – вертикальная координата, имеем

(5)

(6)

(7)

Для моделирования и определения значения радиуса нефтяной пленки в зависимости от времени в гравитационно-вязком режиме растекания, используется итерационный метод (8).

(8)

где k₂ – константа, отражающая разницы между переходными толщинами и их радиусами в гравитационно-вязкой фазе, принимает значение около единицы, больше единицы.

В третьем - режиме поверхностного натяжения, сила поверхностного натяжения равняется силе вязкого трения (9)-(11), из которых определяется зависимость радиуса пленки от времени в режиме поверхностного натяжения (12).

(9)

(10)

(11)

где k₃ – константа, характеризующая разницы между переходными толщинами и их радиусами в фазе переходного натяжения.

В итоге получаем зависимость радиуса пленки от времени в режиме поверхностного натяжения

(12)

Результаты моделирования и определения начальных стадий растекания нефти на поверхности Каспийского моря приведено на рисунке 2.

«Моделирование дрейфа нефтяного пятна». В этом меню осуществляется расчет дрейфа нефтяного пятна по поверхности моря на основе метода зависимых случайных блужданий (метод маркеров). В его основе, как уже отмечено, лежит анализ закономерностей случайных блужданий частиц и вычисление вероятностей тех или иных событий. Пятно нефти можно представляется в виде набора слабосвязанных частиц со слаборазвитой горизонтальной диффузией и задача решается в лагранжевых координатах на основе зависимостей.

«Моделирование трансформации нефтезагрязнителя в пятне» осуществляется на основе моделей трансформации загрязненных в результате аварийных разливов нефти участков [2]. Моделирование процессов трансформации нефтезагрязнителя и миграции техногенных потоков нефти, их учет и количественный анализ являются важными задачами, решение которых позволит обоснованно оценить степень загрязнения почвогрунтов углеводородами, дать прогноз уровня загрязнения, что открывает новые возможности для управления качеством окружающей природной среды. Математическая модель трансформации предназначена для отслеживания процессов, происходящих в загрязненном пятне в течение всего срока его существования и дает возможность для исключения из действующего регламента контроля весенней и осенней инвентаризации загрязненного участка, а необходимые сведения получать на основании расчетов.

Рисунок 2 - Результаты моделирования и определения начальных стадий растекания нефти на поверхности Каспийского моря

При выборе меню «Моделирование рассеивания загрязняющих веществ» на основе полученных результатов в разделе 2.3 проводится моделирование и исследование потенциального рассеивания загрязняющих веществ и их оседания на поверхности земли для выбросов (например, SO₂ – сернистый ангидрид и H₂S - сероводород, поступающих из дымовой трубы термоокислителя на установке удаления серы). Главная цель моделирования - опознавание любого возможного критического условия, касающегося рассеивания загрязняющих веществ и их оседания на поверхности земли. Для этой цели предложено использовать «Кратковременная модель распределения Гаусса», так как эта модель показывает максимальную концентрацию загрязняющих веществ на земле в течение ограниченного периода времени (часовой анализ), т.е. есть возможность определить суровые условия загрязнения.

Применяется модель АРМИ – атмосферное рассеяние от многих источников, основанный на стандартных моделях Гаусса, модель адаптирована для моделирования рассеивания загрязняющих веществ из дымовой трубы термоокислителя на установке удаления серы «Кашаган – Аджип КСО».

Для того, чтобы получить оценку с большим запасом самых критических условий окружающей среды (т.е. максимальная концентрация загрязняющих веществ на земле в течение ограниченного периода времени – 1ч), принято «кратковременный» вариант АРМИ, который в состоянии опознавать тяжелые и обостренные ситуации загрязнения.

Результаты моделирования на основе модели АРМИ при варианте «Диффузия и оседание (SO₂) – модель АРМИ в краткосрочном варианте – режим нормальной эксплуатации (1+4) – направление ветра 315^о» приведены на рисунке 3. Моделирование оседания загрязнителей на поверхность почвы выполнено в следующих климатических условиях:

- направление ветра: северо-восток (315^о), наиболее критическое условие;

- наиболее критическая средняя скорость ветра: 3,8 м/с (низкая скорость);

- классы стабильности: B,C,D и F+G7.

В таблицу сведены максимальные значения оседания загрязнителей (SOx) на поверхность почвы в условиях нормальной эксплуатации и с учетом различных классов стабильности, а также средние значения оседания загрязнителей в районе строительства термоокислителя (ст. Карабатан):

Решение задач оптимизации природоохранных мероприятий (состава сил) при ликвидации последствий аварии с разливом нефти и нефтепродуктов на море производится при выборе меню «Оптимизация природоохранных мероприятий при ликвидации нефтезагрязнений» подсистемы оптимизации.

Рисунок 3 - Результаты моделирования на основе модели АРМИ при варианте «Диффузия и оседание (SO₂) – модель АРМИ в краткосрочном варианте – режим нормальной эксплуатации (1+4) – направление ветра 315^о»

Здесь решается задача оптимизации при природоохранных мероприятий при постановке [3], т.е. исходная задача сводится к задаче поиска экстремума многопараметрической функции, стохастическими ограничениями и целочисленностью аргумента.

Моделирование и расчет изменения во времени радиуса нефтяного пятна, представленной функцией трех аргументов: плотности нефти или нефтепродукта ρ_Н объема разлива V и времени растекания t. Плотность воды ρ_В принимается равной 1000 кг/м³ для воды Северного Каспия. При моделировании и определении радиуса нефтяного пятна используется методика Fay, в которой процесс распространения нефтяных пятен по морской поверхности по времени разделяет на этапы, характеризующиеся действием сил тяжести и инерции; гравитационно-вязкостными условиями распространения и действием сил поверхностного натяжения. При этом для учета действия ветра используется предложенная нами модифицированная методика Fay.

На рисунке 4 представлены результаты моделирования процесса изменения радиусов нефтяного пятна в зависимости от времени растекания для разных объемов аварийного разлива. Изменение радиусов нефтяного пятна при растекании нефтяного разлива различных объемов определены для изменения времени растекания от 0 мин до 300 мин (5 часов).

Рисунок 4 - Изменение радиусов нефтяного пятна в зависимости от времени растекания для разных объемов разлива.

В подсистеме оптимизации также решается задачи «Определение длины боковых ограждений для ликвидации нефтяного пятна» и «Выбор оптимального состава и мест дислокации средств ликвидации», которые необходимы для оптимизации природоохранных мероприятий и средств ликвидации нефтяного разлива.

Для решения задач оптимизации природоохранных мероприятий в нечеткой среде, которые часто возникают на практике, применяются методы, постановки многокритериальных задач нечеткой оптимизации природоохранных мероприятий на основе различных компромиссных схем и принципов оптимальности и алгоритмы их решения. Эти возможности будут обеспечены на основе меню «Оптимизация природоохранных мероприятий в нечеткой среде».

Выводы: Приведены основные результаты программной реализации разработанных моделей по моделированию и оптимизации природоохранных мероприятий, дано описание основных интерфейсов системы моделирования и оптимизации: главное меню; моделирования процесса растекания нефти при аварийных разливах на поверхности Северного Каспия; модель АРМИ (атмосферное рассеяние от многих источников); моделирование процесса изменения радиусов нефтяного пятна.

Литература:

1. Оразбаев Б.Б., Кенжегалиев А.К., Гайсина С.Б.Гидродинамические модели для расчета растекания нефти и нефтепродуктов// Научно-технический журнал «Нефть и газ»., №4, 2007, -С.98-108.

2. Карабалин У.С. Оразбаев Б.Б., Сериков Ф.Т., Исмагулова С.Д. Исследование и создание математической модели трансформации загрязненных участков// Научный журнал «Нефть и газ», №3, 2009, -С.90-95.

3. Березин И.К. Оптимизация природоохранных мероприятий при ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов (на примере акватории Санкт-Петербурга). Проблемы риска в техногенной и социальной сферах. Спб. 2005, 16 с.