Основные сведения о задачах, решаемых при выборе оптимальных трасс магистральных трубопроводов. Критерии оптимальности

На стадии выбора трассы закладывается фундамент выгодности и надежности будущей транспортной магистрали. Разработаны методы проектирования магистральных трубопроводов, позволяющие, получить оптимальное решение по трубопроводу в целом и по отдельным его параметрам и характеристикам. Основной особенностью такого подхода является совмещение решения всех задач (технологических, конструкторских, экономических) на самом первом этапе – этапе выбора оптимальной трассы. Для реализации такого подхода поставлены и исследованы основные задачи проектирования в теоретическом плане. К их числу относятся, прежде всего, разработки методов поиска оптимальной трассы. Поиск оптимальной трассы осуществляется по цифровой модели. Представление многообразия природных условий цифровой моделью позволило однозначно оценить условия строительства и эксплуатации трубопровода в различных природно-климатических зонах (от Крайнего Севера до пустынных районов Средней Азии) и осуществлять процесс поиска оптимальных трасс с помощью ЭВМ. Сложность строительства такого линейно-протяженного объекта, как магистральный трубопровод, определяется в значительной мере и тем, что на разных участках трассы требуется применение различных конструктивных схем. В 1970-80 годах в России впервые были разработаны методы совмещения задач оптимального трассирования, профилирования и наилучшего распределения конструктивных схем. Это позволяет получить решение задачи о наилучшем проектном решении магистрального трубопровода.

При разработке нового метода проектирования была поставлена также проблема сохранения окружающей среды при сооружении и эксплуатации трубопровода. Эта проблема в значительной мере решается разработкой методов размещения запорной арматуры, при которых потери продукта в случае разрыва труб оказываются наименьшими. С этой же целью разработаны методы выбора наилучших створов и профиля перехода нефте- и газопроводов через реки, а также конструкции подводных трубопроводов, исключающие попадание нефти в водоемы.

Для обоснования элементов цифровой модели местности потребовалось выполнить комплекс исследований, связанных с классификацией местности по условиям строительства в пределах всей территории России с использованием материалов аэрофотосъемки и полевых изысканий, разработкой методики прогноза геокриологических изменений в полосе прокладки трубопровода на участках распространения вечномерзлых грунтов.

На основании выполненных научно-исследовательских работ создана комплексная система новых методов проектирования и изысканий и осуществляется переход па автоматизированное проектирование нефте- и газопроводов. Вместо субъективного выбора 2 – 3-х вариантов по мелкомасштабной карте с помощью ЭВМ стал осуществляться поиск наиболее экономичной трассы, ее профиля, технологических параметров и конструктивных решений с использованием крупномасштабных карт, материалов аэрофотосъемки и съемки, проводимой со спутников. Логическим завершением этой работы является генеральная технологическая схема автоматизированного проектирования трубопроводов.

Информация, необходимая для выбора оптимальной трассы

Под информацией о будущем трубопроводе понимается комплекс сведений, позволяющих количественно охарактеризовать условия строительства и эксплуатации будущего трубопровода, а также его стоимостные показатели. Недостаточное использование таких сведений может принести к потере лучшей трассы, чрезмерное их количество – к неоправданному усложнению процесса проектирования. Поэтому проектировщикам из огромного числа факторов, влияющих на положение будущей трассы, необходимо выделить наиболее важные, чтобы учесть их уже в период определения так называемого генерального направления трассы. Затем при детализации ее учитывается и влияние ряда менее важных факторов, которые не могут существенно изменить генерального направления трассы, но могут изменить ее положение на отдельных участках в пределах полосы варьирования шириной в несколько километров относительно генерального направления.

Все сведения можно подразделить на две основные группы: не зависящие от климатических, топографических и гидрогеологических условий, в которых будет прокладываться будущий трубопровод, и сведения, определяемые этими условиями. К первой группе сведений относятся начальная, конечная и промежуточные (заранее указанные) точки трубопровода, его диаметр, вид и количество перекачиваемого продукта, кратчайшее расстояние между начальной и конечной точками; ко второй группе сведений – данные, которые в какой-либо мере зависят от положения будущего трубопровода и от природных условий, в которых он может оказаться (топографические, геологические и гидрогеологические условия, естественные и искусственные препятствия, населенные пункты, число перекачивающих станций). Особое значение в формировании планового и высотного положения трассы имеют топографические, геологические и гидрогеологические условия, а также наличие естественных и искусственных препятствий. Именно эти факторы, как показывает практика проектирования, в большинстве случаев и определяют как генеральное направление, так и детальную укладку трассы на местности.

На основе анализа особенностей рельефа местности, грунтовых условий и характера естественных и искусственных препятствий, выполненного совместно с рядом проектных институтов, составлен перечень категорий местности применительно к трубопроводному строительству, который позволяет однозначно представлять одинаковые характеристики местности по всей трассе трубопроводов в цифровом виде, что является основой для создания цифровой модели местности

Критерии оптимальности

Среди множества трасс, которыми можно, соединить две или несколько конечных и промежуточных точек, могут быть лучшие и худшие, понятия «лучшие» или «худшие» приобретают реальный смысл, если оценка достоинства и недостатков трассы производится с помощью общей для трассы в целом и ее элементов меры или критерия. Если использовать для оценки трассы один критерий, то оптимальная трасса будет лучшей только с точки зрения какого-либо одного качества, характеризуемого этим критерием, но в то же время она может быть не лучшей с точки зрения другого качества.

Все критерии можно разделить на две группы: группу критериев обладающих свойством аддитивности (аддитивность – свойство величины, заключающееся в том, что полное ее значение равно сумме значений ее частей при любом их числе), и группу критериев, не обладающих этим свойством. Критерии первой группы не зависят от пути, по которому проходит трасса, а критерии второй группы – зависят. Охарактеризуем основные критерии, используемые при выборе оптимальных трасс трубопроводов.

Приведенные затраты

Общепризнанным критерием, универсально учитывающим большинство требований при которых достигается основной экономический эффект (нормативная отдача от каждого вложенного в дело рубля при минимуме эксплуатационных издержек), являются приведенные затраты, определяемые выражением

,

(8. 1)

где К – капитальные вложения; Е – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; Э – ежегодные эксплуатационные издержки.

Капитальные вложения на строительство магистрального трубопровода складываются из затрат на строительство линейной части трубопровода (К₁), на строительство компрессорных пли насосных станций (К₂), резервуарных парков и промежуточных хранилищ газа, если они необходимы (К₃), и других сооружений, т. е.

К = К₁ + К₂+... +К_п. (8. 2)

Нормативный коэффициент эффективности капиталовложении принимается для всех сооружаемых промышленных объектов равным 0,12. Приведенные затраты являются аддитивным критерием поскольку общие капитальные вложения равны сумме капитальных вложений на строительство любого числа объектов трубопровода, в том числе линейной части и отдельных ее элементов.

Длина трубопровода. Необходимость в использовании такого критерия может возникнуть при выборе кратчайшей трассы, проходящей по местности, на характеристики которой наложены определенные ограничения.

Трудовые затраты. Использование этого критерия может быть целесообразным при уточнении положения трассы на местности после выбора ее генерального направления. Расчет в этом случае проводится только по трудовым затратам на сооружение трубопровода. Существенного изменения длины трассы при этом не произойдет, но с учетом конкретных условий местности, полученных либо по крупномасштабным картам, либо на основании изысканий вдоль генеральной трассы, уточняется ее плановое положение в ограниченном пределе. Таким образом, критерий трудовых затрат более тонко реагирует на условия сооружения трубопровода, позволяет рассмотреть различные варианты производства работ и организации строительства на отдельных участках.

Надежность. Надежность функционирования трубопровода зависит от различных факторов (качества материалов, технологии строительства, эксплуатации и др.). В конечном итоге должна быть обеспечена наибольшая вероятность безотказной эксплуатации трубопровода.

Время строительства. Самостоятельно этот критерий может использоваться в случаях, когда быстрейшее окончание строительства является главной целью. Время может быть как аддитивным, так и неаддитивным критерием. Например, при выборе трассы, для которой вероятность закончить строительство трубопровода в заданный срок должна быть максимальной, критерий является функцией пути. Критерий времени можно использовать в качестве дополнительного. Например, требуется выбрать трассу, лучшую по приведенным затратам; если их окажется несколько, то выбирать такую, время строительства трубопровода вдоль которой будет минимальным. В этом случае в качестве второго аддитивного критерия можно использовать среднее время строительства единицы длины трубопровода соответствующим строительно-монтажным подразделением.