دانشکده مهندسی مکانیک
بخش مهندسي حرارت وسيالات
پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسي مکانيک (گرایش تبديل انرژی)
طراحی و بهينه سازي سیستم توزیع شاخه اي گازطبیعي بر مبناي تئوري ساختاري
توسط:
امين مرادي مختارخانلو
اساتید راهنما:
دکتر ابراهیم گشتاسبیراد
دکتر خسرو جعفرپور
تابستان 1390
به نام خدا
اظهارنامه
اينجانب امين مرادي مختارخانلو (870911) دانشجوي رشته مهندسي مکانيک گرايش تبديل انرژي دانشکده مکانيک اظهار ميکنم که اين پاياننامه حاصل پژوهش خودم بوده و در جاهايي که از منابع ديگران استفاده کردهام، نشاني دقيق و مشخصات کامل آن را نوشتهام. همچنين اظهار ميکنم که تحقيق و موضوع پاياننامهام تکراري نيست و تعهد مينمايم که بدون مجوز دانشگاه دستاوردهاي آن را منتشر ننموده و يا در اختيار غير قرار ندهم. کليه حقوق اين اثر مطابق با آييننامه مالکيت فکري و معنوي متعلق به دانشگاه شيراز است.
نام و نام خانوادگي :امين مرادي مختارخانلو
تاريخ و امضاء: 1390.6.11
تقديم به پدرم و مادرم که با مهر و محبت خود
همواره مرا ياري کرده اند.
سپاسگذاري
سپاس از جهاندار هر دو جهان
شناسنده آشکار و نهان
اکنون که اين پايان نامه به اتمام رسيده است از اساتيد ارجمندم دکتر ابراهيم گشتاسبي راد، دکتر خسرو جعفر پور، دکتر اميد ابوعلي، دکتر علي اکبر گلنشان و تمام کساني که راهنماي من در راه تحصيل علم بودند قدرداني ميکنم.
از آقايان مهندس سعيد مومني، مهندس علي اکبر ميدان شاهي و مهندس امين عربي به نمايندگي از شرکت گاز استان فارس که در انجام اين پايان نامه مساعدت فرموده و همچنين شرکت گاز استان فارس که آن را مورد حمايت مالي قرار داده کمال تشکر و سپاسگذاري را دارم.
چکيده
طراحی و بهينه سازي سیستم توزیع شاخه اي گاز طبیعي بر مبناي تئوري ساختاري
به وسيله ي:
امين مرادي مختارخانلو
توزیع گاز طبیعی در شبکه های روستایی و شهرهای کوچک به دلیل ساختار شهرسازی عمدتا به صورت شاخه ای صورت می پذیرد. همواره طراحان شبکه های توزیع گاز رسانی سعی بر این داشته اند طرح آنها با صرف کمترین هزینه بهترین خدمات رسانی را داشته باشد. در حال حاضر از روش هاي متفاوتي در طراحي و بهينه سازي شبکه توزيع گاز استفاده مي گردد. یکی از راههای بهینه سازی در شبکه های شاخه ای روش کارآمد ساختاری می باشد. ايده اوليه روش ساختاري از پديده هاي طبيعي گرفته شده است و اين از اينجا ناشي ميشود که اين پديده ها داراي نظم ساختاري ويژه اي هستند. در واقع تئوري ساختاري را در هر جايي از طبيعت مي توان مشاهده کرد (حوزه رودخانه ها، ريه، گردش جوي و …). در این پژوهش سعی شده است که برای اولین بار تئوري ساختاري را همراه با روش بهينه سازي در شبکه های شاخه ای توزیع گاز به کار گرفته شود. براي تحقق اين هدف، ابتدا افت فشار بين دو نقطه از شبکه بر حسب قطر لوله ها و ديگر پارامترهاي جريان محاسبه مي گردد و سپس مقدار اين افت کمينه مي شود. نتايج نشان مي دهد که با بهره گيري از تئوري ساختاري مي توان المان هاي شبکه را بهينه، قطر لوله ها را کمينه و هزينه نهايي سيستم را نيز کاهش داد.
فهرست مطالب
عنوانصفحهفصل اول: مقدمه و مروري بر تحقيقات پيشين 11-1 مقدمه11-2 اهداف پايان نامه حاضر31-3 مروري بر تحقيقات پيشين3 1-3-1- طراحي شبکه گاز3 1-3-2- تئوري ساختاری 6فصل دوم: مفاهيم طراحي و بهينه سازي72- 1 مقدمه ای در طراحی 72- 2 فرآیند طراحی 72- 3 فرايند طراحي متداول در مقابل بهينه سازي82- 4 نقش رايانه در بهينه سازي 112- 5 تعريف بهينه سازي112- 6 مفاهيم بهينه سازي112- 7 تاريخچه روش هاي بهينه سازي122-8 روش هاي مختلف بهينه سازي14 2-8-1- روش هاي محاسباتي14 2-8-2- روش هاي شمارشي15 2-8-3- روش هاي تصادفي15فصل سوم: معادلات حاکم بر جريان درون لوله ها163- 1 حرکت سيالات تراکم ناپذير در لوله ها16 3-1-1- انواع رژيم جريان سيال در لوله ها 16 3-1-1-1- جريان آرام16عنوانصفحه 3-1-1-2- جريان مغشوش17 3-1-2- جريان آرام در لوله اي استوانه ای17 محاسبه افت فشار18 3-1-3- جريان مغشوش در لوله هاي استوانه اي 19 3-1-3-1- منحني توزيع سرعت ها20 3-1-3-2- محاسبه افت فشار22 3-1-4- جريان مغشوش در لوله هاي صاف22 3-1-5- جريان مغشوش در لوله هاي زبر233- 2 حرکت سيالات تراکم پذير در لوله ها26 3-2-1- مقدمه26 3-2-2- معادلات اساسي در حرکت سيالات تراکم پذير 26 3-2-2-1- رابطه پيوستگي26 3-2-2-2- معادله حرکت 27 3-2-2-3- رابطه انرژی27 3-2-2- جريان تکدما از درون لوله با قطريکنواخت 28فصل چهارم: رويکرد تئوري ساختاری در طراحي شبکه هاي توزيع سيال304- 1 تئوري ساختاري304- 2 سيستم هاي در بردارنده جريان سيال35 4-2-1- جريان بين دو نقطه35 انتخاب بهترين سطح مقطع35 4-2-2- اتصالT شکل و Y شکل 39 4-2-2-1- جريان تراکم ناپذير با رژيم آرام 40 4-2-2-2- جريان تراکم ناپذير با رژيم آشفته44 4 -2-2-3- جريان تراکم پذير با رژيم آرام46 4 -2-2-4- جريان تراکم پذير با رژيم آشفته49 4-2-3- جريان بين يک نقطه و تعدادي زيادي از نقاط 51 4-2-3-1- شبکه درختي براي جريان سيال51 4-2-3-2- انواع شبکه درختي 53 الف) شبکه درختي تک جفتی53عنوانصفحه الف-1- جريان تراکم ناپذير با رژيم آرام 54 الف-2- جريان تراکم ناپذير با رژيم آشفته57 الف-3- جريان تراکم پذير با رژيم آرام59 الف-4- جريان تراکم پذير با رژيم آشفته61 ب) شبکه درختي دو جفتی64 ب-1- جريان تراکم ناپذير با رژيم آشفته64 ب-2- جريان تراکم پذير با رژيم آرام69 ب-3- جريان تراکم پذير با رژيم آشفته70 ج) شبکه درختي سه جفتی72 ج-1- جريان تراکم ناپذير با رژيم آشفته72 ج-2- جريان تراکم پذير با رژيم آرام76 ج-3- جريان تراکم پذير با رژيم آشفته78 د)شبکه درختي با جفت دلخواه80 4-3 محاسبه افت فشار در حالت کلي82 4-3-1- جريان تراکم ناپذير با رژيم آرام 83 4-3-2- جريان تراکم ناپذير با رژيم آشفته86 4-3-3- جريان تراکم پذير با رژيم آرام92 4-3-4- جريان تراکم پذير با رژيم آشفته94 4-4 شبکه درختي با کمترين طول لوله 100 4-4-1- کمترين طول لوله در صفحه100 4-4-2- کمترين طول لوله روي ديسک101 4- 5 مقايسه بين درخت بهينه و درخت با طول لوله کمينه(با فرض جريان تراکم ناپذير آرام)105 4- 6 مقايسه بين درخت بهينه و درخت با طول لوله کمينه (با فرض تراکم ناپذير جريان آشفته)106فصل پنجم – بهينه سازي شبکه شاخه اي گاز با تئوري ساختاري1095-1- ويژگي هاي گاز طبيعي109عنوانصفحه5- 2 شبکه توزيع گاز110 الف) شبکه شاخه اي110 ب) شبکه حلقوي110 ج) شبکه مختلط1105- 3 بررسي امکان بکارگيري تئوري ساختاري درسيستم شاخهاي گاز طبيعي111 5-3-1- طراحي اتصالات متوالي115 5-3-2- طراحي اتصالات موازي1175- 4 مدل سازي شبکه و روش حل آن120 5-4-1- تابع هدف120 5-4-2- قيود121 5-4-3- طراحي شبکه شاخه اي توزيع گاز1215- 5 طراحي و بهينه سازي يک سيستم نمونه شاخه اي گاز طبيعي125فصل ششم – ارائه نتايج و بحث: طراحي چند شبکه گاز رساني به کمک تئوري ساختاري 132 مسئله اول133 مسئله دوم143 مسئله سوم152فصل هفتم – جمع بندي نتايج1637-1 نتيجه گيري1637-2 پيشنهادات164منابع و ماخذ165
فهرست شکل ها
عنوان و شمارهصفحهشکل 2-1- الگوی تکامل سيستم8شکل 2-2- فرايند طراحي متداول9شکل 2-3- فرايند بهينه سازي10شکل 3-1- تغييرات سرعت نسبت به زمان در يک نقطه از لوله19شکل 3-2- مقايسه منحني توزيع سرعت ها در جريان آرام و مغشوش20شکل 3-3-منحني توزيع سرعت ها در لوله در حالات مختلف21شکل 3-4- تغييرات افت فشار نسبت به سرعت يا شدت جريان در حالات مختلف22شکل 3-5- تغييرات ضريب اصطکاک نسبت به تغييرات عدد رينولدز و زبري نسبي24شکل 3-6- منحني مودي25شکل 4-1- درختان به عنوان نمونه اي از ساختار هاي طبيعي بهينه31شکل 4-2- شش ها به عنوان نمونه اي ديگر از ساختارهاي خود بهينه32شکل 4-3- مقايسه شش انسان با شبکه درختي33شکل 4-4- شش انسان33شکل 4-5- جريان در حوزه رود خانه ها34شکل4-6- بکار گيري ساختار درختي در خنک کاري 35شکل 4-7- جريان بين دو نقطه36شکل 4-8- انتخاب سطح مقطع39شکل 4-9- اتصال T شکل40شکل 4-10 – اتصال Y شکل45شکل 4- 11- ساختار درختي52شکل 4- 12- شبکه درختي تک جفتی53شکل 4- 13- شبکه درختي تک جفتی با سه لوله مرکزي56عنوان و شمارهصفحهشکل 4- 14- نمودار تغييرات مقامت چريان f با تعداد لوله هاي مرکزي
n_o در جريان آرام تراکم ناپذير و جريان آشفته تراکم ناپذير در اختار درختي تک جفتي59شکل 4- 15-نمودار تغييرات مقامت چريان f با تعداد لوله هاي مرکزي
n_o در جريان آرام تراکم پذير و جريان آشفته تراکم پذير در ساختار درختي تک جفتي64شکل 4- 16- شبکه درختي دو جفتي67شکل 4- 17- نمودار تغييرات مقامت چريان f با تعداد لوله هاي مرکزي
n_o در جريان آرام تراکم ناپذير و جريان آشفته تراکم ناپذير در ساختار درختي دو جفتي68شکل 4- 18- نمودار تغييرات مقامت چريان f با تعداد لوله هاي مرکزي
n_o در جريان آرام تراکم پذير و جريان آشفته تراکم پذير در ساختار درختي دو جفتي72شکل 4- 19- شبکه درختي سه جفتي75شکل 4- 20- نمودار تغييرات مقامت چريان f با تعداد لوله هاي مرکزي
n_o در جريان آرام تراکم ناپذير و جريان آشفته تراکم ناپذير در ساختار درختي سه جفتي76شکل 4- 21- نمودار تغييرات مقامت چريان f با تعداد لوله هاي مرکزي n_o در جريان آرام تراکم پذير و جريان آشفته تراکم پذير در ساختار درختي سه جفتي79شکل 4- 22- شبکه درختي با تعداد جفت دلخواه80شکل 4-23- تغييرات مقاومت کل جريان بر حسب تعداد نقاط روي دايره83شکل 4-24- جهش ناگهاني در ساختار جريان 85شکل 4-25- انتخاب بهترين ساختار درختي با 192 مصرف کننده86شکل 4-26- نمودار تغييرات مقامت چريان f با تعداد لوله هاي مرکزي n_o در جريان آرام تراکم ناپذير و جريان آشفته تراکم ناپذير در ساختار درختي چهار جفتي87شکل 4-27- نمودار تغييرات مقامت چريان f با تعداد لوله هاي مرکزي n_o در جريان آرام تراکم ناپذير و جريان آشفته تراکم ناپذير در ساختار درختي پنج جفتي88عنوان و شمارهصفحهشکل 4-28- نمودار تغييرات مقامت چريان f با تعداد لوله هاي مرکزي n_o در جريان آرام تراکم ناپذير و جريان آشفته تراکم ناپذير در ساختار درختي شش جفتي89شکل 4-29- نمودار تغييرات مقامت چريان f با تعداد لوله هاي مرکزي n_o در جريان آرام تراکم ناپذير و جريان آشفته تراکم ناپذير در ساختار درختي هفت جفتي90شکل4-30- تغييرات مقاومت کل جريان (f) برحسب تعداد مصرف کنندگان در جريان تراکم ناپذير آشفته91شکل4-31- تغييرات مقاومت کل جريان (f) برحسب تعداد مصرف کنندگان در جريان تراکم پذير آرام93شکل 4-32-نمودار تغييرات مقامت چريان f با تعداد لوله هاي مرکزي n_o در جريان آرام تراکم پذير و جريان آشفته تراکم پذير در ساختار درختي چهار جفتي95شکل 4-33-نمودار تغييرات مقامت چريان f با تعداد لوله هاي مرکزي n_o در جريان آرام تراکم پذير و جريان آشفته تراکم پذير در ساختار درختي پنج جفتي96شکل 4-34-نمودار تغييرات مقامت چريان f با تعداد لوله هاي مرکزي n_o در جريان آرام تراکم پذير و جريان آشفته تراکم پذير در ساختار درختي شش جفتي97شکل 4-35-نمودار تغييرات مقامت چريان f با تعداد لوله هاي مرکزي n_o در جريان آرام تراکم پذير و جريان آشفته تراکم پذير در ساختار درختي هفت جفتي98شکل4-36- تغييرات مقاومت کل جريان (f) برحسب تعداد مصرف کنندگان در جريان تراکم ناپذير آشفته99شکل 4-37- شبکه درختي با کمترين طول لوله در صفحه100شکل 4-38- شبکه درختي با کمترين طول لوله روي ديسک102شکل 4-39- درخت بهينه و درخت با طول لوله کمينه105شکل 4-40- نمودار تغييرات مقاومت کل جريان با تعداد مصرف کنندگان106شکل 4-41- منحني تغييرات مقامت چريان بر حسب تعداد جفت ها107شکل 4-42- منحني تغييرات مقامت چريان بر حسب تعداد لوله ها108شکل 5-1- اتصال با انشعابات موازي112شکل 5-2- نقشه محل لوله هاي شبکه شاخه اي 113شکل 5-3- نقشه گره شکل 5-2 114عنوان و شمارهصفحهشکل 5-4- مسير توزيع گاز در شبکه شاخه اي 5-2115شکل5-5- اتصال دو شاخه اي در محل گره از شبکه شاخه اي شکل 5-4117شکل 5-6- اتصال دو شاخه اي 119شکل 5-7- شبکه توزيع گاز123شکل 5-8- الگوريتم طراحي شبکه شاخه اي گاز124شکل 5-9- خط اصلي لوله گاز در ورودي يک روستا125شکل5-10- شماره ومحل لوله ها شبکه شاخه ای متقارن شکل 5-9126شکل5-11- جهت جريان گاز در شبکه شاخه ای متقارن شکل 5-9127شکل5-12- طول لوله ها در شبکه شاخه ای متقارن شکل 5-9127شکل5-13- قطر لوله ها در شبکه شاخه ای متقارن شکل 5-9128شکل5-14- مقايسه بين قطرهاي طراحي شده و قطرهاي بهينه براي هر لوله131شکل6-1- شبکه شاخه اي توزيع گاز مسئله اول133شکل6-2- نقشه گره مساله اول134شکل6-3- شماره و محل لوله ها شبکه شاخه اي مساله اول136شکل6-4- جهت جريان گاز در شبکه شاخه اي مساله اول138شکل6-5- طول لوله ها در شبکه شاخه اي مساله اول139شکل6-6- قطر لوله ها در شبکه شاخه اي مساله اول141شکل6-7- دومين شبکه شاخه اي مورد بررسي143شکل6-8- نقشه گره مساله دوم144شکل6-9- شماره و محل لوله ها شبکه شاخه اي مساله دوم145شکل6-10- جهت جريان گاز در شبکه شاخه اي مساله دوم147شکل6-11- طول لوله ها در شبکه شاخه اي مساله دوم148شکل6-12- قطر لوله ها در شبکه شاخه اي مساله دوم150شکل6-13- سومين شبکه شاخه اي مورد بررسي152شکل6-14- نقشه گره مساله سوم153شکل6-15- شماره و محل لوله ها شبکه شاخه اي مساله سوم154شکل6-16- جهت جريان گاز در شبکه شاخه اي مساله سوم157شکل6-17- طول لوله ها در شبکه شاخه اي مساله سوم158شکل6-19- قطر لوله ها در شبکه شاخه اي مساله سوم161عنوان و شمارهصفحهشکل6-21- منحني تغييرات هزينه در مسيرهاي شبکه مسئله سوم165
فهرست جدول ها
عنوان و شمارهصفحهجدول 4-1- مقاومت در جريان آرام براي لوله هاي مستقيم 38جدول 4-2- مقايسه مقامت چريان در جريان آرام و آشفته تراکم ناپذير براي درخت تک جفتي58جدول 4-3-مقايسه مقامت چريان در جريان آرام و آشفته تراکم پذير براي درخت تک جفتي63جدول 4-4- مقايسه مقامت چريان در جريان آرام و آشفته تراکم ناپذير براي درخت دو جفتي68جدول 4-5- مقايسه مقامت چريان در جريان آرام و آشفته تراکم پذير براي درخت دو جفتي71جدول4-6- مقايسه مقامت چريان در جريان آرام و آشفته تراکم ناپذير براي درخت سه جفتي76جدول 4-7- مقايسه مقامت چريان در جريان آرام و آشفته تراکم پذير براي درخت سه جفتي79جدول 4-8- مقايسه مقامت چريان در جريان آرام و آشفته تراکم ناپذير براي درخت چهار جفتي87جدول 4-9- مقايسه مقامت چريان در جريان آرام و آشفته تراکم ناپذير براي درخت پنج جفتي88جدول 4-10- مقايسه مقامت چريان در جريان آرام و آشفته تراکم ناپذير براي درخت شش جفتي89جدول4-11- مقايسه مقامت چريان در جريان آرام و آشفته تراکم ناپذير براي درخت هفت جفتي90جدول 4-12- مقايسه مقامت چريان در جريان آرام و آشفته تراکم پذير براي درخت چهار جفتي95جدول 4-13- مقايسه مقامت چريان در جريان آرام و آشفته تراکم پذير براي درخت پنج جفتي96جدول 4-14- مقايسه مقامت چريان در جريان آرام و آشفته تراکم پذير براي درخت شش جفتي97عنوان و شمارهصفحهجدول 4-15- مقايسه مقامت چريان در جريان آرام و آشفته تراکم پذير براي درخت هفت جفتي98جدول 5-1- مقادير طول لوله ها و دبي گاز خروجي از گره ها126جدول 5-2- نتايج بدست آمده براي قطر لوله ها و سرعت درون آنها129جدول 5-3- مقادير فشار خروجي در گره ها130جدول 6-1- اطلاعات لوله هاي موجود135جدول 6-2- مقادير طول لوله ها و دبي گاز خروجي از گره ها ي مسئله اول137جدول 6-3- نتايج به دست آمده مربوط به انتخاب قطر و سرعت گاز درون لوله ها در مساله اول140جدول 6-4- نتايج به دست آمده مربوط به فشار خروجي در گره ها در مساله اول142جدول 6-5- مقادير طول لوله ها و دبي گاز خروجي از گره ها ي مسئله دوم146جدول 6-6- نتايج به دست آمده مربوط به انتخاب قطر و سرعت گاز درون لوله ها در مساله دوم149جدول 6-7- نتايج به دست آمده مربوط به فشار خروجي در گره ها در مساله دوم151جدول 6-8- مقادير طول لوله ها و دبي گاز خروجي از گره ها ي مسئله سوم155جدول 6-9- نتايج به دست آمده مربوط به انتخاب قطر و سرعت گاز درون لوله ها در مساله دوم159جدول 6-10- نتايج به دست آمده مربوط به فشار خروجي در مسئله سوم 162
فهرست نشانه هاي اختصاری
بيان کنندهنام نشانه اختصاريطول المان روي ديسک ( متر)aسطح مقطع لوله (مجذور متر)Aعرض المان روي ديسک ( متر)bطول االمان مستطيلي در صفحه (متر)cسرعت صوت (متر بر ثانيه)Cقطر لوله در دياگرام مودي يا طول واحد نفوذ (متر)dقطر لوله (متر)Dضريب افت در لوله (پاسکال)fشتاب جاذبه زمين (مجذور متر بر ثانيه)gشدت جريان وزني سيال (نيوتن بر ثانيه)Gانتالپي مخصوص سيالhقطر المان روي ديسک ( متر)lطول لوله (متر)Lنسبت دبي جرمي دو لوله متواليnتعداد نقاط روي دايرهNتعداد لوله ها در مرکز ديسکميزان گرماي انتقالي (ژول)qدبي حجمي سيال (متر مکعب بر ثانيه)Qشعاع لوله (متر)rثابت عمومي گاز هاR
بيان کننده نام نشانه اختصاريسرعت طولي (متربر ثانيه)uسرعت متوسط جريان در لوله (متربر ثانيه)سرعت بيشينه جريان در لوله (متربر ثانيه)فاصله افقي (متر)xفاصله عمودي از محور لوله ( متر)yنسبت دو قطر متواليwفشار (پاسکال)Pعدد ماخMحجم کل سيال درون لوله ها ( متر مکعب)Vارتفاع نسبي سيال نسبت به سطح مبنا (متر)Zتغييرات فشار در طول لوله (پاسکال)ΔPافت فشار (پاسکال)Reويژگي هندسي سيستمSvثابت پوازيهPoافت فشار کل در لوله براي جريان آرام (پاسکال)افت فشار کل در لوله براي جريان آشفته (پاسکال)دماي ميانگين سيال در لوله (کلوين)شدت جريان جرمي سيال (کيلو گرم بر ثانيه)افت فشار ناشي از اصطکاک (پاسکال)
بيان کنندهنام نشانه اختصاري یونانيزاويه بين دو لينک مرکزي بر روي ديسک ( درجه)αزاويه بين دو لينک محيطي بر روي ديسک ( درجه)βوزن مخصوص سيال (نيوتن بر متر مکعب)γضريب لاگرانژ براي طول لولهΓضخامت شعاعي (متر)δزاويه بين دو المان شعاعي روي ديسک (درجه)θضريب سيالت تراکم پذيرλضريب لاگرانژ براي قطر لولهΛلزجت ديناميک (کيلو گرم بر متر ثانيه)µنسبت طول دو لوله متواليξلزجت سينماتيک(مجذور متر بر ثانيه)υعدد پيΠچگالي سيال (کيلو گرم بر متر مکعب)ρتنش برشي ناشي از گرانروي (پاسکال)τتابع لاگرانژ براي قطرφتابع لاگرانژ براي طول لولهψ
فصل اول – مقدمه وتحقيقات پيشين
مقدمه
انسان همواره در جهان اطراف خود به دنبال یافته هاي جديدي است. اما در اين ميان آنچه اهميت دارد نگاه عالمانه به جهان مي باشد که بتوان با بهره گيري از آن نگاه، پديده هاي مختلف را مورد موشکافي قرار داده و به ايده ها ي جديدي دست يافت که راهگشاي گوشه اي از مشکلات زندگي بشر امروز باشد. خداوند متعال در آفرينش جهان نظم و قانون خاصی حکمفرما کرده است، اين مساله ميتواند توجه انسان را در کشف رمز و راز اين قوانين برانگيزد. به عنوان مثال چرا درختان در هنگام تابش آفتاب طوري شاخه هاي خود را به حرکت در مي آورند که در ساعات مختلف روز استفاده کافي از نور را داشته باشند و يا اينکه چگونه هنگام بارش باران، آب باران کوتاه ترين مسير را براي رسيدن به رودخانه ها طي ميکند. البته اين نگاه انسان فقط به پديده هاي جهان اطراف ختم نمي شود، مثلا ساز و کار اندام هاي موجود در بدن انسان، آشنايي بيشتر با آنها مي تواند سوال هاي جديدي را در ذهن انسان ايجاد کند. به عنوان مثال چرا بافت هاي شش انسان منبسط و منقبض مي گردند و … تنها پاسخ گويي به اين نوع سوالات راهگشاي مشکلات نخواهد بود بلکه دستيابي به ايده هاي جديد و پياده سازي آن بطور عملي در علم روز بايد هدف قرار گيرد.
نظم حاکم در جهان هستي و پديده هاي موجود در طبيعت همواره دست مايه محققين در آفرينش ايده هاي جديد بوده است. يکي از اين ايده هاي جديد که به صورت يک تئوري بيان شده، تئوري ساختاري است. همانطور که از نام اين تئوري مشخص مي شود از نظم ساختاري موجود در پديده هاي طبيعي الهام گرفته شده است.
تئوري ساختاری در واقع يک پيشزمينه ايست که در طراحي ساختار جريان بکار مي رود. پايه و اساس آن مي تواند يک اصل فيزيکي برگرفته از طبيعت باشد، اين از آنجا ناشي مي گردد که سيستمهاي جريان طبيعي داراي ساختار بهينه هستند. در نتيجه ايده دستيابي به ساختار بهينه را محققين از پديده هاي طبيعي گرفته اند]1[.
از طرفي پروژه ها نمايانگر توسعه پايدار در هر کشور مي باشد. یکي از پروژهايي که در هر کشور بخصوص کشورهاي نفت خيز در حال توسعه اهميت بسيار زيادي دارد، انتقال و توزيع نفت و گاز از طريق خطوط لوله مي باشد. اقتصاد اين کشورها به شدت بستگي به عمليات روان و بدون نقص اين خطوط دارد و همچنين امروزه با توجه نياز جامعه، افزايش رو به رشد جمعيت و محدوديت در منابع، استفاده از روش هاي نوين براي بهينه سازي سيستم هاي انتقال و توزيع اين منابع (نفت وگاز) از اهميت زياد و قابل توجهي برخوردار است.
البته ممکن است که با بکارگيري تکنيک هاي پيشرفته، پروسه هاي طراحي و بهينه سازي پيچيده تر گردد. اما با بکارگيري همزمان رياضيات و استفاده از رايانه به عنوان ابزاري در حل بسيار دقيق، ميتوان اين مشکل را حل کرد.
در اين پايان نامه طراحي و بهينه سازي شبکه هاي توزيع گاز شهري و روستايي مورد مطالعه قرار گرفته است. که ابتدا به معرفي اين نوع سيستم هاي توزيع گاز پرداخته شده و در ادامه طراحي و بهينه سازي آن مورد بررسي قرارگرفته شده است.
يک شبکه توزيع گاز داراي چند خط اصلي1 است که گاز را از ايستگاه تقليل فشار وارد شهر کرده و به دست مصرف کنندگان مي رساند]2[.
اصولا در طراحي شبکه توزيع گاز سرعت، فشار و شدت جريان گاز و قطر لوله ها از پارامترهاي موثر در طراحي هستند که بر روي یکديگر تاثير متقابل دارند. عموما جريان در شبکه توزيع گاز در حالت دائمي فرض مي شود.
با توجه به متغيرهاي فراواني که در شبکه توزيع گاز وجود دارد با استفاده از رايانه و بهره گيري از يک روش بهينه سازي مناسب مي توان هزينه نهايي سيستم را کمينه کرد.
در واقع هدف از اين تحقيق کاهش هزينه ها نهايي براي شبکه شاخه اي توزيع گاز مي باشد. بدين منظور از روش تئوري ساختاري به عنوان يک روش نوين در طراحي سيستم شاخه اي توزيع گاز طبيعي و بهينه سازي آن استفاده مي گردد.
درادامه اين فصل مروري بر تحقيقات پيشين صورت مي پذيرد.
در فصل دوم مفاهيم کلي طراحي و بهينه سازي بيان گرديده و همچنين مقايسه اي بين طراحي همراه با فرآيند بهينه سازي با طراحي متداول2 انجام گرفته است. تاريخچه بهينه سازي، روش هاي مختلف بهينه سازي3 و الگوي بهينه سازي استاندارد از جمله مواردي است که در ادامه اين فصل شرح داده مي شود.
معادلات حاکم بر جريان هاي تراکم پذير و تراکم ناپذير با رژيم هاي آرام و آشفته درون لوله هاي صاف و لوله هاي زبر در فصل سوم اين پايان نامه ارائه مي گردد.
در فصل چهارم روش طراحي با تئوري ساختاري و چگونگي استفاده از آن براي طراحي و بهينه سازي سيستم هاي مختلف توزيع سيال شرح داده شده است.
امکان بکارگيري تئوري ساختاري براي شبکه شاخه اي گاز در فصل پنجم مورد بررسي قرار گرفته است. همچنين در اين فصل روش طراحي و بهينه سازي در قالب يک الگوريتم بر مبناي سعي وخطا بيان شده است. درانتهاي فصل پنجم يک ساختار ساده شاخه اي گاز به عنوان نمونه انتخاب و بر اساس روش حل پيشنهادي طراحي مي گردد تا کارايي تئوري ساختاري در بهينه سازي شبکه شاخه اي گاز مورد ارزيابي قرار گيرد.
در فصل ششم روش بهينه سازي شبکه شاخه اي گاز بر مبناي تئوري ساختاري براي چهار مسئله مختلف (از نظر تعداد مصرف کننده) بکار گرفته شده و براي هر مسئله مسيرهاي بحراني از نظر هزينه مشخص گرديده است و همچنين هزينه نهايي کل در هر شبکه با طراحي هاي مشابه قبلي مورد مقايسه قرار گرفته است.
در فصل هفتم نتايج به دست آمده در اين پژوهش ارائه و همچنين پيشنهاداتي براي بکارگيري تئوري ساختاري در زمينه هاي ديگر گرديده است.
1-2- اهداف پایاننامه حاضر
اهداف اين پاياننامه را مي توان بصورت زير بيان نمود:
بررسي امکان بکارگيري تئوري ساختاري درسيستم شاخهاي گاز طبيعي
طراحي يک سيستم تيپ 4شاخه اي گاز طبیعی
بهينه سازي سيستم شاخه اي گاز با تئوري ساختاري
مطالعات پیشین
این بخش را به دو قسمت مجزا طراحي شبکه گاز و تئوري ساختاري تقسیم کرده و مطالعات قبلي صورت گرفته در هر دو بخش به ترتيب مورد بررسي قرار مي گيرد.
1-3-1- طراحي شبکه گاز
اخيرا بيشترين توجه در شبکه هاي توزيع جريان روي دستيابي به الگوريتم هاي کارآمدي براي آناليز جريان متمرکز است و هم اکنون تعداد زيادي برنامه رايانه اي قابل استفاده و موثري براي شبيه سازي وجود دارد و طرحهاي بهينه اي را پيشنهادي مي کند. به عنوان مثال برنامه سيم نت5 ]3[ بطور گسترده در لهستان6 براي آناليز و شبيه سازي سيستم هاي توزيع گاز استفاده مي گردد.
البته هم اکنون مطالعات محدودی در راستاي گسترش روش هايي با هدف بهينه کردن طراحي شبکه لوله در جهان صورت مي پذيرد که اغلب اين تحقيقات موجب دستيابي به برنامه هاي رايانه اي قابل دسترسي که عمدتا استفاده تجاري دارند، شده اند که اين برنامه ها مهندسين را در طراحي و بهينه سازي شبکه توزيع بسيار کمک مي کنند.
روش هايي که در حال حاضر در طراحی شبکه توزيع گاز استفاده مي شود و بر اساس پروسه انتخاب قطر لوله ها به سه دسته زير تقسيم مي گردد]3[:
روش هاي ذهني7 (ابتکاري).
روش هایي که در آن فرض مي شود گستره پيوسته8 اي از قطر لوله ها در دسترس است.
روشهاي بهينه سازي گسسته9.
الف- روش هاي ذهني: روش هايي هستند که شامل پروسه طراحي خاصي نمي شوند و الگوريتم ويژه اي ندارند.
اين روش ها تا مدتي طراحي هاي خوبي را از نظر اقتصادي موجب شدند و از اين حيث مورد استقبال قرار گرفتند. اما از آنجا که روش بهينه سازي روشني نداشتند و هيچ تضميني وجود نداشت که شبکه طراحي شده کاملا بهينه باشد، در نتيجه خيلي به کار گرفته نشدند. مثلا در طراحي شبکه درختي توزيع سيال، تعداد بسيار زيادي از طراحي هاي ممکن است وجود داشته باشد که شامل گستره جواب هاي قابل قبول10 باشد و با بکارگيري اين روش شانس رسيدن به بهينه ترين جواب بسيار اندک است. از جمله اين روش ها مي توان به روش پايلوت11 ]4[ و همچنين روش اف پي6 12 ]5[ که از روش هاردي کراس13 براي بالانس جريان شبکه استفاده مي کند نام برد که اغلب اين روش ها در طراحي شبکه گاز داراي مدار بسته14 استفاده مي گردند.
روش هاي پيوسته15 : در اين روش براي طراحي شبکه فرض بر اين است که درانتخاب طيف پيوسته از قطرها وجود دارد و هر اندازه اي از قطرها را مي توان انتخاب کرد .
ازجمله اين روش ها ميتوان به روش اس يو ام تي16 اشاره کرد که توسط جي بوين17 ]6[ طرح گرديده نام برد اغلب اين روش ها نيز در طراحي شبکه گاز داراي مدار بسته استفاده مي گردد.
روش هاي گسسته18 : در اين روش براي طراحي شبکه فرض بر اين است که طيف گسسته اي از قطر موجود است و هر اندازه اي از قطرها را نمي توان انتخاب کرد .
روت فرب19 و همکارانش ]7[ روش موثر و ساده اي براي پيدا کردن اقتصادي ترين طراحي وقتي شبکه شاخه اي گاز مورد بحث است پيشنهاد مي کند. اين روش بر اين اساس است که زمانيکه قطر لوله اي انتخاب مي گردد به دنبال آن افت فشار و قيمت هرلوله نيز محاسبه مي گردد. با توجه به اينکه در شبکه شاخه اي يا لوله ها داراي اتصال سري يا اتصال وي شکل20 هستند. اگر دو لوله با اتصال سري به هم وصل شوند با انتخاب قطر از ليست قطر هاي موجود سعي ميشود که افت فشار کل و متعاقبا هزينه کمينه گردد. در صورتي که اين قطرها افت فشار بيشتري را حاصل کنند با قطرهاي ديگري جايگزين مي شوند اين فرآيند تا رسيدن به بهينه ترين جواب ادامه مي يابد. حال اگر لوله ها داراي اتصال “وي” شکل بودند دراين صورت افت فشار لوله ها بطور جداگانه محاسبه مي گردد و قطر هاي موجود براي هر يک از لوله ها بطور مستقل جايگزين مي شود تا افت فشار در لوله ها کمينه گردد و کمترين هزينه ممکن بدست آيد.
بئل21 ]8[ نيز يک روش بهينه سازي را پيشنهاد مي کند که مشکل قيود غير خطي را با تقريب خطي گسسته حل مي کند.
روش پيشنهادي توسط آندرزج22 و گئورکي23 ]9[، مدل سازي کلي شبکه گاز است که بتوان رابطه کلي بين قيمت تمام شده قطر لوله ها و پارامترهاي شبکه پيدا کرد.
در واقع ميتوان اينطور نتيجه گرفت که در اغلب روش هاي مورد مطالعه در طراحي شبکه توزيع گاز، قطر لوله ها به عنوان يک پارامتر اساسي در نظر گرفته مي شود و يکي از سه روش بالا با توجه به روش بهينه سازي موجود و شرايط مسئله در انتخاب قطرها مورد استفاده قرار مي گيرد. سپس افت فشار به عنوان تابع هدف بر اساس قطر لوله ها و ديگر پارامترها شبکه بيان گرديده و با بهره گيري از يک روش بهينه سازي کمينه مي شود.
تئوري ساختاری
تئوري ساختاري اولين بار توسط دکتر آدريان بژان براي خنک کاري قطعات الکترونيکي مورداستفاده قرارگرفت و اين نقطه شروعي براي بکارگيري اين تئوري در بسياري از زمينه هاي مهندسي گرديد. از اهميت اين تئوري همين بس که حتي در پديده هاي اجتماعي و اقتصادي نيز بکار برده شده است. دراين بخش به گوشه اي از مطالعات انجام شده بر مبناي تئوري ساختاري اشاره شده است.
لطف الله قدوسي24 [10] بر روي افزايش کارآيي با تئوري ساختاری در زمينه سيستمهاي الکترونيکي، مسائل اقتصادي و سيستم هاي جريان بحث کردهاست. درواقع اينکه با افزايش پيچيدگي جريان آيا تئوري ساختاری کارآيي سيستم را افزايش مي دهد؟ نتيجه تحقيقات ايشان نشان ميدهدکه اولا طراحيهاي ساختاری ضرورتا کارآيي سيستم را بالا نميبرد اگر پيچيدگي ساختار جريان افزايش پيدا کند، ثانيا بازدهي بهتر براي سيستم متاثر از عوامل ديگري نيز هست.
و همچنين لورنته25 و بژان26 [11] بر روي طراحي سيستمهاي انرژي براي توليد ساختار جريان براساس تئوري ساختاری کار کردند که هدف در اين مقاله رسيدن به حداکثر کارآيي با ايجاد تعادل و چيدمان مناسب درساختار جريان بود.
لو27 و همکارانش [12] يک ديدکلي ازنظريه ساختاری دادند و نمونههايي از ساختارهاي دو شاخهاي28 مانند مبدلهاي حرارتي29 و … را بررسي کردند.
بژان و همکارانش [13] بهينه سازي اقتصادي سيستمهاي جريان طبيعي30 را مورد بررسي قرار دادند.
ريسو اررا31 [14] در پایاننامه خود، برروي بهینه سازی هندسي در سيستم هاي جريان با بازگشت ناپذيري کار کرد.
لورنته و بژان [15] حل تحليلي و فرمولبندي گرافيکي قانون ساختاری در بيشينه کردن دسترسي به جريان درسيستمهای حرارتي و سیالاتي ، مورد مطالعه قرار دادند.
فصل دوم. مفاهيم طراحي و بهينه سازي
مقدمه ای بر طراحی
مهندسی، به يک تعبير متشکل از تعدادی فعالیت است که خوب پایه ریزی شده اند و به شکل مناسبی در کنار هم قرار گرفته اند. این فعالیت ها عبارتند از: تحلیل، طراحی، ساخت، فروش، پژوهش و توسعة سیستم ها.
طراحی سیستم های پیچیده نیاز به محاسبات عظیم و پردازش داده ها دارد. در طی سه دهه گذشته، انقلابی در فنآوری رایانه و محاسبات عددی به وقوع پیوست. رایانه های امروزی محاسبات پیچیده و پردازش داده های بسیار بزرگ را به طور مؤثری انجام می دهند. فرآیند طراحی مهندسی از این انقلاب بسیار بهره مند شده است. بدين ترتيب سیستم های بهتری را با تحلیل پارامترهای اختیاری متعددی می توان در زمان کوتاهی طراحی کرد. این نوع تحلیل ها و طراحی ها بسیار مورد توجه هستند، زیرا حاصل آن سیستم های بهتر، کم هزینه تر، با ظرفیت های بیشتر و عملکرد و نگهداری ساده تری خواهد بود.
سیستم ها را می توان به صورت بهینه طراحي نمود. در سال های اخیر، روش های عددی بهینه سازی به میزان زیادی توسعه و بهبود یافته اند.

فرآیند طراحی
فرآیند طراحی سیستم ها به مجموعة نقشه ها، محاسبات و گزارش هایی می انجامد که سیستم بر اساس آنها ساخته می شود.
مهندسان برای طراحی بهترین سیستم ها تلاش می کنند. معنی بهترین برای سیستم های مختلف با توجه به ویژگی های آنها متفاوت است. به طور کلی، بهترین سیستم یعنی سیستمی کم هزینه تر، با بازدهی بالاتر، قابل اعتمادتر و بادوام تر]16[.
فرآیند طراحی باید کاملاً حساب شده و منظم باشد. يک الگوي تکامل سيستم در شکل 2-1 نشان داده شده است.
شکل(2-1): يک الگوی تکامل سيستم]17[.

الگویی که در بالا نشان داده شده یک نمودار جعبه ای ساده برای تکامل سیستم است. در عمل شاید نیاز باشد تا هر جعبه به جعبه های کوچکتر متعددی شکسته شود تا مطالعه مناسب انجام گرفته و به یک نتیجه معقول برسد. نکتة مهم این است که مفاهیم بهینه سازی و روش هاي آن می توانند در هر مرحله فرآیند کمک کنند. استفاده از این روش ها به همراه نرم افزار می تواند در مطالعه حالات مختلف طراحی در زمان کوتاه بسیار مفید باشد]16[.
فرآیند طراحی متداول در مقابل بهينه سازي
طراحی مؤثر و کم هزینه سیستم ها بدون از بین بردن صحت و درستی عملکرد آنها مورد نظر مهندسان است. فرآیند طراحی متداول بستگی به دید فنی و تجربه و مهارت طراح دارد. این حضور پررنگ عنصر بشری گاه می تواند در ترکیب سیستم های پیچیده به نتایج نادرستی منتهی شود. شکل 2-2 نمودار جریانی برای فرآیند طراحی متداول را نمایش می دهد که استفاده از اطلاعات جمع آوری شده از یک یا چند طراحی آزمایشی و تجربه و مهارت فنی طراح را شامل می شود]16[.
شکل(2-2): فرآيند طراحي متداول]17.[
تنگناها و نیاز برای بازده بیشتر در دنیای پر رقابت امروز، مهندسان را مجبور می کند تا به طراحی بهتر و اقتصادی تر علاقه نشان دهند. با پیشرفت های اخير در فن آوری رایانه که بر گرایش های مختلف مهندسی تأثیر گذاشته است، فرآیند طراحی به سختی می تواند دست نخورده باقی بماند. شکل 2-3 فرآیند بهينه سازي را نشان می دهد.

شکل(2-3): فرآيند بهينه سازي]17[.
تفاوت میان دو روش بیان شده به این معنی است که فرآیند طراحی متداول رسمیت کمتری دارد. تابع هدف که معیار عملکرد سیستم است مشخص نمی شود. اطلاعاتی که تصمیمات طراحی برای بهبود سیستم را می سازد محاسبه نمی گردد. بیشتر تصمیمات بر اساس قوه ابتکار و تجربه طراح گرفته می شود. به عکس، فرآیند بهینه سازی بسیار منظم است و از اطلاعات برای تصمیم گیری استفاده می کند. با این وجود، فرآیند بهینه سازی می تواند به مقدار قابل توجهی از تجربه و قوه ابتکار طراح بهره مند شود]16[.

نقش رایانه در بهينه سازي
سیستم های مهندسی می توانند توسط رایانه ها بسیار دقیق تر تحلیل شوند. رایانه به ما کمک می کند که عملکرد سیستم ها را روشن تر درک کنیم و بدین وسیله دقیق تر و مؤثر تر طراحی کنیم. فرآیند طراحی متداول و یا بهينه سازي مرحله به مرحله و تکراری است و مکرراً از مجموعه محاسبات مشابه استفاده می کند که این نوع محاسبات تکراری برای رایانه ای کردن بسیار مناسب است. بنابراین رایانه ها نقش مهمی در فرآیند طراحی بازی می کنند. آنها در هر مرحله فرآیند طراحی را آسان می کنند]17[.
تعريف بهينه سازي
دستيابي به بهترين نتيجه در شرايط داده شده را بهينه سازي مي گويند. بهينه سازي را مي توان به عنوان فرايند يافتن شرايطي که مقدار بهينه يک تابع را بدست مي دهد تعريف کرد. براي حل مسائل بهينه سازي، روش يگانه اي وجود ندارد.
مفاهيم بهينه سازي
هدف از بهينه سازي یافتن طرح قابل قبول، با توجه به محدوديتها و نيازهاي مسئله است. براي يک مسئله ممکن است طرح هاي مختلفي وجود داشته باشد که براي مقايسه آنها و انتخاب طرح بهينه، تابعي به نام تابع هدف تعريف مي گردد. انتخاب اين تابع به طبيعت مسئله بر مي گردد. گاهي در بهينه سازي چند تابع هدف بطور همزمان مدنظر قرار مي گيرند. اين گونه مسائل بهينه سازي که در بر گيرنده چند تابع هدف هستند را مسائل چند هدفي مي نامند. ساده ترين راه در برخورد با اينگونه مسائل تشکيل يک تابع هدف جديد به صورت ترکيب خطي توابع هدف اصلي مي باشد که در اين ترکيب ميزان اثر گذاري هر تابع با وزن اختصاص يافته به آن، مشخص مي شود]17 [.
هر مسئله بهينه سازي داراي تعدادي متغير مستقل که آنها را متغيرهاي طراحي ناميده و با بردار n بعدي X (بردار طراحي) نشان داده مي شود. هدف از بهينه سازي تعيين مقادير اختصاصي به متغيرهاي طراحي است به گونه اي که تابع هدف کمينه يا بيشينه مي گردد. مسائل مختلف بهينه سازي به دو دسته تقسيم مي گردد:
الف) مسائل بهينه سازي بدون قيد32: در اين مسائل هدف بيشينه يا کمينه کردن تابع هدف بدون هيچ گونه قيدي بر روي متغيرهاي طراحي مي باشد]17[.
ب) مسائل بهينه سازي مقيد33: بهينه سازي در اغلب مسائل کاربردي، با توجه به قيود صورت مي گيرد. قيودي که در زمينه رفتار و عملکرد سيستم مي باشند. قيود رفتاري و قيودي که در فيزيک مسئله وجود دارد را قيود هندسي يا جانبي34 ناميده مي شوند. معادلات معرف قيود، ممکن است به صورت مساوي يا نا مساوي باشند که در هر مورد روش بهينه سازي متفاوت است. به هر حال قيود، ناحيه قابل قبول را در طراحي معين مي کنند]17[.

تاريخچه روش هاي بهينه سازي
گذشته روشهاي بهينه سازي را مي توان در روزگار نيوتن35، لاگرانژ36 و کوشي37 رديابي کرد. بسط روشهاي بهينه سازي حساب ديفرانسيل با تحقيقات انجام شده توسط نيوتن و لايبنيتز38 آغاز شد. حساب تغييرات



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید