Совершенствование методов планирования технологических режимов и контроля процесса транспортировки нефти по магистральным нефтепроводам

Основной задачей акционерной компании «Транснефть» является оказание услуг нефтедобывающим компаниям по приему, транспортировке и поставке нефти, при условии обеспечения надежной и безопасной эксплуатации магистральных нефтепроводов и минимальных энергозатратах на перекачку. Выполнение поставленной задачи невозможно без эффективного планирования и постоянного контроля параметров режимов работы магистрального нефтепровода (МН). Планирование включает в себя тепловой и гидравлический расчет всех возможных режимов работы МН и выбор наиболее оптимальных из них. Практика показала, что чем выше точность расчетов параметров режима, тем эффективнее планирование работы МН. В 2010 г. по данным ОАО «Северные МН» в 18% случаев погрешность расчетов параметров режима превышала заявленную величину равную 7%, в результате чего происходило нарушение сроков проведения плановых ремонтных работ, а так же договорных обязательств по объемам грузооборота транспортируемой нефти. В 10% случаев причиной являлось недостаточно корректное определение исходных данных.

Диссертация выполнена на основании результатов научных исследований работы МН «Уса-Ухта» и МН «Ухта-Ярославль». Транспортируемая по этим нефтепроводам нефть отличается сложными физико-химическими и реологическими свойствами (значительным содержанием асфальтенов, смол и парафинов, высокой вязкостью, повышенным статическим напряжением сдвига).

С момента начала эксплуатации МН «Уса-Ухта» и «Ухта-Ярославль» с 1973 года ее реологические свойства значительно ухудшились, что объясняется нарастающими объемами добычи высокопарафинистых высокозастывающих нефтей Харьягинского, Кыртаельского, Верхневозейского, Ардалинского и других месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции.

В последние годы были разработаны методика расчетов и программный комплекс «ТчШРАЬ», которые повысили эффективность процесса планирования технологических режимов МН, однако опыт их применения выявил факторы, учет которых был проведен в недостаточном объеме. Прежде всего, речь идет об учете неньютоновских и тиксотропных свойств перекачиваемых нефтей.

Таким образом, представляется актуальным развитие указанных разработок с целью повышения точности расчета параметров режима перекачки.

Поскольку безопасность транспортировки нефти напрямую связана с уровнем обеспечения контроля за режимом работы МН, актуальным является также разработка алгоритма по автоматизации процесса выявления причин отклонений фактических параметров режима работы МН от плановых и минимизации часовых отклонений фактического от планового электропотребления.

Цель работы.

Совершенствование методов планирования технологических режимов и контроля процесса перекачки нефти по магистральным нефтепроводам, на примере МН «Уса-Ухта» и МН «Ухта-Ярославль».

Основные задачи исследований.

1. Анализ существующих способов планирования и контроля параметров работы магистральных нефтепроводов.

2. Совершенствование методики определения реологических свойств высокопарафинистых нефтей и выбора модели течения с учетом их неньютоновских свойств.

3. Усовершенствование методики пересчета паспортных характеристик центробежных насосных агрегатов с воды на неньютоновскую нефть.

4. Определение величины нагрева нефти при прохождении через насосные агрегаты на нефтеперекачивающей станции.

5. Анализ и классификация причин отклонения расчетных и фактических давлений установившихся режимов перекачки нефти.

6. Разработка методики минимизации почасовых отклонений электропотребления при транспорте нефти.

Методы решения поставленных задач.

При решении поставленных задач проводились лабораторные и промышленные исследования на действующем неизотермическом нефтепроводе с применением современного оборудования для лабораторных исследований, прошедшего поверку на государственных стандартных образцах (ГСО).

Кроме того, для оценки сходимости результатов расчета по предлагаемым методикам с фактическими данными и определения точности полученных функциональных зависимостей использовались методы математической статистики.

Объект и предмет исследования.

Объектом исследования являются магистральные нефтепроводы «Уса — Ухта» и «Ухта — Ярославль» ОАО «Северные МН» (далее по тексту ОАО «СМН»), перекачивающие реологически сложные нефти в условиях неизотермического режима работы.

Научная новизна.

1. Установлено, что смеси неньютоновских нефтей Тимано-Печорской провинции, транспортируемых по магистральным нефтепроводам «Уса-Ухта» и «Ухта-Ярославль», обладают выраженными тиксотропными свойствами. Обнаруженные свойства явились основанием к изменению критерия достижения равновесного напряжения сдвига при построении кривых течения тиксотропных нефтей.

2. Выявлено, что учет реальных значений эффективной вязкости неньютоновских нефтей приводит к заметному улучшению сходимости с экспериментом пересчитанных паспортных характеристик насосных агрегатов с воды на вязкопластичную нефть (при пересчете мощности и КПД на 4% и 3% соответственно).

3. Обнаружено, что снижение величины нагрева нефти на каждом работающем насосном агрегате (НА) при их последовательном соединении на НПС связано с постепенным разрушением надмолекулярной структуры парафиновых углеводородов.

На защиту выносятся.

1. Результаты экспериментальных исследований температурных зависимостей реологических характеристик смеси неньютоновских нефтей Тимано-Печорской провинции, транспортируемых по МН «Уса-Ухта» и МН «Ухта-Ярославль».

2. Критерий достижения равновесного напряжения сдвига при построении реологических кривых течения нефти, обладающей тиксотропными свойствами.

3. Методика пересчета паспортных характеристик насосных агрегатов с воды на неньютоновскую нефть, а также модель изменения величины нагрева нефти на НПС в зависимости от количества работающих насосных агрегатов.

4. Классификация причин отклонений фактических от расчетных давлений на МН и алгоритм их выявления, позволяющий автоматизировать процесс контроля.

5. Методика минимизации почасовых отклонений электропотребления при транспорте нефти, включающая в себя идентификацию мощностных характеристик насосного парка и алгоритм подбора оптимальной комбинации работающих насосных агрегатов.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Разработан и апробирован в ОАО «Северные МН» алгоритм для автоматизации процесса выявления причин отклонений фактических и расчетных давлений на нефтепроводе.

2. Разработан стандарт организации СГО-23.080.00.00-СМН-014−11 «Методика пересчета паспортных характеристик центробежных насосных агрегатов с воды на нефть с учетом неньютоновских свойств».

3. Усовершенствована методика определения реологических характеристик высокопарафинистых нефтей с учетом их неньютоновских свойств, чем обеспечено повышение точности расчета потерь напора на трение (погрешность не более 7% по сравнению с 15% по существующей методике) путем изменения критерия достижения равновесного напряжения сдвига при построении кривой течения нефти. Методика включена в методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Исследование реологических свойств нефти и транспорт аномальных нефтей» для магистров нефтегазовых специальностей УГТУ.

4. Разработан стандарт организации СТО-75.180.00-СМН-015−11 «Методика минимизации почасовых отклонений электропотребления при транспорте нефти», по результатам внедрения которого в ОАО «СМН», получен годовой экономический эффект — 4,8 млн руб.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 7-ом и 8-ом конгрессах нефтепромышленников России «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (г. Уфа, 2007, 2009 г.), 10-й и 11-й научно-технической конференции молодежи ОАО «Северные МН» (г. Ухта, 2009, 2010 г.), региональной научно-технической конференции «Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов» (г. Ухта, 2008, 2009, 2010 г), региональном семинаре «Состояние и перспективы разработки высоковязких нефтей и битумов» (г. Ухта, 2007 г.), международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех» (г. Ухта, 2009, 2010 г.).

Принятые обозначения:

ОАО «СМН» — Открытое акционерное общество «Северные магистральные нефтепроводы».

МН — Магистральный нефтепровод.

ПМ — Программный модуль.

АСУ ТП — Автоматизированная система управления технологическим процессом.

ИТ — Информационные технологии.

НИТ — Новые информационные технологии.

ИНС Искусственные нейронные сети.

НСИ — Нормативно-справочная информация.

КРД — Камера регулирования давления.

ЦДУ — Центральное диспетчерское управление.

МНА — Магистральный насосный агрегат.

НПС — Нефтеперекачивающая станция.

ПА — Подпорный насосный агрегат.

ПСД — Проектно-сметная документация.

ВИП — Внутритрубный инспекционный прибор

РНУ — Районное нефтепроводное управление ОАО МН.

ОАСУ — Отдел автоматизированных систем управления.

ОГМ — Отдел главного механика.

ОГЭ — Отдел главного энергетика.

ОЭН — Отдел эксплуатации нефтепроводов.

СТР — Служба технологических режимов, отдел главного технолога, группа по расчету технологических режимов в составе других отделов.

СДКУ — Система диспетчерского контроля и управления нефтепроводом.

ТТО — Товарно-транспортная служба, товарнотранспортный отдел.

ФГУ — Фильтр — грязеуловитель.

КП — Контрольный пункт.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. На основании проведенных лабораторных исследований смеси неньютоновских нефтей транспортируемых по МН «Уса-Ухта» и «Ухта-Ярославль» был предложен критерий оценки равновесного напряжения сдвига при построении кривых течения нефтей, обладающих тиксотропными свойствами.

2. Усовершенствована методика пересчета паспортных характеристик центробежных насосных агрегатов с воды на нефть с учетом ее неньютоновских свойств.

3. Показано, что наблюдаемое в исследуемых магистральных нефтепроводах снижение величины нагрева нефти на каждом работающем НА при их последовательном соединении на НПС может быть связано с постепенным разрушением надмолекулярной структуры парафиновых углеводородов.

4. Разработан и опробован алгоритм для автоматизации процесса выявления причин отклонений фактических и расчетных давлений в трубопроводе, транспортирующем неньютоновские нефти.

5. Разработана и внедрена как стандарт организации «Методика минимизации почасовых отклонений электропотребления при транспорте нефти», включающая в себя идентификацию мощностных характеристик насосного парка и алгоритм подбора оптимальной комбинации работающих насосных агрегатов, что позволило по результатам промышленного внедрения работы получить годовой экономический эффект- 4,8 млн .руб.