Модифицированный метод гидравлической локации для определения утечек в нефтепроводах

В настоящее время на всех крупных, средних и даже мелких промышленных предприятиях используются трубопроводы для транспортировки воды, пара, жидкого сырья или производимой продукции. Особо важную роль трубопроводный транспорт играет в нефтяной и газовой промышленности, особенно в случае транспортировки нефти и газа из труднодоступных мест добычи.

Проблема разгерметизации трубопроводов является наиболее острой в нефтяной промышленности, так как ведёт не только к потере перекачиваемых нефтепродуктов, но и к большим затратам на ремонтные работы и восстановление трубопроводных линий, к выплате значительных штрафов при загрязнении окружающей среды. Поэтому проблема определения утечек и несанкционированных отборов из трубопроводов именно в нефтяной промышленности остаётся особо актуальной на сегодняшний день.

В представленной диссертационной работе приводятся результаты системного анализа существующих методов обнаружения утечек из трубопроводов. Суть предложенного анализа заключается в классификации методов по таким критериям, как точность определения места утечки, чувствительность к изменениям интенсивности утечки, надёжность и автоматизация, достоверность информации, помехоустойчивость, безопасность в эксплуатации, длина эксплуатационного участка нефтепровода, экономичность и работоспособность при плохих климатических и погодных условиях. Представлены достоинства и недостатки каждого рассмотренного метода.

В работе содержатся прикладные исследования закономерностей изменения давления в трубопроводе от вариации параметров нефтепродукта и нефтепровода при наличии утечки в нём, выполненные для повышения эффективности управления процессом транспортировки нефтепродуктов.

Представлена разработка специального математического обеспечения для определения координаты и массового расхода утечки в соответствии с разработанным методом для трёх режимов работы нефтепровода: 1) при постоянных во времени значениях изменения давления в начале и конце контролируемого участка либо при их незначительном изменении- 2) при постоянном во времени изменении давления в начале участка и значительном изменении во времени давления в его конце- 3) когда известно изменение во времени давлений в четырёх сечениях эксплуатируемого участка нефтепровода. На основе предложенного метода разработан алгоритм обработки информации об изменениях давления в контролируемых сечениях трубопровода с целью обнаружения утечки и расчёта её параметров.

В диссертации приведены также результаты моделирования предложенных автором формул для определения параметров утечки на основе метода ММГЛ с применением пакетов МаИ, аЬ 7.9 и СОМБОЬ МиШрЬуБЮБ 3.5.

Трубопроводный транспорт нефти является самым распространённым и эффективным, особенно в случае транспортировки из труднодоступных мест добычи нефтепродуктов. При этом проблема разгерметизации трубопроводов является наиболее острой в нефтегазовом промысле, так как ведёт к потере перекачиваемого продукта, а также большим затратам на ремонтные работы и восстановление трубопроводной линии. Проблема загрязнения окружающей среды при эксплуатации нефтепроводов привела к ужесточению экологического законодательства, что обязывает к выплате значительных штрафов компаниями, допустившими ухудшения экологической обстановки в местах укладки нефтепроводов из-за их прорывов.

В настоящее время вопросами обнаружения утечек занимается большое количество учёных во многих странах мира, написано более 500 диссертационных работ на данную тему. Разработано более 20 методов обнаружения утечек, основанных на различных физических факторах.

Каждый из методов обладает своими особенностями, недостатками и достоинствами. Проблема обнаружения утечек освещена в работах многих известных специалистов, в том числе в публикациях Л. С. Лейбензона, И. А. Чарного, Е. В. Вязунова, А. Г. Гумерова, А. К. Галлямова, В. Б. Галеева, Л. А. Дымшица, А. С. Джарджиманова, Л. Б. Кублановского, М. В. Лурье, К. А. Забелы, Ю. Д. Земенкова, В. Н. Антипьева, А. В. Бабкова, А. А. Гольянова, В. А. Саенко, Б. М. Лапшина, Р. Н. Столярова, К. В. Черняева, С. Е. Кутукова, А. С. Шумайлова, В. Е. Попадько, Ф. С. Зверева и других зарубежных и отечественных авторов.

Анализ методов обнаружения утечек показал, что метод, удовлетворяющий всем требованиям и основанный на одном физическом эффекте, применимый ко всем режимам работы трубопроводов, достаточно не разработан. Также остаётся проблема повышения чувствительности методов.

Объектом исследования является нефтепровод, пролегающий между двумя перекачивающими станциями с произвольным геометрическим профилем по отношению к горизонту с постоянным диаметром трубы, полностью заполненный нефтепродуктом.

Предметом исследования является герметичность нефтепровода, нарушаемая при появлении в нем утечек, возникших вследствие эксплуатационных работ, старения труб или несанкционированных врезок с целыо хищения нефтепродукта.

Целыо диссертационной работы является повышение надёжности работы нефтепроводов путём своевременного обнаружения утечек в нём, а также определения координат и массового расхода этих утечек.

Основная идея работы состоит в том, чтобы использовать разработанный автором прибор для измерения изменений во времени давления в месте его установки при возникновении утечки в нефтепроводе. На основании измеренных значений давления в контролируемых сечениях трубы, а также параметров нефтепродукта (плотность, вязкость), нефтепровода (длина, диаметр, толщина стенки, параметры металла трубы) и параметров перекачки (режим, скорость движения нефтепродукта) при диссертационном исследовании получены формулы для определения координаты и массового расхода утечки по предлагаемому автором модифицированному методу гидравлической локации.

На основе анализа существующих методов обнаружения утечек из нефтепроводов определены следующие задачи диссертационной работы.

1. Выполнить системный анализ методов обнаружения утечек в нефтепроводах.

2. Получить специальное математическое обеспечение для расчёта параметров утечки в нефтепроводе с учётом его геометрического профиля.

3. Разработать новый метод определения утечек в нефтепроводах и получить специальное математическое обеспечение для расчёта параметров утечек в соответствии с разработанным методом с целью повышения эффективности управления процессом транспортировки нефтепродуктов.

4. На основе предложенного метода определения утечки разработать алгоритм обработки информации об изменениях давления во времени в контролируемых сечениях трубы.

5. Провести экспериментальных исследований модифицированного метода гидравлической локации для определения параметров утечки в нефтепроводе с целью определения его работоспособности.

Методы решения. Поставленные задачи решались путём проведения теоретических и экспериментальных исследований. При решении задач использовался математический аппарат в виде дифференциальных уравнений в частных производных, метод Фурье, аппроксимация рядом Фурье, а также современные компьютерные технологии, в частности, программа обработки сигналов ОгарЬ2Э1§ к 0.7.1 Ь, пакеты МаЛаЬ 7.9, МаШСАБ 15, а также программа для конечно-элементных расчётов сложных научно-технических задач С0М80Ъ МиШрИузюБ 3.5.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Получены формулы для определения параметров утечки по гидравлическому профилю нефтепровода с произвольным геометрическим профилем и постоянным значением диаметра.

2. Разработано устройство для измерения изменения во времени давления в одном сечении нефтепровода.

3. Разработан модифицированный метод гидравлической локации определения координаты и массового расхода утечки из нефтепровода, основанный на изменении во времени давления в одном сечении трубы.

На защиту выносятся следующие основные научные результаты и положения диссертации.

1. Формулы для определения параметров утечки по гидравлическому профилю нефтепровода с произвольным геометрическим профилем и постоянным значением диаметра.

2. Способ измерения изменения во времени давления в одном сечении нефтепровода и устройство для его реализации.

3. Модифицированный метод гидравлической локации определения координаты и массового расхода утечки из нефтепровода, основанный на изменении во времени давления в одном сечении трубы.

4. Результаты экспериментальных исследований модифицированного метода гидравлической локации для определения параметров утечки.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в возможности использования разработанных метода и устройства на различных промышленных предприятиях при обнаружении утечек, таких как водопроводные сети и продуктопроводы.

Реализация работы. Диссертационная работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы (Номер государственного соглашения 14. В37.21.0457).

Результаты работы внедрены в.

— проектно-изыскательскую деятельность ООО «Томскнефтепроект» в виде методики расчёта параметров утечки по профилю давления с учётом геометрического профиля нефтепровода по отношению к горизонту с постоянным значением диаметратехнического предложения по выполнению устройства для измерения изменения во времени давления в контролируемом сечении нефтепроводамодифицированного метода гидравлической локации для определения координаты и массового расхода утечки из нефтепровода;

— учебный процесс на кафедре интегрированных компьютерных систем управления Института кибернетики Томского политехнического университета в рамках курсов «Автоматизация технологических процессов и производств» и «Моделирование систем» по направлениям 220 301 и 220 700 «Автоматизация технологических процессов и производств» в виде математической модели изменения давления в нефтепроводе, основанной на гидродинамических процессах в нём, с учётом параметров нефтепродукта и нефтепроводатеоретических исследований этой модели в пакете Comsol Multiphysics 3.5.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях:

VI международной научно-практической конференции «Средства и системы автоматизации» (ФГОБУ ВПО ТУ СУР, г. Томск, 2005 г.);

• XI международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (ФГОБУ ВПО НИ ТПУ, г. Томск, 2005 г.);

• всероссийская конференция с международным участием «Информационные и математические технологии в науке, технике, медицине» (ФГОБУ ВПО НИ ТПУ, г. Томск, 2012 г.);

• VIII, IX всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» (ФГОБУ ВПО НИ ТПУ, г. Томск, 2011;2012 гг.);

• V, VII, всероссийских научно-практических конференциях студентов «Молодежь и современные информационные технологии» (ФГОБУ ВПО НИ ТПУ, г. Томск, 2006;2008 гг.);

• VIII всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодёжь и наука», посвященная 155-летию со дня рождения К. Э. Циолковского (СФУ, г. Красноярск, 2012 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах, 4 из которых входят в перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций, 1 патент на изобретение RU № 2 426 080, 8 материалов конференций.

Личный вклад автора состоит в получении расчётных формул для определения параметров утечки из нефтепровода в соответствии с разработанным методом, а также в проведении модельных и экспериментальных исследований. В соавторстве с доцентом В. Н. Шкляром разработаны способ измерения изменения во времени давления в контролируемом сечении трубопровода и устройство для его реализации.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 66 источников и приложения, содержит 141 страницу основного текста, включающего 15 таблиц и 40 рисунков.

Результаты исследования, указанные в последней таблице показали, что на точность определения параметров утечки влияют координаты установки датчиков давления, а также их сочетание. Наилучшая точность определения координаты утечки, равная 0,003%, наблюдается при наибольших из представленных расстояниях Ах, Дх2 и при наименьшем расстоянии контролируемого участка нефтепровода Ах]2. Наилучшая точность определения массового расхода, равная 0,219%, наблюдается при том же расположении датчиков давления. При уменьшении интенсивности утечки точность определения параметров утечки ухудшается, однако тенденция её улучшения остаётся такой же, как и в предыдущем случае. Графики зависимости погрешности расчёта координаты утечки S^ от расстояния между датчиками давления Ах2 при Ах, = const представлены на рисунке 4.9.. %.

0,45 1————-—————;

0,4 0,35 0,3 0.25 0,2 0.15 0,1 0.05 0.

0 2000 4000 6000 8000 Дх2, м.

Рис. 4.9. Графики зависимостей погрешности расчёта координаты утечки от расстояний между датчиками давления §§ (Ах2) при Ах, = 800 м и.

3 —3 диаметре шайбы: — dm =10−10 м, 2 — dul =20−10 м.

По графикам, указанным на рисунке 4.9, установлено, что при фиксированном расстоянии между первым и вторым датчиками давления Ах, наилучшая точность расчёта координаты утечки достигается при наименьшем расстоянии между третьим и четвёртым датчиками Ах2. Указанная на рисунке зависимость нелинейная, так как погрешность расчёта координаты утечки по формуле (3.23) зависит от многих факторов. Поэтому можно наблюдать уменьшение погрешности определения координаты утечки при приближении утечки к местоположению третьего датчика давлению. Заметим также, что погрешность расчёта координаты утечки зависит от интенсивности утечки, которая отображена значением диаметра шайбы. При этом увеличение последнего в два раза ведёт к увеличению точности расчёта координаты утечки минимум на 0,011%.

Графики зависимости погрешности расчёта массового расхода утечки от расстояния между датчиками давления Лх2 при Ах, = const представлены на рисунке 4.10.

6GT, %.

16 14 12 10 8 6 4 2 0 1 г —.

4 ! I.

1 5 1 I 1.

4 i -1 0.

Лх2, м.

Рис. 4.10. Графики зависимостей погрешности расчёта массового расхода утечки от расстояний между датчиками давления (Ах2) при Ах, = 800 м и диаметре шайбы: 1 — ¿-/ш = 10 • 103 м, 2 — = 20 • 10−3 м.

По графикам, указанным на рисунке 4.10, установлено, что при фиксированном расстоянии между первым и вторым датчиками давления Ах, точность расчёта массового расхода утечки увеличивается при уменьшении расстояния между третьим и четвёртым датчиками Ах2. Указанная на рисунке зависимость нелинейная, так как погрешность расчёта массового расхода утечки по формуле (3.27) зависит от многих факторов. В частности, от расстояния между возникшей утечки и местоположением датчиков давления, а также от точности абсолютных датчиков давления в месте расположения первого и четвёртого датчиков давления. Погрешность определения массового расхода утечки не зависит от местоположения третьего и четвёртого датчиков давления при постоянных координатах установки первого и второго датчиков. Установлено также, что погрешность расчёта массового расхода утечки зависит от интенсивности утечки. При увеличении диаметра отверстия утечки от 0,01 м до 0,02 м погрешность расчёта увеличивается минимум на 0,093%.

Следует отметить, что при исследованиях использовались показания абсолютных датчиков давления, что повлияло на точность определения изменения во времени давления в контролируемых сечениях и, следовательно, отразилось на точности расчёта параметров утечки.

Таким образом, для достижения оптимальной точности определения координаты и массового расхода утечки по модифицированному методу гидравлической локации утечки нужно либо устанавливать устройства измерения изменений во времени давления так, что Ах, = min и Дх2 = min при нефтепроводе длиной не более 50 км, либо для нефтепроводов длиной более 50 км данные устройства могут располагаться на большем расстоянии. Это расстояние рассчитывается дополнительно для каждого конкретного нефтепровода. Так же расположение устройств измерения изменения во времени давления будет зависеть от их точности. Далее рассмотрим зависимость погрешности измерения изменения давления во времени на точность определения параметров утечки.

4.4. Влияние погрешности определения изменения во времени давления в сечениях нефтепровода на точность определения параметров утечки.

Известно, что для нефтепроводов характерны стохастическое изменение давления из-за добавления к полезному сигналу беспорядочного гидравлического шума с определённой оптимальной амплитудой. Поэтому необходимо рассмотреть характер влияния погрешности определения изменения во времени давления в контролируемых сечениях нефтепровода на точность определения параметров утечки. Для этого в программе ЭА-Тгепс^ выполним увеличение трендов до показаний с кратностью в ОД с. Пример тренда давления с увеличением кратности до 0,1 с в виде файлов ЭМР-формата, полученного на датчике, расположенного на нефтепроводе с координатой х31 = 143,692−103 м для утечки? = 125,71−103 м и диаметре шайбы с1ш = 14-Ю-3 м, представлен на рисунке 4.11.

JgDATrends — DATre.

File Edit View Window Help.

UOl X|.

D | 0 а у I <л am .ill i F1A [А Шt.

Прореживание: | выкл X.

E:OlSERDataDataDumpFilesYl4320070928 Датчик 1.

V Датчик 2.

16 24:00.000 26 09.07.

16:24.00.100 16.24.00.200 16 2400.300 16:24:00.400 16.24.00.500 ll.

Рис. 4.11. Тренд давления с увеличением кратности до 0,1 с, расположенном в сечении = 143,692 • 103 м при утечке с координатой = 125,710-Ю3 м и диаметром шайбы с1ш = 14−10″ м.

По графику, представленному на рисунке 4.11, установлено, что для указанного нефтепровода погрешность при измерении изменения во времени давления в контролируемом сечении составляет < ± 5 кПа.

Рассмотрим влияние погрешности измерения изменения во времени давления на точность определения параметров утечки при максимальной погрешности измерения. Для этого проведём расчёт координаты и массового расхода утечки по координате 125,71 -Ю3 м с диаметром шайбы ¿-щ =20-Ю-3 м, для всех описанных случаев при установке датчиков давления в сечениях трубы с координатами х, = 27,3 3 9−103 м, х2 =90,279-Ю3м, =143,864-Ю3 м и х4 =150,480-Ю3 м.

Пусть N — номер итерации. Тогда N = 1 при использовании средних значений изменений во времени давленияN = 2 при случае, когда первое устройство выдаёт показание с максимальной погрешностью, остальные показывают среднее значениеN ~ 3, если одновременно два устройства выдают показание с максимальной погрешностьюN = 4 при использовании показаний одновременно первых трёх устройств с максимальной погрешностью и N = 5 для случая одновременной максимальной погрешности всех устройств измерения изменений во времени давления. Графики погрешности расчёта координаты и массового расхода утечки для рассмотренных случаев представлены на рисунке 4.12.

Из представленных графиков видно, что максимальная погрешность расчёта координаты утечки устанавливается при максимальной погрешности одновременно первых двух устройств. При использовании показаний в случае, когда погрешность измерения максимальна одновременно на всех устройствах, точность координаты утечки становится идентичной точности, которая была при использовании средних значений изменений во времени давлений в контролируемых сечениях.

60 50 40 30 20 10 0 2.

1. .>1.

1 2 3 4 N.

Рис. 4.12. Графики зависимостей погрешности расчёта координаты и массового расхода утечки из нефтепровода по координате.

5 = 125,710−10 м с диаметром шайбы ¿-/ш = 20 • 10 м:

1−5″ т, 2-^ (Л0.

Максимальная погрешность при определении массового расхода утечки имеет место при максимальной погрешности только первого устройства. Влияние погрешности третьего и четвёртого устройства на точность определения массового расхода утечки не обнаружено.

Таким образом, для устранения большой погрешности определения параметров утечки по формулам (3.23) и (3.27) необходимо использовать средние за период показания устройств измерения изменений во времени давления.

4.5. Результаты главы 4.

В данной главе были проведены экспериментальные исследования разработанного модифицированного метода гидравлической локации утечки.

Для этого была проведена обработка трендов давления с помощью программ ЭА-Тгепс^ и Graph2Digit 0.7.1 Ь, создана модель для расчёта параметров утечки в БтиНпк пакета МаЛаЬ 7.9.

По результатам, полученным в ходе эксперимента, доказано, что разработанный метод работоспособен и при его использовании координату утечки с диаметром отверстия с/ш = (6 — 20) • 10−3 м можно определить с точностью от4мдо337мв зависимости от координаты установки устройств для измерения изменения во времени давления в одном сечении трубы.

Отметим, что эксперимент проводился по показаниям абсолютных датчиков давления и изменения во времени давления в одном сечении трубы рассчитывались косвенным путём, что повлияло на точность определения параметров утечки.

В ходе дополнительных экспериментов установлено, что координаты установки устройств измерения изменений во времени давления влияют на точность параметров утечки, причём большее воздействие на определение массового расхода оказывают значения устройств, установленных в первом и втором сечениях. Поэтому для улучшения точности определения координаты утечки по разработанному методу при наилучшей точности определения массового расхода рекомендуется изменять местоположения третьего и четвёртого устройства измерения давления. Также следует учесть, что для обнаружения малых утечек с приемлемой точностью и с целью уменьшения неконтролируемой зоны нефтепровода в соответствии с модифицированным методом гидравлической локации утечки лучше использовать данный метод при эксплуатации нефтепроводов длинной менее 50 км.

При исследовании влияния погрешности измерения изменений во времени давлений на точность определения параметров утечки выявлено, что для погашения данного влияния необходимо использовать средние за период значения показаний устройств измерения изменения во времени давления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении ещё раз перечислим основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Получена математическая модель изменения давления в нефтепроводе с учётом параметров нефтепродукта и нефтепровода. В главе 2 представлены теоретические исследования данной модели.

Разработаны формулы определения параметров утечки из нефтепровода по профилю давления с учётом его геометрического профиля по отношению к горизонту с постоянным значением диаметра. Проведено численное моделирование в пакете COMSOL Multiphysics 3.5 с целью доказательства работоспособности данных формул. Разработано устройство для измерения изменения во времени давления в контролируемом сечении нефтепровода.

Предложен новый метод определения координаты и массового расхода утечки из нефтепровода, основанный на показаниях разработанного устройства, установленное вдоль трубопровода в нескольких сечениях трубы. Данный метод является модифицированным методом гидравлической локации утечки.

Разработаны формулы определения параметров утечки в соответствии с новым методом обнаружения утечки для трёх различных случаев: при постоянном значении давлений в начале и в конце участка нефтепровода, пролегающего между нефтеперекачивающими станциямипри постоянном значении давления только в начале нефтепровода, а также при изменении давления в четырёх контролируемых сечениях участка нефтепровода.

В главе 3 проведены компьютерные эксперименты и доказана работоспособность метода и разработанных формул. В главе 4 представлено экспериментальное исследование метода и показана возможность его практического применения. Разработанный модифицированный метод гидравлической локации утечки позволяет определять в нефтепроводе протяжённостью более 150−103 м утечки с диаметром предполагаемого отверстия dm =5−10−3 м с точностью 337 м, dm =20−10~3 м с точностью.

4 м. Следует отметить также, что по предложенному методу возможно определение кратковременных утечек, длительность которых составляет 30 с.

При анализе модифицированного метода гидравлической локации утечки по указанным в главе 1 критериям, можно отметить, что метод является наиболее точным при интенсивности утечек более 15 кг/с, надёжным, безопасным в эксплуатации и независимым от климатических и погодных условий. Следует отметить, что возможны ложные срабатывания системы, поэтому при реализации данного метода необходимо реализовывать оповещение об изменениях режима перекачки и параметров перекачиваемого продукта. Также имеется невидимая зона нефтепровода, которая располагается в начале и в конце эксплуатируемого участка. С целью её уменьшения рекомендуется использовать приборов измерения изменения во времени давления в сечениях нефтепровода с повышенной чувствительностью, составляющей десятки Па. Тогда неконтролируемая зона нефтепровода может составить по 200 м в начале и в конце трубы.

Представленный метод является улучшенной модификацией метода гидравлической локации утечки, так как позволяет увеличить длину эксплуатируемого участка нефтепровода за счёт отсутствия зависимости координаты установки дифференциального датчика давления от его физических характеристик. Также увеличивается чувствительность к изменениям интенсивности утечек.

Следует отметить, что предлагаемый метод, устройство для его реализации и полученные расчётные формулы определения параметров утечки применимы для трубопроводов, транспортирующих различные жидкости. При этом изменяются только входные параметры алгоритмов, в соответствии с которыми выполняется вычисление. Поэтому существует возможность использования результатов диссертационной работы при определении утечек из водопроводов, нефтепродуктопроводов, трубопроводов химической и другой промышленности.

В дальнейшем предполагается создание системы обнаружения утечки, которая будет работать по модифицированному методу гидравлической локации утечки с применением описанного в данной работе устройства измерения изменения во времени давления в контролируемых сечениях трубы, полученных расчётных формул и алгоритма обработки информации об изменениях контролируемой величины давления.