Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема обнаружения утечек и анализ существующих методов ее решения 9
1.1. Анализ причин возникновения утечек и статистика аварий 9
1.2. Требования к системам обнаружения утечек и классификация методов обнаружения утечек 13
1.2.1. Требования к системам обнаружения утечек 14
1.2.2. Классификация методов обнаружения утечек 15
1.3. Анализ существующих методов обнаружения утечек 19
1.3.1. Акустические (ультразвуковые) методы контроля утечек 21
1.3.2. Методы статического контроля 23
1.3.3. Методы контроля утечек на основе моделирования процесса перекачки 24
1.4. Цели и задачи исследований, изложенных в диссертационной работе 29
Глава 2. Система обнаружения утечек "утечка", работающая в реальном маштабе времени .. 31
2.1. Патентная информация по системам и ее анализ 31
2.2. Анализ систем обнаружения утечек, применяемых в трубопроводном транспорте 36
2.3. Сущность нового предложения 44
2.4. Описание структуры системы з
Глава 3. Теоретические основы проектирования автоматизированной системы для обнаружения утечек нефти и нефтепродуктовиз трубопровода 50
3.1. Модель неустановившегося напорного течения жидкости в трубопроводе 50
3.2. Метод характеристик для решения уравнений неустановившегося напорного течения слабо сжимаемой жидкости в трубопроводе 54
3.3. Распад произвольного разрыва 57
3.4. Расчет неустановившихся процессов методом С. Годунова.. 60
3.5. Безнапорное течение жидкости в трубопроводах 65
3.6. Конечно-разностные формулы для расчета течения жидкости на безнапорных участках трубопровода 69
3.7. Краевые условия для расчета 73
3.8. Реализация алгоритма в компьютерной программе "Утечка-Г 78
Глава 4. Разработка программного обеспечения для создания автоматизированной системы "утечка" обнаружения утечек из трубопровода 84
4.1. Общая структура программного комплекса "Утечка-2" 84
4.2. Алгоритм расчета, используемый в программном комплексе "Утечка-2" 88
4.2.1. Алгоритм расчета начального режима 88
4.2.2. Алгоритм расчета текущих слоев 90
4.3. Результаты тестирования программного комплекса "Утечка-2" 94
4.4. Результаты расчетов по обнаружению утечек с помощью программного комплекса " Утечка -2" 100
Глава 5. Техническая реализация системы обнаружения утечек 106
5.1. Требования к комплексу технических средств 106
5.2. Система сбора данных и диспетчерского управления ПТК "Сириус"
5.2.1. Обоснование выбора ПТК "Сириус" в качестве системы сбора данных 109
5.2.2. Первичные датчики измерения параметров 119
5.2.3. Структура верхнего уровня автоматизированной системы 128
5.2.4. Обмен оперативной информацией в комплексе для обнаружения утечек 130
Основные результаты работы 133
Литература
- Классификация методов обнаружения утечек
- Анализ систем обнаружения утечек, применяемых в трубопроводном транспорте
- Конечно-разностные формулы для расчета течения жидкости на безнапорных участках трубопровода
- Результаты расчетов по обнаружению утечек с помощью программного комплекса " Утечка -2"
Классификация методов обнаружения утечек
Магистральные трубопроводы, как связующее звено районов добычи нефти и газа с районами их переработки и потребления, относятся к категории наиболее ответственных инженерных сооружений. Материальный ущерб при аварии трубопровода может быть очень велик. Вместе с потерей нефти, нефтепродуктов создается опасность взрыва, пожара, загрязнения окружающей среды.
Современный магистральный трубопровод рассматривается как сложная многокомпонентная система, формируемая и функционирующая на множестве разнородных и разнохарактерных процессов. Это обстоятельство обуславливает необходимость глубокого и всестороннего анализа влияния дефектов на работоспособность трубопровода по отдельным и совокупным критериям. Результат такого анализа позволяет определить наиболее рацио 14 нальные алгоритмы поиска неисправностей и направления проектирования систем диагностики трубопроводов [22].
Одной из наиболее важных проблем эксплуатации магистрального трубопровода является обеспечение целостности линейной части путем систематического контроля герметичности трубы и своевременного устранения выявления дефектов. Эта проблема в последнее время приобрела особую актуальность в связи с возросшими требованиями к охране окружающей среды. В нашей стране, как и за рубежом, существуют специальные организации по защите окружающей среды от загрязнения [6,32]. Эти организации проводят систематические исследования аварий и выдают рекомендации по совершенствованию проектирования, строительства и эксплуатации магистральных нефтепроводов, а также рекомендации по оценке и ликвидации последствий аварий, средствам транспортировки нефти, выбору рабочих давлений и толщины стенки труб при проектировании трубопровода, методам испытаний при строительстве трубопроводов, оценке методов контроля и утечек нефти при эксплуатации нефтепроводов, рекомендации по безопасности в случае аварии, противокоррозионной защите и др. [24,33].
С учетом условий эксплуатации, к методам и средствам обнаружения утечек нефти и нефтепродуктов на магистральных трубопроводах предъявляются следующие основные технические требования [25,32,70]: работа при любых климатических и погодных условиях. Точность определения утечек зависит от величины самой утечки. Чем меньше утечка, тем труднее обнаружить ее место. Такая же зависимость существует и для времени обнаружения утечек, которое зависит от объема утечки и составляет от нескольких секунд до нескольких часов. Поэтому основные требования, предъявляемые к обнаружению больших и маленьких утечек различны.
Оперативность обнаружения повреждения трубопровода - первоочередное требование к методам и средствам обнаружения места значительных утечек. Определение места повреждения - второстепенное требование, так как достаточно знать, в какой секции между запорной арматурой произошло повреждение, чтобы ее автоматически локализовать, уменьшая тем самым потери перекачиваемого продукта.
К методам и средствам обнаружения места незначительных утечек предъявляются два из основных требований: высокая чувствительность и точность определения места повреждения. Чувствительность должна быть порядка 1—50 л/ч, а точность определения места утечки - порядка 10-—20 м. Оперативность здесь является второстепенным требованием, так как такие повреждения являются менее опасными [ПО], и нужно время для накопления опасного количества нефти.
При классификации методов [18,34,70] часто ограничиваются одним или двумя критериями (например, режимом работы нефтепровода или режимом его контроля). Анализируя и изучая существующие и разрабатываемые методы контроля утечек как отечественного, так и зарубежного исполнения, их можно классифицировать по различным параметрам, что позволя 16 ет более точно определить назначение и пригодность комплекса в конкретном случае. Наиболее точная система классификации, предложенная в работе [85] представлена на рис.1, в которой методы подразделяются по следующим критериям: по режиму работы трубопровода методы контроля могут быть разбиты на две группы: динамические (без остановки трубопровода) и статические (с остановкой трубопровода). При динамическом контроле удается обнаружить лишь значительные (более 50 м3/ч) утечки. Малые (до 10 л/ч) утечки можно выявить только при остановке трубопровода, т.е. статическими методами; по периодичности применения методы контроля делятся на две группы: периодического контроля, осуществляемого через определенные интервалы времени (от нескольких суток и более) и постоянного (непрерывного) контроля, осуществляемого в течение всего времени эксплуатации трубопровода. по условиям их применения и конструктивному исполнению методы подразделяются на: S стационарные ( встроенные приборы и системы ); транспортируемые по трубопроводу; S патрульные. по характеру взаимодействия с перекачиваемой средой, методы подразделяются на: а активные методы (излучение в перекачиваемую среду ультразвуковых колебаний определенной частоты и прием в месте повреждения); а пассивные методы (измерение шумов утечки); а методы прямого способа (зонды, кабели и т.д.); методы косвенного способа (давление, скорость потока, расход и скорость распространения волн);
Анализ систем обнаружения утечек, применяемых в трубопроводном транспорте
Программный комплекс "LyakSpy". Широкое применение в ОАО "Сибнефтепровод" и ОАО "Верхневолжскнефтепроводы" получил программный комплекс для обнаружения утечек из магистральных нефтепроводов "LeakSpy" [58,61] (ООО "Энергоавтоматика, Россия). Программный пакет "LeakSpy" является комплексным решением, поскольку в нем объединены несколько алгоритмов диагностики, основанных на различных математических моделях.
В основе комплекса лежит математическая модель нефтепроводов, функционирующая в реальном времени. Контроль утечек осуществляется на основе измерения технологических параметров, получаемых при помощи системы телемеханики. Диагностика утечек на нефтепроводе осуществляется несколькими независимыми алгоритмами, каждый из которых работает при определенном наборе измеряемых параметров.
Для повышения надежности системы и снижения вероятности ложных срабатываний в системе предусмотрен блок предварительного анализа результатов измерений, задачей которого является отбраковка недостоверных измерительных каналов. Все показания датчиков анализируются с точки зрения физической допустимости, согласования с показаниями соседних датчиков, наличия наводок, «дребезга», недопустимых отклонений и т.п. Модуль функционирует полностью автоматически, без вмешательства диспетчера. Он отбраковывает некачественные измерительные каналы или отдельные измерения. В случае восстановления канала измерения, он будет автоматически принят к рассмотрению системой.
Для снижения уровня ложных срабатываний в системе предусмотрен модуль обучения и адаптации. Реализованы два уровня адаптации. На первом уровне происходит автоматическая адаптация модели, которая учитывает изменение медленно меняющихся параметров, таких как скорость звука, плотность, вязкость, температура, состав нефтепродукта, «дрейф» датчиков и т.п. Кроме того, система автоматически подстраивает уровни срабатывания алгоритмов в зависимости от наблюдаемой воспроизводимости параметров при измерениях. Второй уровень адаптации позволяет персоналу, эксплуатирующему систему, настроить пороги срабатывания по результатам эксплуатации.
В представленном программном комплексе заложено несколько алгоритмов идентификации нарушения герметичности трубопровода:
1. Алгоритм обнаружения утечек на основе изменения градиента давлений. Использует в качестве входных параметров поступающие данные давлений с насосных станций и линейных крановых площадок с контролируемыми пунктами. Алгоритм работает только на стационарном режиме работы нефтепровода. При переходе с режима на режим алгоритм временно отключается и потом автоматически подстраивается под новый режим перекачки.
2. Алгоритм обнаружения утечек на основе падения давлений в контролируемых точках нефтепровода. Использует в качестве входных параметров поступающие данные давлений с насосных станций и линейных крановых площадок нефти. Алгоритм работает только на стационарном режиме работы нефтепровода. При переходе с режима на режим программа временно отключается и потом автоматически подстраивается под новый режим перекачки.
3. Алгоритм локального нарушения баланса. По имеющейся в программе модели течения осуществляется оценка потока, входящего и выходящего из секции трубопровода, примыкающей к узлу линейных задвижек. При возникновении предельно допустимого отрицательного дисбаланса выдается сообщение об утечке. Данный алгоритм использует результат идентификации эффективного диаметра трубопровода по перепаду давления и расходу. При этом учитывается разница постоянных времени процесса идентификации и времени развития утечки. Эффективный диаметр трубопровода корректируется достаточно инерционным алгоритмом, с постоянной времени, определяемой в процессе настройки.
4. Алгоритм на основе тренда потребляемой электрической мощности. Появление утечки приводит к перераспределению расхода в системе и изменению вследствие этого электрической мощности, потребляемой насосами выше и ниже места утечки. Программа обнаруживает эти трендьг электрической мощности и при выполнении определенных условий квалифицирует их как признак разрыва трубопровода. 5. Алгоритм изменения давления в изолированных секциях трубопровода. В отличие от предыдущих алгоритмов, которые диагностируют трубопровод в процессе транспортировки нефти, данный алгоритм позволяет обнаружить утечку из трубопровода при условии закрытия линейных задвижек. Чувствительность метода может быть весьма высокой и зависит от стабильности показаний датчиков давления и продолжительности периода, в течение которого остановлена перекачка.
Отдельным и наиболее интересным в системе, является алгоритм обнаружения утечек, который предназначен для обнаружения быстроразви-вающихся разрывов магистральных нефтепроводов [66]. Метод основан на обнаружении волны давления, возникающей в трубопроводе при разрыве. Диагностируется быстро развивающиеся разрывы между КП. Определяется время обнаружения, координата и величина падения давления. Данный алгоритм используется на водных переходах и особо опасных участках. Основная идея заключается в том, что при разрыве нефтепровода образуется «отрицательные» волны давления, распространяющиеся в обе стороны от места разрыва. Падение давления определяется по формуле: где Dieak — эквивалентный диаметр образовавшегося отверстия; Df - диаметр трубопровода; р - плотность нефти; РТ - избыточное давление в нефтепроводе; с - скорость звука.
Расстояние между местом утечки и ближайшим к нему устройством, расположенным выше по потоку, определяется по формуле: х = , (2.6) где L -расстояние между ближайшими к месту утечки устройствами; At -интервал времени между моментами прихода волн к ближайшим устройствам; с - скорость звука в жидкости, м/с.
Структура данной системы представлена на рис. 7 и включает контролируемые пункты (КП), снабженные контроллером и двумя датчиками избыточного давления.
Данная система обнаружения утечек по волне давления эффективна при обнаружении утечек и 0,1... 0,2 % от среднего расхода через нефтепровод. Физические ограничения метода связаны с наличием акустических шумов перекачки. Дополнительные ограничения накладываются расстоянием между КП и наличием парогазовых полостей, которые способствуют погашению волны давления.
Конечно-разностные формулы для расчета течения жидкости на безнапорных участках трубопровода
Предлагаемая автоматизированная система для обнаружения утечек нефти или нефтепродукта из трубопровода основана на расчете неустановившихся процессов, происходящих на участке трубопровода. Поскольку отличительной особенностью разработанной системы является учет возможности образования в трубе парогазовых полостей, обусловленных падением давления до значения, равного упругости насыщенных паров транспортируемой жидкости, то остановимся на положениях не только классической теории, восходящих своими истоками к работам Н.Е.Жуковского (теории, в которой считается, что сечение трубопровода заполнено жидкостью полностью), но и на теории безнапорных течений жидкости (теории, в которой исследуется движение жидкости внутри трубопровода неполным сечением под действием силы тяжести), которые могут возникать на участках, следующих за временными перевальными точками, образующимися при снижении давления в волнах разгрузки.
В основе этой модели лежат следующие допущения: каждое сечение трубопровода считается полностью занятым жидкостью. Это условие выполняется тогда, когда давление в рассматриваемом сечении больше значения ру упругости насыщенных паров транспортируемой жидкости (например, для бензина ру « 0,07 МПа; для дизельных топ 51 лив и нефтей - ру « 0,01 МПа; для воды - ру « 0,03 МПа и т.д.). изменение Ар плотности жидкости (нефти или нефтепродукта) много меньше ее номинального значения р0, причем Ар= р0//С-(р -р0), где К"-модуль упругости жидкости [8]. Например, если р0 = 1000 кг/м3, р-р0 =1,0 МПа («10 атм.), К"=103 МПа, то изменение плотности Ар равно всего 1 кг/м ; изменение AS площади сечения трубопровода много меньше ее но минального значения S0, причем AS = 7tdo /4ES-(p - р0) или AS = S0d0/ES-(p -Ро)- Например, если d0 = 500 мм, =10 мм, р0 = 1000 кг/м3, р - Ро = 1,0 МПа («10 атм.), сталь - Е = 2 105 МПа, то изменение диаметра Ad0 трубопровода равно 0,06 мм, а площади сечения -AS 0,5 см2 от S0 = 1960 см2; касательное напряжение TW трения на стенках трубопровода опреде ляется известной формулой Дарси-Вейсбаха: TW - X[Re, є) -pv2 /&, где за висимость коэффициента X гидравлического сопротивления от опреде ляющих параметров: числа Рейнольдса Re = vd0/v и относительной шеро ховатости є = A/d0 внутренней поверхности трубопровода берется в том же самом виде, что и при стационарном течении (так называемая гипотеза квазистационарности). Например, если Я = 0,02, v = 1,5 м/с, р0 = 1000 кг/м , то TW = 5,6 Па (т.е.« 0,00006 атм.).
Уравнения (3.5) были получены и развиты классиками отечественной механики Н.Е.Жуковским, Л.С.Лейбензоном, И.А.Чарным и др., и в той или иной форме неоднократно использовались многими учеными для решения прикладных задач, связанных с движением жидкости в трубопроводах [60,82]
Конечно, система дифференциальных уравнений (3.5) требует для своего решения граничных и начальных условий [38], о которых будет сказано ниже.
Метод характеристик для решения уравнений неустановившегося напорного течения слабо сжимаемой жидкости в трубопроводе
Система уравнений (3.5) относится к классу полулинейных гиперболических дифференциальных уравнений с частными производными, поэтому может быть приведена к так называемой характеристической форме.
Формулы (3.9) могут быть использованы для расчета неустановившегося движения жидкости в трубопроводе методом, получившим название метода характеристик.
Пусть в некоторый момент времени tm_l (например, начальный момент) давления p(x,fm_j) и скорости v{x,tm_]) жидкости известны во всех сечениях трубопровода, рис. 11. Тогда, используя формулы (3.9) нетрудно найти давления p(x,fm) и скорости v(x,fm) жидкости в последующий момент времени tm = tm_{ + At, близкий к предыдущему.
Это означает, что в течение небольшого времени At после начала распада разрыва поток жидкости через сечение х = х0 равен p-v(x0,t)S, где скорость v(x0,f) определяется вторым равенством (3.12 ).
Если оказывается, что p(x0,f) py, то следует положить р = ру; в этом случае в сечении х = х0 возникает разрыв сплошности течения, т.е. сечение трубопровода оказывается заполненным не полностью. 3.4. Расчет неустановившихся процессов методом С.К. Годунова.
Для построения автоматизированной системы обнаружения утечек используется расчетная схема расчета неустановившихся течений жидкости в трубопроводе, основанная на методе С.К.Годунова и относящаяся к так называемым схемам сквозного счета. Схемы сквозного счета позволяют единообразно осуществлять расчет как непрерывных течений жидкости, так и течений с разрывами (скачками давления и скорости), не выделяя последние. Для построения таких схем используются решения задачи о распаде произвольного разрыва в рассматриваемой системе дифференциальных уравнений [68]. Применительно к задачам рассматриваемого класса этот метод был предложен в 2002 г. проф. М.В.Лурье и к.т.н. Л.В.Полянской [45]. Разобьем плоскость переменных (x.t), рис. 13, прямыми Хк = Дх-(/с-1) и tm= At-(m-l), где к = 1,2,...,Л/+ 1, т = 1,2,..., образующими прямоугольную сетку со сторонами Ах = L/N и At = 0,5 Ах/с, где L - длина рассматриваемого участка трубопровода, и проинтегрируем уравнения (3.1) и (3.4) по площади счетной ячейки ABCD.
Результаты расчетов по обнаружению утечек с помощью программного комплекса " Утечка -2"
Для того, чтобы программный модуль "Утечка-2" мог быть использован в качестве программного обеспечения автоматизированной системы обнаружения утечек, необходимо оценить погрешность производимых с его помощью расчетов. Ясно, что по дисбалансу жидкости она должна быть существенно меньше, чем уставка. Одним из очевидных способов оценки погрешности расчета нестационарных процессов является расчет стационарных режимов. Программа должна "держать" стационарный режим, т.е. расход и давления по трубопроводу спустя какое-то время должны равняться стационарным значениям, а разность между количеством вошедшей и вышедшей из трубопровода жидкости равняться нулю. С целью тестирования программы был рассмотрен участок трубопровода длиной 10 км, внутренним диаметром 500 мм, абсолютной шероховатостью 0.25мм. По трубопроводу перекачивается жидкость с плотностью 870 кг/м , вязкостью 6 сСт и давлением насыщенных паров 0,7кг/см .Шаг интегрирования по координате был взят равным 100м, по времени - 0,05с. Были рассчитаны три примера:
На графике (рис. 30) приведенного давления видно, что на участке остановленного трубопровода имеется самотечный участок. График начального приведенного давления совпадают с графиком текущего приведенного давления (верхняя кривая).
В мнемокадре (рис. 31) представлены результаты расчета программного модуля. Трубопровод в данном тесте был остановлен, т.е. перекачка жидкости по нему не осуществлялась - изменение объема жидкости действительное равно нулю. Программа произвела расчет, результатом которого получилось, что начальный объем жидкости равен текущему объему жидкости. Объемы закаченной и отобранной жидкости равны нулю, как и текущие расходы закачки и отбора. Программа рассчитала изменение объема жидкости, которое получилось равным нулю.
Следующий компьютерный тест программного модуля проводился на работающем трубопроводе, по которому осуществлялась стационарная перекачка (рис. 32-33).
На представленном графике (рис. 32) видно, что линия приведенного давления (верхняя кривая) проходит выше профиля трубопровода (нижняя кривая) на всем диагностируемом участке, поэтому на тестируемом участке трубопровода отсутствуют самотечные участки. Как и в предыдущем тесте, график приведенного давления в начальный момент совпадает с графиком текущего приведенного давления. J Ликидж-2 Приведенный напор по длине трубопровода
Численные результаты расчета при перекачке без самотечных участков. На представленном экране (рис. 33) показаны результаты расчета программного модуля. Программа рассчитала, что начальный объем жидкости равен текущему объему жидкости. Полученные расчетным путем объемы закаченной и отобранной жидкости также оказались равными, как и текущие расходы закачки и отбора. В результате тестирования нулевым оказалось действительное изменение объема жидкости, программный модуль выдал такой же результат и по расчетному изменению объема.
Разработанный программный модуль также тестировался на работающем трубопроводе, по которому осуществлялась стационарная перекачка (рис. 34-35), но в отличие от предыдущего теста, режим перекачки был задан таким образом, что в трубопроводе образовался самотечный участок (рис. 34). На данном экране видно небольшой самотечный участок, так как линия приведенного давления (верхняя кривая) пересекает профиль трубопровода (нижняя кривая). Результаты, полученные в ходе последнего тестирования (рис. 35), совпадают с результатами предыдущего.
Как видно из рассмотрения рис. 30, 32 и 34, графики текущего приведенного давления совпадают с соответствующими графиками для начального момента, что свидетельствует о постоянстве давления. Еще более наглядно сохранение стационарного режима видно из рисунков с численными результатами. Объемы закачанной и отобранной жидкости, начальные и текущие объемы жидкости, расходы в начале и конце участка трубопровода совпадают с точностью до третьего знака после запятой (в м3), поэтому изменение объема жидкости с точностью до третьего знака равно нулю. Это позволяет сделать вывод, что погрешность расчетов достаточно мала, программа сохраняет стационарный режим, что позволяет использовать созданный алгоритм, реализованный в программном комплексе "Утечка-2" для расчета дисбаланса жидкости в трубопроводе.
После того, как программа "Утечка-2" была протестирована на стационарных режимах, необходимо было провести расчеты по обнаружению утечек на участке трубопровода. Поскольку получить измеренные значения давлений и скоростей с приемлемой точностью достаточно сложно, были проделаны следующие операции. Сначала по прямой программе "Утечка-1" были рассчитаны давления и расходы в начале и конце участка при возникновении сброса в один из отводов, имитирующего утечку. Затем полученные значения давления и расходов использовались программным модулем «Утечка-2».
Расчеты были сделаны для того же участка трубопровода, что был использован для тестирования в предыдущем параграфе. Было рассчитано два примера: при наличии и отсутствии самотечных участков. Режимные параметры для первого режима приведены на рис. 36-37. В начале расчета (рис.36) были заданы расход в начале участка, давление в конце участка и «уставка» обнаружения утечки.
Похожие диссертации на Автоматизированная система обнаружения утечек нефти и нефтепродуктов из магистральных трубопроводов
