Введение к работе
Актуальность работы
Нефтепровод является инженерно-техническим сооружением
повышенной степени опасности и работает под большим давлением, в
случае нарушения его герметичности происходит значительный выброс
продуктов перекачки. Поэтому решение проблем контроля технического
состояния и управления сложным технологическим процессом, которым
является транспортировка нефти, представляется весьма актуальной
задачей. В состав нефтепровода входят наземные, подземные и
подводные трубопроводы, линейная арматура, головные и
промежуточные нефтеперекачивающие насосные станции,
нефтехранилища, линейные и вспомогательные сооружения. Исследования показали, что основной риск возникновения чрезвычайных ситуаций на магистральных нефтепроводах связан с авариями на линейной части (ЛЧ), частота возникновения утечек, в зависимости от объемов, составляет от 0.005 до 0.248 на 1000 км в год. Данные коэффициенты могут быть значительно увеличены при прохождении магистрального нефтепровода (МН) по территории с повышенной сейсмической активностью, за счет возможности возникновения землетрясения.
В случае возникновения землетрясения сейсмическая волна, воздействуя на нефтепровод, может привести к образованию различных дефектов, в том числе к возникновению утечки. В связи с этим возникают задачи: определить, на каком расстоянии от нефтепровода произошло землетрясение; насколько сильным было сейсмическое воздействие, порожденное землетрясением; возникла ли утечка и может ли нефтепровод функционировать в штатном режиме. В соответствии с этим выработать управляющие воздействия, корректирующие работу магистрального нефтепровода.
Таким образом, появляется комплекс научно-технических проблем по созданию автоматических систем, обеспечивающих устойчивую работу магистрального нефтепровода, оценку степени влияния той или иной нештатной ситуации, произошедшей по причинам как естественного природного, так и техногенного характера, и управление магистральным нефтепроводом. Для решения этой проблемы предлагается использование быстродействующей интегрированной системы контроля утечек и управления магистральным нефтепроводом, построенной на основе предложенного в диссертационной работе комплекса. Основу
предлагаемого комплекса составляет сегмент контроля сейсмических воздействий, дополненный несколькими сегментами обнаружения утечек. Важно отметить, что при таком подходе недостатки одного из методов контроля событий компенсируются преимуществами другого метода. За счет этого происходит значительное повышение скорости и точности работы, как следствие, повышается эффективность управления технологическим процессом транспортировки нефти.
Существующие в настоящее время системы, обеспечивающие контроль и управление МН, в основном используют функциональность систем обнаружения утечек (СОУ). Недостатком большинства систем обнаружения утечек является то, что решающий алгоритм наличия или отсутствия таковой, основан лишь на одном из многих существующих методов обнаружения. При одновременном воздействии нескольких негативных факторов, таких как повышенный шумовой фон, наличие переходного процесса в трубе, движение очистительного скребка, возможна ситуация, когда повреждение участка МН не будет обнаружено, или будет обнаружено со значительной временной задержкой.
Все вышесказанное позволяет сделать вывод об актуальности создания теоретических основ и прикладных методов анализа и повышения эффективности автоматических систем управления и контроля технологическим процессом транспортировки нефти.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы является создание теоретических основ и прикладных методов анализа и повышение эффективности автоматических систем управления технологическими процессами транспортировки нефти по трубопроводам; разработка методов и алгоритмов автоматизированного комплекса мониторинга и управления магистральными нефтепроводами, обеспечивающего обнаружение с высокой точностью и скоростью места дефекта трубопровода, локализацию утечек и управление технологическим процессом.
Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач:
Исследование существующих технических средств регистрации сигналов, методов и алгоритмов цифровой обработки сигналов для повышения отношения сигнал/шум.
Разработка концепции построения автоматизированного комплекса мониторинга и управления магистральными нефтепроводами, обеспечивающего высокую точность и скорость работы, в основу
которого положены методы обнаружения утечек и метод обнаружения сейсмических воздействий.
Исследование и разработка математической модели и алгоритмов контроля сейсмических воздействий.
Исследование и разработка математической модели и алгоритмов обнаружения утечек.
Синтез структуры автоматизированного комплекса мониторинга и управления магистральными нефтепроводами в рамках существующей системы управления технологическим процессом транспортировки нефти.
Проведение экспериментальных исследований (натурные испытания).
Методы исследования
Поставленные задачи решались путем теоретических и экспериментальных исследований. В процессе проектирования алгоритмов проводились разносторонние исследования с применением цифровой обработки сигналов и суперпозиции многих методов: теории вероятностей, математической статистики, математического анализа, теории автоматического управления, распознавания образов, сейсмологии, акустики, методов моделирования с применением вычислительной техники, программирования. При решении задач были исследованы факторы, при возникновении которых велик риск нарушения работоспособности нефтепровода. В работе исследованы: используемые в настоящее время методы обнаружения, вопрос аппаратной реализации системы, процесс получения, обработки и постобработки данных с целью выявления сейсмических воздействий на нефтепровод и утечек нефти и нефтепродуктов.
Научная новизна диссертации состоит в том, что:
Предложена концепция мониторинга технического состояния нефтепровода, основанная на интеграции методов обнаружения сейсмических воздействий и обнаружения утечек, обеспечивающая эффективное управление технологическим процессом транспортировки нефти.
Разработаны математические модели работы сейсмического, акустического и параметрического сегментов автоматизированного комплекса мониторинга и управления магистральными нефтепроводами.
На основе предложенных математических моделей разработаны алгоритмы обнаружения и идентификации событий с использованием методов цифровой обработки сигналов пульсаций давления и вибрации,
возникающих в транспортируемом продукте.
Исследованы результаты работы алгоритмов сегмента контроля сейсмических воздействий. При взаимном анализе показаний группы датчиков, когда сигнал ослабляется с расстоянием, алгоритм позволяет повысить точность оценки времени вступления сейсмического воздействия. Например, для случая ослабления сигнала в два раза (на 6 дБ), на одном из двух датчиков, точность определения фронтов сейсмического события на 25% выше, по сравнению с классическим алгоритмом.
Предложенный алгоритм работы сегмента обнаружения утечек позволяет значительно повысить скорость обнаружения и точность локализации за счет того, что недостатки одного метода контроля компенсируются преимуществами другого.
Разработана структура автоматизированного комплекса мониторинга и управления магистральными нефтепроводами.
На основе предложенных моделей и алгоритмов создан классификатор, в соответствии с которым происходит управление технологическим процессом транспортировки нефти.
Практическая значимость работы заключается в том, что
Значительно сокращено время реакции системы при возникновении утечки транспортируемого продукта за счет применения предложенной структуры автоматизированного комплекса мониторинга и управления, основанной на совместном использовании нескольких сегментов.
Комплекс производит постоянный мониторинг сейсмической активности вблизи магистрального нефтепровода, в случае обнаружения сейсмического воздействия классифицирует его в соответствии со степенью опасности воздействия на нефтепровод.
Применение сегмента контроля сейсмических воздействий (СКСВ) в случае обнаружения землетрясения позволяет отключить предположительный участок в автоматическом режиме.
Предоставлена возможность более детально изучить степень влияния сейсмического воздействия на трубу нефтепровода.
Предоставлена возможность применения разработанного комплекса не только в смежных к нефтяной отрасли сферах, но и в других сферах человеческой деятельности, например, в газовой промышленности, в сейсмическом мониторинге зданий и сооружений, в мониторинге водотранспортных магистралей.
6. Применение разработанного алгоритма обнаружения утечек
нефти несколькими методами одновременно, позволило добиться
высокой скорости и высокой точности в обнаружении утечки,
экспериментальные исследования показывают следующие результаты:
на дистанции 7 км система сработала в два этапа: первый этап, обнаружение и предварительная локализация параметрическим методом, точность работы составила ±800 м при времени детектирования менее 7 сек; второй этап - уточнение локализации гидроакустическим методом, точность составила ±150 м при времени работы 10 минут;
на дистанции 33 км точность предварительной локализации параметрическим методом составила ±2000 м, при времени работы 33 секунды; уточнение локализации показало точность ±1000 м, при времени работы 10 минут.
Обеспечена возможность интеграции комплекса в АСУ ТП стандартными средствами, по технологии клиент-серверного взаимодействия.
При реализации комплекса применен блочно-модульный принцип построения аппаратной и программной частей на основе SCADA платформы.
Достоверность результатов
Достоверность научных положений, результатов и вводов подтверждается использованием для их получения общепринятых научных подходов и методов, а также подтверждается результатами компьютерного моделирования и экспериментальными исследованиями, проведенными с использованием макетов комплекса в лабораторных условиях и с использованием рабочих образцов на ряде объектов нефтяной отрасли России. Результаты мониторинга землетрясений подтверждаются наблюдениями международной сети сейсмических станций и Геофизической службы РАН, опубликованными на официальных интернет-страницах соответствующих ведомств.
Личный вклад автора
Основные теоретические результаты получены и опубликованы автором лично. Автор предложил и обосновал концепцию построения комплекса, структуру комплекса, алгоритмы и большинство программных модулей. Автор участвовал в пусконаладочных работах, в обучении и последующей технической поддержке персонала, обслуживающего аппаратно-программный комплекс, основанный на результатах диссертационной работы.
Внедрение результатов
Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, а именно: система контроля сейсмических воздействий и система обнаружения утечек, внедрены на следующих объектах нефтяного хозяйства России:
Россия, Иркутская область, г.Братск, магистральный нефтепровод "Восточная Сибирь - Тихий Океан" (ВСТО). Название разработки "Система контроля сейсмических воздействий на магистральный нефтепровод".
Россия, Самарская область, г.Самара, нефтепродуктопровод "Куйбышев-Брянск" участок "Воскресенка-Сызрань". Название разработки "Интегрированная система безопасности трубопровода".
Научные положения, выносимые на защиту
Концепция построения и структура автоматизированного комплекса мониторинга и управления магистральными нефтепроводами.
Метод детектирования сейсмических событий, основанный на применении синхронизированных сигналов трехкомпонентного датчика с адаптацией к условиям суточных и сезонных вариаций на основе модифицированного алгоритма STA/LTA и расчета времени начала события аппроксимацией функции детектора полиномом третьего порядка с последующим поиском точки перегиба, соответствующей началу сейсмического события.
Метод обработки сейсмического события непосредственно на нижнем уровне сейсмостанции с передачей флага состояния на верхний уровень сервера СКСВ и АРМ оператора.
Алгоритм расчета фактической скорости распространения звука методом взаимного корреляционного анализа сигналов двух соседних гидрофонов.
Алгоритмы обнаружения и локализации утечек акустическим и параметрическим методами на основе корреляционного анализа и анализа давления в трубопроводе.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 3 научно-технических конференциях и 4 специализироанных выставках-конференциях с 2008 по 2011 г.
Публикации по работе
Автором опубликовано 10 научных трудов, основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах, из них 4 работы в журналах, рекомендованных ВАК, 3 тезиса докладов научно-технических конференций, одна из статей переведена и опубликована на английском языке. Все работы по теме диссертации опубликованы без соавторов.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из ПО наименований, приложений и двух актов использования результатов диссертационной работы. Работа содержит 145 страниц основного текста, 89 рисунков и 14 таблиц.
