Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ магистральных нефтепродуктопроводов и формирование требований к ИИС обнаружения несанкционированных врезок 12
1.1 Трубопроводные системы транспорта нефти и нефтепродуктов 12
1.2 Анализ магистрального трубопроводного транспорта 16
1.3 Анализ потерь перекачиваемого продукта при трубопроводном транспорте 27
Выводы к первому разделу 35
2 Анализ методов и систем обнаружения потерь перекачиваемого продукта на линейной части магистральных трубопроводов 37
2.1 Внешние визуальные и инструментальные методы и системы обнаружения потерь перекачиваемого продукта 38
2.2 Инструментальные методы и системы обнаружения потерь продукта по контролю состояния трубопровода 40
2.3 Методы и системы обнаружения потерь продукта по контролю технологических параметров перекачки 47
2.3.1 Методы обнаружения потерь нефти и нефтепродуктов по контролю динамических параметров трубопровода 48
2.3.2 Методы и системы обнаружения потерь нефти и нефтепродуктов по контролю статических параметров трубопровода 55
Выводы ко второму разделу 64
3 Разработка математической модели определения местоположения несанкционированных врезок 66
3.1 Математическая модель течения жидкости по трубопроводу без источников потерь 66
3.2 Потери напора на преодоление сопротивлений движению жидкости по трубопроводу 72
3.3 Математическая модель истечения жидкости через отверстие в стенке трубопровода и через насадки 84
3.4 Разработка математической модели определения местоположения несанкционированных врезок и утечек 87
Выводы к третьему разделу 91
4 Разработка ИИС обнаружения и локализации местоположения несанкционированных врезок на магистральных нефтепроводах. 94
4.1 Структурная схема ИИС обнаружения и определения местоположения несанкционированных врезок. 94
4.2 Алгоритм функционирования ИИС обнаружения и определения местоположения несанкционированных врезок 100
Выводы к четвертому разделу 109
5 Анализ метрологических характеристик ИИС обнаружения и определения местоположения несанкционированных врезок 112
5.1 Влияние параметров внешней среды и технологических режимов трубопровода на параметры математической модели 113
5.2 Анализ методической погрешности определения местоположения несанкционированной врезки 122
5.3 Анализ инструментальной погрешности определения местоположения несанкционированной врезки 145
5.4 Оценка результирующей погрешности определения местоположения несанкционированной врезки и результаты внедрения 152
Выводы к пятому разделу 156
Заключение 157
Библиографический список 159
Приложение
- Анализ потерь перекачиваемого продукта при трубопроводном транспорте
- Инструментальные методы и системы обнаружения потерь продукта по контролю состояния трубопровода
- Потери напора на преодоление сопротивлений движению жидкости по трубопроводу
- Алгоритм функционирования ИИС обнаружения и определения местоположения несанкционированных врезок
Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время с увеличением добычи нефти и газа развивается и трубопроводный транспорт этих продуктов, причем развивается как сеть трубопроводов для перекачки продукции скважин, так и сеть магистральных трубопроводов, перекачивающих товарную нефть и нефтепродукты, а также природный газ. Трубопроводный транспорт является самым экономически целесообразным транспортом жидких и газообразных продуктов. Но трубопроводный транспорт всегда сопровождается потерями продукта, например, потерями при товарно-транспортных операциях или потерями при испарении. Большинство потерь, связанных с технологией перекачки, можно рассчитать с помощью специальных методик. Причинами технологических потерь являются инерционность запорной арматуры, конструктивные особенности технологического оборудования и др. Это неизбежные потери, величина которых в настоящее время рассчитывается и учитывается при ведении технологического процесса. Однако существуют потери перекачиваемого продукта, которые невозможно предвидеть. Это потери, возникающие при аварийных ситуациях с выходом продукта в окружающую среду и при несанкционированных врезках для хищения перекачиваемых продуктов.
Анализ причин аварийности показывает, что аварии с выходом продукта происходят чаще всего от коррозионных повреждений трубопровода или от дефектов, допущенных при изготовлении и монтаже. Также нередки случаи, когда такие аварии происходят по причине механических повреждений трубопровода в процессе эксплуатации при проведении строительных работ, прокладке коммуникаций в техническом коридоре или в местах пересечения с действующим трубопроводом, перемещении тяжелой техники и т.д. Причинами возникновения таких аварий могу быть различные природные катаклизмы, например, землетрясения, оползни, паводки. Это, так называемые, аварийные потери, не связанные с деятельностью человека или связанные с его деятельностью, но
5 произошедшие безумышленно. Соблюдением всех правил при строительстве и эксплуатации трубопроводов в совокупности с проведением плановых ремонтов и диагностических исследований таких потерь можно избежать.
Количество несанкционированных врезок для хищения нефти и нефтепродуктов возможно сократить лишь мероприятиями, требующими огромных капиталовложений. Рост цен на нефть на мировых рынках, а также огромные протяженности магистральных трубопроводов и их незащищенность на большем своем протяжении приводит к тому, что большинство проводимых, экономически целесообразных мероприятий по борьбе с несанкционированными врезками, оказываются бессмысленными и их число увеличивается с каждым годом.
Несанкционированные врезки приносят огромные убытки эксплуатирующим трубопроводным организациям связанные как с потерей продукта, так и с экологическими последствиями при некачественном их обустройстве. Экономический ущерб от несанкционированных врезок исчисляется ценой за сотни тонн в сутки потерянного продукта. По причине огромной протяженности линейной части магистральных нефтепроводов, достигающей в длину нескольких тысяч километров, на трубопроводах может одновременно существовать десятки, а то и сотни несанкционированных врезок.
Необходимо отметить, что несанкционированные врезки присущи только трубопроводам, перекачивающим жидкие продукты, и только магистральным трубопроводам, как трубопроводам, перекачивающим товарную нефть и нефтепродукты, готовые к реализации.
Несанкционированные врезки отличаются от аварийных утечек двумя важными свойствами. Во-первых, при появлении утечки происходит изменение свойств окружающей среды в районе утечки под влиянием вышедшего продукта. При несанкционированной врезке от места врезки прокладывается трубопровод, иногда достигающий нескольких сот метров, и месторасположение врезки с трубопроводом тщательно маскируется. Продукт при этом не контактирует с внешней средой, так как врезка осуществляется в большинстве случаев б квалифицированными специалистами с применением современной техники. Во-вторых, при появлении аварийной утечки выход продукта будет происходить непрерывно во времени до момента ее обнаружения. Несанкционированным врезкам свойственна дискретность функционирования, то есть потеря продукта происходит только непосредственно в момент кражи.
В настоящее время существует множество систем и методов для поиска утечек на трубопроводах. Все они разрабатывались для поиска аварийных утечек. Но различия по свойствам несанкционированных врезок и утечек привели к тому, что многие системы не могу в силу ограниченности положенных в их основу методов определить появление несанкционированной врезки. А системы, способные определять наряду с аварийными утечками и несанкционированные врезки, требуют огромных капиталовложений на их внедрение.
Единственными методами, способными постоянно контролировать параметры трубопровода и определять наличие несанкционированной врезки в режиме реального времени, являются методы, основанные на контроле изменяющихся параметров перекачки жидкости.
В настоящее время на трубопроводных магистралях используются современные автоматизированные системы управления различными технологическими процессами (АСУ ТП), в том числе и процессами перекачки продукта по линейной части. Основными компонентами таких систем являются автоматические измерительные системы параметров перекачки и вычислительные комплексы, которые обрабатывают информацию, поступающую от автоматических измерительных систем. К точности и надежности датчиков и каналов связи предъявляются очень высокие требования, так как измеряемые и передаваемые параметры участвуют в расчетах при товарно-транспортных операциях.
Для управления технологическим процессом перекачки АСУ ТП собирают информацию об изменении режимов работы трубопровода, например, давление и расход, а также информацию о свойствах перекачиваемого продукта и его качестве, например, плотность, вязкость, влажность, содержание солей и т.д.
Далее данная информация собирается по каналам связи в устройства обработки измерительной информации. То есть, для реализации метода обнаружения несанкционированных врезок на основе изменяющихся технологических параметров имеется и необходимая аппаратура и достаточное количество контролируемых параметров.
В связи с этим становится актуальным создание информационно-измерительной системы (ИИС) для определения наличия и местоположения несанкционированных врезок, а также утечек на магистральных трубопроводах на базе имеющегося штатного оборудования линейной части магистральных трубопроводов.
Цель работы.
Целью данной диссертационной работы является разработка информационно-измерительной системы для обнаружения несанкционированных врезок и локализации их местоположения на магистральных трубопроводах на основе штатных систем управления технологическими процессами.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:
Рассмотрена технология магистрального транспорта, основные объекты линейной части и технологические параметры перекачки, что позволило сформулировать требования к эксплуатационным характеристикам ИИС.
На основании проведенного анализа датчиковой аппаратуры, каналов связи и устройств обработки измерительной информации, имеющейся на объектах линейной части магистральных трубопроводов показано, что для создания информационно-измерительной системы обнаружения несанкционированных врезок и локализации их местоположения нет необходимости в установке дополнительного оборудования.
На основании проведенного анализа потерь нефти и нефтепродуктов при их транспорте по магистральным трубопроводам, в связи с принципиальным отличием несанкционированных врезок от аварийных утечек показано, что для поиска несанкционированных врезок необходима разработка методов,
8 основанных на измерении изменяющихся параметров потока перекачиваемой жидкости.
Сформулированы общие требования к системам обнаружения и локализации местоположения несанкционированных врезок на основании проведенных анализов технологических параметров, потерь и оборудования линейной части магистральных трубопроводов.
Проведен анализ методов и систем обнаружения потерь продукта на линейной части магистральных трубопроводов на их соответствие сформулированным требованиям к системам обнаружения и локализации местоположения несанкционированных врезок.
На основании проведенного анализа методов обнаружения потерь для обнаружения и локализации местоположения несанкционированных врезок выбран метод контроля изменяющихся технологических параметров перекачки.
Разработана математическая модель локализации местоположения несанкционированной врезки.
На основании полученной математической модели и сформулированных требований к системам обнаружения и локализации местоположения несанкционированных врезок разработан алгоритм функционирования информационно-измерительной системы.
Проведены исследования по влиянию параметров несанкционированной врезки на поведение потока перекачиваемого продукта, а также по влиянию параметров среды и технологических параметров перекачки на параметры математической модели.
Проведено исследование методических, алгоритмических и инструментальных погрешностей, а также рассмотрено их влияние на результирующую погрешность определения местоположения несанкционированной врезки.
Методы исследования.
При решении задач, поставленных в диссертационной работе, использовались: основы теории измерений, аппарат теории гидравлики, методы
9 математического моделирования, аппарат математического анализа и теории погрешностей.
Научная новизна проведенных в диссертационной работе исследований заключается в следующем:
Предложен новый подход в создании систем обнаружения потерь продукта на линейной части магистрального трубопровода с акцентом на несанкционированные врезки.
Проведен сравнительный анализ аварийных утечек и несанкционированных врезок с точки зрения поведения их в пространстве и во времени. Выявлены их основные отличия и сформулированы требования к методам и средствам измерения.
Разработана математическая модель поведения потока перекачиваемого продукта под влиянием функционирования несанкционированной врезки, которая позволяет локализовать месторасположение несанкционированной врезки, и учитывает влияние воздействий внешней среды и технологических параметров работы трубопровода на параметры.
Разработан алгоритм функционирования информационно-измерительной системы обнаружения и определения местоположения несанкционированных врезок на базе имеющегося оборудования линейной части магистрального трубопровода. Алгоритм основан на критерии, позволяющем отличать несанкционированную врезку от естественной утечки.
Проведен анализ влияния различных составляющих погрешностей разработанной системы на результирующую погрешность.
Практическая ценность работы.
Сформулирован подход к созданию информационно-измерительной системы определения несанкционированных врезок и локализации их месторасположения, а также выбран основной метод построения таких систем.
Разработанная математическая модель и алгоритм позволяют создать информационно-измерительную систему на основе имеющейся аппаратуры
10 линейной части магистральных трубопроводов без установки какого-либо дополнительного оборудования.
Предложена методика определения погрешностей системы в зависимости от параметров внешней среды и технологических параметров перекачки.
Результаты исследования могут послужить толчком к развитию новых систем по обнаружению несанкционированных врезок, а также измерительной аппаратуры на линейной части.
Внедрение результатов работы.
Результаты диссертационной работы успешно внедрены в сервисной компании ЗАО «КОРМАКО». Теоретическая часть используется в учебном процессе на кафедре «Трубопроводный транспорт» Самарского государственного технического университета.
На защиту выносятся:
Требования к эксплуатационным характеристикам ИИС исходя из особенностей технологического процесса перекачки продукта по магистральным трубопроводам.
Целесообразность создания ИИС обнаружения и локализации местоположения несанкционированных врезок на базе штатного оборудования линейной части магистральных.
Анализ потерь перекачиваемого продукта при трубопроводном транспорте с точки зрения причин и последствий. Характеристики и особенности несанкционированных врезок для хищения перекачиваемого продукта.
Анализ методов и систем обнаружения потерь продукта на линейной части магистральных трубопроводов с точки зрения их соответствия сформулированным требованиям к системам обнаружения и локализации местоположения несанкционированных врезок.
Выбор метода для обнаружения и локализации местоположения несанкционированных врезок - метод контроля изменяющихся технологических параметров перекачки. б. Математическая модель обнаружения и локализации местоположения несанкционированной врезки.
Алгоритм функционирования информационно-измерительной системы обнаружения несанкционированной врезки и локализации ее местоположения на магистральном трубопроводе.
Исследования влияния параметров среды и технологических параметров перекачки на точность определения местоположения несанкционированной врезки.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях, в том числе на Международной научно-технической конференции «Информационные, измерительные и управляющие системы» (Самара, 2005), Всероссийской научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (Волгоград, 2005), на семинарах Научно-технического центра метрологической академии РФ и международной экологической академии РФ.
Личный вклад.
Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя.
Публикации.
Основные результаты исследования представлены в семи печатных работах.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, содержит 165 страниц основного текста, 59 рисунков, список литературы из 68 наименований.
1 АНАЛИЗ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОДУКТОПРОВОДОВ И ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ИИС ОБНАРУЖЕНИЯ НЕСАНКЦИОНИРОВАННЫХ ВРЕЗОК
Анализ потерь перекачиваемого продукта при трубопроводном транспорте
Транспортировка и хранение нефти неизбежно сопровождается ее потерями. Различают следующие потери нефти [4]: потери при товарно-транспортных операциях; потери при ремонтно-восстановительных и очистных работах; потери от испарения; потери при сквозных повреждениях (авариях или несанкционированных врезках).
Под нормой естественной убыли понимается допустимая величина безвозвратных потерь нефти, происходящих непосредственно при товарно-транспортных операциях, вследствие сопровождающих их физических процессов, а также потерь, неизбежных на данном уровне состояния применяемого технологического оборудования (потерь от испарения, через уплотнения насосов и задвижек, от налипания и т.д.). В нормы естественной убыли не включаются потери нефти, связанные с зачисткой резервуаров и транспортных емкостей, с ремонтом трубопроводов и арматуры, все виды аварийных потерь, а также потери при внутрискладских перекачках.
Нормы естественной убыли являются предельно допустимыми и применяются только в случаях фактических недостач нефти.
Общие потери при транспортировке нефти трубопроводным транспортом складываются из следующих составляющих [16]; потерь из резервуаров; потерь на линейной части нефтепроводов; потерь при хранении нефти в земляных амбарах и их зачистке. Все эти потери можно рассчитать, заранее предвидеть и учитывать при транспорте нефти.
Но существуют потери, которые нельзя оценить и предвидеть с помощью методик и расчетов. В частности, к ним относятся потери при " авариях, сопровождающихся истечением нефти из трубопроводов, а также потери при несанкционированных врезках в трубопровод с целью хищения продукта.
В общем случае такие потери, точнее, причину возникновения таких потерь, можно разделить на: 1. Разгерметизацию трубопровода без участия человека, или с его участием, но безумышленно (утечка вследствие аварии) — это так называемые аварийные утечки. 2. Умышленная разгерметизация с целью хищения перекачиваемого продукта (несанкционированные врезки).
При любой причине появления потерь, следствие одно - потери продукта через отверстие в трубопроводе, и, как следствие, экономические потери для предприятия. Чаще всего аварийные утечки приносят гораздо большие потери в экономическом плане, которые включают кроме затрат на ликвидацию аварии, чаще всего, с остановкой перекачки и потери продукта, еще и затраты на экологические последствия. Но нередки случаи, когда некачественное обустройство несанкционированных врезок приводит к авариям. Здесь необходимо сказать немного об обустройстве несанкционированных врезок.
Во-первых, при их обустройстве используются современное оборудование и техника, так что время на обустройство затрачивается минимальное. Во-вторых, от обустроенной врезки прокладывается трубопровод до ближайшего надежного укрытия; протяженность таких трубопроводов порой достигает нескольких сот метров. В-третьих, обустроенная врезка и проложенный трубопровод тщательно маскируется от глаз службы безопасности магистрального трубопровода. Иногда врезки обустраиваются подземным способом через подкоп.
В результате получается незаметная врезка с собственным трубопроводом и запорной арматурой. В ночное время суток в укрытие, куда отведен трубопровод, подъезжают специально оборудованные машины, и производится хищение нефти или нефтепродукта. Иногда, зная время объезда или облета трассы магистрального трубопровода службой безопасности и линейной эксплуатационной службой, кража продолжается и в течение светового дня. Обязательно следует указать два важных отличия утечек и несанкционированных врезок.
При появлении на трубопроводе утечки, вызванной естественными причинами, какая бы малая она ни была, на поверхности земли образуются признаки возникновения утечки продукта. Их много, например, увядшая трава, маслянистые пятна, запах углеводородов и т.д. При появлении же несанкционированной врезки, обустроенной опытными специалистами, никаких внешних признаков появления утечки нет. Несанкционированная врезка влияет только на технологические параметры перекачки. Еще одно важное различие между аварийной утечкой и несанкционированной врезкой в плане влияния на параметры потока в магистральном трубопроводе. При появлении аварийной утечки влияние на поток будет оказываться постоянно или прогрессирующе. А в случае несанкционированной врезки влияние на поток будет дискретным, и проявляться только в момент совершения откачки перекачиваемого продукта. В этом случае может только измениться частота и продолжительность влияния на поток за счет периодичности и длительности времени хищения. По окончании откачки режим работы трубопровода восстанавливается. Последнее отличие несанкционированных врезок усложняет задачу их поиска. Необходимо отметить тот факт, что соблюдение всех правил при строительстве и эксплуатации, а также своевременная диагностика и капитальные и планово-предупредительные периодические ремонты в идеальном случае позволяет избежать утечек вследствие аварий. Но реально дело обстоит конечно же иначе. Как показывает отечественная и зарубежная практика эксплуатации трубопроводов, основными причинами аварий и утечек на них являются разрушения труб из-за коррозии, дефектов сварки или некачественного изготовления, стихийных явлений, ошибок управления и др. Вероятность аварийности на трубопроводном транспорте возрастает с увеличением срока службы трубопроводов, а также протяженности их сети.
Инструментальные методы и системы обнаружения потерь продукта по контролю состояния трубопровода
Ко второй группе методов обнаружения потерь продукта из трубопровода, так называемому инструментальному контролю состояния трубопровода относятся различные переносные средства измерения и контроля, которыми оснащены передвижные посты или лаборатории, а также стационарные системы для непрерывного контроля трубопровода, которые применяются для акустического контроля появления утечек на линейной части трубопроводов [22]. При сквозном повреждении стенки трубопровода, находящегося под избыточным давлением перекачиваемого продукта, струя жидкости, выходящая из отверстия, вызывает в окружающем пространстве и внутри трубопровода акустические шумы, главным образом на звуковых частотах. Принцип действия таких систем основан на регистрации шума при возникновении утечки. Отдельные частные составляющие и интенсивность этого шума определяются конфигурацией места утечки, упругостью материала трубы, физико-химическими свойствами перекачиваемого продукта, давлением в месте утечки и др. Как в наполненной жидкостью трубе, так и в грунте происходит ослабление звука, зависящее от звукопроницаемости стенок трубы, частоты сигналов, плотности жидкости, диаметра трубы и др. При звукопроницаемом обрамлении Татухание " сигналов возникает вследствие резонансного колебания крупных пространственных молекулярных структур. При этом звуковая энергия уже через несколько метров ослабевает настолько, что звук нельзя воспринять даже по стенке трубы. Ослабление звука в трубе со звуконепроницаемым обрамлением в значительной степени зависит от частоты сигналов.
При этом звуки с частотами, превышающими граничную частоту, затухают незначительно. Общее ослабление звука в столбе жидкости с упругим обрамлением слагается из трех составляющих: затухания под действием жидкой среды (поглощение), затухания из-за трения жидкости о стенки трубы и затухания вследствие резонансного колебания стенки трубы. В жидкости, не содержащей пузырьков воздуха, влияние двух первых составляющих мало. Постоянная затухания, обусловливаемая резонансным колебанием стенки трубы, возрастает прямо пропорционально коэффициенту потерь и частоте, уменьшаясь с увеличением отношения толщины стенки трубы к ее внутреннему диаметру. Звук от утечки распространяется в обе стороны трубопровода по материалу трубы и по продукту, находящемуся внутри трубы. Измеряя уровень шума и сдвиг по фазе сигналами в начале и в конце поврежденного участка, возможно с достаточной точностью определить место и величину утечки. При этом все рассматриваемые средства измерения и контроля подразделяются на [21 ]: 1. Корреляционные (при прослушивании в двух или трех точках); 2. Автокорреляционные. Корреляционный метод измерения с прослушиванием в двух точках поврежденного трубопровода представлен на рис.2 Л. При различном расстоянии от точек измерения а и Ъ до места повреждения х для прохождения расстояния шумом утечки требуется различное время. По известному расстоянию L между точками измерения и разности времени пробега сигналов At] коррелятор точно рассчитывает место дефекта Lx по выражению где V - скорость распространения звука в трубопроводе; Att - разность времени прохождения составляющих шума.
Скорость распространения звука зависит от ряда условий. Среди них важное значение имеют материал и параметры трубопровода. Поэтому скорость дополнительно проверяется перед каждым конкретным определением утечки. Это является недостатком систем, основанных на акустических измерениях. Измеряя шум утечки в трех точках а, Ъ и с трубопровода, расположенных на определенных расстояниях относительно места утечки х (рис.2.2), можно выделить из выражения определения расстояния до места утечки скорость распространения звука и соответственно дополнительную погрешность. В этом случае расстояние до места утечки от точки а может быть определено по выражению где Ati и At2 - соответственно задержка во время прохождения звуком расстояния Li и L2. Для напорных трубопроводов большой длины с наибольшим числом доступных точек может быть применен метод автокорреляции. В соответствии с автокорреляционной функцией осуществляется корреляция временной функции x(t) с таїсой же временной функцией x(t+x). При этом используется лишь один приемник колебаний (рис.2.3), а второй заменяется отражателем. В этом случае расстояние до места утечки х может быть получено из выражения По сравнению с корреляционным автокорреляционный способ менее точен, так как в единственном приемнике накладываются звуковые сигналы, распределяющиеся по обеим ветвям. Это приводит к тому, что корреляционный максимум не превышает уровень 50%. Главным недостатком акустических систем является необходимость создания непосредственного акустического контакта со стенкой трубопровода, а для рассмотренных методов это связано с шурфовкой трубопровода, снятием изоляционного покрытия для проведения измерений, последующим ремонтом изоляционного покрытия и засыпкой шурфов. Стоимость одного подобного измерения достигает сотен тысяч рублей и связано с привлечением людей и техники. При этом не факт, что во время проведения контроля несанкционированная врезка будет функционировать. То есть, можно сказать, что передвижные посты и лаборатории не соответствуют выдвинутым требованиям к системам обнаружения несанкционированных врезок. Лишены недостатка дискретности контроля стационарные акустические системы. На рис.2.4 приведена функциональная схема стационарной системы контроля герметичности трубопровода. На трубопроводе устанавливаются специальные детекторы, имеющие контакт с металлической поверхностью трубы и расположенные друг от друга на расстоянии 300 м. Сигналы детекторов передаются на ЭВМ, которая их преобразует и сравнивает с сигналом, порождаемым шумом нормального фонового потока жидкости в данном трубопроводе [22]. При обнаружении утечки амплитуда ее сигнала, превышающая шум нормально работающего трубопровода, сравнивается с кривой затухания эталонного сигнала рассматриваемого трубопровода. Два отсчета от двух детекторов локализуют место утечки. При выполнении соответствующей калибровки система выдает отсчет величины утечек.
Потери напора на преодоление сопротивлений движению жидкости по трубопроводу
Член h]_2 в уравнении (3.6) учитывает потери напора на преодоление сопротивлений движению жидкости. При этом в гидравлике различают два основных вида сопротивлений [32]: 1. Сопротивления, проявляющиеся по всей длине потока, обусловленные силами трения частиц жидкости друг о друга и о стенки, ограничивающие поток. Соответствующие им потери напора (линейные потери) обозначаются через Ьл,п. 2. Местные сопротивления, обусловленные различного рода препятствиями, устанавливаемыми в потоке (задвижка, кран, колено и т.п.), приводящими к изменениям величин или направления скорости течения жидкости. Соответствующие им потери напора (местные потери) обозначаются через hM.„.
Поэтому полная потеря напора между двумя сечениями потока при наличии сопротивлений обоих видов будет:
Для правильной оценки гидравлических сопротивлений, возникающих при движении жидкости, необходимо, прежде всего, установить законы внутреннего трения жидкости и иметь представление о механизме движения жидкости. Главным параметром, описывающим внутреннее трение при движении жидкости, является вязкость жидкости [33].
Вязкостью называется свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление касательным усилиям. Силы сопротивления, возникающие при скольжении слоев, пропорциональны площади соприкасания слоев и скорости скольжения. Принимая площадь соприкасания равной единице, можно записать: где т - сила сопротивления, отнесенная к единице площади, или напряжение трения; [X - коэффициент пропорциональности, зависящий от рода жидкости и называемый коэффициентом абсолютной вязкости или просто абсолютной вязкостью; dv/dn - изменение скорости в направлении, нормальном к направлению самой скорости (градиент скорости или скорость сдвига).
Таким образом, вязкость есть физическое свойство жидкостей, характеризующее их сопротивляемость скольжению или сдвигу.
В гидравлике чаще пользуются величиной, получаемой в результате деления абсолютной вязкости на плотность, называемой коэффициентом кинематической вязкости или просто кинематической вязкостью [26]:
Многочисленные исследования вопроса о механизме движения жидкости приводят к заключению о существовании двух различных резко отличающихся друг от друга режимов движения.
Движение жидкости, наблюдаемое при малых скоростях, при котором отдельные струйки жидкости движутся параллельно друг другу и оси потока, называют ламинарным или струйчатым движением (режимом). Ламинарное движение можно рассматривать как движение отдельных слоев жидкости, происходящее без перемешивания частиц [31].
Второй вид движения жидкости, которое наблюдается при больших скоростях, называется турбулентным движением (режимом). В этом случае в движении жидкости нет видимой закономерности. Отдельные частицы перемешиваются между собой и движутся по все время изменяющимся траекториям весьма сложной формы. Поэтому такое движение иногда называют беспорядочным [26].
Основными факторами, определяющими характер режима, являются: средняя скорость движения жидкости; диаметр трубопровода, плотность жидкости и абсолютная вязкость жидкости. Для характеристики режима движения жидкости введен безразмерный параметр Re, учитывающий влияние перечисленных выше факторов, называемый числом (или критерием) Рейнольдса [34]:
Границы существования того или иного режима движения жидкости определяется критическим значением числа Рейнольдса, принимаемым ReKp=2320. Считается, что при Re,sp 2320 всегда имеет место ламинарный, а при ReKp 2320 - всегда турбулентный режимы [35].
Основной формулой для определения потерь напора при равномерном движении жидкости в круглых трубах является формула Дарси-Вейсбаха [29]: где X - безразмерная величина, называемая коэффициентом гидравлического сопротивления.
Эта формула выражает потерю напора пропорционально квадрату средней скорости. Поэтому закон сопротивления, устанавливаемый этой формулой, называется законом квадратичного сопротивления, а сама формула — квадратичной.
Но на потерю напора оказывает существенное влияние ряд факторов (характер режима, вязкость жидкости, материал и состояние стенок), не учитываемых в явном виде формулой Дарси-Вейсбаха.
Однако квадратичная формула Дарси-Вейсбаха очень удобна для практических целей, целесообразна с точки зрения единообразия расчета и обычно применяется как для турбулентного, так и для ламинарного режимов. Отклонения от квадратичного режима учитываются тем, что коэффициент X ставится в косвенную зависимость от скорости [26]. Таким образом, эта формула устанавливает только общую форму закона сопротивлений. Для определения численного значения потери напора необходимо в каждом отдельном случае учесть влияние всех вышеперечисленных факторов. Этой цели служат специальные формулы для коэффициента X.
Для характеристики влияния шероховатости стенок трубы на гидравлические сопротивления в гидравлике введено понятие относительной шероховатости є, под которой понимают безразмерное отношение абсолютной шероховатости к (средняя величина выступов и неровностей, измеренная в линейных единицах) к некоторому линейному размеру (например, к диаметру трубы):
В действительности на гидравлические сопротивления влияет не только абсолютное значение шероховатости, но и их форма и густота. Учесть влияние этих факторов непосредственными измерениями шероховатости практически невозможно. Поэтому для характеристики шероховатости стенок промышленных труб при гидравлических расчетах используют понятие относительной эквивалентной шероховатости s. Эта шероховатость представляет собой такую величину выступов однородной абсолютной шероховатости, которая дает при подсчетах одинаковую с действительной шероховатостью величину потери напора [28].
Алгоритм функционирования ИИС обнаружения и определения местоположения несанкционированных врезок
Управление технологическим процессом перекачки продукта осуществляется диспетчерской службой с помощью автоматизированной системы управления технологическим процессом. Она состоит, как уже указывалось, из датчиковои аппаратуры, каналов связи и аппаратуры обработки данных. Данные о различных параметрах технологического процесса, поступающие от датчиков по каналам связи в аппаратуру обработки, анализируются специальным программным обеспечением, называемым SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) — система сбора данных и оперативного диспетчерского управления [43].
Применение SCADA-технологий позволяет достичь высокого уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления, сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации. Дружественность человеко-машинного интерфейса (HMI/MMI), предоставляемого SCADA-системами, полнота и наглядность представляемой на экране информации, доступность «рычагов» управления, удобство пользования подсказками и справочной системой и т. д., повышает эффективность взаимодействия диспетчера с системой и сводит к нулю его критические ошибки при управлении. Следует отметить, что концепция SCADA, основу которой составляет автоматизированная разработка систем управления, позволяет решить еще ряд задач: сократить сроки разработки проектов по автоматизации и прямые финансовые затраты на их разработку [43].
В настоящее время все диспетчерские службы имеют в составе своей АСУ ТП SCADA-системы. Наиболее популярные из них: InTouch (Wonderware) -США; Citect (CI Technology) - Австралия; FIX (Intellution ) - США; Genesis (Iconics Co) - США; Factory Link (United States Data Co) - США; RealFlex (BJ Software Systems) - США; Sitex (Jade Software) - Великобритания; TraceMode (AdAstrA) - Россия; Cimplicity (GE Fanuc) - США; САРГОН (HBT - Автоматика) -Россия. Причем на разных уровнях СДКУ функционируют различные SCADA-системы.
SCADA-система позволяет с помощью определенного набора мнемосхем визуализировать, в зависимости от принадлежности к определенному уровню СДКУ, множество технологических процессов магистрального трубопроводного транспорта, в том числе и перекачку продукта по линейной части. Данный процесс визуализируется начиная от районного диспетчерского пункта.
Огромным достоинством SCADA-систем является то, что это не только мощный инструмент для анализа и управления технологическим процессом, но и гибкая среда для создания пользовательских мнемосхем и алгоритмов, позволяющая в режиме конструктора добавлять новые средства визуализации и алгоритмы обработки, необходимые пользователю.
Таким образом, SCADA-система позволяет пользователю создать любую подпрограмму с визуализацией и алгоритмическим сопровождением необходимого технологического процесса с контролем необходимого набора параметров. Это открывает широкие возможности для внедрения в аппаратуру обработки различных алгоритмов обработки данных от датчиковой аппаратуры, установленной на объектах магистрального транспорта нефти и нефтепродуктов.
Поскольку основой разрабатываемой ИИС является алгоритм, то указанные возможности SCADA-систем являются единственной возможностью внедрить алгоритм обнаружения и определения местоположения несанкционированных врезок без нарушения целостности АСУ ТП и без остановки технологического процесса. Положение разрабатываемого алгоритма в системе диспетчерского управления технологическим процессом показано на рис.4.4.
Кроме того, что разрабатываемая ИИС универсальна по причине использования штатной измерительной аппаратуры, каналов связи и аппаратуры обработки, она еще и универсальна благодаря особенностям программного обеспечения СДКУ. Внедрение алгоритма происходит без каких-либо изменений действующей системы контроля и управления — добавляется новая подпрограмма обработки данных.
Так как появляется новый алгоритм, позволяющий получать информацию о несанкционированных врезках или утечках, то необходимо создание системы визуализации работы алгоритма и получаемой информации. То есть необходимо внедрить систему отображения информации для диспетчера. Используя SCADA-систему в режиме конструктора, необходимо разработать и добавить дополнительную мнемосхему сигнализации несанкционированных врезок и утечек.
Определившись с положением алгоритма в общей системе СДКУ, разработаем сам алгоритм и систему визуализации информации - мнемосхему.
Поскольку основой алгоритма является математическая модель, необходимо провести ее анализ. Обратим внимание на знаменатель математической модели В знаменателе стоит разность, величина которой в основном зависит от разности расходов, поскольку остальные величины практически не меняются по длине трубопровода. При отсутствии утечки разница между расходами в начале и конце участка трубопровода будет равна нулю, следовательно, вся разность знаменателя будет стремиться к нулю, а все выражение (4.1) будет стремиться к бесконечности. Отсюда можно сделать вывод, что математическую модель можно применять только после появления в знаменателе не стремящейся к нулю величины, а это может случиться только при условии, что разность расходов не будет равна нулю, то есть когда в трубопроводе идет потеря продукта.
Поэтому в алгоритме необходимо ввести определенное условие, определяющее наличие потери продукта, и только после удовлетворения этого условия необходимо вводить в действие математическую модель для определения местоположения источника потерь.
Как уже указывалось выше, двумя параметрами, характеризующими непосредственно перекачку жидкости по трубопроводу, являются избыточное давление, создаваемое самой жидкостью и расход жидкости или скорость ее движения по трубопроводу.
Судить о потере продукта по падению давления можно лишь косвенно. Действительно, при появлении потери продукта давление в трубопроводе начинает падать, но это падение компенсируется мощностью и производительностью насосных агрегатов. При этом начинает увеличиваться расход в начале трубопровода, а в конце начинает уменьшаться в зависимости от величины утечки или производительности несанкционированной врезки. Однако, при определенной величине потери мощности насосных агрегатов может не хватить для компенсации потерь давления, и тогда давление начинает падать, но это происходит только при больших потерях, сравнимых с производительностью трубопровода [44].
Поэтому критериями, определяющими наличие потерь продукта, является мощность насосных агрегатов и разность между начальным и конечным расходом, а также, для больших потерь - падение избыточного давления в трубопроводе.
Если мощность увеличилась и появилась разность в расходах, это говорит о том, что на трубопроводе происходит выход продукта. Далее начинает работать математическая модель по определению местоположения потери.
Похожие диссертации на Информационно-измерительная система обнаружения и определения местоположения несанкционированных врезок на нефтепродуктопроводах
