Введение к работе
Актуальность работы. Трубопроводный транспорт имеет особое значение для газовой отрасли Российской Федерации. В настоящее время протяженность магистральных газопроводов (МГ) России составляет более 160 тысяч километров и непрерывно возрастает. Рабочие давления МГ увеличиваются, газопроводы прокладываются во все более сложных климатических и инженерно-геологических условиях. На стадиях разработки и эксплуатации находятся такие крупные проекты, как «Голубой поток», «Южный поток», «Северный поток», «Бованенково - Ухта», «Сахалин -Хабаровск - Владивосток» и др. Реализация подобных проектов подразумевает как строительство новых МГ высокого давления, так и непрерывный контроль состояния уже существующих МГ.
По данным Ростехнадзора на линейных частях (ЛЧ) магистральных газопроводов ежегодно происходят десятки инцидентов и аварий. Подавляющее большинство аварий происходит вследствие утечек газа, возникающих по разным причинам. Последствия таких утечек представляют серьезную опасность для человека, оборудования и окружающей среды, а также могут повлечь значительные финансово-экономические потери в виде недопоставок газа потребителям и штрафных санкций.
Данная работа посвящена практическим вопросам моделирования и обнаружения утечек газа в ЛЧ газопроводов. Отличительной особенностью работы является разработка физико-математической модели однофазного потока газа, а также алгоритмического метода определения местоположения и величины утечки газа применительно к современным МГ высокого давления (до 30 МПа).
В настоящее время на ЛЧ газопроводов активно применяются различные технические способы предотвращения утечек и диагностики состояния труб. К ним относятся гладкостные покрытия внутренней поверхности трубопроводов, закрепляемые измерительные приборы (геодезические рейки, обычные тензометры и волоконно-оптические приборы), приборы дистанционного
измерения (радиолокационные установки (РЛС), устройства для определения чувствительности на намагничивание и гидроакустические системы), дефектоскопы различного типа и т.д. Однако статистика разгерметизаций на ЛЧ МГ демонстрирует, что, несмотря на современные системы контроля состояния труб, полностью исключить возможность возникновения утечек газа не представляется возможным. Кроме того, из-за специфики российских МГ (большая протяженность и существенное количество труднодоступных участков ЛЧ, сложный рельеф трассы ЛЧ) использование технических способов обнаружения утечек в таких газопроводах часто представляется весьма затруднительным или вовсе невозможным.
Помимо технических способов поиска утечек в газопроводах, основанных на использовании специализированного оборудования, существует ряд алгоритмических методов, в основе которых лежит термодинамическая теория течения газа в трубопроводе. Эти методы позволяют рассчитывать параметры потока газа в ЛЧ МГ при возникновении утечки в реальном времени, а также определять местоположение и значение объема утечки. С точки зрения универсальности применения такие методы представляются более простыми в реализации по сравнению со многими техническими способами идентификации утечек в виду меньшей трудоемкости и бесконтактности. Кроме того, применение большинства технических способов обнаружения утечек газа носит периодический характер, в то время как алгоритмические методы используются в автоматизированных системах диагностики газопровода, позволяющих осуществлять непрерывный контроль его внутреннего состояния и предусматривающих реагирование на возникновение утечки в автоматическом режиме. Следует отметить, что существующие алгоритмические методы идентификации утечек также имеют ряд недостатков. Некоторые алгоритмические методы позволяют идентифицировать лишь местоположение утечки, без определения ее величины, другие алгоритмы идентификации утечек применимы лишь для стационарных режимов работы газопровода. Методы, основанные на физико-математическом моделировании потока газа в
трубопроводе с утечкой, следует признать наиболее точными и перспективными на данный момент. Однако многие из них основываются на линеаризованных (упрощенных) уравнениях движения газа в трубопроводе и не учитывают всех физических явлений, имеющих место на практике. Вследствие этого, рассматриваемые методы идентификации могут недостаточно точно определять местоположение утечки, в особенности, в морских ЛЧ МГ высокого давления при существенно нестационарных (переходных) режимах работы.
В связи с вышесказанным актуальность приобретает задача разработки алгоритмического метода определения параметров утечки в ЛЧ МГ высокого давления, а также моделирования неустановившихся неизотермических режимов течения газа по ЛЧ МГ высокого давления при возникновении утечки. Исследованию использования общих одномерных уравнений газодинамики в разработке метода идентификации утечек газа в современных ЛЧ МГ высокого давления и посвящена данная работа.
Целью диссертационной работы является разработка алгоритмического метода определения местоположения и величины утечки природного газа в ЛЧ газопровода, применимого для современных МГ высокого давления (до 30 МПа) для повышения безопасности трубопроводного транспорта газа.
Основные задачи исследований. На основе анализа теории нестационарного неизотермического течения газа применительно к магистральным газопроводам высокого давления, а также существующих методов и средств обнаружения утечек из газопроводов определена область исследований и основные задачи диссертационной работы:
-
Разработка физико-математической модели однофазного потока газа в ЛЧ МГ высокого давления.
-
Разработка численного решения системы уравнений газодинамики, описывающих однофазный поток газа в трубопроводе, в случае неустановившегося неизотермического режима работы.
-
Оценка адекватности разработанной модели применительно к МГ высокого давления, в том числе, в случае неустановившихся неизотермических режимов их работы.
-
Разработка алгоритмического метода определения местоположения и величины утечки газа в ЛЧ МГ высокого давления.
-
Оценка применимости разработанного метода определения местоположения и величины утечки газа в ЛЧ газопровода для МГ высокого давления, в том числе, в случае неустановившихся неизотермических режимов их работы.
-
Реализация разработанного метода определения местоположения и величины утечки в виде программного модуля для ЭВМ.
Методы решения поставленных задач. Поставленные задачи решались путем теоретических и практических исследований. При решении задач использовались методы математического моделирования, математического анализа, математической физики и численные методы.
Научная новизна.
-
Сформирована физико-математическая модель однофазного потока газа в ЛЧ МГ высокого давления, адекватность применения которой впервые была подтверждена на экспериментальных данных неустановившихся режимов работы реальных современных МГ высокого давления.
-
В работе обоснован выбор формулы для расчета коэффициента гидравлического сопротивления при моделировании однофазного потока газа в ЛЧ газопровода, применимость которого впервые была подтверждена на экспериментальных данных режимов работы реальных современных МГ высокого давления.
-
На основе экспериментальных данных режимов работы реальных современных МГ высокого давления в работе впервые обосновано использование общих одномерных уравнений газодинамики для
расчета параметров однофазного потока газа в ЛЧМГ высокого давления в случае существенно нестационарных режимов работы.
-
На основе построенной в работе модели однофазного потока сформирован метод идентификации местоположения и величины утечки газа в ЛЧ газопровода, для которого дополнительно на основе теоретических исследований подтверждена его применимость для современных МГ высокого давления, в том числе, при неустановившихся неизотермических режимах работы.
-
Разработан программный модуль для ЭВМ, в котором в первые реализован сформированный метод идентификации местоположения и величины утечки газа в ЛЧ газопровода применительно к МГ высокого давления.
Практическая значимость реализации работы.
Сформированная в работе физико-математическая модель однофазного потока газа в ЛЧ газопровода была успешно использована для расчета различных режимов работы магистральных газопроводов высокого давления «Голубой поток» и «Северный поток» и показала хорошую согласованность с экспериментальными данными. Указанная выше модель позволит с повышенной точностью по сравнению с линеаризованными гидравлическими моделями рассчитывать распределения параметров потока в современных МГ высокого давления, в том числе в случае неустановившихся режимов работы, характерных для возникновения нештатных ситуаций. В настоящий момент ведутся работы по адаптации и использованию разработанного в диссертации метода идентификации утечек в разработке программного комплекса определения местоположений и объемов утечек газа в ЛЧ газопроводов газотранспортной системы Боливарианской Республики Венесуэла. Также сформированный в работе метод идентификации утечек в ЛЧ газопровода может быть адаптирован к реальным объектам (ЛЧ МГ высокого давления) и использован в существующих системах контроля утечек (СКУ) для повышения безопасности транспорта газа по МГ высокого давления.
На защиту выносятся результаты теоретических исследований, имеющих практическую и научную ценность, а именно:
-
Физико-математическая модель однофазного потока газа в ЛЧ газопровода применительно к МГ высокого давления.
-
Алгоритм численного решения системы уравнений газодинамики, описывающих однофазный поток газа в трубопроводе, в случае неустановившегося неизотермического режима работы, реализованный в виде программного модуля для ЭВМ.
-
Результаты исследования диапазонов применимости сформированной физико-математической модели однофазного потока газа в ЛЧ газопровода.
-
Алгоритмический метод идентификации местоположения и величины утечки газа в ЛЧ газопровода применительно к МГ высокого давления, реализованный в виде программного модуля для ЭВМ.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», г. Москва, Февраль 2010 г.; VII научно-практическая конференция молодых специалистов и ученых «Инновации в нефтегазовой отрасли», г. Ухта, Июнь-Июль 2010 г.; IV Международная научно-техническая конференция «Газотранспортные системы: настоящее и будущее», г. Москва, Октябрь 2011 г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 научных трудах, в том числе 5 статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ, и 2 тезисах и материалах Международных и Всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, одного приложения и библиографического
списка, включающего 81 наименование. Работа изложена на 207 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц и 59 рисунков.
