Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ состояния изученности вопроса 9
1.1 Методы регулирования режимов работы нефтеперекачивающих станций магистрального нефтепровода 9
1.2 Анализ средств контроля и управления на магистральных нефтепроводах 26
1.3 Анализ методов гидравлического расчета и формул прогнозирования коэффициента гидравлического сопротивления 35
1.4 Цель и задачи исследования 45
ГЛАВА 2 Обоснование метода расчета режимов работы нефтепровода с применением регулируемого привода насосов 47
2.1 Математическое моделирование процессов и объектов магистральных нефтепроводов 47
2.2 Исследование управления режимом работы магистрального нефтепровода методом регулирования частоты вращения насосных агрегатов 52
2.3 Построение модели нефтеперекачивающей станции с системой частотного регулирования 62
Выводы по главе 2 68
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования процесса транспортирования нефти 69
3.1 Методика проведения экспериментальных исследований 69
3.2 Обработка результатов экспериментальных исследований 81
3.2.1 Результаты исследования вязкости нефти и колебаний
производительности магистрального нефтепровода 81
3.2.2 Обоснование выбора расчетной зависимости для коэффициента гидравлического сопротивления 84
Выводы по главе 3 94
ГЛАВА 4 Рекомендации по повышению эффективности эксплуатации магистрального нефтепровода 95
4.1 Методика регулирования режима работы магистрального нефтепровода 95
4.2 Выбор рационального режима работы нефтеперекачивающих станций магистрального нефтепровода 99
4.3 Рекомендации по удалению газовоздушных скоплений из магистрального нефтепровода 102
Выводы по главе 4 109
Заключение 110
Список сокращений и условных обозначений 112
Список литературы 114
- Анализ средств контроля и управления на магистральных нефтепроводах
- Исследование управления режимом работы магистрального нефтепровода методом регулирования частоты вращения насосных агрегатов
- Обработка результатов экспериментальных исследований
- Выбор рационального режима работы нефтеперекачивающих станций магистрального нефтепровода
Анализ средств контроля и управления на магистральных нефтепроводах
Однако согласно [20] применение регулятора давления на приемной линии ведет к еще большему снижению КПД насосов станции. Также не рекомендуется дросселирование на всасывающей линии в связи с вероятностью развития кавитации и выделения паров из перекачиваемого продукта [2].
Таким образом, достоинством способа регулирования дросселированием является простота осуществления и автоматизации процесса регулирования, а также возможность применения независимо от установленного на НПС насосного оборудования.
Существенный недостаток дросселирования заключается в значительных потерях энергии. Энергия, расходуемая на дросселирование, безвозвратно теряется, что снижает общий КПД насосной станции.
Согласно данным, которые приводит Р.М. Ахметов [5], дросселирование напора на нефтепроводе диаметром 1020 мм на 1 кгс/см2 приводит к потере мощности около 220 кВт, а в среднем за месяц на дросселирование может быть затрачено около 160000 кВтч электроэнергии.
В работе [88] указано, что дросселирование приводит к потерям 1 – 3 % от затрачиваемой мощности.
Байпасирование потока нефти применяется в основном на головных нефтеперекачивающих станциях [67]. Данный метод регулирования осуществляется путем приоткрытия задвижки на байпасном трубопроводе, который соединяет напорный и всасывающий трубопроводы насоса, вследствие чего уменьшается гидравлическое сопротивление после насоса.
Метод регулирования байпасированием следует применять при крутопадающих характеристиках насосов. В этом случае он экономичнее дросселирования [19]. По данным авторов [31] при полностью закрытом положении регулятора на байпасе энергетические потери, связанные с протечками через регулирующий орган, могут составлять 0,1-0,2%.
Отключение и включение насосов на НПС происходит достаточно часто. При включении насоса в работу на выходе станции возникает ударная волна, поскольку разгон агрегата происходит в течение нескольких секунд [39]. При отключении насоса возникает волна давления, распространяющаяся вверх по потоку, а также волна разрежения, движущаяся вниз. В результате может произойти нарушение ограничений по напору предыдущей станции и подпору последующей, что приведет к срабатыванию защит и остановке НПС. Частые переключения насосов отрицательно сказываются на надежности работы нефтепровода, поскольку возрастает цикличность нагружения стали, и, как следствие, снижение её несущей способности.
Включение и отключение насосов как метод регулирования недостаточно эффективен, так как длительность нахождения нефтепровода в неустановившемся режиме может достигать при этом до 25% времени его работы [39].
При отключении и включении насосов напор на выходе НПС может изменяться на величину 200 – 300 метров, что не может обеспечить точной установки необходимой производительности нефтепровода. Поэтому данный метод применяется в том случае, когда другие методы не могут обеспечить достаточной величины регулирования.
Например, когда при дросселировании потока нефти величина дросселируемого напора близка к напору, развиваемому одним магистральным агрегатом, из экономических соображений производится отключение одного насоса.
Широкое распространение получил метод регулирования режима работы нефтепровода обточкой рабочих колес магистральных насосов по наружному диаметру.
Рекомендуемые пределы обточки рабочих колес, в зависимости от величины коэффициента быстроходности ns [2]:
при 60 ns 120: до 20% наружного диаметра; при 120 ns 200: до 15% наружного диаметра; при 200 ns 300: до 10% наружного диаметра. Пересчет параметров для построения характеристики насоса с обрезанными колесами пользуются формулами подобия [2, 72]
Главный недостаток обточки рабочего колеса – необратимость сделанных изменений, поэтому данный способ используется в случаях, когда режим перекачки устанавливается на длительное время [31]. Также важно отметить, что данный метод позволяет только уменьшать подачу насоса.
Еще одним значимым недостатком метода является снижение КПД насоса (относительно номинального) ввиду нарушения нормальной гидродинамики потока внутри насоса [67].
В настоящее время магистральные нефтяные насосы в большинстве случаев укомплектованы сменными роторами на подачу 0,5, 0,7 и 1,25 от номинальной. Установка сменных роторов позволяет произвести дискретное изменение напора для каждого магистрального агрегата на 20–30 м и расхода в МН [44].
По данным авторов [31] КПД сменных колес ниже номинального для нормального ротора на 3—10%. Снижение КПД связано с дополнительными гидравлическими потерями из-за несоответствия выходной части корпуса и сменного колеса.
Метод обточки рабочего колеса и установки сменных роторов в производственной практике применяют совместно. Задача при этом заключается в том, чтобы при заданном числе насосов на станциях, подобрать такую комбинацию включения сменных роторов, при которой необходимая обточка была минимальной [86].
Однако оба этих метода не позволяют оперативно реагировать на изменяющиеся параметры перекачки, поскольку частая смена рабочих колес насосов невозможна.
Применение противотурбулентных присадок (ПТП) - эффективный метод уменьшения гидравлического сопротивления, основанный на способности специальных растворов высокомолекулярных веществ изменять структуру пристеночной турбулентности. Такие присадки практически не оказывают влияние на свойства транспортируемой жидкости [50, 67].
Исследование управления режимом работы магистрального нефтепровода методом регулирования частоты вращения насосных агрегатов
Выполненный анализ литературных источников позволил установить следующее. Эксплуатация нефтетранспортной системы связана с наличием множества факторов, обуславливающих непрерывную смену режимов работы системы во времени. Неравномерность перекачки нефти отрицательно влияет на расход электроэнергии, который растет с увеличением коэффициента неравномерности работы НПС. С целью предотвращения указанных явлений применяются различные способы регулирования работы нефтепроводов. Регулирование режимов работы МН базируется на нескольких способах, основным из которых является дросселирование. Однако данный способ неэкономичен и связан со значительными потерями энергии, что снижает общий КПД насосной станции.
Вдобавок к неравномерным поставкам нефти, отказы в работе основного оборудования нефтеперекачивающей станции обуславливают необходимость выбора режимов работы НПС, компенсирующих недопоставки нефти и выход на заданный объем перекачки. Включение или отключение насосов также требуется и при плановом изменении пропускной способности.
Дополнительных расходов энергии, связанных с необходимостью работы на режимах, превышающих по объемам оптимальные режимы с минимально необходимым расходом для выполнения плана поставок, можно избежать, обеспечив равномерную работу МН, и путем более точного расчета гидравлических сопротивлений.
Обеспечить более равномерную работу МН возможно изменением частоты вращения роторов насосов с применением ПЧ ЭД, который способен заменить собой комбинацию из методов регулирования, применяемых в настоящее время.
Поскольку гидравлический расчет является основой для математической модели системы НПС-нефтепровод, точность оценки потерь напора на трение по длине нефтепровода безусловно влияет на правильность регулирования и выбора режима работы МН. Однако современная теория гидравлического расчета трубопроводов не дает однозначного решения по оценке коэффициента гидравлического сопротивления для зоны смешанного трения турбулентного режима течения, в то время как большая часть магистральных нефтепроводов работает в этой зоне.
Из вышесказанного целью данной работы является повышение эффективности эксплуатации магистральных нефтепроводов на основе разработки системы регулирования режимов транспортирования нефти с применением частотно-регулируемого привода на нефтеперекачивающих станциях в условиях постоянно изменяющихся характеристик перекачиваемой смеси нефтей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать и обосновать математическую модель процессов и объектов системы НПС-нефтепровод с применением частно-регулируемого привода (ЧРП) насосных агрегатов, реализованную в программной среде.
2. Провести экспериментальные исследования движения смеси нефтей по нефтепроводу и обосновать зависимость для расчета коэффициента в области смешанного трения турбулентного режима течения.
3. Предложить метод выбора рациональных режимов работы нефтеперекачивающих станций магистральных нефтепроводов с учетом изменения частоты вращения роторов насосных агрегатов.
4. Разработать рекомендации по повышению эффективности эксплуатации магистрального нефтепровода при регулировании режима работы системы НПС-нефтепровод.
5. Разработать устройства, обеспечивающие стабилизацию технологического режима перекачки и повышение производительности магистральных нефтепроводов. 1 Математическое моделирование процессов и объектов магистральных нефтепроводов
Процесс создания комплексной математической модели нефтепровода можно разделить на пять основных этапов: - построение гидродинамической модели; - организация взаимодействия с гидродинамической моделью; - построение системы визуализации; - построение математической модели систем управления МН; - формулирование основных принципов управления МН.
Выделим основные критерии, которые используются при разработке технологических принципов управления МН [77]: - непревышение несущей способности секций труб и разрешенного рабочего давления; - обеспечение необходимых подпоров на входе НПС; - отсутствие работы насосных агрегатов в неноминальной зоне их характеристик (нахождение рабочей точки насосного агрегата внутри рабочего поля g-Я характеристик); - отсутствие срабатывания защит насосных агрегатов, общестанционных защит НПС и защит МН при выполнении штатных алгоритмов управления.
С целью моделирования работы системы частотного регулирования режима работы нефтепровода была использована математическая модель, состоящая из уравнений установившегося течения жидкости в трубопроводе и уравнений электропривода насосных агрегатов.
Обработка результатов экспериментальных исследований
Диаграмма размаха "прямоугольник-отрезки" Характер распределения точек вдоль прямой на нормальном вероятностном графике, а также вид гистограммы, указывают на близость распределения фактора X нормальному распределению. Диаграмма размаха «прямоугольник-отрезок» для X указывает на присутствие аномальных точек, которые были удалены из исходных данных. Повторный статистический анализ после удаления аномальных точек показал, что рассматриваемые значения X имеют нормальный закон распределения.
Нормированный коэффициент асимметрии, показывающий отклонение распределения от симметричного, близок к нулю, что соответствует нормальному распределению. Нормированный коэффициент эксцесса, отображающий «остроту пика» плотности распределения, находится в пределах от -2 до 2, что удовлетворяет условию нормальности распределения. По критериям Шапиро-Уилка и К-С критерий результаты тоже положительные, уровень значимости по критериям больше 0,1, что свидетельствует о близости закона распределения рассматриваемой величины нормальному.
Далее представлены результаты реализации стандартных графических и аналитических методов математической статистики для переменной Y для опытных данных технологического участка "Кириши-Невская" (Рисунки 3.2.7 -3.2.9). Рисунок 3.2.7 – Гистограмма Рисунок 3.2.8 – Нормальный
Нормированный коэффициент асимметрии, показывающий отклонение распределения от симметричного, близок к нулю, что соответствует нормальному распределению. Нормированный коэффициент эксцесса, отображающий «остроту пика» плотности распределения, находится в пределах от -2 до 2, что удовлетворяет условию нормальности распределения. По критериям Шапиро-Уилка и К-С критерий результаты тоже положительные, уровень значимости по критериям больше 0,1, что свидетельствует о близости закона распределения рассматриваемой величины нормальному.
Аналогичную проверку прошли значения переменных для технологического участка "Правдино-Быково".
Для оценки зоны течения нефти по участкам МН были использованы известные формулы переходных чисел Re1 и Re2 [3]:
Установлено, что для основных режимов работы (т.е. кроме режимов глубокого снижения, остановки и запуска в работу) на участках МН "Ярославль-Кириши-Приморск" движение нефти соответствует зоне смешанного трения турбулентного режима течения.
Для дальнейшего анализа полученные данные были нанесены на график X=f(Re) совместно с расчетными зависимостями, полученными для условий эксперимента по известным формулам, получившим широкое распространение при гидравлических расчетах - А.Д. Альтшуля, И.А. Исаева, ОАО "Гипротрубопровод", В.И. Черникина, Б.Н. Лобаева и Н.З. Френкеля (Рисунки 3.2.10-3.2.13).
С помощью приложения Excel произведен анализ отклонений точек теоретических зависимостей от экспериментальных точек. Среднеквадратичная погрешность рассчитывалось по формуле
Результаты расчета среднеквадратичной погрешности отклонений экспериментальных значений коэффициента гидравлического сопротивления от рассчитанных по формулам (1.29), (1.32), (1.33), (1.34), (1.35), (1.36) представлены в Таблицах Б.1, Б.2 Приложения Б.
Выбор рационального режима работы нефтеперекачивающих станций магистрального нефтепровода
Аналитическая зависимость X=f(Re,s) для опытных данных была получена методом регрессионного анализа [27, 28]. Множественный регрессионный анализ представляет собой статический метод исследования зависимости случайной величины F-отклика от переменных (предикторов) XJ (j = 1, 2, ...т ). В данном случае Y - будет состоять из значений коэффициента гидравлического сопротивления к, х - значений числа Re.
Опытные данные предварительно были проверены на соответствие данных нормальному закону распределения и на наличие резко выделяющихся наблюдений.
Для оценки закона распределения экспериментальных данных был использован комплекс стандартных графических и аналитических методов математической статистики.
Визуальная проверка соответствия экспериментальных данных нормальному закону распределения была осуществлена с помощью гистограммы - графика, показывающего частоту попаданий значений переменной в отдельные интервалы и нормального вероятностного графика, на котором изображена зависимость между величинами выбранной переменной и «ожидаемыми» от нормального распределения значениями.
Реализация процедуры отсеивания резко выделяющихся наблюдений осуществлялась графическими методами: частично выбросы фиксировались на нормальном вероятностном графике, и более строго - на диаграммах размаха типа "прямоугольник-отрезок". Процедура выявления аномальных точек в данном случае основана на правиле «трех сигм», в соответствии с которым 99,7% точек нормально распределенного параметра должны находится в пределах трех стандартных отклонений (За) от выборочной средней, 95,4% точек - в пределах 2 и 68,3% точек - в пределах . Точки, удаленные более, чем на 1,5 и 3 стандартных отклонения подлежат дополнительному анализу и при необходимости исключению.
Проверка проводилась с помощью профессионального математического пакета MatLab и программного продукта SigmaPlot 12.0.
Результаты реализации стандартных графических и аналитических методов математической статистики для переменной X для опытных данных технологического участка "Кириши-Невская" представлены ниже (Рисунки 3.2.4 -3.2.6).
Диаграмма размаха "прямоугольник-отрезки" Характер распределения точек вдоль прямой на нормальном вероятностном графике, а также вид гистограммы, указывают на близость распределения фактора X нормальному распределению. Диаграмма размаха «прямоугольник-отрезок» для X указывает на присутствие аномальных точек, которые были удалены из исходных данных. Повторный статистический анализ после удаления аномальных точек показал, что рассматриваемые значения X имеют нормальный закон распределения.
Нормированный коэффициент асимметрии, показывающий отклонение распределения от симметричного, близок к нулю, что соответствует нормальному распределению. Нормированный коэффициент эксцесса, отображающий «остроту пика» плотности распределения, находится в пределах от -2 до 2, что удовлетворяет условию нормальности распределения. По критериям Шапиро-Уилка и К-С критерий результаты тоже положительные, уровень значимости по критериям больше 0,1, что свидетельствует о близости закона распределения рассматриваемой величины нормальному.
Далее представлены результаты реализации стандартных графических и аналитических методов математической статистики для переменной Y для опытных данных технологического участка "Кириши-Невская" (Рисунки 3.2.7 -3.2.9). Рисунок 3.2.7 – Гистограмма Рисунок 3.2.8 – Нормальный вероятностный график
Диаграмма размаха "прямоугольник-отрезки" Характер распределения точек вдоль прямой на нормальном вероятностном графике, а также вид гистограммы, указывают на близость распределения фактора Y нормальному распределению. Диаграмма размаха «прямоугольник-отрезок» для Y указывает на присутствие аномальных точек, которые были удалены из исходных данных. Повторный статистический анализ после удаления аномальных точек показал, что рассматриваемые значения Y имеют нормальный закон распределения (Таблицы 3.2.3 - 3.2.4).
