Введение к работе
Актуальность проблемы
Трубопроводный транспорт нефти, нефтепродуктов и сжиженных углеводородных газов является самым надежным и экономичным способом доставки сырья потребителю. Возрастающая потребность развивающейся мировой экономики в энергоресурсах увеличивает нагрузку на сложившуюся сеть трубопроводов, требует прокладки линейных участков в сложных климатических и рельефных условиях. В условиях интенсификации работы трубопроводов и естественного старения труб возникают аварийные ситуации, связанные с нарушением их целостности, сопровождающиеся утечками транспортируемой жидкости.
Для сокращения ущерба от аварийных утечек, имеющего как экологическую, так и экономическую составляющие, требуется наличие надежных систем мониторинга за состоянием целостности трубы, быстрого обнаружения факта утечки, локации ее места и оценки объема, являющегося основой оценки экологического ущерба и расчета величины штрафных санкций.
В настоящее время такие системы успешно используются, и чаще всего задача контроля целостности трубы и аварийной сигнализации решается на базе диспетчерских данных непрерывного измерения режимных параметров эксплуатации трубопроводов (расходов, температур, давлений) в начальных, конечных и некоторых промежуточных точках контролируемых участков. Однако на практике нередко возникают ситуации, при которых объем получаемой режимной информации не обладает полнотой, необходимой для использования специализированных способов определения места утечки и оценки ее объема, что требует оснащения дополнительными средствами контроля или разработки новых и совершенствования используемых способов. Автоматизация и компьютеризация систем контроля позволяют создавать базы данных по интересующим проблемам, в том числе контроля и расчета объема аварийных утечек жидкости, и использовать вероятностно-статистические методы их решения.
Разработке способов локации и оценки объема утечек углеводородных жидкостей из магистральных трубопроводов, совершенствованию методов гидравлического расчета утечек посвящено множество исследований крупных ученых и специалистов. Среди них Жуковский Н.Е., Френкель Н.З., Альтшуль А.Д., Яблонский В.С., Антипьев В.Н., Кублановский Л.Б., Азметов Х.А., Лерке Г.Э., Левкоева Н.В., Карев В.Н., Коршак А.А., Шумайлов А.С., Рахматуллин Ш.И. и многие другие. Однако формулы, используемые при гидравлическом расчете, и отдельные параметры, как, например, коэффициент расхода через щель, имеют эмпирический характер, и возможность их применения ограничена соответствием ситуации условиям эксперимента.
Многообразие представления расчетных параметров, неопределенность формы отверстия и площади его сечения, непостоянство напора внутри трубопровода от времени истечения, особенности влияния физических свойств перекачиваемых жидкостей на размеры щели определяют сложность выбора способов гидравлического расчета, необходимость их адаптации к конкретным условиям. Углубляющийся мировой экологический кризис накладывает жесткие требования к обеспечению надежности, экологической безопасности трубопроводов, быстроты обнаружения аварий, правильности оценок ущерба, кратно актуализируя проблему.
Цель работы - повышение надежности и безопасности магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов путем оперативного контроля и выявления (локации) утечек жидкости и научно обоснованной оценки их интенсивности на основе режимных данных штатных диспетчерских параметров работы трубопровода (давления, расхода, температуры).
Для решения поставленной цели были сформулированы следующие
основные задачи:
1. Выполнить анализ методов и средств обнаружения утечек нефти и нефтепродуктов на магистральных нефтепроводах с целью выявления возможных путей их совершенствования с учетом перспектив развития отрасли;
2. Разработать способы локации утечки нефти и нефтепродуктов в условиях ограниченной параметрической информации;
3. Разработать методы гидравлического расчета истечения жидкости при разрыве стенки трубы на основе новых моделей расчета коэффициента расхода;
4. Разработать обобщенную методику гидравлического расчета утечек жидкости из трубопроводов в широком диапазоне чисел Рейнольдса;
5. Исследовать особенности истечения сжиженных углеводородных газов (СУГ) через аварийные отверстия и разработать рекомендации по их учету.
Методы решения поставленных задач
Поставленные в диссертационной работе задачи решены на базе новых теоретических методов и алгоритмов моделирования гидродинамических процессов в трубопроводных системах при штатных ситуациях с учетом ограниченности параметрической информации, анализа результатов численного моделирования с использованием статистической методологии, а также накопленного зарубежного и отечественного опыта экспериментальных исследований в области локации утечек, оценки интенсивности истечений из аварийных отверстий как стабильных, так и нестабильных углеводородных жидкостей.
Научная новизна результатов работы:
1. Разработаны новые методы контроля утечек нефти и нефтепродуктов в условиях ограниченности параметрической информации на основе
- штатных параметров системы «насосная станция - расходомер, расположенный на конце участка»;
- штатного набора датчиков давления, позволяющих косвенным методом определять дебаланс расходов на двух смежных сегментах контролируемого участка трубопровода;
2. Предложены новая обобщенная модель и алгоритм расчета коэффициента расхода аварийных отверстий и объема утечки через них, позволяющие на основе гидравлической аналогии истечения вязкой жидкости из аварийных отверстий при разрыве трубопровода и течения жидкости в диафрагмах повысить уровень достоверности расчета интенсивности утечки жидкости в широком диапазоне чисел Рейнольдса;
3. Предложены методология и модель численного расчета
- минимальной температуры сжиженных углеводородных газов при истечении из аварийных отверстий трубопровода;
- количества вытекающей нестабильной углеводородной жидкости из модельного насадка, имитирующего аварийное отверстие в «толстой» стенке трубопровода;
4. Разработана новая технологическая схема экспериментальной установки для исследования истечения сжиженных углеводородных газов через аварийные отверстия.
На защиту выносятся:
1. Методы контроля утечек нефти и нефтепродуктов в условиях ограниченности параметрической информации на основе:
- штатных параметров системы «насосная станция - расходомер, расположенный на конце участка»;
- штатного набора датчиков давления, позволяющих косвенным методом определять дебаланс расходов на двух смежных сегментах контролируемого участка трубопровода;
2. Модели гидравлического расчета истечения вязких и маловязких углеводородных жидкостей из дефективных отверстий сложной формы, образующихся при разрыве стенки трубопровода при неквадратичном и квадратичном режимах истечения;
3. Обобщенная методика расчета коэффициента расхода аварийных отверстий и объема утечки через них в широком диапазоне чисел Рейнольдса;
4. Математическая модель и численное моделирование:
- оценки минимальной температуры сжиженных углеводородных газов при истечении из аварийных отверстий трубопровода;
- количества вытекающей нестабильной углеводородной жидкости из модельного насадка, имитирующего аварийное отверстие в «толстой» стенке трубопровода.
Практическая ценность результатов работы
1. Полученные в работе результаты позволяют оперативно и относительно малозатратными способами фиксировать факт и местоположение утечек.
2. Предлагаемые методы и алгоритмы применимы в системах трубопроводов, в которых затруднен балансовый учет массы транспортируемого продукта из-за отсутствия расходомеров (например на параллельных нитках, отводах).
3. Предлагаемые способы обнаружения утечек могут быть адаптированы в существующих системах контроля утечек (СКУ) и способствовать повышению их надежности и достоверности оценок.
4. Рекомендации по расчету истечения нефти и нефтепродуктов позволяют повысить достоверность оценки количества вытекающей жидкости через дефективные отверстия при авариях трубопроводов, используемого при расчетах масштабов ущерба.
5. Экспериментальная установка по исследованию истечения сжиженных углеводородных газов может быть использована для тестирования измерительных приборов и насосов, используемых в системе транспорта сжиженных углеводородных газов на предмет возникновения кавитации.
Достоверность результатов исследования
Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций следует из проведенного автором комплекса теоретических исследований, подтвержденных выполненными контрольными расчетами. Достоверность полученных автором результатов подтверждается соответствием теоретических выкладок с результатами численных расчетов, а также теоретических и экспериментальных исследований других авторов.
Апробация результатов работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на:
- методических советах, заседаниях секции Ученого совета ИПТЭР;
- научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках Нефтегазового форума и ХIХ Международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии - 2011» (г. Уфа, 2011 г.);
- ХI Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках ХI Российского энергетического форума (г. Уфа, 2011 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 научных трудах, в том числе в 6 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ; получены 2 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 122 наименования. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков, 16 таблиц.
