Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор и критический анализ существующих методов и систем обнаружения утечек 9
1.1 Основные факторы и причины возникновения утечек нефти на трубопроводах 9
1.2 Обзор и критический анализ существующих методов обнаружения утечек 16
1.2.1 Классификация методов обнаружения утечек 16
1.2.2 Внешние методы обнаружения утечек 20
1.2.3 Внутренние методы обнаружения утечек 23
1.2.4 Обнаружение утечек путем контроля параметров процесса перекачки (метод баланса массы, объема, расходов, энергий и т.д.) 30
1.2.5 Использование зондовых устройств, транспортируемых вместе с потоком, для определения утечек 34
1.2.6 Акустические (ультразвуковые) методы контроля утечек 38
1.3 Цели и задачи исследований, изложенных в диссертации 42
2 Основные положения теории нестационарных процессов в нефтепроводе как исходная база для разработки методов обнаружения утечек 44
2.1 Система дифференциальных уравнений, описывающих нестационарное течение жидкости с учетом сил вязкого трения 44
2.2 Краевые условия, моделирующие работу нефтепровода и нефтеперекачивающих станций 51
2.3 Условия сопряжения, моделирующие утечку жидкости на магистральном нефтепроводе 52
2.4 Моделирование работы магистрального нефтепровода 53
2.5 Оценка точности и выбор шага итераций при моделировании процессов на магистральном нефтепроводе методом характеристик 59
3 Локация утечек нефти в трубопроводе методом сканирующих волн давления 61
3.1 Сущность метода обнаружения утечек сканирующими волнами давления 61
3.2 Математическая модель метода сканирующих волн давления 65
3.3 Компьютерная программа, реализующая модель обнаружения утечек методом сканирующих волн давления 69
3.4 Анализ результатов численного моделирования. Оценка точности и эффективности применения метода сканирующих волн давления 72
3.5 Возможные пути повышения эффективности обнаружения утечек методом сканирующих волн давления 82
4 Обнаружение утечек нефти с помощью модифи цированного метода материального баланса 85
4.1 Сущность классического метода материального баланса 85
4.2 Усовершенствованный метод материального баланса 86
4.3 Постановка и алгоритм решения обратной краевой задачи о расчете массы нефти на участке трубопровода по данным о давлениях и расходах, измеренных в отдельных его сечениях 90
4.4 Компьютерная программа, реализующая алгоритм решения обратной задачи 96
4.5 Анализ результатов численного моделирования 98
4.6 Исследование чувствительности метода к случайным возмущениям 112
4.7 Практические рекомендации для применения метода 124
5 Метод зональной локации утечек нефти из трубопровода 125
5.1 Введение 125
5.2 Метод анализа линии гидравлического уклона для обнаружения утечек в трубопроводе, работающего в стационарном состоянии 126
5.3 Сущность обобщенного метода зональной локации (ЗЛ-метода) 128
5.4 Компьютерное моделирование 133
5.5 Анализ эффективности и условий применения метода зональной локации утечек жидкости из трубопроводов 140
Выводы 146
Список использованной литературы 148
Приложение 160
- Обзор и критический анализ существующих методов обнаружения утечек
- Краевые условия, моделирующие работу нефтепровода и нефтеперекачивающих станций
- Математическая модель метода сканирующих волн давления
- Усовершенствованный метод материального баланса
Введение к работе
Диссертация посвящена проблеме обнаружения утечек нефти или нефтепродуктов из магистральных трубопроводов. Приводится критический анализ существующих методов и систем, применяемых для поиска дефектов на магистральных трубопроводах. В работе предложены новые методы - модифицированный метод материального баланса и метод зональной локации утечек, а также усовершенствован известный ранее метод сканирующих волн давления. В диссертации развита теория для использования предложенных методов, осуществлено численное моделирование их действия в трубопроводе при возникновении утечки, позволяющее оценить их эффективность и пределы возможностей.
Из-за удаленности основных мест добычи углеводородов от мест потребления доставка нефти и нефтепродуктов потребителям играет огромную роль в нефтегазовом комплексе. Наиболее распространенным видом транспортировки нефти является трубопроводный транспорт. В нашей стране создана уникальная трубопроводная система, которая лидирует среди всех видов транспорта по производительности, грузообороту, дальности доставки и себестоимости перекачки углеводородного сырья [100].
При транспортировке нефти и нефтепродуктов по магистральным трубопроводам неизбежны потери. Кроме потерь от испарения нефтепродуктов в резервуарах - малых и больших дыханий, происходят утечки через сальниковые уплотнения насосов и запорной арматуры [4]. Эти виды потерь относят к эксплуатационным. Кроме того, при перекачке нефтепродуктов возникают аварийные потери, происходящие при утрате герметичности технологических и магистральных трубопроводов. Аварийные утечки приводят не только к потерям перекачиваемого продукта и затратам на ремонтные и восстановительные работы, они также наносят значительный урон окружающей среде, что необходимо учитывать в условиях ужесточившегося экологического законодательства [66, 53, 50].
В настоящее время в России срок эксплуатации больше половины нефтепроводов приблизились или превысили проектный, что значительно увеличивает вероятность аварий на линейной части магистральных трубопроводов. Поэтому необходимы меры по повышению надежности трубопроводов, предотвращению аварийных ситуаций и их последствий.
Уменьшить ущерб, наносимый аварией, можно за счет своевременного определения утечки, оперативность обнаружения особенно важна при крупных утечках со значительными потерями перекачиваемого продукта. Так как магистральный трубопровод является линейным сооружением значительной протяженности, то важным является не только определение наличия утечки из трубопровода, но и установление ее точного местоположения.
Существует большое число методов и способов обнаружения утечек, основанных на различных физических явлениях и принципах. Но их анализ показывает, что нет единого метода, удовлетворяющего всем критериям, предъявляемым к современным методам обнаружения утечек.
Диссертация состоит из пяти глав. В первой главе диссертации приводится критический анализ существующих работ в области исследований методов обнаружения утечек, рассматриваются основные причины возникновения утечек и описываются существующие современные системы мониторинга трубопроводов. Известно множество методов и способов обнаружения утечек, каждый из которых, однако, имеет свои преимущества и свои недостатки. В числе авторов таких методов в нашей стране следует отметить, прежде всего, основоположника этого направления Н.Е.Жуковского, первым объяснившего не только причины возникновения разрывов трубопровода, но и предложившего метод их обнаружения. Известны также работы в этой области Л.С. Лейбензона, И.А. Чарного, Е.В. Вязунова, А.Г. Гумерова, А.К. Галлямова, В.Б. Галеева, Л.А. Дымшица, А.С. Джарджиманова, Л.Б. Кубла-новского, М.В. Лурье, К.А. Забелы, Ю.Д. Земенкова, В.Н. Антипьева, А.В. Бабкова, А.А. Гольянова, В.А. Саенко, Р.Н. Столярова, К.В. Черняева, А.С.
7 Шумайлова, В.Е Попадько и др. отечественных и зарубежных авторов, тем не менее, проблема все еще далека от окончательного решения.
Как показывает анализ, не существует универсального метода, который бы полностью удовлетворял всем требованиям, предъявляемым к современным методам обнаружения утечек на магистральных трубопроводах. В главе формулируются цели и задачи диссертационного исследования.
Во второй главе описывается математический метод с помощью, которого проводились исследования предлагаемых способов обнаружения утечек. Рассматривается математическая модель трубопровода, по которому перекачивается жидкость, и численный метод характеристик, с помощью которого проводится решение системы уравнений этой модели. Оценивается погрешность результатов, полученных рассматриваемым способом.
В третьей главе работы рассматривается метод сканирующих волн давления. Этот метод, впервые предложенный еще Н. Е. Жуковским, основан на распаде и отражении волн давления от места утечки. Он позволяет определить точное местоположение дефекта на магистральном нефтепроводе. Для оценки его эффективности была разработана компьютерная программа, моделирующая работу метода сканирующих волн давления. Был проведен ряд численных экспериментов, которые выявили, что на эффективность этого метода влияет ряд факторов: физико-химические свойства перекачиваемого продукта, характеристики инспектируемого участка трубопровода, интенсивность утечек и т.д. В работе приводятся результаты этих экспериментов и делаются выводы об эффективности применения рассматриваемого метода.
В четвертой главе диссертации предлагается новый способ для обнаружения утечек - модифицированный метод материального баланса. Описывается сущность метода. Отличие предлагаемого способа от классического метода материального баланса заключается в том, что помимо измерения и сравнения расходов на концах участка, также учитывается изменение массы перекачиваемой жидкости на этом участке. Это позволяет использовать новый метод при любых режимах и переходных процессах на магистральных
8 нефтепроводах, в отличие от общеизвестного метода, который применяется только при стационарном режиме перекачки. В работе приводится разработанная методика расчета массы на участке нефтепровода и представлены результаты расчетов, полученные с помощью компьютерного моделирования.
В пятой главе рассматривается новый метод обнаружения утечек - метод зональной локации. Он основан на анализе распределений давления, вычисленных на основе показаний датчиков, установленных в нескольких точках участка трубопровода. Метод основан на системе уравнений, описывающих нестационарное течение жидкости, поэтому он эффективно идентифицирует место утечки, как при стационарных, так и при переходных режимах течения. Анализ эффективности метода оценивается с помощью математического моделирования.
Все результаты, полученные в работе, изложены в 6 статьях и докладывались на научных конференциях, в том числе на международной конференции "Transport and Sedimentation of Solid Particles". Технические решения по созданию СОУ на новом принципе защищены патентом РФ № 2 368 843.
Автор работы искренне благодарен своему научному руководителю заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Лурье Михаилу Владимировичу за научное руководство исследованиями.
Обзор и критический анализ существующих методов обнаружения утечек
Проблема классификации методов обнаружения утечек рассмотрена в большом числе литературных источников, но, несмотря на это, не существует единой общепринятой классификации. Это связано с большим разнообразием методов, основанных на различных физических принципах и механизмах.
В зарубежной литературе закрепилась классификация систем и методов обнаружения утечек на внутренние и внешние, в зависимости от положения оборудования и датчиков, используемых в методе, по отношению к детектируемому трубопроводу (Рисунок 1.2) [129].
К внешним относятся системы, которые идентифицируют утечку на основе внешних проявлений сопровождающих ее возникновение и существование: просачивание перекачиваемого продукта на поверхность, уровень загазованности, акустические шумы и т.д. К методам этой группы относятся патрулирование трассы, использование чувствительных кабелей, тепловизоров и т.д.
К внутренним относятся методы, в которых используются измерительные приборы и датчики, измеряющие параметры внутри трубопровода (измерители давления, расхода, температуры перекачиваемого продукта и т.д.). Существует еще целый ряд классификаций методов и систем обнаружения утечек. Ниже представлена классификация методов по периодичности контроля и режиму работы нефтепровода (Рисунок 1.3), по способу воздействия на перекачиваемый продукт (Рисунок 1.4.) и по критериям обнаружения утечки (Рисунок 1.5.).
Методы визуального контроля. Методы визуального контроля основаны на наблюдении за изменениями, происходящими на трассе магистрального трубопровода [87]. С помощью этих методов можно выявить только последствия утечки - выход нефти на поверхность земли или ее скопление в ближайших водоемах.
Патрулирование трассы относится к этой группе методов. Оно включает в себя обход или объезд трассы линейными трубопроводчиками. Кроме обхода также применяется вертолетное патрулирование. Облет позволяет обеспечить более быстрое и комплексное слежение за трассой, по сравнению с пешим или транспортным обходом.
Средства осмотра трассы постоянно модернизируются, появляются новые технологии, такие как спутниковое слежение, разработка беспилотных летающих объектов, новых систем видеонаблюдения. Существуют технологии анализа безопасности трубопроводов с использованием комплекса геологических и космических данных [103]. Одним из перспективных средств патрулирования относится тепловизионный метод [96, 24]. Несмотря на это, такие системы способны фиксировать или оценивать уже произошедшие изменения и инциденты и поэтому не могут полностью обеспечить необходимую информацию для надежной и безопасной эксплуатации трубопроводных систем.
Методы этой группы являются наиболее простыми и доступными, но у них имеется ряд серьезных недостатков. Они не обеспечивают непрерывный контроль трубопровода, многие утечки фиксируются спустя значительный промежуток времени, некоторые вообще невозможно обнаружить этими методами.
Методы с использованием оптоволоконного кабеля. Современные технологии позволяют развивать новые технологии обнаружения утечек, в частности, метод с использованием оптоволоконного кабеля. Более широкое освещение он получил в зарубежной литературе [120].
Одним из вариантов такого методов является прокладка светочувствительного волоконного кабеля вдоль контролируемого трубопровода. При попадании на такой кабель перекачиваемого нефтепродукта, подается сигнал об утечке лазерным датчиком (система постоянной регистрации утечек нефтепродуктов «СПРУТ», разработанная специалистами ООО «ИК «Созвездие»).
Другим вариантом методов этой группы обнаружения дефектов, является применение оптоволоконного кабеля внутри трубопровода. Идея заключается в проецировании на стенку трубопровода светового пятна и улавливания и анализа отраженного от стенки сигнала. С помощью такого метода возможно определение различных геометрических отклонений внутренней поверхности трубопровода, а именно вмятин, гофр, различных деформаций, неровностей, вызванных коррозионными разрушениями и т.д. [111].
Известен также метод с использованием оптоволоконного кабеля, направленным на борьбу с несанкционированными врезками на нефте- и неф-тепродуктопроводах. Метод разработан ООО «Петролайт» (Система непрерывного виброакустического мониторинга протяженного объекта (САМПО)). Оптоволоконный кабель прокладывается сверху контролируемого трубопровода. Метод основан на фазовой чувствительности оптоволоконного кабеля к внешним воздействиям (рефлектометрического принципа), что позволяет определять место и тип воздействия [91].
Краевые условия, моделирующие работу нефтепровода и нефтеперекачивающих станций
Формулы (2.15) позволяют определить значения рм и им в произвольной точке полосы 0 х L, t 0, определяющей участок трубопровода за исключением его начального (х = 0) и конечного (х = L) сечений. Для нахождения значений давления/? и скорости и в концевых сечениях необходимо использовать краевые условия. В левое сечение (х = 0) приходит одна характеристика отрицательного наклона, поэтому давление рк и скорость ик в точках К этого сечения находятся из системы уравнений (рисунок 2.2): где F{pK,uK) = 0 - связь между давлением рк и скоростью ик в начальном сечении трубопровода, моделирующая левое граничное условие Аналогично на правой границе (х = L, t 0) участка трубопровода, куда приходит одна характеристика положительного наклона, также необходимо использовать одно краевое условие, поэтому давление р и скорость и в точках N этого сечения находятся из системы уравнений: Для моделирования различных процессов (утечки, отвода, переключений запорной арматуры и т.д.), происходящих на участке нефтепровода и вызывающих разрыв гидродинамических параметров потока, необходимо задать условия сопряжения. Например, для моделирования утечки в сечении х0 математической моделью служит система уравнений: первое уравнение означает непрерывность давления в месте утечки р (х0, і) - р+ (х0, t), а второе уравнение говорит об изменении расхода на величину утечки q. Индекс « - » говорит, что данный гидродинамический параметр находится до места утечки, а индекс « + », что после. Рассмотрим участок трубопровода длиной L, диаметром DxS по которому перекачивают жидкость плотностью р, вязкостью v. В начале участка трубопровода установлена насосная станция с п работающими насосами, характеристика насосов задана формулой: Для моделирования работы участка трубопровода используем систему уравнений (2.15). Граничные условия на концах участка следующие: в начале участка уравнение, описывающее работу нефтеперекачивающей насосной станции: 54 в конце участка принимаем, что давление остается постоянным: Так как в начальный момент времени стационарный режим работы, то скорость постоянна по всей длине участка и вычисляется с помощью уравнения баланса напоров: Примем, что в начальный момент трубопровод работал в стационарном режиме, поэтому начальные условия для распределения давления найдем с помощью коэффициента гидравлического уклона: dig В представленном ниже примере рассматривался трубопровод диаметром 1020x10 мм, длиной 50 км, по которому перекачивают нефть вязко-стью 15 сСт, плотностью 870 кг/м . Решение осуществлялось с помощью ме тода характеристик, шаг dx = = 250м. Решение системы уравнений (2.5) с начальными и граничными условиями представлено ниже на рисунке 2.3. Из полученного решения видно, что режим сохраняется стационарным (что очевидно, т.к. в рассматриваемом примере в модель не включено никаких возмущений).
Математическая модель метода сканирующих волн давления
Для моделирования работы магистрального нефтепровода используется система уравнений, описывающая неустановившееся движение слабо сжимаемой жидкости с учетом сил вязкого трения [61]: Эта система уравнений может быть численно решена с помощью мето да характеристик, рассмотренного в главе 2. Для моделирования метода сканирующих волн давления рассмотрим горизонтальный участок нефтепровода [х , х2 ] длиной L-x2 - хх, диаметром DxS, по которому перекачивается жидкость плотностью р и вязкостью v. Разобьем участок на Л = — точек с шагом Ах. Тогда для любой точки на Ах нефтепроводам можно найти давление и скорость в любой момент времени j Ах с шагом At = — с помощью следующей системы уравнений: с Давления в начальной точке находится с помощью граничных условий, описывающих работу насосного оборудования: Для моделирования метода сканирующих волн необходимо создание гидроудара, это означает нулевое значение скорости в конце, граничное условие примет следующий вид: Утечка в сечении с координатой х0, в точке М условиями сопряжения, которые означают непрерывность давления в месте утечки р- О0, t) = р+ (х0,і): где (і0 - коэффициент расхода (для тонких стенок обычно принимают ц0=0,62), s - площадь повреждения, через которое происходит истечение нефти, ратм - атмосферное давление (допускаем, что грунт рыхлый и давление снаружи трубопровода равно атмосферному), р0 - плотность нефти. Индекс « - » говорит, что данный гидродинамический параметр находится до места утечки, а индекс « + », что после. Алгоритм моделирования работы нефтепровода с утечкой и без: система уравнений, начальные и краевые условия подробно рассмотрены в главе 2. В итоге для моделирования работы нефтепровода и метода сканирующих волн используется следующая система уравнений[61]: с начальными условиями: В конце трубопровода устанавливается датчик, фиксирующий момент прихода отраженной волны. Он реагирует на изменение давления и фиксирует время скачка. Очевидно, что в действующем трубопроводе существуют колебания давления, поэтому для датчика вводится порог чувствительности -минимальный скачок давления, при котором датчик идентифицирует приход волны, то есть волна фиксируется, если амплитуда превышает заранее установленное пороговое значение: где Dnped - пороговое значение (Па), р{х2, /), р(х2, t - At) - давления в конце участка в моменты времени /, t — At соответственно. Согласно РД-13.320.00-КТН-544-06 «Системы обнаружения утечек на магистральных нефтепроводах. Общее техническое задание на проектирование, изготовление и ввод в эксплуатацию» Dnped принимается равным 3 кПа.
Усовершенствованный метод материального баланса
В предлагаемом модифицированном методе материального баланса указанные недостатки устранены. Вернемся к примеру с напрессовкой участка трубопровода, расход Qx в начальном сечении хх превышает расход Q2 в конце участка х2, утечки отсутствуют, а разница между расходами (количествами) жидкости накапливается (напрессовывается) на контролируемом участке трубопровода. Естественно, что в отсутствие утечки скорость изменения массы на участке трубопровода была бы равна разности массовых расходов G, - G2. В общем, идея модифицированного метода материального баланса заключается в сравнении двух величин: разности между количеством поступившей и вытекшей жидкостей и изменением массы на контролируемом участке трубопровода. Рассмотрим модифицированный метод материального баланса более подробно. Уравнение неразрывности потока жидкости в трубе [61]: является верным для любых процессов в трубопроводе, как для стационарных, так и для переходных. Проинтегрировав уравнение (4.1) для участка трубопровода [ „ х2] в течение интервала времени [tt, t2 ] получим: где M(tx)n M(t2) - масса перекачиваемого продукта на участке трубопровода в момент времени tx и t2 соответственно. Из уравнения (4.4) следует, что изменение массы перекачиваемого продукта на участке трубопровода равно разнице масс поступившей и вытекшей жидкости. Если вычислить и сравнить между собой правую (изменение массы на контролируемом участке трубопровода) и левую (разность между количеством поступившей и вытекшей жидкости) часть уравнения (4.4), то можно сделать вывод о наличии утечки: Если равенство выражений в (4.5) выполняется с той или иной степенью точности, то утечки на контрольном участке трубопровода нет, в противном случае она имеет место. В классическом методе балансов учитывается лишь величина Q(x2,t)-Q(xvt), без учета изменения массы на участке трубопровода, что дает хорошие результаты лишь при установившемся режиме работы нефтепровода, и делает невозможным его применение при нестационарных процессах. Алгоритм вычисления количества поступившей и вытекшей жидкости, а также массы жидкости на участке изложен ниже.
Для этого в качестве исходных данных необходимы данные о давлениях и расходах в двух сечениях трубопровода. Необходимые данные о параметрах потока перекачиваемой жидкости возможно получить с помощью турбинных или ультразвуковых счетчиков измерения количества перекачиваемой нефти, установленных на концах контролируемого участка трубопровода. Там же устанавливаются манометры, измеряющие давления. Информация от счетчиков непрерывно поступает на ЭВМ центрального диспетчерского пункта. Схема метода представлена на рисунке 4.1. Для вычисления массы на участке трубопровода необходимо знать распределение давления по всей длине нефтепровода: где р0- номинальная плотность жидкости; d0,SQ,S- номинальные диаметр, площадь поперечного сечения и толщина стенки трубопровода, соответственно; К - модуль упругости жидкости; Е - модуль Юнга материала трубы. Члены, стоящие в скобках, учитывают поправку плотности жидкости и площади сечения трубопровода на отклонение давления от атмосферного, поэтому задача состоит в том, чтобы рассчитать распределение давления по длине участка для заданного момента времени по известным параметрам потока в сечениях хх и х2. Алгоритм вычисления распределения давления по длине участка будет рассмотрен ниже. Массу жидкости на участке нефтепровода вычисляют для двух моментов времени, находят их разницу, т.е. находят изменение массы на участке трубопровода за промежуток времени [tr,t2]. Вычисление поступившей жидкости происходит, как и в классическом методе материального баланса, по показаниям расходомеров: Вычисленное изменение массы за промежуток времени и разность между количеством поступившей и вытекшей жидкости за это же время сравниваются друг с другом, т.е. находят дисбаланс массы на участке трубопровода. Если дисбаланс объемов нефти превысит установленное пороговое значение, включается аварийный сигнал о появлении утечки.
