Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важных проблем, решение которой необходимо для экономического развития Российской Федерации является энергосбережение. В связи с этим усиливается роль учета сырьевых и энергетических ресурсов, производимых в нефтегазовом и энергетическом комплексах, расходуемых в коммунально-бытовом хозяйстве и других отраслях. Одним из важнейших и общепризнанных направлений энергосбережения является создание автоматизированных измерительных систем для диагностики расходных и тепловых характеристик при течении однофазных и многофазных потоков в трубопроводах. Такие системы позволяют не только вести непосредственно учет, но и проводить автоматизацию, оптимизацию и регулирование технологических процессов, рационально использовать топливно-энергетические, водные и другие сырьевые ресурсы. Правильный учет приводит к экономии энергорессурсов как в рамках отдельных потребителей, так и в области всего топливно-энергетического комплекса, поэтому совершенствуются и систематизируются известные и разрабатываются новые теплофизические методы и приборы для технологического и коммерческого учета. Вводятся новые правила учета тепловой энергии и теплоносителя, правила учета газа, новые ГОСТы. Разрабатываются и используются на практике рекомендации и руководящие документы, направленные на улучшение качества и потребительских свойств средств измерений, применяемых для коммерческого и технологического учета соответствующих величин. Необходимость технического перевооружения приборного парка поставила перед иследователями, разработчиками и производителями средств измерений ряд задач, цель которых состоит в разработке новых компьютеризованных средств и систем измерений. Эти актуальные задачи решаются путем изучения и совершенствования зарубежных и отечественных аналогов, а также поиском новых способов использования как результатов фундаментальных исследований в области механики жидкости и газа, теплофизики и молекулярной физики, так и современной компьютерной техники и информатики.
Цель работы состоит в исследовании, создании и внедрении в производство расчет-но-экспериментальных методов и измерительно- вычислительных систем, предназначенных для измерения расходных и тепловых характеристик многокомпонентных потоков в трубопроводах применительно к нефтегазовым технологиям, жилищно-коммунальному хозяйству и другим отраслям промышленности.
Конкретными задачами, решаемыми в данной диссертационной работе являются следующие:
-
Разработать принципиальные подходы к созданию интеллектуальных измерительно-вычислительных систем для определения термогазодинамических параметров потоков в трубопроводах.
-
Разработать и исследовать измерительно-вычислительные комплексы для определения расходов и тепловых потоков однофазных и многофазных сред.
-
Создать методику и компьютерную программу расчета потока термогазодинамических параметров жидкости, газа и газовзвеси в измерительных устройствах.
-
Разработать методы определения газового фактора в многофазных потоках.
-
Разработать методы расчета фазового состава смесей в трубопроводах, основанные на измерениях ее тепловых и расходных характеристик.
6. Внедрить в производство и промышленную эксплуатацию измерительно-
вычислительные комплексы для трубопроводных объектов нефтегазового комплекса и
жилищно-коммунального хозяйства.
Научная новизна заключается:
- в создании концепции измерительно-вычислительных систем для диагностики теп
лофизических параметров рабочих тел в трубопроводах, основанной на сочеіании
компьютерных методов расчета многофазных сред и автоматизированных измеритель
ных комплексов;
в разработке измерительно-вычислительных систем, программное обеспечение которых основано на применении балансовых уравнений массы, импульсов, энергии и характеристик турбулентности, что позволило провести численный расчет важной практической задачи о движении многофазного потока через измерительные каналы, используемые в трубопроводных системах, а также предложить новый метод определения и восстановления локальных и интегральных теплофизических параметров по их точечным измерениям в трубопроводе;
в создании методики автоматизированного проектного синтеза измерительно-вычислительных систем для различных типов и режимов течения многофазных сред;
- в обосновании возможности определения газового фактора двухфазной нефтегазо
вой смеси с помощью оценки параметров растворимости Гильдебранда, характери
зующих энергию притяжения между молекулами и измерением давления и температуры
теплоносителя;
-в разработке методики определения обводненности нефти с помощью теплофизических измерений.
-в получении технических характеристик компьютерных вторичных преобразователей, внесенных в Государственный реестр средств измерений, предназначенных для работы в составе разнообразных измерительно-вычислительных систем;
На защиту выносится:
концепция создания интеллектуальных измерительно-вычислительных систем для диагностики тегшофизических параметров рабочих тел в трубопроводах, основанная на сочетании в едином программно-техническом комплексе методов расчета однофазных и многофазных сред и современных автоматизированных измерительных и вторичных преобразователей;
результаты разработки методик и алгоритмов расчета параметров многофазного потока в элементах трубопроводных систем;
результаты исследования возможности определения газового фактора нефтегазовой смеси с помощью оценки параметров растворимости Гильдебранда;
результаты исследования возможности определения обводненности нефти с помощью измерения ее теплофизических параметров;
результаты испытаний вторичных преобразователей "Тахион-5М" на соответствие утвержденному типу средств измерений, зарегистрированных в Государственном реестре РФ;.
результаты разработки и реализации инновационного проекта по обоснованию и внедрению в производство и промышленную эксплуатацию измерительно-вычислительных систем;
- результаты исследования и промышленной эксплуатации измерительно-
вычислительных систем, использующих современные компьютеризированные вторич
ные преобразователи "Тахион-5М"и предназначенные для учета расхода жидкостей,
газов и их смесей, а также расходов тепловой энергии.
Достоверность результатов, изложенных в диссертации, обусловлена корректностью применения общих законов и уравнений механики сплошной среды, молекулярной физики, способом их вывода из соответствующих законов сохранения, а также сравнением результатов моделирования с приведенными в научной литературе и решением тестовых задач. Достоверность правильности работы использованных приборов, компьютерных вторичных преобразователей и измерительно-вычислительных систем подтверждена Госстандартом России.
Практическая значимость работы состоит в решении проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, заключающейся в разработке, исследовании и практическом применении нового поколения интеллектуальных приборов - измерительно-
вычислительных систем, предназначенных для измерения расходных и тепловых характеристик многофазных потоков применительно к задачам в нефтегазовых технологиях, жилищно-коммунальном хозяйстве и других отраслях промышленности. В работе созданы и реализованы расчетно-экспериментальные методы и измерительно-вычислительные ситемы, позволяющие обеспечить сбережение сырьевых и энергетических ресурсов. Компьютерные вторичные преобразователи, входящие в состав измерительно-вычислительных систем, внесены в Государственный реестр средств измерений. Измерительно-вычислительные системы внедрены на тридцати объектах и предприятиях Тюменской области с экономическим эффектом в сотни тысяч рублей.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на Международной VI1 Европейской конференции "Статистическая механика химически реагирующих жидкостей" (Новосибирск, 1989 г.), Международной конференции "Нефть и газ западной сибири" (Тюмень, 1996 г.), Международной конференции "Проблемы Криологии Земли" ( Пущино, 1997 г.), Международном семинаре по водородной связи ( Самарканд, 1991 г.), Международной конференции " Проблемы экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири" ( Москва, 1999 г.), XVI Всесоюзной конференции " Спектроскопия конденсированных сред" ( Пермь, 1985 г.) на XIX и XXI Всесоюзных съездах по спектроскопии ( Томск, 1983 г., Москва, 1995 г.), и ряде региональных семинаров и конференций. Результаты работы докладывались на Международных выставках: Электроника-96 ( Тюмень, 1996 г.) и Ганноверской выставке-ярмарке (Германия, 1997 г.), Тюменской областной промышленной выставке " Новые товары и технологии" (Тюмень, 1998 г.), прошли экспертизу и получали финансовую поддержку Государственного Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере ( Москва, 1995 г., 1997 г.).
Публикации. Основные результаты работы приведены в монографии "Диагностика теплофизических параметров в нефтегазовых технологиях"- Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирама РАН, 1998.-249 с. и нашли отражение в 28 публикациях. Их список приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора заключается в разработке концепции создания измерительно-вычислительных систем для диагностики теплофизических параметров рабочих тел в трубопроводах, основанной на сочетании компьютерных методов и программах расчета однофазных и многофазных сред и современных автоматизированных измерительных и вторичных преобразователей; в разработке методик и алгоритмов расчета параметров многофазного потока в элементах трубопроводных систем, а также анализе полученных результатов; в получении экспериментальных данных, обосновывающих
применение теории Гильдебранда для определения газосодержания в углеводородных смесях; в разработке методики определения обводненности нефти с использованием теплофизических свойств среды; в проведении совместно с соавторами испытаний вторичных преобразователей "Тахион-5М" на соответствие утвержденному типу средств измерений, зарегистрированных в Государственном реестре РФ; в разработке, технико-экономическом анализе и управлении реализацией инновационного проекта по внедрению элементов измерительно-вычислительных систем в производство и промышленную эксплуатацию.
Струюура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех частей, разбитых на шесть глав, заключения, одиннадцати приложений и списка литературы. Объем диссертации - 285 стр., включая 53 рис. и 29 таблиц. Список литературы содержит 215 наименований.