CC BY
216
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. - М.: Техносфера, 2005. - 1072 с.
2. Nemirovsky V.B., Stoyanov A.K. Multi-Step Segmentation of Images by Means of a Recurrent Neural Network // 7th International Forum on Strategic Technology (IFOST - 2012): Proceedings: in 2 v. V. 1. - Tomsk, September 18-21, 2012. - P. 557-560.
3. Малинецкий Г.Г. Математические основы синергетики. - М.: Изд-во ЛКИ, 2007. - 312 с.
4. Пожар на Ожгинском месторождении продолжается // Кунгур Online. Кунгурский информационно-новостной сайт. 2012. URL: http://kungur-online.ru/?p=18620 (дата обращения: 20.03.2013).
5. Image 80099, URL: http://www.lapix.ufsc.br/sms/byalgorithmima-ges_80099.html (дата обращения: 20.03.2013).
Поступила 28.03.2013 г.
УДК 621.643
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ УТЕЧКИ ИЗ НЕФТЕПРОВОДА, ОСНОВАННЫЙ НА РАЗНОСТИ ВО ВРЕМЕНИ ДАВЛЕНИЯ
Т.Е. Мамонова
Томский политехнический университет E-mail: mamte@sibmail.com
Предложен метод определения утечки, основанный на анализе гидравлических характеристик трубопровода во времени. Представлены расчётные формулы для определения массового расхода и координаты утечки. Приведено исследование метода с применением программы COMSOL Multiphysics 3.5. Показано, что предложенный метод и расчётные формулы, соответствующие ему, являются применимыми при определении кратковременных утечек.
Ключевые слова:
Нефтепровод, датчик давления, гидравлический профиль трубопровода, утечка в нефтепроводе, имитационная модель.
Key words:
Oil pipeline, pressure sensor, hydraulic profile of oil pipeline, loss in the pipeline, simulation mode.
В настоящее время при эксплуатации магистральных нефтепроводов одной из наиболее актуальных и сложных задач является своевременное обнаружение утечек, а также определение координаты и массового расхода этих утечек. Особо важно решить данную задачу при появлении несанкционированных врезок в трубопровод, которые устанавливаются для хищения нефтепродуктов. Так, согласно [1], по данным «Транснефти», всего в период с 2003 по 2012 гг. на объектах компании было выявлено 4779 несанкционированных врезок в магистральные нефтепроводы, что составляет около 70 % всех совершенных преступлений. В 2012 г. таких случаев было зафиксировано 180, в 2011 г. -214, а в 2010 г. - 313. При этом на ликвидацию современной врезки требуется порядка 2,5 млн р., а экологический ущерб оценить практически невозможно.
Сложность обнаружения несанкционированных врезок заключается в том, что их длительность составляет несколько минут, и изменение давления при их возникновении очень мало по сравнению с давлением в трубопроводе при перекачивании нефтепродуктов. Методы обнаружения утечек, которые используются в настоящее время при эксплуатации линейной части нефтепроводов, приведённые в [2, 3], в большинстве случаев являются малочувствительными к изменениям интенсивности возникающих кратковременных утечек.
В работе предлагается метод для определения координаты и массового расхода утечки, который основан на разности во времени давления в контролируемых сечениях трубы. Прототипом предлагаемого метода является метод гидравлической локации утечки, который описан в [4] и основан на анализе гидравлических характеристик участка нефтепровода. При этом рассматривается участок нефтепровода между двумя нефтеперекачивающими станциями НПС1 и НПС2, который работает в стационарном режиме, не имеет самотечных участков и транспортирует однородную нефть с некоторым расходом (}0. Схема нефтепровода с утечкой и без неё и расчётные данные по методу гидравлической локации представлены на рис. 1.
Рис. 1. Расчётная схема метода гидравлической локации утечки
Протяжённость трубопровода составляет /. Вблизи нефтеперекачивающих станций НПС1 и НПС2 выбираются базисные сегменты следующим образом: ААХ с протяжённостью Д[ вблизи первой нефтеперекачивающей станции и второй В1В с протяжённостью Д2 вблизи второй. В данных сечениях устанавливаются дифференциальные датчики давления и йБь которые измеряют разность да-
вления на концах выбранных сегментов. Для определения утечки в соответствии с данным методом строится гидравлическая характеристика Н(х), которая рассчитывается так [5]:
где
P(x)
pg
H (x) = + z( x),
Pg
- пьезометрический профиль трубопро-
вода, м; z(x) - геометрический профиль трубопровода, м; P(x) - давление вдоль трубопровода, Па; p - плотность перекачиваемого продукта, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2.
При работе трубопровода в стандартном режиме линия гидравлического уклона без утечки не искажена и на рис. 1 соответствует линии #бу. Когда возникает утечка, происходит надлом линии в месте возникновения утечки на две составляющие: Hy1 - линия гидравлического уклона при утечке до места её возникновения, Hy2 - линия гидравлического уклона при утечке после места её возникновения.
Изменения гидравлического уклона может быть рассчитано по показаниям установленных в базисных сегментах дифференциальных манометров по формулам [4]:
5 S(HA -H ) 0 ^ 8(HB -Нв )
oil =----------------— > 0, oi2 =-----------------—
< 0.
Координата % и расход Q утечки рассчитываются по формулам [4]:
% = I-
8il | +15i2
Q =
Sil | +1 Si2 (di / 5Q)q
(1)
где (Э//Э0а - частные производные от функции I (б) по б, вычисленные при номинальном расходе бо, которые можно определить либо теоретически с помощью дифференцирования формулы зависимости гидравлического уклона I (0, либо экспериментально при исследовании изменений гидравлического уклона участка нефтепровода при изменениях его пропускной способности.
Анализ указанного метода выполнен в [4] и [5]. К недостаткам метода гидравлической локации можно отнести:
1) расчётные формулы (1) базируются на значениях номинальной или текущей производительности перекачки нефтепродукта, которые должны быть известны заранее;
2) значения изменения давления на концах выбранных базисных сегментов являются относи-
тельно малыми величинами, поэтому необходима высокая точность измерения изменения дифференциального напора, что в условиях производства является проблематично.
3) при уменьшении интенсивности утечки точность метода снижается из-за ограничения чувствительности дифференциальных манометров к малым изменениям давления на концах базисных сегментов.
Предлагаемый в рамках данной работы метод является модификацией метода гидравлической локации и основан на изменении во времени линии гидравлического уклона нефтепровода. При этом рассматривается участок нефтепровода с определённой геометрической формой, который работает в стационарном режиме, не имеет самотечных участков, лупингов и отводов и транспортирует однородный нефтепродукт. В определённых сечениях вдоль трубопровода устанавливаются специальные устройства, представляющие собой датчики давления, измеряющие изменение давления во времени ДДО в контролируемых сечениях трубы, разработанные автором работы и описанные в [6].
В трубопроводах при транспортировке нефтепродуктов имеет место гидравлический шум РШ, который может быть обусловлен следующими явлениями:
1) образованием вихрей или неоднородностей потока жидкости вблизи твердых границ (вихревой шум);
2) образованием пульсаций давления при изменении сечения потока движущейся жидкости;
3) автоколебаниями упругих конструкций в жидкости;
4) кавитацией в жидкости из-за потери ею сплошности при уменьшении давления: образуются полости и пузырьки, заполненные газами, при захлопывании которых возникает звуковой импульс.
При значении изменения давления в контролируемых сечениях ДР(0>РШ имеет место либо изменение режима перекачки нефтепродукта, либо возникает утечка на участке нефтепровода, пролегающего между двумя перекачивающими станциями.
По показаниям датчиков давления, измеряющих разность во времени давления в контролируемых сечениях трубы, с учётом параметров нефтепродукта (плотность, скорость перекачки) и нефтепровода (коэффициент гидравлического сопротивления и геометрический профиль трубы), можно определить параметры утечки из нефтепровода (координата и массовый расход).
При этом используются полученные автором расчётные формулы для двух вариантов работы трубопровода.
В первом случае контролируемый участок нефтепровода находится между двумя нефтеперекачивающими станциями НПС1 и НПС2, расположенными в местах с координатами х1 и х4, соответственно (рис. 2).
горизонта, м;
- пьезометрический профиль
Х2 Х4АР3
(х4 - хз)АР2 + х2АРз
(3)
„ п(1 р
От =------------.1—— х
т 16
Х2 (Р - Р4 + Р8 (2 - 24 )) - Х4 АР2
Р - РА +Р8(2 - 24)
(4)
Рис. 2. Схема расположения датчиков давления на нефтепроводе с утечкой и без неё и его гидравлические уклоны при постоянных значениях давления в начале и конце трубы
Давления в начале и в конце трубы считаются постоянными и не изменяются во времени, либо данное изменение минимально. Вдоль нефтепровода в сечениях х2 и х3 располагаются устройства, описанные выше, которые измеряют изменения во времени давления в данных сечениях трубы ДР2(0 и ДР3(0. Расчётные формулы для определения координаты утечки £ и её массового расхода От при постоянных значениях давления в начале и в конце эксплуатируемого участка были рассчитаны геометрическим способом. При этом предполагается, что в стандартном режиме работы трубопровода без утечки линия гидравлического уклона Нбу прямолинейна. При возникновении утечки данная линия состоит из двух составляющих Ну1 и Ну2, которые пересекаются в точке с координатой, где произошла утечка. Гидравлический уклон определяется по формуле [5]:
Н (х) = х{ х) + Р(х), (2)
РЯ
где 1(х) - геометрический профиль трубопровода, представляющий собой высоту трубы над уровнем
Р( х)
где й - внутренний диаметр трубы, м; А=А(Ке,е) -коэффициент гидравлического сопротивления трубопровода, является безразмерной величиной;
„ м>ё _ „ Д
Яе = — - число Рейнольдса; е = — - относи-
и й
тельная шероховатость внутренней поверхности нефтепровода; Д - абсолютная шероховатость внутренней поверхности трубы; V - скорость перекачки нефтепродукта по сечению, м/с; Рь Р4 - давления на НПС1 и НПС2, соответственно, Па; гх, г4 -высота над уровнем горизонта на НПС1 и НПС2, соответственно, м.
Во втором варианте работы нефтепровода предполагается, что участок нефтепровода располагается между двумя нефтеперекачивающими станциями НПС1 и НПС2, давление в начале трубы (на НПС1) является постоянным либо изменяется во времени в допустимых пределах, давление на НПС2 изменяется во времени. При этом учитываются показания датчиков, расположенных на НПС1 и НПС2, и устройств, измеряющих изменения во времени давления в контролируемых сечениях трубы, расположенных вдоль нефтепровода и на НПС2 (рис. 3).
трубы, м; р - плотность перекачиваемого продукта, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Для определения массового расхода утечки необходимо выразить расход трубопровода в месте утечки до её возникновения и после. Тогда, зная изменения во времени давления в контролируемых сечениях трубы, уровень трубопровода и координату мест установок устройств, абсолютное давление в начале и конце трубопровода, параметры трубопровода и транспортируемой жидкости и учитывая (2), находим формулы для расчёта координаты и массового расхода утечки:
Рис. 3. Схема расположения датчиков давления на нефтепроводе с утечкой и без неё, а также его гидравлические уклоны при постоянном значении давления в начале трубы и изменяющемся во времени давлении в конце трубы
Массовый расход утечки при этом рассчитывается по формуле (4). Геометрическим способом была получена формула для определения координаты утечки при постоянном давлении в начале эксплуатируемого участка и изменении во времени давления в его конце, которая имеет вид: х2(х4ДР3 -х3ДР4)
£ =
(Х4 -Х3)АР, + Х2(АРз -АРа)
(5)
где ДР2, ДР3, ДР4 - разность во времени давления в двух сечениях вдоль трубопровода и в его конце на НПС2, Па.
X
Для доказательства работоспособности представленных формул (2)—(4) был проведён модельный эксперимент с применением пакета COMSOL Ми1-йрЬуяс8 3.5. Для этого в указанном пакете было проведено моделирование трубопроводов, работающих в рассмотренных выше режимах. Следует отметить, что расчёт для трубопроводов реальных размеров выполняется в течение продолжительного времени, поэтому было решено проводить эксперимент для масштабированного трубопровода, параметры которого взяты из [7] и представлены в табл. 1.
Таблица 1. Параметры трубопровода и транспортируемой жидкости
Обозначения Значение Ед.измерения
Параметры трубопровода
Длина 1 100 м
Диаметр трубы 6 0,1 м
Диаметр отверстия утечки 6 0,01 м
Площадь сечения 5 7,85-10-3 м2
Давление в начале трубы р 1 МПа
Давление в конце трубы Р4 0,7 МПа
Параметры транспортируемой жидкости
Плотность р 817 кг/м3
Скорость движения 1,2 м/с
Кинематическая вязкость и 0,98-10-6 м2/с
Скорость распространения звуковой волны С 975 м/с
Результаты моделирования представлены в табл. 2. Массовый расход утечки в программе COMSOL Multiphysics 3.5 был рассчитан по формуле [8]:
nd2 ,-----
Gt = PH—^2gH¡,, (6)
где dy - диаметр отверстия утечки, м; ¡л - коэффициент расхода (примем равным 1); H¡ - значение гидравлического напора в месте утечки, м.
Относительные погрешности определения координаты S¡ и массового расхода SGT утечки рассчитаны по формулам:
l¡ — ¡ I G — G I
S¡ . 100 %, S GT= ----Td. 100 %,
¡ Gt3 '
где 4, 0Тр - расчётные значения координаты и массового расхода, полученные по формулам (3), (4) и (5); 4, 6Тэ - эталонные значения координаты и массового расхода, заданные в программе СОМ-SOL МиШрИуз^ 3.5 и в соответствии с (6).
Таблица 2. Результаты модельного эксперимента
Геометрический профиль трубы Значение параметров утечки Прямолинейный без наклона Прямолинейный с наклоном
Заданные значения в COMSOL МиШрЬ^ю 3.5 4, м 55 55
Gj, кг/с 6,46 6,46
Расчётные значения параметров утечки по формулам (3) и (4) 4, м 55,12 55,16
Gj, кг/с 6,48 6,52
ё4, % 0,22 0,28
SGT, % 0,35 0,92
Расчётные значения параметров утечки по формулам (4) и (5) 4, м 55,13 6,48
Gj, кг/с 55,15 6,52
ё4, % 0,22 0,28
ё Gj, % 0,35 0,92
Таким образом, модельный эксперимент показал, что погрешность расчёта параметров утечки по предложенному методу и соответствующим данному методу формулам составляет 0,22 % для координаты утечки и 0, 28 % для массового расхода утечки при прямолинейном трубопроводе без наклона, 0,28 % и 0,92 % для координаты и массового расхода утечки соответственно при прямолинейном трубопроводе с наклоном.
Выводы
Предложенный метод определения утечки является улучшенной модификацией метода гидравлической локации утечки, так как позволяет обнаружить кратковременные утечки малой интенсивности, в том числе несанкционированные врезки в трубопровод, проводимые с целью хищения нефтепродукта. Чувствительность предложенного метода достигается за счёт применения устройства, позволяющего измерять разность во времени давления в контролируемых сечениях трубопровода, расположение которых не зависит от физических возможностей датчиков давления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Забелло Е. Нефть в России стали воровать в промышленных масштабах // РБК. 2013. URL: http://top.rbc.ru/econo-mics/28/01/20l3/842358.shtml (дата обращения: 29.01.20l3).
2. Мамонова ТЕ. Методы диагностики линейной части нефтепроводов для обнаружения утечек // Проблемы информатики. - 2012. - Спецвыпуск. - C. 103-112.
3. Степанченко ТЕ., Шкляр В.Н. Разработка и исследование алгоритмов обнаружения утечек в магистральных трубопроводах на основе их гидродинамических моделей // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. - № 7. -С. 70-73.
4. Лурье М.В., Макаров П.С. Гидравлическая локация утечек нефтепродуктов на участке трубопровода // Транспорт и хранение нефтепродуктов. - 1998. - № 12. - C. 65-69.
5. Трубопроводный транспорт нефти / под ред. С.М. Вайншто-ка. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2004. - Т. 2. - 621 с.
6. Способ измерения изменения давления в нефтепроводе транспортировки жидкости и устройство для его осуществления: пат. № 2426080. Рос. Федерация. № 2010117477/28; заявл. 30.04.2010; опубл. 10.08.2011, Бюл. № 22. - 5 с.
7. Мамонова ТЕ. Учёт геометрического профиля нефтепровода при определении параметров утечки // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. 2012. иКЬ: http://www.ogbus.ru/authors/Mamo-поуа/Матопоуа_1.рёС (дата обращения: 18.06.2013).
8. Истечение через малые отверстия в тонкой стенке при по-
стоянном напоре // Образовательный ресурс по гидродинамике и гидропневмоприводу. 2011. http://gidrav1.narod.ru/is-
techenie.html (дата обращения: 05.04.2013).
Поступила 31.01.2013 г.
