Расчет превышения несущей способности трубопроводов.

 

Материалы III-й нучно-технической конференции «Обеспечение промышленной и экологической безопасности трубопроводного транспорта углеводородов» г. Оренбург, 2008г

ООО «ЭнергоАвтоматика», Москва, Россия

 

1. Введение

В настоящее время большинство магистральных нефтепроводов работают на максимальных режимах перекачки с высокими уровнями давлений и малыми запасами по несущей способности труб на стационарных режимах. В случае возникновения аварийных ситуаций или при переходах с режима на режим есть вероятность превышения максимально допустимого уровня давления в отдельных участках нефтепровода. Для предотвращения подобных аварий нужно заранее знать, где и как несущая будет превышена, и как изменить алгоритмы управления трубопроводом, чтобы исключить подобные ситуации. Решить эту задачу, проводя эксперименты на реальных нефтепроводах, невозможно. В этих случаях необходимо использовать расчеты нестационарных процессов с привлечением математических моделей течения нефти в трубопроводах.

Для моделирования нестационарных процессов в сложных, разветвленных трубопроводных системах в ООО «Энергоавтоматика» были разработаны два программных комплекса, основанные на одномерной нестационарной модели течения в трубе вязкой слабосжимаемой жидкости. Процесс моделирования заключается в создании модели реального трубопровода, с использованием в качестве исходных данных реальные данные о моделируемом участке. На этой модели производятся расчеты максимально возможных давлений при нестационарных процессах, вызванных аварийной остановкой одной из НПС и сравнение полученных результатов с данными по несущей способности.

В работе представлено описание используемой модели и исходные данные для ее создания. Также представлено сравнение расчета нестационарного процесса, вызванного остановкой НПС на трубопроводе с экспериментальными данными. 

Для расчета превышения несущей способности трубопровода моделируется исследуемый участок, на основе реальных данных о трубопроводе. Рассматриваются нестационарные процессы, вызванные аварийной остановкой каждой из НПС внутри участка. По ходу нестационарного процесса фиксируются уровни максимальных давлений в нефтепроводе. И производится сравнение уровней максимальных давлений с эпюрой несущей способности трубы. Далее выявляются участки, где кривая максимальных давлений превышает кривую несущей способности трубы. В работе также предлагается комплекс мероприятий, направленных на изменение режимов работы и алгоритмов управления нефтепровода, позволяющие не допустить забросов давления выше максимально допустимого уровня, а следовательно и аварийных ситуаций во время переходных процессов. И представляется аналогичные сравнения уровней максимальных давлений с несущей способностью для случая измененного режима работы нефтепровода.

2. Программный комплекс расчета.

В ООО «Энергоавтоматика» для расчетов нестационарных процессов разработаны два программных комплекса. Это:

• Программа расчета стационарных режимов и нестационарных процессов в трубопроводах для перекачки жидкости и газа ЕА ModOS [1]
• Моделирование нестационарных процессов в сложных трубопроводных системах произвольной топологии (Cassandra) [2]

Оба программных комплекса предназначены для проведения расчетов стационарных режимов перекачки и моделирования нестационарных процессов в разветвленных трубопроводных системах, включающих в себя линейные участки трубопроводов, линейные задвижки, развилки трубопроводов, емкости, центробежные насосы, компрессоры, регуляторы давления, устройства гашения ударной волны и т.д. Программы позволяют проводить расчеты как однофазных, так и двухфазных течений жидкости и газа. В расчетах учитывается распределенность давления, расхода, плотности, вязкости и температуры жидкости или газа вдоль трубопровода, теплообмен между рабочим телом и окружающей средой, распределенные потери на трение и влияние на течение профиля местности, по которой проложен трубопровод. Кроме того, в расчетах течения жидкости учитывается возможность возникновения паровых каверн при снижении давления на линейном участке ниже давления насыщенных паров.

Программные комплексы EA ModOs и Cassandra построены по модульному принципу. Каждый модуль представляет собой математическую модель отдельного элемента трубопроводной системы. Все типы элементов гидравлической системы сгруппированы в следующие модули:

• линейные участки трубопровода;
• резервуарные парки;
• развилки трубопроводов;
• местные сопротивления (линейные задвижки, фильтры, обратные клапаны и т.д.);
• насосные агрегаты;
• система регулирования давлений (САР НПС);
• система станционных защит;
• устройства гашения ударной волны (ССВД).

 

В модуле, описывающем линейный участок трубопровода, производится расчет параметров одномерного течения в цилиндрическом трубопроводе вязкой сжимаемой жидкости, находящейся в поле действия массовых сил. В расчетах учитывается распределенность давления и расхода жидкости вдоль трубопровода, связанная со сжимаемостью жидкости, распределенные потери на трение и влияние на течение жидкости профиля местности, по которой проложен трубопровод, а также учитывается возможность возникновения кавитационных каверн при снижении давления на линейном участке ниже давления насыщенных паров.

При описании резервуарных парков учитывается влияние на течение жидкости массовых сил (столба жидкости в емкостях).

Линейные задвижкив трубопроводе рассматриваются как местные (сосредоточенные) сопротивления с изменяющимся во времени коэффициентом потерь полного давления.

При описании насосных агрегатов используются реальные напорные и мощностные характеристики для конкретных насосов.

В математическую модель системы регулирования входит алгоритм регулирования режима работы насосной станции по пропорционально-интегрально - дифференциальному закону по двум уставкам: по минимальному давлению на входе в насосную станцию и по максимальному давлению на выходе из насосной станции.

            В математическую модель системы аварийной защиты входят алгоритмы автоматического (без вмешательства оператора) отключения одного или нескольких насосов по четырем уставкам:

 - по минимальному давлению на входе в насосную станцию,

 - по максимальному давлению в коллекторе насосной станции,

 - по максимальному давлению на выходе из насосной станции,

 - по максимальному перепаду давления на заслонках регулятора.

Первые три уставки имеют по две ступени. При достижении контролируемым параметром значения ступени I соответствующей уставки производится выключение первого по течению насоса, а при достижении уровня ступени II - выключение всех насосов. Если все насосы на насосной станции остановлены, она автоматически переводится в режим "транзита".

Математическая модель позволяет запускать и останавливать один или несколько насосов, открывать и закрывать задвижки.

В математической модели устройства гашения ударной волны (типа "Аркрон") используются экспериментальные зависимости времени запаздывания закрытия клапанов Флексфло от сопротивления настроечного дросселя "Аркрона". Устройство гашения ударной волны может быть настроено на обеспечение заданного темпа нарастания давления.

3. Расчеты нестационарных процессов. Сравнение с экспериментом

В качестве примера расчета приведем расчет нестационарного процесса, вызванного остановкой НПС. Расчет проводился с целью сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными, имеющимися в наличии. Для расчета строилась модель реального нефтепровода, и отслеживались значения давления с трех датчиков на протяжении всего времени переходного процесса.

 

Рис. 1 Схема реального нефтепровода

 

Далее моделировался переходный процесс, посредством отключения НПС 2. И полученные из модели данные сравнивались с реальными данными, имеющимися для этого нефтепровода. Ниже приводится сравнение рассчитанных кривых изменения давления с реальными данными для данного процесса на этом участке.

 

Рис. 2 Сравнение расчета и реальных данных

 

4. Моделирование аварийных ситуаций. Превышение несущей способности трубопровода

            Процесс моделирования аварийной ситуации можно разбить на три этапа:

• анализ исходных данных
• создание и настройка модели
• расчет нестационарных процессов

Для построения модели требуются исходные данные о реальном нефтепроводе. Основные исходные данные для модели это:

1. профиль трассы участка
2. раскладка труб по диаметру и толщине стенки участка
3. эпюра несущей способности трубы на каждой секции участка
4. сведения о насосах, установленных на НПС
5. сведения о САР и станционных защитах НПС
6. Данные о ССВД на НПС

 

В процесс создания и настройки модели входит построение математической модели нужного участка нефтепровода, задание нужных характеристик элементам модели, и идентификация нужных параметров модели по параметрам режима перекачки из карты технологических режимов. Далее модель готова к расчету. Как правило в расчетах, проводимых ООО «Энергоавтоматика» после настройки модели погрешность моделирования стационарного режима не превышала 0.5-1%.

Расчет нестационарных процессов сводится к моделированию процессов, вызванных принудительным выключением одной из НПС на одном из исходных стационарных режимов перекачки. Далее строятся уровни максимальных давлений в трубопроводе во время нестационарного процесса и сравниваются с эпюрой несущей способности трубопровода. Если максимальные уровни давлений во время нестационарного процесса превышают несущую способность трубы, выявляются участки, в которых произошло это превышение.

            Ниже приводятся результаты одного из подобных расчетов. На Рис. 3-6 приведены графики распределения максимальных уровней давлений в нефтепроводе во время нестационарных процессов, вызванных принудительным выключением одной из НПС на стационарном режиме перекачки. На этих рисунках снизу вверх: график профиля трассы, эпюра давлений на исходном стационарном режиме, эпюра максимальных уровней давлений, несущая способность трубы.

 

 

Рис.3 Распределение давлений на исходном стационарном режиме и максимальные уровни давлений во время нестационарного процесса при остановке НПС 2. 

 

 

 

 

 

Рис.4 Распределение давлений на исходном стационарном режиме и максимальные уровни давлений во время нестационарного процесса при остановке НПС 2. 

 

 

 

 

Рис.5 Распределение давлений на исходном стационарном режиме и максимальные уровни давлений во время нестационарного процесса при остановке НПС 3

 

 

Рис.6 Распределение давлений на исходном стационарном режиме и максимальные уровни давлений во время нестационарного процесса при остановке НПС 3

 

Как видно из графиков, максимальные уровнидавлений в основной нитке нефтепровода во время нестационарного процесса превышают несущую способность трубы в ряде секций на участках 0 – 15 км, 85 – 86,5 км и 111 – 112 км.

            Дополнительные расчеты показали, что снизить максимальные уровни давлений во время переходных процессов можно уменьшив уставку САР на НПС 1 с 5,4 МПа до 5,05 МПа. Такое значение уставки ниже рабочего давления на исходном режиме и это приводит к снижению производительности нефтепровода на 1%. При этом рабочее давление на выходе НПС 2 снижается до 4,41 МПа. Если снизить уставку САР на НПС 2 с 5,10 МПа  до этого значения, то во время переходных процессов давление во всем нефтепроводе не будут превышать несущую способность трубы.

Результаты расчетов переходных процессов на режиме с измененными уставками, приведены на рис. 7-10: 

 

 

Рис.7 Распределение давлений на измененном стационарном режиме и максимальные уровни давлений во время нестационарного процесса при остановке НПС 2.

 

 

Рис.8 Распределение давлений на измененном стационарном режиме и максимальные уровни давлений во время нестационарного процесса при остановке НПС 2.

 

 

Рис.9 Распределение давлений на измененном стационарном режиме и максимальные уровни давлений во время нестационарного процесса при остановке НПС 3.

  

 

 

Рис.10 Распределение давлений на измененном стационарном режиме и максимальные уровни давлений во время нестационарного процесса при остановке НПС 3.

 

5. Заключение

            Таким образом,  математическое моделирование нестационарных процессов при перекачке нефти является хорошим средством  для анализа состояния нефтепровода. Моделирование аварийных ситуаций позволяет выявить потенциально опасные участки трубопровода, требующие замены. А также дает возможность проектировать течения с различными настройками алгоритмов управления нефтепровода. Тем самым дает возможность оптимизировать существующие режимы перекачки по различным критериям. Однако, любое средство математического моделирования должно быть проверенно на соответствие реальным данным. Программные комплексы математического моделирования разветвленных гидродинамических систем, разработанные в ООО «Энергоавтоматика» показывают результаты, хорошо согласующиеся с экспериментальными измерениями, а методы и приемы расчета превышения несущей способности трубопровода, описанные в данной работе, нашли широкое применение  при расчетах допустимых рабочих давлений магистральных нефтепроводов ОАО «АК «Транснефть».

 

 

 

 

Ссылки

1. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2004610166 от 12.01.2004

2. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612281 от 05.09.2005