Магистральные нефтепроводы

1
Система расчета оптимальных режимов работы
нефтепроводов (расчет – моделирование – оптимизация)
2
Система моделирования нефтепроводов
Программное обеспечение, разработанное для реализации моделирования
нефтепроводных систем состоит из следующих основных компонентов:
 Расчетно-аналитическое ядро: В системе реализованы несколько
математических
моделей трубопроводной сети. Производится
автоматический переход от описательной модели (база данных) через
модель-граф к аналитической модели - системе уравнений, отражающих
сетевые законы Кирхгофа. Собственный математический аппарат
позволяет производить гарантированное и однозначное решение этой
системы для схем любой конфигурации с количеством элементов свыше
20 000. Решением системы является потокораспределение и напоры в
нефтепроводе и расчет оптимальных режимов работы нефтепровода.
Расчетно-аналитическое ядро системы позволяет моделировать
ситуации при авариях и других нештатных ситуациях.
 Графический интерфейс: Основным объектом в Системе является
принципиальная гидравлическая схема. Ее создание, модификация и
управление осуществляются на базе встроенного графического редактора.
Результаты графических манипуляций отображаются в базе данных.
Графический интерфейс существенно ускоряет и упрощает работу с
системой, дает наглядность и возможность оперировать привычными
пользователю объектами предметной области.
 База данных: Принципиальная схема нефтепроводной сети, состоящая из
элементов (трубы, задвижки, насосы ) с их гидравлическими параметрами
хранятся в базе данных Системы.
По результатам конкурса, объявленного в 1999 г. ОАО
«Транснефть», выигран тендер на разработку системы
(конкурент Уфимский Нефтегазовый университет) .
С 2001 года система внедрена и находится в непрерывной
эксплуатации в ОАО «Транснефть».
Точность расчетов 1% от реальных режимов.
3
Укрупненная расчетная схема нефтепровода
Укрупненная расчетная схема нефтепровода состоит из НПС (узлы графа) и
участков нефтепровода, соединяющих НПС (ребра графа). Таким образом,
расчетная схема содержит укрупненную топологию нефтепровода (Рис .).
Рис . Пример укрупненной схемы нефтепровода.
Нефтеперекачивающие станции (НПС), в данном случае, есть источники
напора, с регуляторами давления.
НПС имеют внутреннюю структуру – схему соединений насосов и их типы и
параметры, характеризующие положение НПС по трассе, геодезическую
отметку, ограничения по давлению и др. (Рис. ).
Рис. . Диалоговая форма НПС.
Основные схемы включения насосов представлены на рис.
.
4
Рис. . Варианты включения насосов НПС.
Участки нефтепровода в данном случае – это пассивные участки
гидравлической цепи, обладающие гидравлическим сопротивлением.
Основными параметрами участков являются их диаметр и длина. Параметры
задаются в диалоговой форме (Рис. .). Диаметр задается непосредсвенно или
рассчитывается при расчете принципиальная технологическая схема
нефтепровода (расчет описан ниже). Длина участка определяется как
разность расстояний по трассе начальной и конечной НПС, которые он
соединяет. Коэффициент Кэфф – учитывает засоренность проходного
сечения.
Рис. . Диалоговая форма участка нефтепровода.
Участки нефтепровода имеют внутреннюю структуру, которая
подробно представлена на принципиальной технологической схеме (описана
ниже). Участок на укрупненной расчетной схеме имеет эквивалентные
диаметр и длину, которые определяют то же гидравлическое сопротивление,
что и реальный участок, состоящий из луппингов, перемычек, задвижек и т.п.
Принципиальная технологическая схема нефтепровода.
Принципиальная технологическая схема нефтепровода (ПТСН)
содержит полную топологию участков нефтепровода (Рис. .); а именно,
элементы, составляющие участки нефтепровода и связи между ними. ПТНС
состоит из элементов: труба, задвижка и камера. Трубы имеют основные
параметры: длина, диаметр. Основным параметром задвижки является
состояние: открыта; закрыта. Основной характеристикой «камеры» является
область попадающая в ее прямоугольник и наименование, по этому полю
осуществляется связь с элементами «НПС» укрупненной расчетной схемы.
5
Рис . Пример принципиальной технологической схемы нефтепровода.
Расчет гидравлических режимов
Программа позволяет производить следующие расчеты:
 Расчет режима при заданных параметрах нефтепровода таких как:
количество
и
комбинации
включенных
насосов,
величины
дросселирования на НПС, включенные и выключенные задвижки и т.д.
 Расчет и выбор оптимального режима.
Расчет запускается из диалогового окна
Рис. Диалоговое окно запуска расчета.
Результаты расчета выводятся в табличном виде и в виде пьезометрического
графика
6
Рис. . Результаты расчета в табличном виде.
Рис. . Пьезометрический график.
Поиск оптимальных режимов нефтепроводов.
В практике эксплуатации нефтепроводов актуальной является задача –
определить схему включения насосов на НПС трассы, которая обеспечит прокачку
заданного расхода с минимальными затратами на электроэнергию.
Прокачку заданного расхода можно осуществить различными
способами – задавая различные варианты включения насосов на НПС, но
стоимости вариантов включения могут различаться, причем различия очень
существенны с точки зрения требуемой цены электроэнергии.
Основная трудность при выборе оптимальных режимов заключается в
очень большом числе вариантов включения насосов для реализации
7
заданного расхода через ветви нефтепровода и в одновременном требовании
осуществления выбора в реальное время принятия решения, которое
определяется производственной необходимостью.
Для случая относительно малых расходов задачу может решить
алгоритм, основанный на прямом переборе всех вариантов и сравнении цен
на промежуточных этапах расчета, так как малый расход обеспечивается
малым числом работающих насосов. Число рассчитываемых вариантов
может достигать нескольких тысяч , но при расчете укрупненной схемы
нефтепровода требуемое машинное время счета приемлемо и сопоставимо со
временем, необходимым для принятия решения.
При переходе к большим расходам, когда общее число включенных
насосов и работающих станций достаточно велико, способом ограничения
рассматриваемых вариантов является ограничение на различные комбинации
включения насосов на различных НПС, которые вводит пользователь исходя
из экспертных оценок, полученных из опыта эксплуатации данного
нефтепровода (Рис. ).
Рис. . Пример реализации ограничений на комбинации включения насосов
при поиске оптимальных режимов.
Для выбора оптимального режима рассчитанные варианты выводятся в
виде графика кривой оптимальных режимов рис. .
8
Рис.
. Диалоговая форма для выбора оптимального режима.
На диалоговой форме выбора оптимального режима отображаются:
- в координатах расход – удельная стоимость электроэнергии точки
всей совокупности возможных режимов,
- кривая оптимальных режимов, которая является кривой
огибающей снизу точки всей совокупности возможных режимов,
точки, лежащие на кривой оптимальных режимов окрашены в
зеленый цвет,
- кривая режимов, отклоняющихся от оптимальных на максимально
допустимую величину отклонения, которая задается
пользователем в специальном поле ввода (см. рис. .),
- область, лежащая между 2-мя вышеупомянутыми кривыми
окрашена в желтый цвет, а совокупность точек, лежащих внутри
этой области, являются режимами близкими к оптимальным и
окрашены в голубой цвет,
- изменяя в поле ввода величину отклонения от кривой опт.
режимов – можно включить в область режимов близких к
оптимальным любое число точек по желанию пользователя,
крайние случаи это: - опт. режимы, - все точки,
- в правой части диалоговой формы помещена таблица, в которой
перечислены режимы оптимальные и близкие к ним,
для просмотра отчета по какому либо режиму нужно щелкнуть левой
кнопкой мыши на точке режима на графике или в строке таблицы, а
затем выбрать одну из кнопок
или –
двойной щелчек мышью на графике или в таблице , для просмотра
графиков давлений – выбрать кнопку
.
9
- для просмотра «Карты оптимальных режимов» - выберите одну из
кнопок
при
величине отклонения от кривой опт. режимов равной нулю,
- для просмотра «Карты режимов близких к оптимальным» выберите одну из кнопок
при величине
отклонения от кривой опт. режимов отличной от нуля,
- для удаления какого либо режима с графика или из таблице его
нужно пометить (щелкнуть на точке режима правой кнопкой
мыши) и выбрать кнопку
.