Введение ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы.

Введение
ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы.
Состояние окружающей природной среды является одной из наиболее острых социальноэкономических проблем, прямо или косвенно затрагивающих интересы каждого человека.
В настоящее время обеспечение нормативного качества природной среды при увеличении
техногенной составляющей возможно принципиально двумя путями: совершенствованием
основных технологических процессов в направлении существенного повышения уровня
их безопасности и экологичности, и раннем прогнозировании возможных аварийных
ситуаций. Наибольшую опасность для окружающей среды представляют
неконтролируемые выбросы энергии и вредных веществ, неизбежно происходящие в
процессе эксплуатации нефтегазовых комплексов. Находясь в постоянном
взаимодействии с природой, человек все острее ощущает необходимость налаживания
таких взаимосвязей с окружающей средой, при которых был бы обеспечен устойчивый
экологический компромисс, не нарушающий естественного природного баланса. Такой
разумный устойчивый компромисс должен быть найден во «взаимоотношениях» систем
трубопроводного транспорта углеводородного сырья с природной средой. Ни одно
инженерное сооружение не связано так тесно с окружающей природой как
трубопроводные системы. Отсюда и основная задача, с одной стороны, свести к
минимуму техногенные воздействия в период эксплуатации трубопроводов, с другой —
ослабить отрицательное влияние природных компонентов на их надежность и
безопасность, так как разрушение трубопроводов по своему характеру вызывает
техногенное воздействие, затрагивающее биохимические процессы, происходящие в
атмосфере, в почве и водоемах. Поэтому к надежности трубопроводных сетей, особенно
эксплуатируемых в экстремальных условиях, как, например, морской участок
трубопровода «Россия-Турция», предъявляются весьма строгие требования.
Решение проблемы природоохранных технологий невозможно, в первую очередь, без
системной оценки надежности, риска и безопасности функционирования нефтегазовых комплексов. И в этой связи диагностика трубопроводных систем
приобретает принципиально важное значение, так как она является главным источником
информации о состоянии технической системы и происходящих в ней технологических
процессах. Введение новых методов и средств диагностики становится определяющим в
обеспечении эффективного управления трубопроводными системами и обеспечения
экологически безопасного транспорта газа.
Опасное техническое состояние элементов подводной части трубопровода «РоссияТурция» можно обнаружить только с помощью средств контроля: либо непосредственно
по измерениям параметров данного элемента, либо косвенно по измерениям
характеристик смежных элементов. Выбор стратегии контроля зависит от назначения
системы контроля, ограничений на нее, поставленных задач, частоты съема данных,
технических и экономических причин и т. д.
Как показывает практика, принципиально общие модели, пригодные к использованию для
расчета любых конфигураций газотранспортных сетей, в настоящее время не разработаны.
В то же время, наилучшие результаты управления технологическими процессами и
анализа технического состояния конкретного участка линейной части трубопровода могут
быть достигнуты применением специально адаптированных для этой технической
системы методик анализа и расчета процессов транспорта газа. Особенно это характерно
для линейных участков магистральных газопроводов, имеющих сложных профиль трассы
со значительными перепадами высот. Отсутствуют также критерии, позволяющие
эффективно оценивать воздействия на систему, и методы прогнозирования ее
функционирования в некоторых временных интервалах.
Актуальность проблемы определяется так же необходимостью разработки научно
обоснованных современных методов анализа технологических режимов работы
сложнопрофилированных трубопроводов, обеспечивающих эффективность транспорта
газа и совершенствование управления технологическими ситуациями для предотвращения аварий, могущих повлечь за собой нарушение
экологического равновесия окружающей среды в зоне размещения газотранспортной
системы.
Цель исследования. Создание методической основы оперативного управления
технологическими режимами эксплуатации сложнопрофилиро-ванного трубопровода,
ранней диагностике его технического состояния в целях предупреждения аварий и
геоэкологических последствий при неконтролируемой утечке энергоносителя.
Основные задачи исследования:
1. Обоснование и разработка методического подхода к построению иерархической
структуры системы оценок надежности, риска и экологической безопасности
функционирования технологического оборудования трубопроводного транспорта газа;
2. Разработка концепции исследования текущего технического состояния
сложнопрофилированного линейного участка газопровода методом моделирования
течения газа в период эксплуатации с целью предупреждения аварийных и опасных
ситуаций, могущих повлечь за собой разрушение трубопровода.
3. Разработка теоретической основы анализа режима течения газа в трубопроводе с
большими перепадами высот заложения для оценки его технического состояния по
термогазодинамическим параметрам.
4. Разработка алгоритма и программы анализа технического состояния морского участка
трубопровода «Голубой поток» для оперативного управления процессами транспорта газа.
5. Практическая реализация результатов исследований и разработанных методик
диагностики и эффективного управления транспортом.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели использованы: методы
системного анализа надежности, риска и экологической безопасности эксплуатации
технических объектов, квалиметрические методы экспертных оценок математических
зависимостей, адекватно описывающих
технологический процесс течения газа в трубопроводе в рамках поставленной задачи.
Обоснование методов идентификации технического состояния линейной части
сложнопрофилированного трубопровода базируется на основных закономерностях
термогазодинамики и основных принципах создания диагностических уравнений для
анализа течения газа исследуемой системы.
Научная новизна результатов исследования.
1. Развита методология системного анализа взаимодействия технических объектов
(трубопроводных сетей) с окружающей средой для обоснования модели управления
режимами работы сложнопрофилированных участков магистральных газопроводов.
2. Для условий морского участка трубопровода «Россия-Турция» получено
математическое описание процесса перекачки газа при минимизированном наборе
параметров, обосновано применение модификации метода усредненных данных.
3. Для определения критических параметров работы системы и предупреждения
возникновения аварийных и опасных ситуаций решена задача газодинамического расчета
линейного трубопровода со сложным профилем трассы большой протяженности и
значительным перепадом температур.
4. Разработаны эффективная методики анализа, алгоритм и программа расчета течения
газа в морском участке трубопровода «Россия-Турция», пригодные так же для других
систем оперативного диспетчерского управления технологическими процессами
транспорта газа сложнопрофилированных трубопроводов.
Практическая ценность работы. Разработанная с участием автора методика
идентификации технического состояния сложнопрофилированного трубопровода в
настоящее время успешно используется в условиях эксплуатации морского участка
трубопровода «Россия-Турция». Создан программный комплекс и разработано
методическое руководство диагностики морского участка трубопровода по
термогазодинамическим параметрам для обнаруже8
ния гидратных и конденсатных пробок, предупреждения развития аварийных и опасных
ситуаций, могущих привести к его разрушению и, как следствие, нарушению
экологического равновесия окружающей среды.
Эффективность разработок подтверждается соответствующим актом о внедрении
результатов исследования в практику диспетчерской службы, ком-прессорнОй станции
«Береговая» трубопровода «Россия-Турция» (ООО «Ку-баньгазпром»). Экономический
эффект от внедрения определяется: использованием разработанных методик и программ
выбора оптимального варианта режимно- технологических параметров транспорта газа
морского участка газопровода в каждом конкретном случае, ранней диагностикой
возможности возникновения аварийных и опасных ситуаций, обеспечением
промышленной и геоэкологической безопасности функционирования технической
системы.
Данная работа внедрена как составная часть создаваемого комплекса программ расчета
задач оперативно диспетчерского управления 000 «Кубань-газпром» - трубопровода
«Голубой поток»
Теоретическая значимость работы. Полученные автором результаты и методики могут
быть использованы проектными и научно- исследовательскими организациями при
проектировании, эксплуатации, а также при совершенствовании системы диагностики и
оперативно- диспетчерского управления сложнопрофилированного трубопровода.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации
докладывались на: на научно-практической конференции «Экологические аспекты
энергетической стратегии как фактор устойчивого развития России», г. Москва, ОАО
«Газпром», 17 октября 2001; на 23 сессии семинаре «Электроснабжение пром. пред.», г.
Москва, 25-28 сент. 2001г.; на совещании- семинаре руководителей природоохранных
служб дочерних акционерных обществ ОАО "Газпром" по тематике «Основные
направления деятельности предприятий ОАО «Газпром» по снижению техногенных
нагрузок на окружающую среду», г. Москва, 24-26 сентября 2003 г; на XXIII тематическом семинаре ОАО Газпром «Диагностика оборудования и трубопроводов КС», г.
Светлогорск Калининфадской области, 6 по 11 сентября 2004 г.
Публикации.
По теме диссертации автором опубликовано 9 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав,
заключения, списка литературы, содержащего 94 наименования, приложения, изложена на
164 стр. текста, включая 24 рисунка, 12 таблиц.
10
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПО ПРОБЛЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ОПЕРАТИВНО-ДИСПЕТЧЕРСКОГО
УПРАВЛЕНИЯ В ТРУБОПРОВОДНОМ
ТРАНСПОРТЕ ГАЗА
1.1 Линейная часть трубопровода -основной объект исследования
Газопроводы (промысловые, технологические, магистральные) относят- ся к типу
сложных, весьма протяженных, многокомпонентных технических систем, управление
функционированием и диагностика которых невозможны без использования различных
видов методик анализа и расчета процессов транспорта газа, как на всей сети в целом, так
и. на отдельных его участках, При этом весьма существенно то, что центральный
технологический объект трубопровода— линейная часть, обладает рядом специфических
особенностей [1—21]:
-сложность структуры и стохастичность связей между элементами; -неоднозначность
отклика при том или ином способе воздействия на него; -большое количество
переменных, влияющих на показатели динамики; -неполнота текущей информации о
течении внутренних процессов: скорости и причинах коррозии, газоабразивного износа,
возникновении различного вида отложений и т.д., влияющих на гидравлический
коэффициент сопротивления трубопровода, что, в конечном итоге, изменяет его
пропускную способность.
Если рассмотреть свойства линейной части газопровода как сложного технического
объекта с позиций теории систем [1,2,3,7], то можно выделить основные следующие:
-целостность — наличие единой цели и назначения, состоящих в обеспечении
потребителей заданными объемами газа требуемого качества; -инвариантность — наличие
большого числа взаимосвязанных параметров, характеризующих технологические
процессы;
11
-динамичность — переменность режимов в функционировании (сезонная
неравномерность газопотребления, разная ремонтопригодность линейной части по
временам года и т. д.);
—коммутативность— при стационарности общей схемы полная или частичная
заменяемость отдельных элементов газопровода;
-ассоциативность— группируемость технически отличающихся отдельных элементов или
систем по функциональному или технологическому признаку;
-дистрибутивность— раздробляемость, системы на отдельные элементы (от общего к
частному), то есть в этом случае при анализе процессов транспорта газа возможно
использование принципа суперпозиции; -многокритериальность оценки — большое число
критериев оценки качества (приведенные затраты, себестоимость, прибыль и др.),
обусловленное наличием прямых и обратных связей с внешней средой (поставки техники,
оборудования, материалов и т. д.);
-системность — построение структуры из элементов при наличии системообразующей
связи (трубопровода).
Таким образом, линейная часть газопроводов представляет собой сложную,
конструктивно однородную линейно- протяженную техническую систему с неравномерно
распределенными показателями надежности, чем и вызвана необходимость исследования
процессов перекачки газа в отдельных ее элементах [4,5,8,11].
Необходимо также подчеркнуть ограниченность возможностей экспе- риментального
исследования, как самой линейной части, так и других технологических систем, входящих
в структуру газопровода, а также существенную затрудненность получения в достаточном
количестве информации об истинном состоянии отдельных его элементах, чем
преимущественно и вызвана ее неполнота. Все это делает весьма актуальной разработку
методов системного анализа работы и диагностики объектов транспорта углеводородного сырья с целью оптимизации технологических режимов (управления)
12
и своевременного обнаружения неисправностей или опасных ситуаций, могущих вызвать
аварии трубопроводных сетей.
Как известно, механика сплошных сред [16], на основе положений которой строятся
практически все существующие методы анализа течения газа в трубопроводе, имеет дело
с идеализированными объектами и субстанциями. Течения же в реальном трубопроводе,
помимо заданных технической документацией рабочих параметров (давление, расход,
температура и т.д.) во многом определяются конкретными деталями [9,10,11,17-22]: материалом труб и изоляции (условия теплопроводности); -конфигурацией трубопровода;
-техническим состоянием внутренней и внешней поверхности самих труб и
запорно - регулирующей арматуры на текущий момент; —топографией трассы
(перепадами высот, составом и свойствами грунтов,
прохождением через водные преграды и т.д.);
-составом и качеством подготовки транспортируемых углеводородов; -климатическими
условиями и т.д.
В этой связи особо следует отметить, что, получение полной информации об объекте в
принципе недостижимо. Нельзя, например, определить только по данным эксплуатации
местоположение гидратных пробок, образующихся в газопроводе, места возникновения
утечек и текущее состояние изоляционных покрытий. Особенно это касается
трубопроводов имеющих сложнопрофилированные участки большой протяженности со
значительной глубиной залегания (таких, например, как морской участок трубопровода
«Россия -Турция»). Очевидно, что в подобных условиях весьма сложно, только на
основании доступных измерений основных технологических параметров получить
достоверную информацию о техническом состоянии трубопровода и процессах течения
газа в нем [5,19,21].
Вследствие этого, стремление получить достоверные результаты для принятия как
проектных, так и управляющих решений при эксплуатации сис- темы побуждает к поиску
уточненных методик анализа, адекватно учиты13
вающих условия функционирования трубопроводных сетей при недоступности полного
объема информации [11,13,17-22].
Связано это с тем, что современная нефтегазовая наука исследует не столько системы,
сколько процессы, свойства, их соотношения и связи. При этом чаще всего четко не
фиксируется, что именно исследуется [1,2,3]. Сами процессы или их качественные
характеристики зачастую рассматриваются вне прямой связи с существующими
реальными условиями. Их привязка, во множестве случаев, к определенной системе
представляется исследователям второстепенным фактором. Другими словами,
исследования ведутся в направлении от процесса к структуре, причем обычно структуры,
как таковые, вообще не принимаются в рассмотрение задачи. Такой подход
характеризуется весьма ограниченной конструктивностью, так как выводы о процессах и
описываемых свойствах реальных структур, полученные без привязки к конкретным
системам, как правило, имеют небольшое практическое значение [3,4,5].
1.2 Основные характеристики трубопроводных систем
Техническая компонента трубопровода представляет собой совокупность агрегатов и
систем, объединенных конечной целью функционирования — перемещение
углеводородов от добывающих скважин до конечных сборных пунктов или головных
сооружений магистральных трубопроводов и, в конечном итоге, до потребителя.
Элементы трубопроводных сетей углеводородов условно можно разделить на пять групп
[1,2,3,10,17].
1. Промысловые сети трубопроводов и насосных станций, предназначенные для
внутрипромыслового транспорта продукции скважин и различных реагентов и
материалов, предназначенных для закачки в залежь
2. Системы сбора углеводородного сырья от добывающих скважин к установкам по
подготовке нефти и газа к транспорту.
3. Промысловые установки и системы для подготовки нефти, газа и
14
воды, предназначенные для обработки продукции скважин в целях доведения их качества
до кондиционного перед подачей его в магистральные трубопроводы.
4. Головные и линейные насосные или компрессорные станции магистральных
трубопроводов.
5. Линейная часть магистральных трубопроводов.
Таким образом, трубопроводные сети являются сложной искусственной системой,
предназначенной для решения следующих главных задач [14,21,22]: -сбора скважинной
продукции, -подготовке ее транспорту,
- транспорта углеводородного сырья от месторождений до регионов- потребителей, подача непосредственно потребителю.
К основным характеристикам трубопроводных систем относятся: -изменчивость: условия
или состояния, в которых находится система в на-стоящее время, есть обобщенный
результат прошлого поведения системы и основа для ее будущего поведения;
-наличие окружающей среды: внешние переменные оказывают определенное воздействие
на состояние системы;
-тенденция к ухудшению характеристики вследствие старения, износа и изменения
внутреннего состояния трубопроводов; -взаимозависимость элементов и систем между
собой;
-организация отдельных элементов и части трубопроводной системы, объе- диняемых в
иерархии подсистем.
1.3 Методы управления процессами транспорта газа
Управление процессами транспорта в плане регулирования и оптимизации параметров
течения потока газа в трубопроводе должно проводиться во всех временных и
пространственных аспектах, связанных с рациональным
15
использованием энергетического оборудования и с охватом трубопроводной системы
техническим воздействием для максимально возможного безаварийного и стабильного
транспорта углеводородного сырья. Это управление направлено в конечном итоге на
достижение в конкретном промежутке времени таких показателей работы, которые
наиболее полно отвечают принятым на данный момент критериям эффективности
[1,2,3,45].
Достижение целей управления происходит в результате установления определенных
режимов функционирования технической компоненты трубо- проводных систем. В общем
случае режимом системы называют некоторое ее состояние, определяемое составом
функционирующих элементов и параметрами, влияющими на рабочие процессы
элементов. Одной из характеристик состояния системы является ее конфигурация, т.е.
схематически представленное взаимное расположение входящих в трубопроводные сети
агрегатов и технических систем. Наиболее важными параметрами конфигурации являются
число различных элементов, подсистем и геометрические характеристики их
пространственного размещения. Именно от конфигурации системы во многом зависят
качественные характеристики технологического процесса транспорта газа. Поэтому,
анализируя процессы транспорта газа, как в теоретическом, так и в эмпирическом
аспектах, необходимо использовать не безотносительные, условные схемы, но истинные
геометрические характеристики конкретных транспортных сетей [83-88].
Кроме того, при исследовании макродинамических явлений, таких как транспорт
углеводородов по магистральным трубопроводам, одной из суще- ственных проблем
является именно выяснение того, с какой системой соотносятся полученные результаты.
Точно так же сегодня связано с существенными трудностями получение ответа на вопрос
о том, в какой именно конкретной точке трубопровода и с какой интенсивностью будет
развиваться, например, процесс образования гидратных или конденсатных пробок. Эта
задача не может быть решена только с помощью известных уравнений
гидрогазодинамики, хотя именно она только и имеет технологический смысл, т.е.
16
именно ее решение необходимо для эффективного управления процессом перемещения
углеводородов по трубопроводу [14]. Можно утверждать, что причина многих неудач в
управлении системами транспорта углеводородов кроется именно в неправильных
представлениях об объектах соотнесения, а так же методах идентификации объектов,
которые, на сегодняшний день, в нефтегазовой науке и практике разработаны
недостаточно полно.
1.4 Методы и средства диагностики трубопроводных систем
Диагностика трубопроводных систем в настоящее время приобретает принципиально
важное значение в связи с тем, что она становится главным источником информации о
состоянии технологической подсистемы и происходящих в ней рабочих процессах. Такая
информация позволяет оперативно и правильно принимать решения об управляющих
воздействиях, обеспечивающих эффективное функционирование всех элементов
трубопроводного транспорта. Роль диагностики, в части моделирования процессов,
непрерывно возрастает по мере разработки и внедрения автоматизированных систем
управления трубопроводным транспортом [5,18,75,86].
В общем случае последовательность проведения технической диагностики трубопроводов
выглядит следующим образом: -разработка методики анализа текущего состояния;
-системный отбор основных и дополнительных контролируемых параметров;
-получение диагностической информации; -обработка полученной информации; распознавание технологических ситуаций; -классификация текущих состояний (с
выделением аварийных); -оценка работоспособности диагностируемого объекта; принятие решения о дальнейшей эксплуатации или проведении профилак- тических или
ремонтных работ.
17
Список литературы