СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ИЗ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
DETECTION METHOD OF LIQUID HYDROCARBON LEAKAGES FROM MAIN PIPELINES

Изобретение относится к области трубопроводного транспорта нефти или нефтепродуктов и может найти применение для обнаружения утечек транспортируемой жидкости из трубопроводов.
Известен способ обнаружения утечек, основанный на регистрации волн давления, возникающих в момент образования утечки и распространяющихся в виде волны разряжения от места утечки к началу и к концу участка трубопровода, и определения места утечки по разности времен прихода фронта волны к началу и концу участка трубопровода (RU 2291345, F17D 5/02, 2005).
Недостатком этого способа является невозможность идентифицировать утечки с малым расходом истечения, что обусловлено затуханием амплитуды волны давления из-за процессов вязкого трения, а также ложные срабатывания вследствие нестационарных процессов течения жидкости, не связанных с самой утечкой.
Известен способ обнаружения утечек, основанный на анализе линии гидравлического уклона, построенной по данным о давлениях в контрольных сечениях трубопровода, при этом сечение, в котором возникает излом вышеуказанной линии, является сечением утечки (Ишмухаметов И.Т. и др., - М.: "Нефть и газ", 1999. - с.212-217.).
Недостаток указанного способа состоит в том, что в трубопроводе достаточно часто имеют место нестационарные явления, приводящие к ложным срабатываниям системы и ложным сигналам об утечке.
Также известны акустические способы обнаружения утечек, основанные на регистрации шумов, возникающих в местах утечки транспортируемой жидкости (RU 2053436, F17D 5/02, 1992, RU 2221230, F17D 5/02, 2001, RU 2241174, F17D 5/02, 2002).
Недостатком этих способов является использование дорогостоящего оборудования, устанавливаемого вдоль трассы трубопровода, ограниченная чувствительность датчиков, малый радиус действия передающих устройств.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ обнаружения утечек, заключающийся в измерении и сравнении между собой расходов жидкости в двух контрольных сечениях трубопровода (Алиев Т.М., Карташева Р.И., Тер-Хачатуров А.А., Фукс В.Л. Методы и средства контроля малых утечек на магистральных нефте- и продуктопроводах. М., ВНИИОЭНГ, 1981. - с.8-10).
В основе известного способа лежит принцип оценки материального баланса жидкости, основанный на том факте, что поскольку при стационарном течении жидкости в трубопроводе массовый расход должен оставаться постоянным, т.е. не изменяться от сечения к сечению, то существование разности показаний расходомеров свидетельствует об утечке.
Недостатком этого способа является его применимость только для стационарных течений, поскольку малейшие изменения давлений в трубопроводе вызывают волны давления, распространяющиеся вверх и вниз по потоку, и тем самым нарушают баланс расходов и, как следствие, вызывают ложные срабатывания сигнализаторов утечки.
В основу предлагаемого изобретения положена задача создания способа обнаружения утечек жидких углеводородов из магистральных трубопроводов, обеспечивающего регистрацию утечек как при стационарных, так и при нестационарных (переходных) режимах работы трубопровода за счет повышения достоверности контроля путем учета изменения массы жидкости на рассматриваемом участке трубопровода за определенный промежуток времени.
Поставленная задача решается тем, что в способе обнаружения утечек жидких углеводородов из магистральных трубопроводов, включающем измерение давления и расхода жидкости на концах контролируемого участка трубопровода и определение изменения массы жидкости на указанном участке за фиксированный промежуток времени путем сравнения количества жидкости, поступившей в контролируемый участок и вытекшей из него, согласно изобретению, по измеренным значениям давлений и расходов на концах контролируемого участка трубопровода дополнительно определяют распределение давления по длине этого участка за вышеупомянутый промежуток времени, по которому находят интегральную массу жидкости, заключенную между сечениями контролируемого участка, сравнивают полученные значения изменения массы жидкости с рассчитанным изменением интегральной массы и при возникновении разности между ними фиксируют наличие утечки на контролируемом участке.
Сущность способа заключается в том, что осуществляют сравнение между собой не расходов транспортируемой жидкости в двух сечениях трубопровода, положенное в основу традиционных способов, а разность этих расходов сравнивают с изменением массы жидкости на участке трубопровода между контрольными сечениями. Если изменение массы жидкости на контролируемом участке трубопровода, определяемой расходомерами за какой-либо фиксированный промежуток времени, станет больше изменения массы жидкости, рассчитанной на базе распределения давления по длине контролируемого участка, то это означает, что на рассматриваемом участке имеется утечка, в противном случае утечка отсутствует. Поскольку закон сохранения массы жидкости справедлив как для стационарных, так и для нестационарных течений, то система обнаружения утечек, построенная на сформулированном принципе, будет с высокой достоверностью обеспечивать получение информации об утечках в обоих случаях.
Сущность способа поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема, иллюстрирующая предлагаемый способ обнаружения утечек, на фиг.2-7 приведены графики, иллюстрирующие пример реализации способа.
1
2
1
2
1
2
На концах I(x) и II(x) контролируемого участка трубопровода (фиг.1) установлены измерители расхода (Q) 1 и 2 и давления (p) 3 и 4, данные с которых непрерывно поступают на вычислительное устройство 5. По разности (Q-Q) расходов вычисляют изменение массы жидкости на контролируемом участке [x, x] за некоторый промежуток времени, а по давлениям p(t) и расходам Q(t), измеряемым в сечении I (или в сечении II), рассчитывается интегральная масса жидкости на том же участке за тот же промежуток времени.
1
1
1
1
2
1
2
2
1
Для расчета используется метод характеристик, согласно которому по известным значениям давления p(x, t) и расхода Q(x, t) жидкости, измеренным в каком-либо одном сечении x трубопровода в течение определенного временного интервала (t-τ, t+τ), можно рассчитать давление p(x, t), а следовательно, и массу M(t) жидкости, на участке [x, x] трубопровода, заключенном между сечениями x, и x, где x=x+сτ; τ - некоторый фиксированный промежуток времени (например, 10 с); с - скорость распространения волн давления в трубопроводе. (Лурье М.В. Математическое моделирование процессов трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов и газа, М.: «Нефть и газ», 2003, с.198-204).
вытек.
поступ.
Для определения наличия или отсутствия утечки вычисляется величина ΔM=М(t)-М(0)+(M-М) изменения массы жидкости на контролируемом участке трубопровода.
1
2
поступ.
вытек.
Здесь M(t) - масса жидкости на участке [x, x] трубопровода в момент времени t (рассчитывается вышеуказанным путем); M(0) - масса жидкости на этом участке в начальный момент времени; М, M, - массы жидкости, поступившей на участок трубопровода и вытекшей из него (вычисляются по показаниям расходомеров).
Если на участке трубопровода утечка отсутствует, то критерий ΔM с достаточной точностью равен 0, причем как для стационарных, так и для нестационарных режимов перекачки. Если же значение критерия ΔM непрерывно увеличивается и начинает превышать некоторую допустимую величину (уставку защиты), то это означает, что на рассматриваемом участке возникла утечка жидкости.
Введение предельно допустимого значения ΔM вызвано методической и инструментальной погрешностями, и его величина устанавливается экспериментальным путем или на основе экспертных оценок.
Ниже приведен пример конкретного выполнения предлагаемого способа.
3
В качестве примера рассмотрим трубопровод диаметром 1020 мм, протяженность участка 10 км, по которому перекачивают нефть (плотностью 870 кг/м, вязкостью 15 сСт). Время измерения составляет 40 с.
С учетом значений давлений и скоростей, измеренных в начале участка нефтепровода (фиг.2 и фиг.3) и в конце указанного участка (фиг.4 и фиг.5), находят распределения давлений в моменты времени 10 с и 30 с (фиг.6 и фиг.7).
1. По рассчитанному распределению давления в момент времени t=10 с находят интегральную массу нефти на участке нефтепровода, которая составила M(10)=7008605 кг.
2. Аналогично по рассчитанному распределению давления в момент
времени t=30 с, находят интегральную массу M(30)=7008541 кг. Таким образом, изменение интегральной массы в промежуток от 10 до 30 с составило -64 кг.
пост
выт
3. За этот же промежуток времени на участок поступило 4808 кг нефти, а вытекло 3766 кг. Разность между количеством поступившей и вытекшей жидкости составила М-М=1042 кг.
4. В результате экспериментов было установлено, что в отсутствие утечек дисбаланс массы не превышает 100 кг, поэтому именно это значение выбрано в качестве предельно допустимого значения ΔM.
Таким образом, разность между количеством поступившей и вытекшей жидкостью будет больше изменения массы жидкости на рассматриваемом участке на ΔМ=1042-(-64)=978 кг, что значительно превышает значение установленного минимального порога в 100 кг и достоверно свидетельствует о наличии утечки на рассматриваемом участке.
По сравнению с прототипом предлагаемый способ отличается следующими преимуществами:
- возможностью использования как при стационарных, так и при нестационарных режимах работы трубопровода;
- высокой чувствительностью и помехоустойчивостью.
Предлагаемый способ обнаружения утечек может быть реализован в системах магистрального транспорта нефти и нефтепродуктов, а также в трубопроводных коммуникациях промышленных предприятий.