СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ИЗ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
PROCEDURE FOR DETECTION OF LIQUID HYDROCARBON LEAKS FROM MAINS

Изобретение относится к области трубопроводного транспорта нефти или нефтепродуктов и может найти применение для обнаружения утечек транспортируемой жидкости из трубопроводов.
Известны способы обнаружения утечек жидкости, основанные на пропуске по трубопроводу поточных диагностических снарядов, несущих регистрирующие устройства (Трубопроводный транспорт нефти, т.2. Под ред. С.М.Вайнштока, М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2004, с.237-361).
Недостатком таких способов является высокая стоимость диагностических снарядов и мероприятий, связанных с их пропуском по трубопроводу, сложность и длительность дешифрирования собранной информации, а также периодичность контроля.
Известны способы обнаружения утечек, основанные на регистрации шумов, возникающих в местах утечки транспортируемой жидкости (RU 2053436, 2221230, RU 2241174).
Недостатками этих способов являются использование дорогостоящего оборудования, которое нужно устанавливать вдоль трассы трубопровода, ограниченная чувствительность датчиков, малый радиус действия передающих устройств.
Известен способ обнаружения утечек, основанный на регистрации волн давления, возникающих в момент образования утечки и распространяющихся в виде волны разрежения от места утечки к началу и к концу участка трубопровода, при этом место утечки определяют по разности времен прихода фронта волны к началу и концу участка трубопровода (RU 2291345).
Недостатками этого способа, ограничивающим его использование на практике, являются затухание амплитуды волны давления из-за процессов вязкого трения, невозможность идентифицировать утечки с малым расходом истечения, а также ложные срабатывания вследствие нестационарных процессов, не связанных с самой утечкой.
Известен способ обнаружения утечек на основе материального баланса жидкости, 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. - c.8-10).
Недостатком такого способа является его применимость только для стационарных течений, поскольку малейшие изменения давления в трубопроводе, распространяющиеся в виде волн вверх и вниз по потоку, нарушают баланс расходов и, как следствие, вызывают ложные срабатывания сигнализаторов утечки.
Известен способ обнаружения утечек, предусматривающий сопоставление разности масс жидкости, вошедшей на контролируемый участок трубопровода и вышедшей из него за определенный промежуток времени, с изменением массы жидкости на контролируемом участке за тот же промежуток времени, рассчитываемым по давлениям на концах рассматриваемого участка (RU 2368843).
Известный способ пригоден как для стационарных, так и для нестационарных режимов, однако он не позволяет определить точное место локализации утечки, поскольку позволяет определять наличие утечки фактически между измерительными датчиками.
Наиболее близким техническим решением по технической сути и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ обнаружения утечек, основанный на анализе линии гидравлического уклона, построенной по данным о давлениях на концах контролируемого участка и расходу жидкости. При наличии утечки расходы в начале и конце нефтепровода отличны, и, следовательно, линия гидравлического уклона имеет излом в месте сечения с утечкой. Зная расходы, а также давления и высотные отметки нефтепровода, находят точку пересечения двух линий гидравлического уклона, сечение в которой является местом утечки (Ишмухаметов И.Т., Исаев С.Л., Макаров С.П., Лурье М.В. Трубопроводный транспорт нефтепродуктов. - М.: Нефть и газ, 1999, с.212-217).
Недостатком известного способа является низкая достоверность определения утечек в случае протекания нестационарных (переходных) процессов в трубопроводе, в частности, распространения волн давления. Использование этого способа в таких случаях приводит к фиксации ложных сигналов об утечке.
В основу предлагаемого изобретения положена задача создания способа обнаружения утечек жидких углеводородов из магистральных трубопроводов, обеспечивающего повышение достоверности регистрации утечек как при стационарных, так и при нестационарных (переходных) режимах работы трубопровода за счет учета характера неустановившегося течения жидкости в трубопроводе.
Поставленная задача решается тем, что в способе обнаружения утечек жидких углеводородов из магистральных трубопроводов производят измерение давления и расхода жидкости на концах контролируемого участка трубопровода, определяют распределения давления по длине упомянутого участка трубопровода в течение фиксированного промежутка времени, соответствующего времени прохождения волны давления на контролируемом участке, вычисляют значения среднеквадратичной разности между найденными распределениями давления для каждой точки контролируемого участка и по минимальному значению указанной разности фиксируют сечение утечки.
*
0
**
0
0
Сущность способа поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема, иллюстрирующая предлагаемый способ обнаружения утечек, на фиг.2 представлены результаты расчетов распределений давлений р(х, t) и р(х, t) по длине рассматриваемого участка трубопровода с утечкой в сечении x, на фиг.3-9 приведены графики, иллюстрирующие пример реализации способа.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
1
2
Строятся кривые распределения давления по длине контролируемого участка. Каждая из этих линий (одна от левого конца х участка, другая - от правого конца х участка) строится по давлениям и скоростям жидкости, измеренным в течение заданного промежутка времени на каждом из концов участка, путем решения обратной задачи для системы дифференциальных уравнений с частными производными, описывающими нестационарные процессы в трубопроводе. Если эти линии не совпадают, то точка их пересечения идентифицируется как сечение, в котором имеется утечка.
Построение распределений давления по длине контролируемого участка возможно на основе следующей теоремы:
1
2
1
1
1
0
0
0
0
0
если на одном из концов участка х≤х≤x трубопровода (для определенности x) известны давление p(x, t) и скорость u(x, t) течения жидкости как функции времени t в симметричном интервале (t-L/c<t<t+L/c), где L - длина участка, а с - скорость распространения волн в трубопроводе, то можно рассчитать распределения р(х, t) давления и скорости u(x, t) жидкости по длине рассматриваемого участка в момент времени t=t.
В качестве метода построения используется известный в теории трубопроводов «метод характеристик» (Лурье М.В. Математическое моделирование процессов трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов и газа, М.: Нефть и газ, 2003, с.198-204).
*
0
**
0
0
1
1
2
2
0
0
*
0
**
0
Распределения р(х, t) и р(х, t) давления в произвольный момент времени t рассчитывают соответственно по p(x, t), u(x, t) и p(x, t), u(x, t) на левом и правом концах контролируемого участка, соответственно, в течение симметричного промежутка времени t∈(t-L/c, t+L/c). Для повышения точности метода распределения р(х, t) и p(х, t) строятся в течение некоторого периода времени τ и затем вычисляется среднеквадратичное отклонение между этими распределениями:
.
Минимум величины J достигается в сечении утечки.
Для реализации способа на концах I и II контролируемого участка (фиг.1) трубопровода установлены измерители расхода (Q) 1 и 2 и давления (р) 3 и 4, данные с которых непрерывно поступают на вычислительное устройство 5.
*
0
**
0
0
0
0
По измеренным величинам рассчитываются распределения давлений р(х, t) и р(х, t) по длине рассматриваемого участка в момент времени t. После нескольких таких расчетов для каждой точки х вычисляется величина J и находится сечение x, в котором эта величина минимальна. Сечение x идентифицируется как сечение утечки (фиг.2).
Ниже приведен пример конкретного выполнения предлагаемого способа.
3
2
В качестве примера рассмотрим трубопровод диаметром 1020 мм, протяженность участка 10 км, по которому перекачивают нефть (плотностью 870 кг/м, вязкостью 15 сСт). На участке на 3 км имеется утечка (площадь дефекта 30 см). Кроме того, в конце трубопровода происходит гидроудар.
Данные о давлении и скорости, измеренных в начале участка трубопровода, представлены на фиг.3 и 4. Время измерения составляет 40 сек.
Значения давлений и скоростей, измеренных в конце участка нефтепровода, приведены на фиг.5 и 6.
*
**
По результатам измерений находят распределения давлений р(х) и р(х) через 0,2 с в течение 20 с.
*
**
По полученным результатам вычисляется и суммируется в течение 20 с разность распределений давления р(х)-р(х).
На фиг.9 представлена сумма квадратов разности давлений  для каждой точки участка трубопровода.
Минимум суммы J квадратов разности давлений, найденных по показаниям датчиков в двух точках трубопровода, будет в сечении утечки, в нашем случае в точке 3000 м (3 км).
Предлагаемый способ обладает следующими преимуществами:
- возможностью использования, как при стационарных, так и при нестационарных режимах работы трубопровода;
- высокой чувствительностью и помехоустойчивостью.
Способ может быть реализован в системах магистрального транспорта нефти и нефтепродуктов, а также в трубопроводных коммуникациях промышленных предприятий.