СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕКАЧКОЙ ЖИДКОСТИ ПО ТРУБОПРОВОДУ
METHOD FOR CONTROL OF LIQUID TRANSMISSION THROUGH PIPELINE

Изобретение относится к способам автоматического регулирования процесса принудительного вытеснения светлых нефтепродуктов (далее - жидкости) сжатым газом (воздухом) из участков трубопроводов, например магистральных полевых трубопроводов и стационарных нефтепродуктопроводов диаметром от 100 до 530 мм, при выходе из строя перекачивающих насосных станций или при необходимости опорожнения трубопровода для выполнения ремонтных работ. В качестве конечных терминалов получения вытесняемой жидкости могут выступать полевые склады горючего или стационарные нефтебазы (резервуарные парки).
Реализация такого технического решения не требует привлечения значительных сил и средств и может быть осуществлена в короткие сроки. В системе нефтепродуктообеспечения наработан достаточный опыт проведения операций по опорожнению магистральных трубопроводов от перекачиваемых продуктов. Эти операции проводятся согласно соответствующим руководящим документам при строгом регламентировании их последовательности и содержания.
Вытеснение жидкости из трубопроводов сжатым газом, как правило, проводится с использованием поршней-разделителей, помещаемых на границах сред «газ - жидкость». Имеется много вариантов конструктивного исполнения таких устройств, что зависит от их целевого назначения. Довольно широкое применение нашел поршень-разделитель типа ДЗК (Памятка по применению очистных и разделительных устройств. ВНИИСТ, 1980. - 16 с.).
В настоящее время широкое применение в трубопроводном транспорте нашла модификация поршня-разделителя типа ДЗК - разделитель ОП, который, в связи с применением в конструкции полиуретана повышенной плотности, обладает более высокой износоустойчивостью.
Для опорожнения используются передвижные компрессорные станции. Запуск разделителей для принудительного вытеснения жидкости из трубопровода возможен из технологических обвязок перекачивающих станций (СО 02-04-АКТНП-010-2004. Правила капитального ремонта магистральных нефтепродуктопроводов ОАО «АК «Транснефтепродукт», 2004. - 296 с.). Рекомендуемая скорость движения жидкости в трубопроводе должна быть не более 5 км/ч (Справочник по проектированию магистральных трубопроводов. Под ред. А. Дерцакяна. -Л.: Недра, 1977. - 519 с.).
По мере вытеснения партии жидкости из трубопровода при подаче газа в трубопровод скорость вытеснения партии жидкости с учетом протяженности трубопровода, величины давления и производительности подачи газа, профиля трассы будет медленно нарастать, затем на какой-то момент времени стабилизируется, а потом начнет быстро увеличиваться и достигнет максимума (давление газа постоянно, а сопротивление движению жидкости по мере уменьшения длины занятого ею участка будет уменьшаться).
В этой связи возникает необходимость управления процессом принудительного вытеснения жидкости газом во избежание негативных последствий в виде возможных разрушений линейной части при превышении давления в трубопроводе, деформации технологических коммуникаций и самих резервуаров на конечных пунктах при превышении допустимой скорости их заполнения вытесняемой жидкостью и других факторов (Труды 25 ГосНИИ МО РФ, выпуск 55. - М.: Издательство МБА. - 2010. - С.542).
Перед авторами, учитывая наработанный опыт проведения операций по опорожнению магистральных трубопроводов от перекачиваемых светлых нефтепродуктов, стояла задача создать способ управления вытеснением жидкости из трубопроводов энергией сжатого газа, который бы позволил с учетом реального профиля их трасс, непрерывности контроля и управления процессом вытеснения путем регулирования давления вытесняющего воздуха (за счет отключения подачи газа или сброса его давления) обеспечить стабильность (не выше допускаемой) скорости движения вытесняемой жидкости в процессе перекачки, снизить вероятность возникновения гидравлических ударов в трубопроводе и исключить повреждения технологических элементов конечных складов горючего.
Известен способ вытеснения нефтепродуктов из трубопровода с помощью разделительного гелевого поршня, включающий подготовку поршня, подачу поршня в трубопровод и перемещение его вместе с вытесняемыми продуктами по трубопроводу. На стадии подготовки разделительного гелевого поршня в его состав вводят частицы магнитожесткого материала, а перед подачей поршня в трубопровод его подвергают воздействию магнитного поля с силой, достаточной для концентрации магнитных частиц по цилиндрической поверхности разделительного поршня и ориентации вектора этих магнитных частиц перпендикулярно оси разделительного поршня и для намагничивания этих частиц до насыщения (РФ П. №2274800, МПК F17D 3/08, опубл. 20.04.2006).
Известен способ транспортирования углеводородной жидкости по трубопроводу, заключающийся в подаче в турбулентный поток углеводородной жидкости добавки из высокомолекулярных карбоцепных соединений, количество которой выбирают из условия достижения скорости потока жидкости в пристенной области трубопровода, обеспечивающей отмыв частиц загрязнений и их вынос до фильтрующих устройств без увеличения средней скорости перекачки (РФ П. №2193722, C2 F17D 1/16, опубл. 27.11.2002).
Общими признаками известных и предлагаемого способов является использование при транспорте по трубопроводу нефтепродуктов разделительной пробки, размещенной внутри трубопровода.
Однако указанные способы трудоемки из-за наличия операции специальной подготовки разделителей. Кроме того, они имеют целевую направленность на очистку внутренней поверхности действующих трубопроводов преимущественно больших диаметров; при перекачке возникают проблемы с отделением гелевого поршня от потока из-за низкой эффективности контроля при измерении параметров режимов перекачки, с его поверхностным разрушением, приводящим к нарушению герметичности и ухудшению товарных свойств перекачиваемых нефтепродуктов, а также с технологией утилизации.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению и взятым за прототип является способ управления перекачкой жидкости по трубопроводу, включающий вытеснение сжатым газом партии жидкости, заключенной между головным и хвостовым разделителями, через установленную на конечном пункте трубопровода задвижку, с помощью которой осуществляют дросселирование потока жидкости с момента прохождения через задвижку головного разделителя и до момента прохождения хвостового разделителя через первый контрольный пункт, после чего отсекают подачу сжатого газа в трубопровод, причем если после отсечения подачи газа перепад давления на задвижке больше заданной величины, то вновь открывают задвижку до момента прохождения хвостового разделителя через второй контрольный пункт, после чего прикрывают задвижку до прохождения через нее хвостового разделителя (SU 1428067, кл. G05D 7/03, 1986).
Недостатками способа-прототипа являются значительные затраты, связанные с тем, что не учитывается влияние профиля трассы по длине трубопровода, а также высокая опасность перекачки из-за отсутствия контроля максимально допустимой скорости вытеснения жидкости из трубопровода на конечном пункте.
Технический результат предлагаемого изобретения - обеспечение безопасности проведения работ при вытеснении жидкости сжатым газом с одновременным снижением энергозатрат за счет частичного использования времени работы компрессорной станции при сохранении качества вытесняемой жидкости.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе управления перекачкой жидкости по трубопроводу, включающем вытеснение разделителем под действием сжатого газа, подаваемого от установленной на начальном пункте трубопровода компрессорной станции, партии жидкости через задвижку на конечном пункте трубопровода и отключение компрессорной станции, согласно изобретению задвижку на конечном пункте трубопровода открывают в момент запуска компрессорной станции, который фиксируют, задают протяженность участка трубопровода, внутренний диаметр трубопровода, величину давления нагнетания компрессорной станции, достаточного для вытеснения объема партии жидкости, номинальную подачу газа при давлении нагнетания, высотные отметки профиля трассы участка трубопровода, максимально допустимую скорость вытеснения жидкости из трубопровода, отрезок времени, достаточный для определения величины скорости разделителя, для чего через каждый заданный отрезок времени замеряют расстояние, пройденное разделителем и рассчитывают скорость его движения на данном отрезке трубопровода, сравнивают полученное значение скорости разделителя с заданной максимально допустимой величиной скорости вытеснения жидкости из трубопровода, при значении скорости разделителя ниже заданной максимально допустимой - увеличивают до номинального значения подачу газа компрессорной станцией, которую отключают в момент превышения скорости разделителя над заданной максимально допустимой скоростью вытеснения жидкости из трубопровода и дальнейшее вытеснение жидкости через задвижку на конечном пункте трубопровода осуществляют энергией сжатого газа.
На фиг.1 представлена структурная схема участка магистрального трубопровода, иллюстрирующая осуществление способа управления перекачкой жидкости по трубопроводу.
Участок магистрального трубопровода 1 содержит разделитель 2, компрессорную станцию 3, установленную в начальном пункте трубопровода 1, задвижку 4, установленную на конечном пункте 5 (резервуарный парк).
Условно показан участок трубопровода 1, заполненный сжатым газом 6, и участок трубопровода 1, заполненный жидкостью 7. Программный блок 8 управления установлен на диспетчерском пункте.
Разделитель 2 имеет датчик 9 (как вариант встроенный «чип»), сигналы от которого по системе телеизмерения и телеуправления линии связи, проходящей вдоль трассы трубопровода, постоянно поступают в программный блок 8 управления. По заданной программе через заданный промежуток времени Δt осуществляется расчет пройденного разделителем 2 расстояния ΔS при перемещении жидкости 7 в трубопроводе 1.
Выходы программного блока 8 управления связаны с исполнительным механизмом 10 регулирования работы компрессорной станции 3, а также с исполнительным механизмом 11 открытия электроприводной задвижки 4 на конечном пункте 5 трубопровода 1.
В программный блок 8 управления введены (как база данных) следующие величины:
- Z - высотные отметки профиля трассы участка трубопровода (по картографическим материалам);
- l - протяженность участка трубопровода;
- D - внутренний диаметр трубопровода;
- Р - давление нагнетания компрессорной станции (паспортные данные используемой компрессорной станции);
комп
- Q - номинальная подача газа при давлении нагнетания (паспортные данные компрессорной станции);
max
- w - максимально допустимая скорость вытеснения жидкости из трубопровода;
- Δt - задаваемый отрезок времени, через который определяют расстояние, пройденное разделителем.
Введены следующие условные обозначения:
n
S - расстояние, пройденное разделителем через n-ое количество отрезков времени Δt;
m
S - расстояние, пройденное разделителем до момента отключения компрессорной станции;
нач
t - время включения (запуска) компрессорной станции.
Способ управления перекачкой жидкости по трубопроводу осуществляют следующим образом.
комп
нач
3
В начальном пункте опорожняемого от жидкости участка трубопровода 1 (как вариант диаметром 500 мм) устанавливают разделитель 2 (как вариант типа ДЗК или ОП), снабженный датчиком 9, определяющим его местонахождение в трубопроводе 1. Включают компрессорную станцию 3 (как вариант марки СД-12/25 производительностью Q=12 м/мин, давлением нагнетания P=2,5 МПа) и одновременно на конечном пункте 5 открывают задвижку 4 (как вариант задвижка Ду 500 с электроприводом). Фиксируют момент начала движения t разделителя 2 под воздействием на него сжатого газа 6, подаваемого компрессорной станцией 3. Происходит вытеснение партии жидкости 7 через конечную задвижку 4 на склад (резервуарный парк) 5.
n
n
n
От начала перекачки через каждый заданный отрезок времени Δt, например 5±1 мин, в программный блок 8 управления от датчика 9 разделителя 2 поступает информация о пройденном разделителем расстоянии S на данный момент времени. По заложенной вычислительной программе осуществляют гидравлический расчет режима движения жидкости 7 в трубопроводе 1, рассчитывают скорость w разделителя и производительность Qвытеснения жидкости из трубопровода 1 в промежутке времени t=n-At, по формулам
<mrow><msub><mi>w</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>⋅</mo><mi>n</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>w</mi><mi>n</mi></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>4</mn></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
n
3
где Q - производительность вытеснения жидкости из трубопровода в промежутке времени t, м/с;
n
3
w - скорость разделителя в промежутке времени t, м/с;
D - диаметр трубопровода, м;
n - количество отрезков времени Δt, пройденных разделителем на момент расчета.
n
комп
комп
max
Полученное через каждый заданный отрезок времени значение Q сравнивают с заданным значением номинальной подачи газа при давлении нагнетания Q компрессорной станции 3 и, если оно меньше заданного Q, программный блок 8 управления выдает на исполнительный механизм 10 управляющий сигнал компрессорной станции 3 на повышение до номинального значения подачи сжатого газа 5 в трубопровод 1 для обеспечения заданной максимально допустимой скорости w вытеснения жидкости 7.
n
комп
n
Если же в момент времени t=n·Δt значение производительности Q вытеснения жидкости из трубопровода соответствует заданному номинальному значению подачи газа Q при давлении нагнетания P, то по заложенной программе рассчитывают объем V сжатого газа 6, поданного в трубопровод 1 на данный момент времени t=n·Δt по формуле
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>S</mi><mi>n</mi></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>4</mn></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
n
где S - расстояние, пройденное разделителем за время t, м.
n+i
По мере дальнейшего вытеснения жидкости через каждый следующий отрезок времени Δt, получают расстояние S, пройденное разделителем 2, по формуле
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>w</mi><mi>n</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
i
где w- скорость разделителя в промежутке времени Δt, м/с;
Δt - заданный отрезок времени, в котором ведется вычисление, с;
i - количество пройденных разделителем отрезков времени Δt после момента времени t=n·Δt.
n+i
n+i
По полученной величине S, рассчитывают по программе объем V сжатого газа 6 перед разделителем 2 через очередной отрезок времени по формуле
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>4</mn></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
n+i
n+i
По полученной величине V давление P сжатого газа 6 в трубопроводе 1 по формуле
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>P</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
n+i
a
n+i
По полученной величине P рассчитывают, с учетом величины атмосферного давления P в пункте оценки, производительность Q вытеснения жидкости из трубопровода на конечном пункте 5 по формуле
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>м</mi><mi>п</mi></mrow></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>0,7</mn></mrow></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
n+i
по которой определяют скорость w разделителя 2 в трубопроводе 1 по формуле
<mrow><msub><mi>w</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
n+i
max
n+i
max
Полученное значение скорости w разделителя 2 сравнивают с заданной максимально допустимой скоростью w вытеснения жидкости из трубопровода. Если значение скорости w разделителя 2 меньше значения w, то расчет скорости по программе ведется повторно по описанным выше формулам (4)-(8).
n+i
max
m
Если же значение скорости w разделителя 2 в текущий момент времени превышает заданную максимально допустимую скорость w вытеснения жидкости из трубопровода, то по программе блок 8 управления выдает управляющий сигнал на исполнительный механизм 10 на прекращение подачи сжатого газа 6 компрессорной станцией 3. Дальнейшее вытеснение партии жидкости 7, начиная с расстояния S, пройденного разделителем 2 до момента отключения компрессорной станции 3, осуществляют энергией сжатого газа за счет его расширения в трубопроводе, а скорость вытеснения жидкости из трубопровода продолжают непрерывно контролировать с заданной периодичностью Δt для постоянной оценки достаточности подачи сжатого газа в трубопровод 1 после отключения компрессорной станции 3.
Таким образом, способ управления позволяет непрерывно контролировать процесс вытеснения жидкости из трубопроводов и с учетом реального профиля их трасс обеспечить стабильность скорости вытеснения, тем самым снизить вероятность возникновения гидравлических ударов в трубопроводе и повреждения технологических коммуникаций и самих резервуаров конечных складов горючего.
Способ управления перекачкой жидкости по трубопроводу решает практические задачи:
- повышения устойчивости функционирования системы обеспечения потребителей горючим, использования остаточных ресурсов горючего, содержащихся в участках магистральных трубопроводов, в интересах обеспечения войск при возникновении вооруженных конфликтов;
- осуществления, при нарушении устойчивой работы перекачивающих станций, подачи (вытеснения) воды из полевых магистральных трубопроводов при их применении в период ликвидации массовых пожаров;
- опорожнения участков магистральных трубопроводов от нефтепродуктов перед проведением на них ремонтных работ.
Применение изобретения позволит снизить энергозатраты и расширить область применения за счет использования энергии сжатого газа после отключения компрессорной станции.