Разработка и исследование алгоритмов обнаружения утечек в магистральных трубопроводах на основе их гидродинамических моделей

го мела и верхней юры; уверенно прослеживаются даже очень слабые по интенсивности отражения; более отчетливо проявляются различные неоднородности исследуемого геологического разреза.

Рис. 7. Проявление нефтяной залежи на фазоэнергетическом разрезе

На рис. 6 представлены эталонные ФАН-образы четырех типов геологического разреза, выделенных по данным ГИС для скважин Болтного нефтяного месторождения. Эти ФАН-образы использовались для определения области распространения выделенных типов разреза на данном месторождении.

На рис. 7 показан фазоэнергетический разрез, построенный по данным ФЭА материалов ОГТ На разрезе отчетливо проявляется аномалия в области нефтяной залежи, где пробурена разведочная скважина.

Результаты проведенной обработки сейсмических материалов подтверждают большую перспективность применения предложенных фазочастотных методов для решения структурных задач и задач прогноза геологического разреза. Эффективность методов подтверждена бурением разведочных и промысловых скважин. Так, выданный прогноз нефтегазоносности был подтвержден на Соболином, Болтном и Крапивинском нефтяных месторождениях Томского Приобья.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авербух А. Г., Трапезникова Н.А. Отражение и преломление плоских волн при нормальном падении на границу поглощающих сред // Известия АН СССР. Физика Земли. - 1972. - № 9. - С. 74-83.

2. Худзинский Л.А. Об определении некоторых параметров однородных слоев по их фазовым спектральным характеристикам // Известия АН СССР. Физика Земли. - 1996. - № 5. -С. 68-77.

3. Иванченков В.П., Кочегуров А.И. Определение временного положения сейсмических сигналов по оценкам их фазочастотных характеристик // Геология и геофизика. - 1988. - № 9. -С. 77-83.

4. Иванченков В.П., Кочегуров А.И. Фазочастотные алгоритмы оценки местоположения пространственно-временных сигна-

лов в условиях априорной неопределенности // Известия вузов. Физика. - 1995. - № 9. - C. 100-104.

5. Иванченков В.П., Вылегжанин О.Н., Орлов О.В. и др. Фазочастотный анализ сейсмических сигналов и его применение в задачах прогноза геологического разреза // Инновационные методы и технологии нефтегазопоисковых работ и возможные пути их реализации в юго-восточных районах Западной Сибири. - Томск: ЦНТИ, 2000. - C. 62-74.

6. Ivanchenkov V.P., Vylegzhanin O.N., Orlov O.V., Kochegurov A.I. Informational technologies of processing and interpretation of data for surface and in wells seismic observations for solving of tasks of geological section prognosis // The 9th Russian-Korean International Symposium on Science and Technology, K0RUS-2005, 26th' June -2th' July 2005, Novosibirsk State University, Russia. - Novosibirsk, 2005. - P. 159-162.

УДК 620.165.29:620.176.16

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК В МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ НА ОСНОВЕ ИХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Т.Е. Степанченко, В.Н. Шкляр

Томский политехнический университет E-mail: iccs@iccs.cctpu.edu.ru

Рассмотрены алгоритмы определения параметров утечки в трубопроводах, полученные по уравнениям гидродинамических процессов в них, возникающих при утечках, приведены результаты исследования предложенных алгоритмов определения параметров утечки.

Для транспорта нефти и газа актуальной является проблема обеспечения надёжности магистральных трубопроводов. При возникновении утечки по любой причине необходимо в кратчайшие сроки обнаружить сам факт существования утечки и определить место её возникновения. Сокращение вре-

мени от момента возникновения утечки до момента обнаружения с установлением её координаты позволяет максимально быстро принять меры по локализации аварии, сокращая её масштабы и затраты на ликвидацию. Для удовлетворения перечисленным требованиям трубопроводный транспорт дол-

жен быть оснащён автоматически работающими системами обнаружения утечек.

В представленной работе рассматривается метод определения утечки по изменению профиля давления вдоль трубопровода, который базируется на фиксации понижения давления в случае возникновения утечки на контролируемом участке [1, 2]. Предполагается, что рассматриваемый трубопровод сплошной, без дополнительных отводов, по которому протекает однородная жидкость.

При разработке алгоритмов использовалась гидродинамическая модель, описывающая процессы утечки в трубопроводе в виде дифференциального уравнения и граничных условий [3]:

— = х д2Р-—О 8(х-£) дг Х дх2 ЕОт°(Х

при г = 0, Р(0, х) = Рн - ———

х;

—(х, г) = Рн -

(Рн - Рк)х 2аОт

I

Ш

(I -£)х +

+^ Сп ехр

п=1 1

(Рн - Рк ) х

-(ПП)2 С2 г

( I ) 2а

при 0 < х <£;

—(х, г) = Рн --

+^ Сп 8Ш п^Лх ехр

2аОт

I

(I - х)£ +

-(ПП)2 С г ( I ) 2а

при £ < х < I;

Сп =

4аОт1 . пп£

2 , 81П—р-.

п2 п2 Ш I

вления, а на всем протяжении трубы располагаются два датчика давления Д и Д (рис. 1).

Тогда расчётные формулы для определения параметров утечки по профилю давления, определяемому по четырём датчикам, будут иметь вид [4]:

Ъ3(РП 2 - Ь2) 1 .

£ =

От =

Ъ4

ЩЪА

где

Р - Р К = Рн + х2;

I

Ъ3 =

2ах1. Ш ;

Ъ4 =

2а(1 - х2). Ш ’

Ъ5 =-

-(Рн - Рк);

н I

при х = 0, Р = Рн; при х = I, Р = Рк,

где х=с2/Ь; Ь=(Яу/2й)т=2а; 8(х-£) - функция Дирака; Р - давление в магистрали; / - время; х - координата по длине трубы; I, й - длина и внутренний диаметр трубопровода; / - площадь сечения трубы; С - скорость распространения волны давления; 0Т - массовый расход утечки; Я - коэффициент сопротивления трубопровода; у - скорость движения нефтепродукта; £ - координата места утечки.

Для приведённых уравнений может быть получено, методом разделения переменных (методом Фурье), точное решение [3]:

Ъ6 =

8а/

. пх, Ъ7 = 81П- 1

. пх2

Ъ8 = 81П--------

8 I

пъ Ш’ 1 I

РВ1 и Рт - давление на первом и втором датчиках.

Как видно из формул (1), решение содержит стационарную и нестационарную составляющие. Алгоритм (2) основан на стационарном решении гидродинамической модели, определяющей профиль давления по четырём датчикам. Проверка адекватности модели и работоспособности полученного алгоритма была проведена на имитационных моделях, разработанных в программном пакете МаЛаЬ, с использованием приложения МаНаЬ - БтиИпк. Расчёты проводились для реального объекта по обобщённой схеме, рис. 2.

Рис. 2. Обобщённая схема вычисления параметров утечки

где Рн, Рк- давления, соответственно, в начале и на конце участка трубопровода. Эти значения давлений в процессе функционирования трубопровода должны поддерживаться постоянными.

Рис. 1. Схема трубопровода при наличии четырёх датчиков

Будем рассматривать прямолинейный трубопровод, пролегающий между двумя насосными станциями. На каждой станции имеется датчик да-

Рис 3. График профиля давления

В результате моделирования получен график профиля давления, представленный на (рис. 3). Из графика видно, что в месте прорыва трубопровода (£=18-103 м) происходит надлом кривой, параметры которого могут быть вычислены по формулам (1). Это доказывает эффективность алгоритма определения параметров утечки по профилю давления.

п=1

Рис. 4. Графики процесса вычисления координаты утечки и массового расхода при использовании алгоритма по профилю давления с четырьмя датчиками

Однако при использовании данного алгоритма определение параметров начинается после завершения переходных процессов в трубопроводе, что увеличивает время определения.

Для повышения быстродействия определения параметров утечки с определённой точностью можно использовать рассмотренный выше алгоритм обнаружения по профилю давления, определяемого четырьмя датчиками давления, не дожидаясь завершения переходных процессов в трубопроводе при возникновении утечки.

При этом расчёт выполняется по тем же формулам, но в модели профиля давления в трубопроводе учитывается нестационарное решение.

Графики процесса вычисления координаты утечки и массового расхода при использовании алгоритма по профилю давления с четырьмя датчиками с учётом переходных процессов в трубопроводе представлены на рис. 4.

По приведённым графикам видно, что при использовании рассмотренного выше метода на основе показаний четырёх датчиков давления для определения координаты утечки и расхода с однопроцентной погрешностью происходит за время 5,1 и 4,0 с соответственно, что на порядок меньше времени окончания переходных процессов в трубопроводе.

Для ещё большей оперативности определения параметров утечки был разработан алгоритм [5], который предполагает применение шести датчиков, определённым образом расположенных по трубопроводу (рис. 5). Тогда выражения для расчёта расхода и координаты утечки имеют вид:

8[ЯР.+ 1,4 - Р+2,3 - (Я - 1)Р+ н,к ]

где

От =-

£ =

А(2 - Я) 2Ш

0,2071- 2аОт

х(0,39645Р-н к -Р-14 + 0,7071Р-2 3) +

/

Я = 51П(П,4 = 1,847775638; Р+

81П

Р-1,4 = Р(х1,0 -Р(х4,г); Р+м = Р(хРг) + Р(х4,г); Р-23 = Р(х2,г)-Р(х3,г); Р+23 = Р(х2,г) + Р(х3,г);

А =

2а/ Ш '

Моделирование проводилось для того же объекта. Графики зависимости координаты утечки и массового расхода при использовании алгоритма по профилю давления с шестью датчиками представлены на рис. 6. При этом прорыв трубопровода происходит между третьим и четвёртым датчиками, то есть £=18.103 м.

Стан ция 1 Рн II II Стан ция 2 Рк

с 1/8 1 21/8 61/8 71/8

1

Рис. 5. Схема расположения датчиков на трубопроводе при шести точечном контроле

Из приведённых графиков видно, что при использовании метода на основе показаний шести датчиков решения для определения координаты утечки и расхода становятся точными за время 1 с.

Были проведены исследования алгоритмов с учётом зоны нечувствительности датчиков (в), а именно для в=5 кПа. Результаты исследований для расчёта массового расхода и координаты утечки для алгоритма по четырём и шести датчикам приведены на рис. 7. Данное исследование показало, что наличие зоны нечувствительности влияет на точность определения параметров утечки, причём, большей точностью обладают вычисления при использовании алгоритма с шестью датчиками.

ь

Рис. 7. Графики процесса вычисления координаты утечки и массового расхода при использовании алгоритма по профилю давления с в=5 кПа: а) при четырех датчиках, Ь) при шести датчиках

При исследовании представленных выше алгоритмов определения параметров утечки было исследовано влияние некоторых параметрических возмущений, в частности, влияние неточности определения скорости звука в жидкости.

Исследования показали, что при задании в алгоритмах вычисления скорости звука с погрешностью в 10 % параметры утечки будут вычислены с погрешностью в 3 %. Для практического использования рассмотренных в работе алгоритмов требуется более полное исследование влияния на них всего спектра параметрических возмущений.

Выводы

1. Получены алгоритмы определения параметров утечек по точным решениям уравнений гидродинамических процессов в трубопроводах при утечке. Показана в результате имитационного моделирования работоспособность этих алгоритмов.

2. Выбран метод исследования алгоритмов, проведено моделирование процессов определения параметров утечки по трём алгоритмам: по профилю давления без учёта и с учётом переходных процессов в трубопроводе, определяемого че-

тырьмя датчиками давления и шестью датчиками давления, определённым образом установленными по длине трубопровода.

3. Сравнение исследуемых алгоритмов показало, что при одинаковой точности определения параметров утечек наибольшей оперативностью (быстродействием) обладает алгоритм определения параметров утечки по профилю давления с шестью датчиками, установленными определённым образом по длине трубопровода.

4. В результате исследования влияния нечувствительности датчиков давления на результаты определения параметров утечки, было выявле-

но влияние величины зоны нечувствительности на точность определения. Установлено, что алгоритм с шестью датчиками позволяет вычислить координаты утечки и её массовый расход с большей точностью, чем алгоритм с четырьмя датчиками при одинаковом значении зоны нечувствительности датчиков.

Для практического использования представленных алгоритмов, в дальнейшем планируется сделать доработку алгоритмов определения параметров утечки для участков трубопровода с уклонами и отводами, провести моделирование с учётом влияния большего числа параметрических возмущений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Барбашов Е.Д., Коняхин А.Н. Результаты испытаний параметрической системы обнаружения утечек // Комплексные решения в автоматизации для динамического развития нефтегазовой отрасли: Матер. II научно-практич. конф. - 1-2 ноября 2001 г. - Томск: Изд-во Томского ун-та, 2002. -C. 62-67.

2. Гольянов А.А. Анализ методов обнаружения утечек на трубопроводах // Транспорт и хранение нефтепродуктов. - 2002. -№ 10-11. - С. 5-14.

3. Степанченко ТЕ., Шкляр В.Н Исследование математической модели процесса утечки жидкости в трубопроводе // Современные техника и технологии: Труды VII Междунар. научно-

практ. конф. молодых ученых. - Томск, 2005. - Т 1. -С. 250-254.

4. Степанченко ТЕ., Шкляр В.Н. Исследование алгоритмов обнаружения утечек в трубопроводах, построенных на основе моделей гидродинамических процессов // Современные техника и технологии: Труды VIII Междунар. научно-практ. конф. молодых ученых. - Томск, 2006. - Т 1. - С. 248-251.

5. Шкляр В.Н. Пространственно-комбинационный метод определения параметров утечки в магистральном нефтепроводе // Автоматическое управление и информационные технологии: Межвуз. научно-технический сб. - Вып. 1. - Томск: Изд-во ТПУ, 2005. - С. 18-25.

УДК 658.012.011.56:681.324

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ ОПЕРАТИВНОГО ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТРАНСПОРТНЫМИ СЕТЯМИ

Р.В. Ковин, А.В. Кудинов, Н.Г. Марков, С.А. Богдан

Институт «Кибернетический центр» ТПУ E-mail: gislab@ce.cctpu.edu.ru

Проанализированы задачи оперативного диспетчерского управления в газотранспортной отрасли. Предложены принципы разработки отраслевых автоматизированных систем диспетчерского управления. Описана инструментальная система, реализующая эти принципы.

Введение

Внедрение информационных технологий позволяет значительно повысить эффективность производства в газотранспортной отрасли. Автоматизация производства в этой отрасли часто приводит к уменьшению численности специалистов на некоторых этапах технологических процессов, однако существуют такие области производства, в которых роль человека в автоматизированных системах управления очень важна, в частности, роль диспетчера в управлении газотранспортными сетями.

Решение задач оперативного диспетчерского управления в газотранспортной отрасли предполагает, что диспетчерские службы получают в режиме реального времени технологические данные о со-

стоянии газотранспортных сетей от систем автоматики и телемеханики и/или от автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), используемых в отрасли. Кроме того, для принятия эффективных решений диспетчерские службы должны вести в рамках тех или иных моделей сети расчеты потоков газа. Для обработки и анализа технологических данных, проведения таких расчетов и визуализации полученной информации необходимы высокоавтоматизированные системы оперативного диспетчерского управления с соответствующим многофункциональным программным обеспечением (ПО).

В настоящее время в России, учитывая многообразие задач автоматизации диспетчерских служб газотранспортной отрасли, в решении проблемы