Методы расчета переходных процессов в сложных магистральных трубопроводах

В материалах ХХУ1 съезда КПСС отмечается, что ответственным этапом в реализации долгосрочных задач станет одиннадцатая пятилетка. Она призвана воплотить преемственность курса социально-экономического развития страны и стратегические уотановки партии на восьмидесятые годы с учетом специфики ближайщего пятилетия.

Главная задача одиннадцатой пятилетки состоит в обеспечении дальнейшего роста благосостояния советских лкщей на основе устойчивого, поступательного развития народного хозяйства, ускорения научно-технического прогресса и перевода экономики на интенсивный путь развития, более рационального использования производственного потенциала страны, всемерной экономии всех видов ресурсов и улучшения качества работы.

Исходя из экономической стратегии КПСС и главной задачи одиннадцатой пятилетки, требуется ускоренно повысить эффективность научных исследований, значительно сократить сроки внедрения достижений науки и техники в производство. Совершенствовать координацию деятельности научных исследований учреждений, обеспечить отражающее развитие фундаментальных научных работ и повысить результативность прикладных исследований. Укреплять материально-техническую базу научно-исследовательских, проектно-изыскательских, конструкторских организаций.

В материалах ГОТ съезда КПСС дана высокая оценка вклада советских ученых в осуществление программы коммунистического строительства в СССР и намечены новые рубежи развития науки.

Основные положения изложены в проекте комплексной программы научно-технического прогреоса на 1981;1985 г. г., разработанном по поручению ЦК КПСС и Советского правительства АН СССР, ГЪоударственным комитетом СССР по науке и технике, всеми министерствами и ведомствами.

Проект основных направлений ставит задачу расширить разработку и реализацию целевых комплексных программ. Такой подход дает возможность объединить усилия ученых, производственников, работников плановых органов и министерств на решение важнейших научно-технических проблем. Дальнейшее развитие получат такие дейотвенные формы соединения науки с производством, как научно-производственные объединения. Каждое из них должно стать крупным центром создания и выпуска новой высококачественной продукции, совершенствования технологии и организации производства.

Достижение поставленных целей существенно зависит от активности и творческой инициативы специалистов, занимающихся теоретическими и прикладными проблемами управления [12,50].

В связи с открытием и освоением залежей нефти и газа в Западной и Восточной Сибири, значительно удаленных от центральных районов, роль трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов постоянно возрастает.

В связи с этим в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года предусмотрено:

Ускоренно развивать трубопроводный транспорт, особенно для транспортировки нефти, нефтепродуктов и газа" .

В настоящее время в СССР эксплуатируется около 200 тыс. км магистральных нефте, газо и нефтепродуктов. В решениях ШТ съезда КПСС намечено построить почти 12 тыояч километром магистральных нефте и нефтепродуктов, что в 5 раз больше, чем введено в десятой пятилетке.

Увеличение сети трубопроводов одновременно сопровождается усложнением внутренних и внешних связей системы нефтеснабжени я^, качественными изменениями в технологии транспорта нефти, конструкциях и методах проектирования и сооружения трубопроводов, а также потребления нефти. Таким образом, при интенсивном развитие трубопроводного транспорта усложняется конфигурация магистральных трубопроводов. Появляются сложные взаимосвязанные магистральные трубопроводы.

Достигнутые темпы и тенденция их роста характеризуют высокий уровень развития нефтяной промышленности, ее роль в топливно-энергетическом балансе страны и предъявляют особо выоокие требования к выбору проектных и строительных решений. Указанные обстоятельства ставят перед учеными и инженерами задачу использования передовых методов, базирующихся на современных вычислительных средствах, как на стадии проектирования технологических объектов и их автоматизации, так и при эксплуатации трубопроводных систем.

Решение указанных проблем позволит значительно улучшить ряд технико-экономических показателей таких как: повышение экономичности проектирования, автоматизации и надежности эксплуатации магистральных трубопроводов [12,23] .

В настоящее время в практике проектирования магистральных трубопроводов различными организациями обычно используется принципиальное допущение, согласно которому движение нефти и нефтепродуктов рассматривается как установившееся и, исходя из этого допущения, определяют расчетную пропускную способность, режим работы насосов и другие параметры. Затем эти параметры корректируются с учетом возможных отклонений исходных данных в процессе эксплуатации. Это связано с тем, что, как показали проведенные анализы, режимы работы магистральных трубопроводов в процессе эксплуатации в основном являются переменными.

Аварии на магистральных трубопроводах причиняют большие убытки народному хозяйству и приводят к загрязнению окружающей среды. Поэтому разработка эффективных методов анализа неустановившихся режимов перекачки нефти и нефтепродуктов в магистральных трубопроводах представляет несомненный научный и практический интерес.

Актуальность такой проблемы особенно возросла за последние годы, что обусловлено постоянно повышающимися требованиями производственных и проектных организаций к точности расчетов.

Расчет переходных процессов в линейной части магистрального трубопровода необходим при проектировании и эксплуатации для определения возможных перегрузок по давлению, с целью разработки средств автоматической защиты от этих перегрузок [23,67].

Расчет при переходных процессах давлений всасывания и нагнетания на насосных станциях позволит определить максимальные значения превышения давления, а также минимальные значения понижения давления на насосных станциях (НС) относительно их стационарных значенийинтервалы времени с момента прихода волн повышения или понижения давлений на НС до момента срабатывания устройств защиты или САР давления, что необходимо для разработки и настройки САР давления, либо средств защиты по превышению или понижению давления [19,23], Изучение переходных процессов в магистральных трубопроводах представляет важный практический интерес при оперативном диспетчерском управлении режимами перекачки автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) магистральных трубопроводов с целью своевременного обнаружения, а также ликвидации аварийных ситуаций [б, 12,19,23,501. Однако, одним из-трудностей расчета переходных процессов в своевременных магистральных трубопроводах, работающих по схеме «из насоса в насос», является то, что они представляют собой сложную взаимосвязанную систему с распределенными параметрами. Суть затруднений заключается в чрезвычайной сложности математического списывания динамических процессов в указанных системах. Это связано с тем, что участки между НС, обычно, имеют разные диаметры и описываются либо телеграфными уравнениями, либо уравнениями теплопроводностинасосные агрегаты всех НС описываются нелинейными дифференциальными уравнениямидлины участков ответвлений соизмеримы с длиной основной нитки трубопровода и описываются либо телеграфными уравнениями, либо уравнениями теплопроводности, при этом закон подачи или отбора транспортируемой жидкости заранее неизвестен, и он должен определяться на основе совместного решения уравнений динамики смежных участков основной нитки трубопровода с уравнениями динамики участков ответвлений и потребителей в частности резервуаровхарактеристики задвижек нелинейны и др.

В связи с этим, в настоящее время, методы расчета переходных процессов в сложных магистральных трубопроводах разработаны недостаточно, что вызывает целый ряд трудностей как в процессе их проектирования и эксплуатации, так и при расчете СдР и защиты трубопроводов при аварийных режимах.

Таким образом, в условиях интенсивного развития трубопроводного транспорта потребность в инженерных методах расчета переходных процессов в сложных магистральных трубопроводах становится особенно актуальной. Однако, как показывает проведенный анализ решения задач динамики в сложных магистральных трубопроводах требует привлечения новых подходов и методов решения. Вместе с тем, решение задач динамики в сложных магистральных трубопроводах позволит вскрыть ранее неизвестные связи и закономерности, провести более полный анализ проблемы и дать обоснованные выводы и рекомендации.

Целью настоящей работы является разработка универсальных методов расчета переходных процессов в реальных системах сложных магистральных трубопроводов.

основные вывода.

1. На основе теории импульсных систем и дискретного преобразования Лапласа разработан новый численный метод расчета переходных процессов в сложных (неразветвленных и разветвленных) магиотральных трубопроводных системах с произвольными структурами, числами насосных станций и участков ответвлений (рассматриваются случаи, когда длины ответвлений соизмеримы с длиной основной нитки магистрального трубопровода) с учетом влияния трения, сил инерции жидкости, при одновременном учете влияний вращающихся масс, характеристик приводных двигателей, напорных и мощностных характеристик всех насосных станций, минуя стадию разложения операторных коэффициентов распространения волны и операторных волновых сопротивлений.

5) в ряды Тейлора при произвольных значениях (здесь для оложных неразветвленных магистральных трубопроводных систем к = 0). что существенно повышает точность расчетов и значительно расширяет круг решаемых практических задач.

Показано, что расчет переходных процессов в магистральных трубопроводах при использовании метода основанного на разложении операторного коэффициента распространения волны и операторного волнового сопротивления в ряды Тейлора относительно предложенного метода может привести к погрешности более 50 $, а при использовании метода [37] при аТ > 1,5 — более 30%.

2. Описанная методика основывается на использовании нового подхода при определении значений оригиналов передаточных функций путем применения теоремы свертки и ее свойств, что существенно упрощает математические выкладки и тем самым, исключая из решений телеграфного уравнения бесконечные ряда Бесселевых функций, а также из решения уравнения теплопроводности — Гаус-оовых функций, существенно уменьшает объем вычислений.

Расчеты по разработанным алгоритмам сведены к простым рекуррентным соотношениям, допускающим их легкую реализацию на ЭВМ. Так, например, сравнение предложенного метода с разностным методом по «неявной» схеме показало, что при выбранном шаге по форме кривой и по точности данный метод дает лучшее совпадение с точным решением. При этом число итераций по предложенному методу в два раза меньше по сравнению с разностным методом по «неявной» схеме.

Выявлено также, что предложенный метод по точности расчета, а также по форме кривой хорошо согласуется с методом характеристик, но при этом число итераций в 1,5 и 2 раза уменьшается.

3. Дана методика расчета переходных процессов в магистральных трубопроводах, описываемых либо телеграфными уравнениями, либо уравнениями теплопроводности при произвольных граничных условиях (произвольности изменения давления, скорости движения жидкооти, закона открытия или закрытия задвижек) как с учетом, так и без учета влияния отраженных волн. Разработана методика расчета изменения давления на участках неоднородного магистрального трубопровода при произвольных заданных характеристиках давлений в узловых точках.

Выявлено, что при ост ^ 8 в расчетах переходных процессов в магистральных трубопроводах можно пренебречь влиянием отраженных волн от их концов.

4. Примеры расчетов и сопоставление их с литературными источниками, а также о реальными экспериментами, полученными в действующих магистральных трубопроводах, дают возможность судить о большой точности предлагаемых способов расчета переходных процессов в сложных магистральных трубопроводах.

Предложенные методы могут быть широко использованы проектными и научно-исследовательскими организациями при проектировании, эксплуатации, а также при создании АСУ ТП магистральных трубопроводных систем. Разработанные алгоритмы дают возможность решения широкого класса задач по переходным процессам как в однородных, так и в сложных неоднородных (как разветвленные, так и неразветвленные) магистральных трубопроводах, работающих по схеме «из насоса в насос» и позволяют:

— определять опасные повышения и понижения давления на нагнетании и на всасывании насооных станций, а также интервалы времени с момента прихода волн повышения и понижения давлений на насооные станции, расположенные в произвольных сечениях, до моментов срабатываний на этих станциях устройств защиты, отключающих насооный агрегат или САРопасные превышения давления у задвижки, а также в характерных точках линейных участков и участков отводов — с целью организации эффективной защиты сложных магистральных трубопроводов от гидравлических ударов;

— решить комплекс задач для АСУ ТП магистральных трубопроводов в подсистеме прогнозирования хода технологического процесса и состояний технологического оборудования таких как, формирование карты режимов перекачки, определение последовательности переключений насосных агрегатов насооных станций при отключении промежуточной насосной станции сложного магистрального трубопровода, определение последовательности включений или отключений насосных агрегатов насосных станций при выводе сложного магистрального трубопровода на режим, а также его остановке, косвенное определение значения давления на линейных участках сложного магистрального трубопровода.

Практическое использование разработанных методов позволяет повысить надежность эксплуатации трубопроводов, приводит к увеличению пропускной способности трубопровода, а также уменьшает затраты электроэнергии, потребляемой насосными станциями и потери нефти и нефтепродуктов.

На основании результатов диссертационной работы разработано методическое руководство по расчету динамических режимов в магистральных трубопроводах при последовательной перекачке нефтепродуктов, утвержденное Гоодомнефтепролуктом РСФСР от 5 марта 1982 г.

Данное методическое руководство используется в системе действующих магистральных продзуктопроводов Госкомнефтепродукта РСФСР.

Разработанные алгоритмы и программы, также использованы НИПИНефтехимавтоматом (г.Сумгаит) для разработки комплекса задач расчета режимов перекачки в магистральных нефтепроводах при переходе с режима на режим в темах «Создание и ввод в действие АСУТП нефтепроводного транспорта в Управление Северо-Западными магистральными нефтепроводами, обеспечивающие увеличение пропускной способности нефтепровода на 1,5 $ и экономию энергоресурсов на 3−5 $',' проводимых в соответствии с постановлением Государственного Комитета науки и техники Совета Министров СССР от 12.12.80 г., № 473/249- АСУ ТП магистральных нефтепроводов.

Апшеронского и Карадагского районных нефтепроводных управлений Закавказского управленияАСУ ТП магистрального нефтепровода Самгори-Батуми Грузинского нефтепроводного управления.

Годовой экономический эффект, получаемый в результате применения комплекса алгоритмов и программ, для АСУ ТП магистральных нефтепроводов Апшеронского и Карадагского районных нефтепроводных управлений Закавказского управления составляет 109 тыс. руб. в год.

— 192.