Повышение функциональной надежности неизотермического нефтепровода на основе управления теплогидравлическими параметрами

На многих месторождениях России, Казахстана и других государств добываемая нефть отличается сложными физико-химическими и реологическими свойствами, такими как высокие вязкость, содержание асфальтенов, смол и парафинов, повышенное статическое напряжение сдвига. Нефти, обладающие такими свойствами, называются реологически сложными и отличаются высокой температурой застывания, которая может быть выше температуры окружающей среды. В России такие нефти добывают на месторождениях Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции, в Казахстане — на месторождениях Узень, Жетыбай, Кумколь, Акшибулак.

В настоящее время по магистральным нефтепроводам (МН) Уса — Ухта и Ухта — Ярославль перекачивается смесь реологически сложных пефтей, добываемых на месторождениях Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции. Для обеспечения безопасной и экономически эффективной перекачки реологически сложной нефти необходимо решить ряд вопросов: идентификация характеристик насосных агрегатов (НА), определение и контроль реологических свойств перекачиваемой нефти, расчет параметров режимов работы МН, планирование оптимальных режимов работы МН, оптимизация расчетов с энергосистемами, разработка технологии и оборудования для применения депрессорных присадок.

Цель работы — разработка технологических приемов и способов для планирования надежной, экономичной и безопасной эксплуатации неизотермических нефтепроводов, перекачивающих реологически сложные нефти.

Основные задачи исследований.

1. Разработка математической модели действующего магистрального неизотермического нефтепровода, перекачивающего реологически сложные нефти, с учетом гидравлических характеристик пасосно-силового оборудования, работающего на неныотоновских нефтях, подбора оптимальной модели течения жидкости в каждой зоне рабочих температур, технологических ограничений давления на каждой нефтеперекачивающей станции (НПС) и линейной части нефтепровода в соответствии с картой уставок защит МН.

2. Решение задачи оптимизации взаиморасчетов между энергосистемами и нефтепроводными предприятиями на основе разработанных баз расчетных и фактических режимов работы нефтепроводов.

3. Разработка единого комплекса программ для расчета оптимальных режимов работы неизотермических МН на основе созданных математических алгоритмов моделирования и планирования.

4. Разработка методологии проведения мониторинга реологических свойств нефтей, лабораторных исследований, позволяющей подобрать необходимую концентрацию депрессорной присадки.

Методы решения поставленных задач. При решении поставленных задач проводились лабораторные и промышленные исследованияиспользовались численные методы решения систем нестационарных нелинейных уравнений в частных производных, описывающих теплообмен и гидродинамику течения реологически сложных жидкостей, а также методы многокритериальной оптимизации линейной математической модели с применением теории нечетких множеств.

Объект и предмет исследования: предметом исследования является неизотермический процесс перекачки реологически сложных нефтей. Объектом исследования являются магистральные нефтепроводы Уса — Ухта и Ухта — Ярославль ОАО «Северные МН» (далее по тексту ОАО «СМН»).

Научная новизна работы.

1. Впервые в отрасли разработана математическая модель действующего магистрального неизотермического нефтепровода, перекачивающего реологически сложные нефти, с учетом гидравлических характеристик насоспо-силового оборудования, работающего на неньютоновских нефтях, подбора оптимальной модели течения жидкости в каждой зоне рабочих температур.

2. На основе полученной математической модели впервые для неизотермического нефтепровода решены следующие задачи:

— для каждого времени года по заданной комбинации работающего насосно-силового оборудования на всех НПС можно определить технологические параметры режима (производительность перекачки, рабочие температуры нефти, входные и выходные давления на НПС, потребляемая мощность, удельные затраты электроэнергии и т. д.);

— по заданному диапазону (или величине) производительности перекачки можно определить допустимые комбинации включенного насосно-силового оборудования на НПС, обеспечивающего работу МН на данных режимах.

3. Разработана специальная методология мониторинга реологических свойств перекачиваемых нефтей, проведения и обработки результатов лабораторных испытаний нефти, в том числе с депрессорными присадками, позволяющая подобрать необходимую концентрацию депрессорной присадки.

На защиту выносятся математическая модель режимов работы неизотермического трубопровода и модель оптимального планирования работы нефтепровода, результаты лабораторных и промышленных исследований и экспериментов, теоретические обобщения и практические рекомендации по планированию работы неизотермического нефтепровода при перекачке реологически сложных нефтей.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе разработанных методов расчета и оптимального планирования режимов работы МН создано Руководство, состоящее из пяти методик: методики идентификации характеристик насосных агрегатов (разработан метод пересчета напорных характеристик для неньютоновских нефтей по известным методикам пересчета характеристик для высоковязких нефтей) — методики определения реологических свойств нефти и выбора модели течения (применен метод выбора оптимальной модели течения по двум критериям: риску и суммарной погрешности) — методики теплогидравлических расчетов неизотермического.

МН, перекачивающего реологически сложные нефти (разработан алгоритм расчета потерь напора на трение, основанный на последних достижениях в области исследования динамики течения аномальных жидкостей) — методики формирования математической модели неизотермического МН (данная методика разработана впервые в отрасли) — методики формирования оптимальных плановых режимов нефтепроводов на плановый период (разработана впервые в отрасли). Руководство согласовано ОАО «АК «Транснефть», Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору, ОАО «ВНИИСТ», ОАО «Гипротрубопровод».

Апробация программного комплекса показала высокую точность расчетов. Отклонения расчетных параметров режимов от фактических составляют не более 3%, что подтверждает адекватность разработанной математической модели фактическим режимам работы неизотермического нефтепровода.

Экономический эффект от внедрения Руководства и программного комплекса «Формирование оптимальных плановых режимов» (ПК ФОПР) на МН Уса — Ухта и Ухта — Ярославль составил за 2005 г. 3,5 млн рублей.

На основе результатов проведенных исследований разработана новая установка по приготовлению и вводу депрессорной присадки, разработан и построен новый узел подключения внешних поставщиков нефти па НПС «Уса».

Разработан, согласован с ОАО «АК «Транснефть» и внедрен Регламент осуществления оптимальной путевой подкачки нефти в МН Уса — Ухта, что обеспечивает повышение надежности его эксплуатации.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались па следующих конференциях и семинарах:

— конференции «Перспективы развития трубопроводного транспорта России» в рамках Десятой международной специализированной выставки «Газ. Нефть — 2002» (22 мая 2002 г., г. Уфа) — к 9.

— научно-практической конференции «Энергоэффективные технологии» (19 мая 2004 г., г. Уфа);

— научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта углеводородного сырья» (19 мая 2004 г., г. Уфа);

— научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа «(25 мая 2005 г., г. Уфа);

— научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (20 октября 2005 г., г. Уфа);

— международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт -2005» (8−9 декабря 2005 г., г. Уфа);

— научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа «(24 мая 2006 г., г. Уфа);

— научно-технической конференции УГТУ (21 апреля 2006 г., г. Ухта).

Принятые обозначении. Константы:

А{, В-, Сь с-, — константы в реологических зависимостяхЯ — ускорение свободного падения, 9,8 м/с ;

Дг, Ах — размеры шага сетки в продольном и поперечном направлениях при использовании для решения уравнений конечно-разностных методов;

Ш|, п (, ш2, п2 — коэффициенты в формулах, определяющие потери тепла подводного трубопровода;

Параметры: Л Р^-рж з (Зп + 1)'.

Яе т] (6п + 2У п).

2(2п + 1)(5п + 3) 8 и+ 8.

Зп + 1 п + ,/(2п + 1)2 + и п (Зп + 1) и = т Г)" х0и1 ц (вп + 2.

8 V п, а Б,.

XV" .

N11 =.

Сг=чРО[АТр Л ра.

2-п.

Не =.

V ^р

3(3п +1)2.

Го = т| (6п+ 2 8 п лХ гГ2.

2(2п + 1)(5п + 3).

— число Рейнольдса;

— обобщенное число Рейнольдса;

— параметр Ильюшина;

— - число Нуссельта;

— - параметр Грасгофа;

— параметр Прандтля;

— параметр Хедстрема;

— число Фурье.

Перечень сокращений символов, единиц и терминов:

ОАО «СМН» — Открытое акционерное общество «Северные магистральные нефтепроводы».

МН — Магистральный нефтепровод.

ПМ — Программный модуль.

АСУ ТП — Автоматизированная система управления технологическим процессом.

ИТ — Информационные технологии.

НИТ — Новые информационные технологии.

ИНС — Искусственные нейронные сети.

НСИ — Нормативно-справочная информация.

ГОСТ — Государственный отраслевой стандарт.

ТЗ — Техническое задание.

ЦДУ — Центральное диспетчерское управление.

МНА — Магистральный насосный агрегат.

НПС — Нефтеперекачивающая станция.

ПА — Подпорный насосный агрегат.

ПСД — Проектно-сметная документация.

ВИП — Внутритрубный инспекционный прибор

РНУ — Районное нефтепроводное управление ОАО МН.

ОАСУ — Отдел автоматизированных систем управления.

ОГМ — Отдел главного механика.

ОГЭ — Отдел главного энергетика.

ОЭН — Отдел эксплуатации нефтепроводов.

ПЭО — Планово-экономический отдел.

СТР — Служба технологических режимов, отдел главного технолога, группа по расчету технологических режимов в составе других отделов.

СДКУ — Система диспетчерского контроля и управления нефтепроводом.

ТТО — Товарно-транспортная служба, товарнотранспортный отдел.

АВР Аварийно-восстановительные работы кВтч — Киловаттчас.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана математическая модель действующего магистрального неизотермического нефтепровода, перекачивающего реологически сложные нефти, с учетом гидравлических характеристик насосно-силового оборудования, работающего на неньютоновских нефтяхподбора оптимальной модели течения жидкости в каждой зоне рабочих температур. На основе полученной математической модели для неизотермического нефтепровода решены две задачи: по заданной комбинации работающего насосно-силового оборудования на всех НПС можно определять все технологические параметры режима (производительность перекачки, рабочие температуры нефти, входные и выходные давления на НПС, потребляемую мощность, удельные затраты электроэнергии и т. д.) для каждого времени года;

— по заданному диапазону производительности перекачки можно определять комбинации включенного насосно-силового оборудования на НПС, обеспечивающего работу МН на данных режимах.

2. На основе математической модели разработан и зарегистрирован ПК ФОПР, предназначенный для планирования и моделирования режимов эксплуатации неизотермического нефтепровода, который прошел апробацию на МН Уса — Ухта и МН Приводино — Ярославль. Погрешность расчетов не превышает 3%. Экономический эффект от внедрения ПК ФОПР на МН Уса — Ухта и МН Ухта — Ярославль за 2005 г. составил 3,5 млн рублей.

3. Разработано и внедрено Руководство, состоящее из пяти методик:

Методики идентификации характеристик НА (разработан метод пересчета напорных характеристик для неньютоповских нефтей по известным методикам пересчета характеристик для высоковязких нефтей);

Методики определения реологических свойств нефти и выбора модели течения (применен метод выбора оптимальной модели течения по двум критериям: риску и минимальной погрешности);

Методики теплогидравлических расчетов неизотермического ММ, перекачивающего реологически сложные нефти (разработан алгоритм расчета потерь напора на трение, основанный на последних достижениях в области исследования динамики течения аномальных жидкостей);

Методики формирования математической модели неизотермического МН;

Методики формирования оптимальных плановых режимов нефтепроводов на плановый период.

4. Разработана специальная методология мониторинга реологических свойств перекачиваемых нефтей, проведения и обработки результатов лабораторных испытаний нефти, в том числе с применением депрессорных присадок, позволяющая подобрать необходимую концентрацию депрессорной присадки.