Автореферат Сябиной Н.В.


УДК 681.513:622.692.4.                                                                                                   На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

 

 

СЯБИНА НАТАЛЬЯ ВАЛЕРЬЕВНА

 

 

Автоматическое управление давлением жидкости магистрального трубопровода при наличии газовоздушных включений

 

 

051306 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

 

 

 

 

 

 

 

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2009


 

Работа выполнена в некоммерческом акционерном обществе «Алматинский институт энергетики и связи»

                                                                    

 

 

Научный руководитель:                               доктор технических наук,

                                                                     профессор Рутгайзер О.З.

 

Официальные оппоненты:                           доктор технических наук,

                                                                     профессор Казиев Г.З.

                                                                     кандидат технических наук,

                                                                     Амирбаев Т.Р.

 

 

Ведущая организация:                                 Казахская академия

                                                                     транспорта и коммуникаций

имени Тынышпаева

 

 

 

 

 

Защита состоится «28» мая 2009 г. в «___» часов на заседании диссертационного совета ОД 14.13.03 при Казахском национальном техническом университете имени К.И.Сатпаева по адресу: 050013, Республика Казахстан, глматы, ул.Сатпаева, 22, нефтяной корпус, конференц-зал

 

 

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КазНТУ имени К.И.Сатпаева

 

 

 

 

Автореферат разослан «___»___________ 2009 г.

 

 

 

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор техн. наук, профессор                                                       Б.Х.Айтчанов

 

 

 

 

Введение

 

Актуальность проблемы. Значительная доля нефти и нефтепродуктов транспортируется посредством магистральных трубопроводов. В этой связи особое внимание уделяется повышению эффективности транспортировки. Кроме того, трубопроводные системы дальнего транспорта представляют собой сложные динамические системы, состоящие из большого числа технологических элементов с характеристиками, которые оказывают существенное влияние на контроль и управление основными параметрами перекачки. Выход из строя оборудования, разрушение труб линейных участков могут привести не только к экономическому ущербу от недопоставки продукта, увеличению затрат на ремонт и длительному простою нефтепровода, но и к авариям с тяжелыми последствиями для окружающей среды.

Основными контролируемыми параметрами трубопровода являются давление и расход транспортируемого продукта, скорость перекачки, а также пропускная способность трубопровода. На эти параметры оказывают негативное влияние осложнения, возникающие в процессе транспорта нефти. К наиболее распространенным осложнениям относятся: возникновение утечек; нарушение изоляционных покрытий; отложение на внутренних стенках трубопровода парафина; образование газовоздушных и водных скоплений. Особый интерес представляют исследования влияния газовоздушных скоплений на пропускную способность трубопровода. Характерные признаки этого вида осложнений проявляются в виде снижения пропускной способности трубопровода до 60%, уменьшения амплитуды гидроудара, срывов в работе насосов при прохождении пробки через проточную часть, а также пульсаций давления и расхода в период миграции крупных пузырей.

Исследованиям процессов, возникающих в трубопроводах при наличии указанных осложнений, посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых, большинство из которых являются технологами. Эффективным средством разработки и исследования дорогостоящих объектов считаются математические модели, которые используются для экспериментального исследования объектов, а также определения рациональных режимов их эксплуатации, что приносит значительный экономический эффект при проектировании и управлении сложными системами. Однако решение проблем моделирования осложняется тем, что до сих пор не создана универсальная модель, которая бы в полной мере отражала все особенности технологических процессов, протекающих в трубопроводах, и позволяла бы исследовать различные аспекты поведения таких сложных систем. Анализ предлагаемых разными авторами способов и методов решения возникающих проблем показывает, что они не всегда экономически оправданы и часто приводят к увеличению эксплуатационных затрат, в частности, на электроэнергию, удорожанию самого трубопровода. Кроме того, грубость определения параметров процессов и их изменения во времени часто сводят на нет большинство рекомендаций. Действующие системы регулирования давления при появлении технологических осложнений отсутствуют, поэтому разработка принципов построения системы автоматического управления давлением жидкости в трубопроводе  является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка системы автоматического управления величиной давления на участке магистрального трубопровода, проложенного по пересеченной местности. Система автоматического управления должна уменьшить влияние газовоздушных включений, образующихся в повышенных точках трассы, и повысить эффективность транспортирования жидкого продукта. При этом необходимо использовать минимальное количество априорных сведений. В соответствии с поставленной целью в работе необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ линейных моделей работы участка магистрального трубопровода, для четкого определения режимов работы в случае отсутствия газовоздушных скоплений в повышенных точках трассы;

- выполнить аналитические исследования трубопровода как объекта автоматического управления с учетом существенной нелинейности при наличии газовоздушных скоплений;

- экспериментально определить характеристики линейных и нелинейных режимов работы трубопровода с использованием физической опытной установки;

- разработать систему автоматического управления величиной давления на участке магистрального трубопровода, проложенного по пересеченной местности.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

- предложено рассматривать участок трубопровода с транспортируемой жидкостью как структуру, соответствующую по своим свойствам системе автоматического регулирования;

- предложена модель участка трубопровода, новизна которой определяется включением существенной нелинейной зависимости сил трения от наличия газовоздушных включений;

- предложена методика определения коэффициента гармонической линеаризации нелинейности для малых периодических колебаний;

- определен факт и доказано существование автоколебаний давления в трубопроводных системах, имеющих газовоздушные включения;

- предложена методика проведения экспериментов на физической модели;

- определены возможные точки измерения автоколебаний давления на участке трубопровода.

Положения, выносимые на защиту:

- математическая модель транспортирования жидкого продукта по трубопроводу;

- физическая модель транспортирования жидкого продукта по трубопроводу;

- условия возникновения устойчивых периодических колебаний давления жидкости в зависимости от наличия воздушных включений в трубопроводе;

- результаты экспериментальных исследований давления жидкости в трубопроводе при наличии газовоздушных скоплений;

- способ управления величиной давления жидкости в магистральном трубопроводе.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в работе результаты позволят оперативно осуществлять управление давлением в трубопроводе, повысить точность управления потоком. Разработана система автоматического управления давлением жидкости в магистральном трубопроводе, проложенном по пересеченной местности и имеющим в повышенных точках трассы газовоздушные включения.

Реализация результатов работы. Получен акт использования результатов диссертационной работы в ТОО «Тяжпромэлектропроект» при разработке проекта модернизации нефтеперекачивающей станции «Атырау» ЗАО «КазТрансОйл».

Получен акт внедрения результатов диссертационной работы в учебный процесс Алматинского института энергетики и связи.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Республиканской научной конференции «Молодые ученые – будущее науки», г. Алматы, 2004 г.; на Международной научно-практической конференции «Проблемы развития энергетики и телекоммуникаций в свете стратегии индустриально-инновационного развития Казахстана», г. Алматы, 22-25 сентября 2005 г.; на 5-ой Международной научно-технической конференции «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях», г. Алматы, 21-22 сентября 2006 г.; на научно-практических конференциях аспирантов АИЭС «Энергетика, радиотехника, электроника и связь» 2004-2006 гг.; на Международной конференции «Автоматизация и управление. Перспективы, проблемы и решения», г. Алматы, 15-18 января 2007 г.; на 6-ой Международной научно-технической конференции «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях», г. Алматы, 25-26 сентября 2008 г.

Публикации. Основные научные положения и результаты исследования опубликованы в 12 научных работах, из которых 3 работы опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК для публикации основных научных результатов диссертаций, и заявке на изобретение Республики Казахстан (регистрационный номер 2008/1301.1).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка использованных источников из ____ наименований; изложена на ____ страницах, включает ___ рисунка, 3 таблицы и 4 приложения.      

 


ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

 

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность направления исследования и определены основные задачи диссертационной работы, сформулированы научная новизна полученных результатов и положения, выносимые на защиту, кроме того, приведены результаты апробации и показана практическая ценность работы.

В первом разделе проведен анализ литературных источников и результатов патентных поисков, рассмотрены основные характеристики трубопроводов, выявлены проблемы транспортировки нефти и нефтепродуктов, рассмотрены возможности возникновения осложнений при транспортировке и способы их ликвидации, дан анализ существующих методов моделирования процессов, протекающих в трубопроводах, а также систем диагностики и управления транспортом нефти.

Установлено, что к числу наименее изученных видов осложнений относится наличие газовоздушных скоплений в повышенных точках трассы.  Скопления газа уменьшают рабочее сечение труб, увеличивают гидравлическое сопротивление и тем самым снижают пропускную способность трубопровода до 60 %. Движение газожидкостных смесей по трубам характеризуется различными структурными режимами течения. При этом некоторые режимы характеризуются пульсациями давления, которые осложняют эксплуатацию нефтепровода. Аккумуляция в повышенных участках рельефа таких внутритрубных образований как газовые скопления, а также возникновение давления не только снижают пропускную способность, но и приводят к искажению динамических характеристик трубопровода.

Вопросам моделирования течений и связанных с ними процессов в системах трубопроводного транспорта посвящено много работ, в которых рассматриваются различные аспекты построения моделей. Установлено, что до сих пор не создана универсальная модель движения газожидкостных смесей по трубам, позволяющая не только имитировать течение жидкости в нормальных условиях, но и моделировать различные аварийные ситуации, поскольку практически каждый из входных параметров сам представляет собой зависимость от многих факторов. Многие авторы при решении задачи моделирования процессов, протекающих при транспорте продуктов в магистральных трубопроводах, применяют линеаризацию уравнений. Учет же нелинейных свойств значительно усложняет технологическую модель трубопровода и существенно уменьшает точность модели.

Кроме того, все известные динамические методы обнаружения осложнений, влияющих на эффективность транспортировки в трубопроводах, базируются на сопоставлении контролируемых параметров перекачки и расчетных, получаемых моделированием процесса в реальном масштабе времени. Достоверность выводов о наличии осложнений в значительной степени зависит от используемых моделей трубопровода. Для решения задач диагностирования в настоящее время применяются различные классификационные модели, для построения которых необходимо иметь данные о работе трубопровода в нормальных условиях и осложненных. Работоспособные же системы автоматического управления давлением отсутствуют.

Показана актуальность проблемы управления величиной давления, определена область исследований и цель диссертационной работы, которая заключается в разработке системы автоматического управления величиной давления жидкости в магистральном трубопроводе, сформулированы задачи необходимых исследований.

Второй раздел посвящен моделированию процессов, протекающих в трубопроводе.

Для получения более  четкого представления о процессах, протекающих в магистральных трубопроводах, нами была выполнена разработка и реализация следующих математических моделей:

1)     статическая модель магистрального нефтепровода при перепаде геодезических высот;

2)     динамическая модель неустановившегося движения вязкой жидкости в линейной части магистрального нефтепровода;

3)     модель распределения давления при внезапном отключении сосредоточенного попутного отбора;

4)     модель распределения давления между насосной станцией и задвижкой, мгновенно перекрывающей перекачиваемый по магистрали поток, при условии мгновенного перекрытия линии сброса;

5)     модель распространения волны давления при отключении насосной станции;

6)     имитационная модель магистрального трубопровода, учитывающая наличия затухающего отраженного сигнала и изменения рельефа трассы;

7)     линеаризованная модель магистрального трубопровода, учитывающая наличие газовоздушных скоплений.

В основу перечисленных моделей была положена математическая модель процессов, протекающих в трубопроводе, выполненная на основе уравнений движения И.А.Чарного:

 

((1)

 

где р – давление; ρ – плотность жидкости; λ – коэффициент гидравлического сопротивления; R гидравлический радиус сечения; v – средняя скорость движения; с – скорость звука в среде; x – длина участка.

Проведенный анализ показал, что указанные математические модели пригодны для достижения четко определенных целей и дают лишь общее представление о процессах, протекающих в трубопроводе, как в нормальном, так и в аварийных режимах. Исследованные модели не являются универсальными и достаточно сложны для использования их для целей автоматического управления объектом, а каждое изменение режима должно сопровождаться внесением изменений в настройку регуляторов. Все рассмотренные модели являются линеаризованными, не учитывающими влияние нелинейности на состояние объекта управления.

Вместе с тем, все реальные системы в большей или меньшей степени являются нелинейными. Жидкость, транспортируемая по магистральному трубопроводу, при наличии воздушных включений может рассматриваться как двухфазный поток. В работах С.Е.Кутукова приводится характеристика зависимости сил трения от скорости транспортирования нефти при изменении объема газовоздушных включений. Эта характеристика может быть отнесена к существенно нелинейным (рисунок 1).

Подпись: hтр, м

 

Рисунок 1 – Характеристика трубопровода с газовыми скоплениями

 

Наличие нелинейной характеристики требует исследования ее влияния на свойства системы транспортировки жидкости при изменении профиля трассы и наличии газовоздушных скоплений. Объем газовоздушных включений растет при увеличении перепада высот профиля трассы.

Нами разработана имитационная модель участка трубопровода, учитывающая наличие осложнений в виде нелинейности. В основу построения модели положена система уравнений (1), в которой вместо коэффициента   используется несимметричная нелинейность с насыщением и смещением.

В третьем разделе проводятся исследования модели объекта управления близкого по своим свойствам к системе автоматического управления с целью определения условий возникновения автоколебательного режима, характерного для нелинейных систем. Исследование должно позволить получить основные характеристики вынужденных колебаний давления в трубопроводе, проходящем по пересеченной местности и имеющем по длине газовоздушные включения разного объема. В этом же разделе проведены исследования возможности срыва автоколебаний, которые могут позволить получить данные о нескольких источниках колебаний и использовать эту информацию в системе автоматического управления давлением.

Используя систему (1) и переходя к производным в фиксированной точке, получим систему уравнений, определяющих массовый расход жидкости и давление в трубопроводе:

 

,

(2)

где M - массовый расход, Sсеч – площадь сечения трубы; - коэффициент, учитывающий нелинейную связь.

Положим:

(3)

(4)

(5)

 

где W1(s), W2(s), W3(s) – передаточные функции звеньев системы; s – оператор Лапласа; k1, k2, k3 – коэффициенты усиления соответствующих звеньев.

Заменим коэффициент  нелинейностью (рисунок 1), которая учитывает воздушные включения в потоке жидкости. Примем в структурной схеме в качестве нелинейности зависимость Pтр(v), близкую к типовой (нелинейному звену с насыщением). На рисунке 2 показана структурная схема модели объекта управления, построенная с учетом (3)-(5).

Передаточная функция замкнутой системы примет вид:

 

(6)

 

M1, M2 – массовый расход; P - давление на участке; Pтр – потери давления на трение;

v – усредненная скорость жидкости; Zн – нелинейная зависимость Pтр(v)

 

Рисунок 2 - Структурная схема объекта управления

 

Выполнив необходимые преобразования, получим значение для возможной периодической частоты колебаний ωп и условия возникновения автоколебаний:

(7)

(8)

где Aв  – амплитуда периодических колебаний.

В уравнении (8) имеются две неизвестных величины: q(Aв) и k1k2k3. При несимметричных колебаниях для характеристики нелинейности с насыщением при a=Aв и соблюдении условия

,

 

где a - амплитуда периодических колебаний; b – координата начала насыщения; x0 - постоянная составляющая (смещение начальной скорости) в литературе обычно рекомендуется использовать следующий алгоритм расчета величины q(Aв):

 

(9)

 

Однако формула (9) не позволяет рассчитать значение q(a) для колебаний небольшой амплитуды , характерной для реальных объектов, поэтому в диссертации предложена методика определения коэффициента гармонической линеаризации для этого случая, согласно которой:

 

.

(10)

 

Где для нелинейности, соответствующей рисунку 1, k2=0  и .

График зависимости q() представлен рисунке 3.

 

 

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента гармонической линеаризации q от амплитуды a/b, где а=

 

Устойчивость периодических колебаний в объекте управления имеет место при условии:

 

(11)

 

Анализ выражения (11) показывает, что устойчивость периодических колебаний на участке трубопровода, проложенного по пересеченной местности, возможна и будет зависеть от знака производной нелинейности по амплитуде колебаний , которая может быть определена по рисунку 3. Автоколебания возникают при . Их амплитуда и частота ωп зависят от количества воздуха и физических параметров нефти (от плотности в явном виде, от вязкости и температуры – в неявном). Появление в системе автоколебаний давления в трубопроводе возможно при соблюдении условия x0/b>1 (рисунок 3). Эти величины определяют скорость потока жидкости.

Приведенные результаты исследований позволяют выявить возможность возникновения незатухающих периодических колебаний ωп и определить их параметры при наличии на участке трубопровода одной возвышенности. Однако на каждом участке трубопровода может существовать несколько возвышенностей разной высоты H (рисунок 4). Каждая из возвышенностей в зависимости от высоты, а, следовательно, объема воздушных включений, создает свою частоту ωп1 и ωп2 и амплитуду колебаний. На другие отрезки трубопровода колебания ωп1 действуют через давление жидкости и создают вынужденные колебания ωв. В зависимости от условий транспортирования жидкости, параметров трубопровода и соотношения частот колебаний в трубопроводе могут существовать один из двух режимов: первый – имеет место каждая из этих частот ωп1 и ωп2; второй режим - одна из этих частот может «захватывать» другие колебания и на одном участке колебания давления будут реализовываться на этой одной частоте ωв. Таким образом, информация о параметрах автоколебаний может быть использована для построения системы автоматического управления.

Рисунок 4 - Фрагмент профиля участка трубопровода

 

Автоколебания давления самого высокого участка трассы трубопровода изменяются по синусоидальному закону и для других отрезков участка могут быть представлены в виде возмущения или вынужденных колебаний (рисунок 2), где B – амплитуда вынужденных колебаний, создаваемая горкой 1; ωв – частота вынужденных колебаний, создаваемая горкой 1. Будем искать вынужденные колебания для переменной v на входе нелинейности объекта (рисунок 2) для горки 2 в виде , где v – скорость движения жидкости на участке. Поскольку частота и амплитуда возмущения заданы, неизвестными являются Aв и φ. Практический интерес представляет определение только Aв. Считаем, что свойства фильтра в объекте соблюдаются. Необходимо определить условия, которые могут привести к режиму «срыва» автоколебаний на соседней горке или условия возникновения нескольких периодических колебаний разных частот.

Характеристическое уравнение для модели объекта управления имеет вид:

 

.

(12)

 

Примем, что нелинейная зависимость  может быть представлена в виде  и, следовательно, , где R – постоянный коэффициент.

После проведения необходимых преобразований, в диссертации установлено, что для получения пороговых значений амплитуды Впор перехода в режим захвата сигнала ωп2 и установления одночастотных колебаний ωв амплитуда вынужденных колебаний, позволяющая «захватить» сигнал ωп2, должна быть равна  . Амплитуда колебаний , создаваемая горкой 1, должна быть больше значений  для горки 2, для того, чтобы обеспечить режим одночастотных колебаний ωв. Выражение  для разных частот ωв представляет собой амплитудно-частотную характеристику объекта управления (входной сигнал f1, выходной – v) для второй горки.

На рисунке 5 представлены области захвата частоты ωп2 с учетом амплитудно-частотной характеристики объекта управления , полученной в соответствии со структурной схемой (рисунок 2).

Рисунок 5 - Области существования вынужденных колебаний ωв и захвата частоты ωп2.

 

Выше кривой на рисунке 5 представлены значения амплитуды В внешнего воздействия, при которых существует одночастотный режим вынужденных колебаний с частотой ωв (область захвата). При значениях В, лежащих ниже кривой, будут иметь место более сложные вынужденные колебания, являющиеся наложением одних частот на другие. Из рисунка 5 видно также, что если ωв и ωп2 близки между собой, то для захвата частоты ωп2 необходимо, чтобы амплитуда В для ωв была бы выше значения 1.

Таким образом, фиксация параметров автоколебаний может позволить определить наличие газовоздушной смеси для наиболее высокой горки.

Основные характеристики потока жидкости, позволяющие определить наличие и объем газовоздушных включений в трубопроводе, были получены исключительно на основе структурных особенностей объекта управления. Для построения системы управления давлением нужно знать количественные характеристики потока и, особенно, характеристики автоколебаний реального объекта, поэтому необходимо исследовать физическую модель. В диссертации с помощью известных критериев подобия были определены следующие возможности физической модели:

- масштаб  линейных размеров модели;

- масштаб давления жидкости модели;

- масштаб периодических колебаний давления модели.

Физическая модель, реализованная с использованием рассчитанных масштабов линейных размеров, давления жидкости и периодических колебаний давления позволяет оценить периодические колебания давления жидкости на участках реального трубопровода.

В четвертом разделе анализируются результаты экспериментов, проведенных на физической опытной установке. Для проверки результатов теоретических исследований нами была разработана экспериментальная установка. Для проведения экспериментов была разработана методика проведения испытаний и требования к оборудованию для сбора и передачи информации. На основании требований были подобраны датчики давления Honeywell серии MLH и в качестве блока управления - микроконтроллер PIC16F877 фирмы Siemens. Параметры модели: длина трубопровода – 3,5 м, высота возвышенности – 0,5 м.

Непосредственно для моделирования влияния газовоздушных скоплений  на процессы транспортирования воды использовалась следующая методика: в заполненный водой трубопровод через специальный отвод в течение определенного времени вместо жидкости из бака подавался воздух, после чего возобновлялась подача жидкости. Чередование сред позволило искусственно создавать газовоздушные скопления. Изменение объема воздуха осуществлялось при различных значениях производительности насоса. Информация с датчиков давления отображалась в виде диаграмм распределения давления во времени в отдельных точках трубопровода.

Эксперименты проводились с использованием специального программного обеспечения, которое позволило накопить и обработать полученные данные. Было исследовано поведение системы при моделировании различных ситуаций. В общей сложности было проведено 186 экспериментов.

На рисунке 6 представлена диаграмма распределения давления во времени при создании газовоздушного скопления в трубопроводе (данные получены с датчика, установленного перед возвышенностью). Из рисунка 6 видно, что при изменении объема воздуха в области давлений Р=5–25 кПа возникают колебания давления с частотой f=0,3 Гц. На рисунке 7 показано, что при давлениях Р=60-75 кПа колебания имеют частоту f=0,1 Гц. Процесс достижения требуемого уровня давления установившегося режима распадается на две части с разными коэффициентами усиления, что может свидетельствовать о существовании разных режимов движения газожидкостной смеси.

 

Выноска 3 (без границы): ω2

Время [чин:с]

 
C:\Users\Ната\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.Word\Новый рисунок.bmp

Время

Описание эксперимента

Серия № 1

 

00 – 9 сек

9 – 30 сек

30 – 52 сек

52 сек

Насос не включен

При 100% производительности труба заполняется водой

При 100% производительности часть ТП заполняется воздухом

Начало заполнения трубы водой, не меняя производительности

 

Рисунок 6 – Диаграмма распределения давления и программа планирования эксперимента

 

Выноска 3 (без границы): ω1Подпись: Давление [кПа]

Время [чин:с]

 

Время

Описание эксперимента

Серия № 1

 

00 – 9 сек

9 – 30 сек

30 – 57 сек

57 сек

Насос не включен

При 100% производительности труба заполняется водой

При 100% производительности часть ТП заполняется воздухом

Начало заполнения трубы водой, не меняя производительности

 

Рисунок 7 – Диаграмма распределения давления и программа планирования эксперимента

 

По полученным данным экспериментов были построены диаграммы распределения давления в зависимости от производительности насоса P(Q),  зависимости двойной амплитуды автоколебаний давления от производительности насоса a(Q), а также зависимости частоты автоколебаний давления от производительности насоса ω(Q).

Экспериментально установлено, что жидкость полностью заполняет сечение трубопровода при Р=13 кПа. При неизменных параметрах жидкости и трубопровода двойная амплитуда периодических колебаний давления определяется наличием газожидкостной смеси, ее объемом и режимами движения в трубопроводе. Амплитуда колебаний давления при наличии воздуха практически в 7 раз превышает амплитуду колебаний давления в режиме, при котором в трубопроводе остается незначительное количество воздуха. При повышении давления жидкости в трубопроводе и отсутствии воздуха колебания давления исчезают.

Частота автоколебаний давления жидкости в физической модели трубопровода изменяется при изменении режимов транспортирования жидкости в 3 раза. При наличии большого объема воздуха в трубопроводе частота близка к значению f = 0,3 Гц, при незначительном количестве воздуха частота уменьшается и составляет f = 0,1 Гц. Изменения частоты от этих значений незначительны.

Таким образом, экспериментальные исследования режимов на опытной установке трубопровода подтвердили результаты теоретических исследований  и показали:

- различные объемы воздуха в трубопроводе формируют различные режимы движения газожидкостной смеси, которые характеризуются существенными отличиями параметров изменения давления;

- изменения давления в разных точках трубы практически не отличаются друг от друга;

- наличие и объем газовоздушных включений, а также режимы  транспортирования жидкости оказывают существенное влияние на величину амплитуды и частоту возникающих автоколебаний давления жидкости;

- частота автоколебаний изменяется дискретно;

- при существенном повышении давления жидкости в трубопроводе и отсутствии воздуха колебания давления исчезают;

- изменение параметров автоколебаний давления может быть использовано для построения системы автоматического управления давлением.

В пятом разделе рассматриваются вопросы разработки системы автоматического управления величиной давления жидкости в трубопроводе.

В общем случае система управления величиной давления должна обеспечить эффективную работу трубопровода при изменении параметров трубопровода. Наличие газовоздушных включений существенно ухудшает качество и эффективность транспортирования жидкости по трубопроводу. Простое решение этой проблемы заключается в следующем: увеличить величину давления жидкости Р, при этом объем воздушных включений значительно уменьшается в местах его скопления. Однако использование управляющей переменной Р большой величины приводит и к отрицательным моментам: увеличивается расход энергии, возникает необходимость в увеличении запаса прочности механического оборудования, увеличивается вероятность аварийных ситуаций. В связи с наличием таких отрицательных моментов желательно отслеживать наличие и объем газовоздушных включений и давление Р увеличивать до величин, которые уменьшают объем газовоздушных составляющих при транспортировке. При этом величина Р должна практически не снижать показатели общей эффективности и надежности трубопровода.

Мера качества J (минимум потерь) может быть представлена в виде:

 

.

(13)

 

где J1составляющая функции состояния, фиксирующая наличие и величину объемного содержания газовоздушных составляющих на определенном участке трубы; J2 - составляющая функции состояния, устанавливающая уровень управляющего воздействия Р и его влияние на эффективность и надежность работы трубопровода; P – давление; Q - объемное содержание газа;  – коэффициент влияния на количество воздуха в трубе; β – коэффициент влияния величины давления на эффективность.

Чувствительность показателя качества J к изменению давления Р согласно (13)

 

.

(14)

 

Функция (13) достигает минимума, а чувствительность (14) достигает нуля, если величина давления Р составит

 

.

(15)

 

Таким образом, при постоянных значениях α и β данного трубопровода, для обеспечения минимального значения J необходимо устанавливать давление Р пропорционально объемному содержанию газовоздушных составляющих Q в реальном масштабе времени.

В качестве сигнала, используемого для приближения к точке минимума потерь J в системе, целесообразно использовать фиксацию в трубопроводе частоты автоколебаний давления жидкости. При отсутствии колебаний в трубопроводе необходимо использовать принципы адаптации и изменить величину параметра нелинейного звена Zн, уменьшая значение величины давления Р до момента появления низкочастотных автоколебаний. Измерение частоты автоколебаний давления проще всего выполнять на нефтеперекачивающих станциях каждого участка.

Для решения проблемы увеличения пропускной способности при наличии газовоздушных скоплений в повышенных участках трассы разработан способ управления величиной давления, который положен в основу функционирования системы автоматического управления.

Известные способы не обеспечивают достаточной эффективности управления потоком текучей среды, так как дают значительные ошибки из-за неоднозначности характеристик объекта.

Предлагаемый способ управления давлением текучей среды в трубопроводе поясняется функциональной схемой управления давления трубопровода, представленной на рисунке 9, и реализуется следующим образом. В зоне трубопровода, на начальном участке, в качестве параметров контроля одновременно фиксируют наличие или отсутствие незатухающих колебаний давления жидкой среды (любая нефть) двух частот ω1 (рисунок 7) и ω2 (рисунок 6). При отсутствии автоколебаний с частотами ω1 и ω2, давление жидкости уменьшают. При наличии автоколебаний более высокой частоты ω2, давление жидкости увеличивают. При повышенном давлении в трубопроводе и небольшом объеме воздуха возникают колебания низкой частоты ω1. При высоком давлении или отсутствии газовоздушных составляющих колебания давления с частотами ω1 и ω2 отсутствуют.

Устанавливают предельно допустимые величины давления текучей среды в зоне трубопровода, давление текучей среды регулируют изменением производительности насоса, параметры ω1 и ω2 определяют в зоне участка трубопровода, имеющей наибольшую высоту.

Рисунок 9 - Функциональная схема управления давлением в трубопроводе

 

Повышение точности управления потоком текучей среды в трубопроводе достигается за счет того, что автоколебания давления учитывают реальные физические параметры трубопровода, а управление величиной давления в функции автоколебаний обеспечивает минимальный контролируемый уровень воздушных включений. Кроме того, предлагаемый способ расширяет арсенал средств назначения, позволяя осуществлять управление потоком текучей среды протяженного трубопровода, как на ровной, так и на возвышенной местности.

На рисунке 10 приведены временные диаграммы характеристик модели системы автоматического управления давлением: а) изменение давления при отсутствии воздуха в трубопроводе; б) изменение потерь давления при наличии в трубе значительного объема воздуха.

Рисунок 10 – Временные диаграммы характеристик

 

Разработанный способ управления величиной давления жидкости и система автоматического управления транспортом нефти позволяют снизить затраты электроэнергии и повысить эффективность эксплуатации ряда трубопроводов.

На основании проведенных исследований нами подана заявка на изобретение Республики Казахстан «Способ управления величиной давления жидкости в трубопроводе» (регистрационный номер 2008/1301.1). Изобретение относится к области управления потоком текучей среды при наличии газовоздушных включений и поддержания определенного режима потока текучей среды в нефтепроводах.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1.  Магистральный трубопровод представляет собой сложную технологическую систему. Изменение режимов работы и изменение параметров в реальном масштабе времени не позволило создать эффективную систему автоматического регулирования давления жидкости. При этом для ряда трубопроводов при появлении в потоке газовоздушных смесей производительность может снижаться до 60%.

2.  Большинство авторов при решении задач идентификации и управления трубопроводом используют линеаризованные модели технологического процесса.

3.  В диссертации разработана  имитационная модель, которая учитывает как изменение рельефа местности, так и наличие газовоздушных включений. Полученная имитационную модель, учитывает наличие осложнений  в виде нелинейности с насыщением в системе.

4.  Впервые предложено считать участок трубопровода структурой, близкой по своим свойствам к нелинейной системе автоматического регулирования давления жидкости в трубе.

5.  В рамках этого нового подхода проведены исследования, которые позволили установить, что

- в объекте управления с нелинейностью в обратной связи типа насыщения возможны устойчивые автоколебания;

- полученная зависимость коэффициента гармонической линеаризации q(a) для малых амплитуд колебаний, позволила исследовать различные режимы автоколебаний;

- амплитуда автоколебаний и их частота ωп зависят от количества воздуха и физических параметров нефти (от плотности в явном виде, от вязкости и температуры – в неявном);

- вынужденные колебания давления Р, которые создаются за счет автоколебаний жидкости самой высокой горки трассы участка трубопровода, могут наблюдаться на всем участке;

- при наличии на участке трубопровода нескольких возвышенностей разной высоты, каждая из возвышенностей в зависимости от высоты, а, следовательно, объема воздушных включений, создает свою частоту и амплитуду колебаний;

- в зависимости от условий транспортирования жидкости, параметров трубопровода и соотношения частот колебаний в трубопроводе одна из периодических частот может «захватывать» другие колебания и на одном участке колебания давления будут реализовываться на этой одной частоте вынужденных колебаний;

- физическая модель, реализованная с использованием рассчитанных масштабов линейных размеров, давления жидкости и периодических колебаний давления позволит оценить периодические колебания давления жидкости на участках реального трубопровода.

6.  Экспериментальные исследования на опытной установке подтвердили результаты аналитических исследований: наличие и объем газовоздушных включений оказывает существенное влияние на величину амплитуды и частоту возникающих автоколебаний давления жидкости. Установлено, что различные объемы воздуха в трубопроводе формируют различные режимы движения газожидкостной смеси, которые характеризуются существенными отличиями параметров изменения давления. При этом изменения давления в разных точках трубы практически не отличаются друг от друга. Изменение параметров автоколебаний давления было использовано для построения системы автоматического управления давлением.

7.  Разработана система автоматического управления величиной давления на участке магистрального трубопровода, позволяющая  уменьшить влияние газовоздушных включений, образующихся в повышенных точках трассы.

8.  Повышение точности управления потоком текучей среды в трубопроводе достигается за счет того, что автоколебания давления учитывают реальные физические параметры трубопровода, а управление величиной давления в функции частоты автоколебаний обеспечивает минимальный контролируемый уровень воздушных включений.

9.  Разработанный способ управления величиной давления жидкости и система автоматического управления транспортом нефти может позволить снизить затраты электроэнергии и повысить эффективность эксплуатации некоторых трубопроводов.

Оценка полноты исследований поставленных задач. Проведенные исследования и полученные результаты полностью соответствуют поставленным задачам, цель работы достигнута.

Рекомендации и исходные данные по конкретному использованию результатов работы. Для внедрения в практику предлагается методика оценки автоколебаний давления жидкости в трубопроводе, способ управления величиной давления, а также система автоматического управления давлением жидкости в трубопроводе.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Научный уровень работы соответствует лучшим достижениям в данной области, а полученные при этом результаты позволяют снизить объем газовоздушных включений до минимума, обеспечить требуемый уровень пропускной способности трубопровода, а также снизить эксплуатационные расходы.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1          Сябина Н.В., Рутгайзер О.З. Исследование модели магистрального нефтепровода при перепаде геодезических высот. «Энергетика, радиотехника, электроника и связь» //Сборник научных трудов АИЭС под ред. А.З.Айтмагамбетова. – Алматы, АИЭС, 2003, с.36-40.

2          Ибраева Л.К., Сябина Н.В. Разработка математических моделей распределения давления в магистральных нефтепроводах.// Сборник тезисов научно-практической конференции «Проблемы развития энергетики и телекоммуникаций в свете Стратегии индустриально-инновационного развития Казахстана». – Алматы: АИЭС, 2005 – c.13.

3          Сябина Н.В., Рутгайзер О.З. Моделирование режимов работы системы автоматического управления магистральным нефтепроводом. //Международная конференция «Автоматизация и управление: перспективы, проблемы и решения»: Сборник трудов. - Алматы: КазНТУ, 2007 – с.175-178.

4          Сябина Н.В., Рутгайзер О.З. Исследование динамической модели нефтепровода. //Сборник научных трудов «Энергетика, радиотехника, электроника и связь» - Алматы: АИЭС, 2004. – с.74-76.

5          Л.К.Ибраева, Н.В.Сябина. Моделирование процесса транспортировки нефти на линейном участке нефтепровода в пакете Simulink программного продукта Matlab 6.5. //Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях: Труды 5-ой Международной научно-технической конференции. – Алматы: АИЭС, 2006 – с.49-52.

6          Сябина Н.В., Рутгайзер О.З. Моделирование системы обнаружения газовоздушных скоплений на участке нефтепровода. «Энергетика, радиотехника, электроника и связь» //Сборник научных трудов АИЭС. – Алматы, АИЭС, 2006 - с.34-38.

7          Н.В.Сябина, О.З.Рутгайзер. Моделирование участка нефтепровода при наличии затухающего отраженного сигнала давления с учетом изменения рельефа трассы. //Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях: Труды 5-ой Международной научно-технической конференции. – Алматы: АИЭС, 2006 – с.75-77.

8          Н.В.Сябина, О.З.Рутгайзер. Магистральный трубопровод, проложенный по пересеченной местности, как объект системы автоматического управления //Вестник НИА РК - Алматы, 2008, № 4, с.46-51.

9          Сябина Н.В., Рутгайзер О.З. Управление вынужденными периодическими колебаниями давления жидкости в трубопроводе //Вестник КазАТК - Алматы, 2008, № 6, с.189-194.

10      Н.В.Сябина, О.З.Рутгайзер. Экспериментальные исследования динамических характеристик процессов, протекающих в трубопроводе с газовоздушными включениями //Вестник АИНиГ - Атырау, 2008, № 2(14), с.59-65.

11      Сябина Н.В., Рутгайзер О.З. //Вестник АИЭС - Алматы, 2008, № 2, с.11-14.

12      Ибраева Л.К., Сябина Н.В. Экспериментальное моделирование процессов в трубопроводе //Вестник АИЭС - Алматы, 2009, № 1(4), с. 28-32.


 

Сябина Наталья Валерьевна

 

Магистралды құбырдағы газ-ауа қосындылары бар сұйықтықтың қысымын автоматты басқару

 

051306 – Технологиялық процестер мен өндірістерді автоматтандыру және басқару

 

 

ТҮЙІНДЕМЕ

 

Ойлы-қырлы жермен өтетін магистралды құбыр бөлігінің қысым шамасын автоматы реттеу жүйесін өңдеу диссертациялық жұмыстың мақсаты болып табылады. Трассаның көтеріңкі нүктелерінде пайда болатын газ-ауа қосындыларының әсерлерін кішірейту және сүйық өнімді тасымалдау тиімділігін жоғарылату автоматы басқару жүйенің міндеті болып табылады.

Қойылған мақсаттқа сәйкес диссертациялық жұмыста келесі есептер шешіледі:

- магистралды құбырдың бөлік жұмысының сызықты модельдерінің талдауы жасалып, газ-ауа жинақтары пайда болған кездегі маңызды сызықтық еместіктерді есепке ала отырып, автоматы басқару объектісі ретіндегі құбырдың аналитикалық зерттеулері өткізілді;

- физикалық тәжірибелік қондырғы көмегімен құбыр жұмысының сызықты және сызықты емес режимдерінің сипаттамалары тәжірибелік жолмен анықталды;

- магистралды құбырдың ойлы-қырлы жермен өтетін бөлігінің қысым шамасын автоматты реттеу жүйесі өңделді.

Диссертациялық жұмыстың негізгі нәтижелері келесіде:

-    жердің рельефінің өзгеруімен бірге жүйедегі сызықтық емес қанығу түріндегі газ-ауа қосындыларының пайда болуын есепке алатын имитациялық модель өңделген;

-    құбыр бөлігі өзінің қасиеттері бойынша құбырдағы сұйықтық қысымын сызықты емес автоматты реттеу жүйеге жақын болатын құрылым деген пікір осы жұмыста бірінші рет ұсынылып отыр;

-    кері байланыста қанығу түріндегі сызықты еместіктер бар басқару объекттерде амплитудасы мен жиілігі мұнайдың физикалық параметрлері мен ауа мөлшерінен тәуелді тұрақты автотербелістер пайда болуы туралы зерттеулер өткізілді; құбыр бөлігінің трассасының ең жоғарғы төбесіндегі сұйықтықтың автотербелістері себебінен пайда болатын амалсыз тербелістер бөліктің барлық жерінде бақыланады;

-    тәжірибелік қондырғыда өткізілген тәжірибелік зерттеулер аналитикалық зерттеулер нәтижелерін дәлелдеді: газ-ауа қосындыларының бар болуы және олардың көлемдері сұйықтық қысымының пайда болатын автотербелістерінің амплитудасы мен жиілік шамаларына маңызды әсер етеді;

-    магистралды құбыр бөлігіндегі қысым шамасын басқарудың автоматты жүйесі өңделген; бұл жүйе трассаның жоғарғы нүктелерінде пайда болатын газ-ауа қосындыларының әсерін азайтуға мүмкіндік береді;

-    сұйықтық қысымының шамасын басқарудың өңделген әдісі мен мұнайды тасымалдаудың автоматты басқару жүйесі электрэнергия шығындарын азайтуға және кейбір құбырдарды қолданудың тиімділігін жоғарлатуға мүмкіндік береді.

  Жұмыс нәтижесі бойынша Қазахстан Республикасы өнер табысына мәлімдеме берілді (тіркеу нөмірі 2008/1301.1). Диссертациялық жұмыстың нәтижелері «КазТрансОйл» акционерлік қоғамның «Атырау» мұнай тасымалдау станциясын модернизациялау жобасын өңдегенде  «Тяжпромэлектропроект» жауапкершілігі шектеулі серіктестікте қолданған туралы акт алынған. Сонымен бірге, диссертациялық жұмыстың нәтижелері Алматы энергетика және байланыс институтының оқу процесіне енгізілген және «КазТрансОйл» ЖАҚ-да қолданылады.


Syabina Natalia Valerievna

 

Automatic control of liquid pressure of main pipe-line at the availability of gas-air turning on

 

051306 – Automation and control of technological processes and production

 

 

SUMMARY

 

The goal of the dissertation is the working out of system of automatic control of liquid pressure of main pipe-line part, which is placed at the broken terrain. The system of automatic control must decrease the pressure of gas-air turning on, which is formed at the high parts of the route and must increase the effectiveness of liquid product transportation. 

In accordance with the goal the following tasks are being solved:

-   the analysis of linear models of work of part of main pipe-line is conducted;

-   the analytical research of pipe-line as the object of automatic control with the consideration of significant nonlinearity at the availability of gas-air accumulations is fulfilled;

-   the characteristics of linear and nonlinear working regimes of pipe-line with the use of physical experimental equipment is determined;

-   the system of automatic control of the size of pressure at the part of main pipe-line which is placed at the broken terrain is worked out.

The main results of the dissertation are:

- the imitation model which considers the changes of terrain relief and the presence of gas-air turning on in the form of nonlinearity with the saturation in the system is worked out;

- the idea of considering the part of pipe-line as the structure close to nonlinear system of automatic regulation of liquid pressure in the tube was initiated;

- the investigations which let to think that in the object of control with nonlinearity in the reverse connection like saturation there is the possibility of stable auto fluctuations, which amplitude and frequency depend on quantity of air and physical parameters of oil; forced fluctuations of pressure which appear because of auto fluctuations of liquid at highest part of the pipe-line can be observed at the whole pipe-line;   

- experimental investigations at the experienced part supported the results of analytical investigations: the presence and volume of gas-air turning on influence the size of the amplitude and frequency of auto fluctuations on liquid pressure;

- the system of automatic control of the pressure size at the part of main pipe-line which let decrease the influence of gas-air turning on, which appear in the increased parts of the route is worked out;

- the worked out method of control of the size of the liquid pressure and the system of automatic control of oil transport can permit the decrease of the outlay of electric power and increase the effectiveness of some pipe-lines exploitation.

On the basis of the work the application for the investigations of the Republic of Kazakhstan (registration number 2008/1301.1) was submitted. The deed of the use of the results of the dissertation at “Tyazhpromelectroproekt” Ltd during the working out of the modernization project of oil-rolling station “Atyrau” JSC “KazTransOil” was received. Besides, the results of the dissertation were implemented and are being applied in the teaching process of Almaty Institute of Power Engineering and Telecommunications.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подписано в печать 23.04.2009. Формат 60х84  1/16

Бумага офсетная. Объем  __________. Тираж  100 экз. Заказ № ___

 

 

 

Отпечатано в ТОО «Издательство LEM»

г. Алматы, ул. Байтурсынова, 78а, тел. (8-727) 292-07-25, 242-82-33