CC BY
4
УДК 622.691.48
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2023-5-6-35-40
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА RTFS К РЕАЛЬНЫМ ОТБОРАМ НА СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ НЕФТЕПРОВОДА
APPLICATION OF THE RTFS METHOD TO REAL LEAKS ON THE STATIONARY MODE OF THE OIL PIPELINE
Альперович И.В.
ООО «Вэйвконтроль», 119454, Москва, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6380-2727, E-mail: alperi@yandex.ru
Резюме: Метод обнаружения утечек в трубопроводе Real Time Flow Speed (RTFS) состоит в математическом моделировании перекачки на участках трубопровода между датчиками давления в предположении, что утечки нет. Если на участке возникает утечка, то такая модель становится некорректной, и расчетный режим отличается от фактического. В частности, на проходе волны падения давления от утечки через датчик направления изменения расчетного расхода со стороны участка с отбором и со стороны участка без отбора будут разными. Этот признак определения направления движения волны давления успешно проверяется на данных, полученных при проведении контрольных отборов на реальном нефтепроводе.
Ключевые слова: система обнаружения утечек в трубопроводах, метод RTFS, волна падения давления, численные эксперименты, математическая модель.
Для цитирования: Альперович И.В. Применение метода RTFS к реальным отборам на стационарном режиме нефтепровода // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2023. № 5-6. С. 35-40.
D0I:10.24412/0131-4270-2023-5-6-35-40
Al'perovich Ilya V.
Wavecontrol LLC, 119454, Moscow, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6380-2727, E-mail: alperi@yandex.ru
Abstract: The Real Time Flow Speed (RTFS) method for detecting leaks in the pipeline consists in mathematical modeling of pumping in pipeline sections between pressure sensors under the assumption that there is no leakage. If a leak occurs at the section, then such model becomes incorrect and the calculated mode differs from the actual one. In particular, on the passage of the wave of pressure drop from leakage through the sensor, the directions of changes in the mean flow rate from the side of the section with leak and on the side of the section without one will be different. This rule for determining the direction of moving the pressure wave is successfully verified on the data obtained during control samplings on a real oil pipeline.
Keywords: leak detection system in pipelines, RTFS method, negative pressure wave, numerical experiments, mathematical model.
For citation: Al'perovich I.V. APPLICATION OF THE RTFS METHOD TO REAL LEAKS ON THE STATIONARY MODE OF THE OIL PIPELINE. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons, 2023, no. 5-6, pp. 35-40.
DOI:10.24412/0131-4270-2023-3-35-40
Слежение за уровнем давления - один из основных методов контроля целостности трубопровода [1]. При возникновении утечки в трубопроводе в обе стороны от нее по трубе распространяются волны падения давления. Но падение давления может быть вызвано и технологическими причинами. В этом случае оно не должно вызывать тревогу. Одно из главных отличий реальной тревоги от ложной -это направление движения волны разрежения. Если она пришла изнутри охраняемого участка и нет естественных поводов для нее, то это утечка; если же она пришла извне, - то падение давления вызвано другой причиной. Распознавание направления бегущей волны падения давления - это существенная функция систем обнаружения утечек (СОУ) в трубопроводах.
По изменению давления на одном датчике определить направление волны давления не получается. Вычислить направление движения и локализовать источник волн от утечек возможно по времени прохождения ими соседних датчиков давления, но лишь при относительно небольшом шуме, для отборов с быстрым развитием и расположенных сравнительно далеко от концов участка. В [2] предлагаются методы обнаружения направления бегущей волны от утечки через оценку разностей давлений на крановых узлах с парами близких датчиков или посредством построения цепочек соответствующих волн на разнесенных датчиках давления. Но, как показывает практика, эти методы также применимы лишь для достаточно быстрых и больших отборов.
Для стационарного режима нефтепровода в [3] предложен другой подход анализа волновых направлений, где в математической модели трубопровода по известным давлениям на границах участка рассчитываются давления и расходы между парой датчиков. При этом используется свойство несимметричности волн скорости потока от утечки: против потока будет двигаться волна ускорения, а по потоку - замедления. По информации об изменении во времени средней расчетной скорости потока в окрестности фронта волны падения давления можно сделать вывод о направлении движения волны от утечки и отделить внешние волны падения давления от волн, имеющих внутренний источник.
Пусть поток движется слева направо по возрастанию координаты трубопровода. Одномерная изотермическая задача расчета давления и расхода при движении жидкости по участку трубы содержит уравнения сохранения массы и импульса, граничные значения по давлению и начальное значение по расходу [4]:
др __ 1 С2 dG; dt ~ S ' ' дх '
dG __SI dP dt ~ I дх
^2 dh 2 G +Р9—
(1)
(2)
2D■Э2р ' dxу
Р(0, 0 = РО(0, Р^, 0 = Р^ (4)
G(x, 0) = G0, (5)
где х - координата по длине трубы, м; L - длина участка (м); t - время, сек; Р(х, ^ и G(x, ^ - средние по сечению
трубы избыточное давление (Па) и массовый расход (кг/сек) в точке x в момент времени t; р - плотность продукта, кг/м3; X - коэффициент гидравлического сопротивления; C -скорость звука, м/сек; D - диаметр трубы, м; S - площадь поперечного сечения трубы, м2; g - ускорение силы тяжести, м/сек2; h(x) - высотный профиль трубы, м; P0(t), Pk(t) -измеряемые давления (Па) в начале и конце участка; G0 - начальное стационарное значение расхода, кг/сек. Параметры модели принимаются теоретическими.
Если на участке нет отбора, то постановка задачи (1) - (5) адекватна движению продукта. Если же на участке появился отбор, то эта постановка становится неполной и требуется добавление уравнения отбора [5-8]. Без учета отбора рассчитанные расходы будут качественно отличаться от реальных. В этом случае согласно модели (1) - (5) от границ участка, где по показаниям датчиков давление понизилось, навстречу друг другу начнут двигаться две волны падения давления и изменения скорости: слева вниз по потоку пойдет волна понижения расхода, справа против потока - повышения расхода. В итоге скорость потока в целом на участке либо упадет, либо повысится в зависимости от близости отбора к тому или другому концу участка.
Если же на участке нет отбора, то модель движения соответствует реальному процессу и по рассчитанному расходу на границах участка можно сделать вывод, откуда пришла волна. При увеличении расхода волна пришла против потока, при понижении - по потоку. Если на трубе несколько участков с датчиками и если на двух соседних участках не возникли одновременные утечки, то только на одном из участков модель (1) - (5) будет некорректна, и сравнение тенденций расходов на соседних участках покажет на каком именно.
Эта идея реализуется в методе Real Time Flow Speed (RTFS) [3]. Для применения метода RTFS задача (1) - (5) решается методом конечных разностей по явной схеме с дробным шагом по координате [9]. В данном случае шаг по времени - 0,05 сек, по координате -70 м. Давления вычисляются в целых точках, а расходы -в полуцелых. Границы участка с датчиками размещаются в целых точках. Соседние с граничными датчиками полуцелые точки, в которых вычисляется расход, принадлежат соседним участкам, для которых расчет проводится
Рис. 1. Серия1, быстрый отбор, участок 1
I Рис. 2. Серия 1, быстрый отбор, участок 2
Левый край участка 2
I Рис. 3. Серия 1, медленный отбор, участок 1
независимо. Поэтому если на одном участке нет отбора, а на другом есть, то средние ускорения (тенденции) расчетных расходов по сторонам одного манометра будут разные. Если же на обоих участках нет отбора, то тенденции расходов должны быть примерно одинаковыми. Из этого обстоятельства следуют признаки утечки.
Признак утечки для участка трубы. Волна падения давления от утечки, возникшей на данном участке, приводит к различным знакам тенденций расчетного потока на границах
I Рис. 4. Серия 1, медленный отбор, участок 2
Левый край участка 2
I Рис. 5. Серия 2, быстрый отбор, участок 1
Правый край участка 2
I Рис. 6. Серия 2, быстрый отбор, участок 2
25,93 20
19,9
19,85 -
1
M,i. . . i
IníИЩМмЛМЛМлММ
715 Н1ш v VUVVPV
iHi Щ Щ
A A Ал
Ш\П vVH ^ y/w "^ |Л A тгД ЛеЛлГЛ
vv Vw Y 653 555 657
657
Левый край участка Z
Правый крвй участка 1
участка. В этом случае на левой границе участка (вверх по потоку) тенденция будет отрицательная и средний расчетный расход понизится, а на правой границе (вниз по потоку) тенденция будет положительная и расход повысится. Для внешней сквозной волны тенденции потока на концах будут одинаковыми: на участках выше по потоку от участка с утечкой расход увеличится, а на участках ниже - понизится.
Признак утечки для датчика на границе двух участков. Если утечка возникла на одном из этих двух участков,
то слева от датчика расход увеличится, а справа - понизится. Если падение давления вызвано не утечкой на одном из прилегающих участков, то расход с обеих сторон от датчика изменится одинаково: выше утечки - повысится, ниже - понизится. Сформулированные признаки иллюстрируются ниже на реальных отборах, проводившихся при испытаниях СОУ WaveControl [10] на нефтепроводе длиной 33,2 км и диаметром 340 мм. По концам трубы, а также на отметке 15,8 км располагались крановые узлы (КУ) с парами датчиков давления при расстоянии между ними 150-200 м, так что всего на трубе было 6 датчиков давления. Их показания записывались в файлы с частотой 20 раз в секунду. В модели рассчитывались два длинных участка между соседними крановыми узлами и три коротких между соседними датчиками одного узла. Контрольные отборы выполнялись на отметке 8,5 км первого длинного участка.
Для анализа были выбраны три серии испытаний на разных стационарных режимах и по два отбора в каждой серии - быстрый и медлен-ный.Быстрые отборы открывались за 1 сек, медленные - за 20 или 60 сек. Результаты расчетов представлены далее на 12 рисунках. Рисунки упорядочены по сериям, времени развития отбора и по участкам. Каждый рисунок содержит по шесть графиков. На всех графиках по оси абсцисс время в секундах. По оси ординат -давление или расход. Единица измерения по оси давления - 0,1 МПа. Для трендов расхода единица измерения - м3/ч. Верхние два графика на рисунке - это давления на датчиках крановых узлов слева и справа от участка. Два средних тренда - расчетные расходы на левом и правом КУ, два нижних - расходы на левом и правом концах участка.
Отметим, что численные значения расходов на разных участках и на узлах получились немного разные, так как задача калибровки параметров модели с целью получения одинакового расхода не ставилась. Главное значение имели не абсолютные значения расхода, а относительные изменения в окрестности фронта волны падения давления. Вертикальная линия на графиках соответствует моменту прохождения через датчик фронта волны падения давления от отбора.
На рис. 1 и 2 представлена первая серия отборов, при расходе 200 м3/ч и отборе 6 м3/ч, длительностью при полном
открытии 20 сек. Рис. 1 иллюстрирует быстрый отбор с открытием крана за 1 сек. Диапазон по времени - 30 сек.
На рис. 1 показаны результаты расчета расходов для первого участка, на котором проводился отбор; внизу слева тренды по левой границе, внизу справа - по правой. На левом конце участка средний расход на фронте и в начале шлейфа волны падения давления убывает примерно на 2 м3/ч, а на правом - возрастает на столько же. На коротких участках для крановых узлов этого участка также проводился расчет по замерам давления на паре датчиков одного узла. Отметим, что рассчитанные расходы через КУ имеют тенденции, противоположные тенденциям расходов на смежных сторонах участка: слева на узле расход поднялся, а на участке понизился, справа на участке повысился, а на правом узле понизился. Следовательно, на первом участке и прилегающих КУ выполняются оба признака утечки. Поскольку на узле между датчиками не должно быть утечки, то уже по волне расхода на одном КУ (левом или правом) можно сделать вывод, что утечка произошла на первом участке.
На рис. 2 представлены расчеты для этого же испытания, но на втором участке, расположенном правей участка с отбором.
Здесь на обоих концах и на соседних КУ средний расход понизился. В соответствии с признаком утечки для участка это сквозная волна. Кроме того, по признаку для одного датчика на обоих узлах также можно заключить, что волна пришла с первого участка.
На рис. 3 и 4 представлены результаты расчета для медленного отбора из этой же серии с развитием 20 сек. Здесь диапазон по времени 35 сек.
На рис. 3 для первого участка расходы слева и справа в среднем практически одинаковые. Но расчеты расхода на КУ указывают на утечку на участке: на левом узле расход увеличился, на правом - опустился. Результаты по второму участку показаны на рис. 4.
На втором участке, представленном на рис. 4, средние расходы на обоих концах участка и на крановых узлах понизились - значит, волна пришла слева.
Вторая серия отборов проводилась на другом режиме при расходе примерно 660 м3/ч и отборе около 5 м3/ч. На рис. 5 и 6 на двух участках представлен быстрый отбор на проходе фронта и в начале шлейфа волны падения давления. Общая
I Рис. 7. Серия 2, медленный отбор, участок 1
т -
Левый край участка 1
I Рис. 8. Серия 2, медленный отбор, участок 2
Правый край участка 1
I Рис. 9. Серия 3, быстрый отбор, участок 1
длительность отбора 2 мин, диапазон времени на рисунках по оси абсцисс 20 сек.
На рис. 5 для первого участка оба признака указывают на утечку, так как тенденции расходов на обоих КУ (тренды в середине рисунка) и по границам участка (нижние тренды) разные: на левой границе и правом узле расходы опустились, на правой границе и левом узле - поднялись.
На рис. 6 для второго участка волна падения давления пришла слева, так как тенденции расхода по фронту волн
I Рис. 10. Серия 3, быстрый отбор, участок 2
Левый «рай участка 2
I Рис. 11. Серия 3, медленный отбор, участок 1
I Рис. 12. Серия 3, медленный отбор, участок 2
падения давления на обоих КУ и на границах участка одинаково отрицательные.
На рис. 7 и 8 представлены результаты для медленного отбора с развитием 60 сек. На рис. 7 расходы на левой границе и правом узле уменьшились, а на левом узле и правой границе увеличились. Следовательно, утечка возникла на этом участке.
На рис. 8 даны результаты прохода волны от отбора для второго участка. Здесь все расходы по фронту волны в
среднем убывают. Поскольку все тенденции расходов отрицательные, оба признака указывают на волну слева.
Третья серия отборов проводилась при повышенном давлении и примерно том же расходе. К периоду проведения этих отборов на насосе был установлен частотно регулируемый привод (ЧРП), который после прохода волны падения давления автоматически возвращал давление на прежний уровень. На графиках рис. 9-12 фронт волны падения давления от отбора отмечен вертикальной сплошной линией, а фронт волны повышения давления от ЧРП, которая пришла от насоса, расположенного слева, отмечен штриховой линией. Диапазон по времени на этих рисунках в окрестности фронта волны выбран в 40 сек. Быстрый отбор здесь был объемом 5,1 м3/ч.
На рис. 9 для первого участка волна падения давления пришла с участка, что подтверждается разнонаправленными тенденциями расходов на границах участка и на КУ. Напротив, волна подъема давления от ЧРП (отмечена пунктиром) прошла от насоса слева, и на ней расходы всюду одинаково возрастающие.
Приведенные на рис. 10 графики для второго участка показывают, что обе волны падения и повышения давления пришли слева, так как на волне падения давления средние всех расходов убывают, а на волне повышения давления от ЧРП они возрастают.
На рис. 11 и 12 выведен медленный отбор за 60 сек. Величина отбора была 3,2 м3/ч, это примерно 0,5% объема перекачки. Диапазон времени на графиках взят 70 сек.
На рис. 11 расходы по первому участку незначительно расходятся, а признак по граничным датчикам на КУ указывает, что утечка произошла на этом участке. Напротив, расходы на волне подъема давления на обоих концах в среднем одинаково возрастают, значит, волна от ЧРП действительно пришла слева. На рис. 12 признак на правом КУ не выражен, но признаки для участка и для узла на левой границе подтверждают, что волны падения и подъема давления пришли слева.
По результатам анализа приведенных примеров реальных отборов можно сделать вывод, что на стационарном режиме метод RTFS позволяет распознавать направление волны от утечки и отличать участок с отбором от участка без отбора при развитии утечки за время от 1 до 60 секунд и размером примерно 0,5-1% объема перекачки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. API 1130: Computational Pipeline Monitoring for Liquid Pipeline. Pipeline Segment. API 1130 SECOND EDITION, NOVEMBER 2002. URL: https://law.resource.org/pub/us/cfr/ibr/002/api.1130.2002.pdf (дата обращения 25.05.2023).
2. Альперович И.В. Волновой анализ отборов жидкости и газа на лабораторной трубе // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2022. № 3-4. С. 32 - 36.
3. Альперович И.В. Численные эксперименты с методом RTFS на математической модели отборов из нефтепровода при стационарном режиме перекачки // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2023. № 2. С. 11-15.
4. Чарный И.А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах. М.: Недра, 1975. 296 с.
5. Альперович И.В. Фронт и шлейф волны от утечки в магистральном нефтепроводе // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 4. С. 29-33.
6. Альперович И.В. Сравнение отборов из магистрального нефтепровода с математической моделью утечки // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2021. № 2-3. С. 32 - 35.
7. Альперович И.В. Квазитурбулентная модель отборов из магистрального нефтепровода // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2021. № 5-6. С. 27- 30.
8. Альперович И.В. Адаптация модели утечки из магистрального нефтепровода // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2022. № 1-2. С.24-28.
9. Самарский А.А. Введение в численные методы: учеб. пособие для вузов. М.: Наука, 1987. 288 с.
10. WAVE CONTROL. URL: https://wavecontrol.info/ru/ (дата обращения 25.05.2023).
REFERENCES
1. API 1130: Computational pipeline monitoring for liquid pipeline. Pipeline segment. API 1130 SECOND EDITION, NOVEMBER 2002 Available at: https://law.resource.org/pub/us/cfr/ibr/002/api.1130.2002.pdf (accessed 25 May 2023).
2. Al'perovich I.V. Wave analysis of liquid and gas sampling on a laboratory pipe. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2022, no. 3-4, pp. 32 - 36 (In Russian).
3. Al'perovich I.V. Numerical experiments with the RTFS method on a mathematical model of extraction from an oil pipeline under stationary pumping mode. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2023, no. 2, pp. 11-15 (In Russian).
4. Charnyy I.A. Neustanovivsheyesya dvizheniye real'noy zhidkosti v trubakh [Unsteady motion of real fluid in pipes]. Moscow, Nedra Publ., 1975. 296 p.
5. Al'perovich I.V. Front and tail of a wave from a leak in a main oil pipeline. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2020, no. 4, pp. 29-33 (In Russian).
6. Al'perovich I.V. Comparison of withdrawals from the main oil pipeline with a mathematical model of leakage. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2021, no. 2-3, pp. 32 - 35 (In Russian).
7. Al'perovich I.V. Quasi-turbulent model of extraction from a main oil pipeline. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2021, no. 5-6, pp. 27- 30 (In Russian).
Альперович Илья Владимирович, к.т.н., ведущий специалист, ООО «Вэйвконтроль».
Ilya V. Al'perovich, Cand. Sci. (Tech.), Leading Specialist, Wavecontrol LLC.
