На правах рукописи

Коршунов Сергей Александрович

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКОГО МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ

УТЕЧЕК ГАЗА В ЛИНЕЙНЫХ ЧАСТЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ

ГАЗОПРОВОДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность: 05.13.18 – «Математическое моделирование, численные

методы и комплексы программ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск – 2013

Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Научноисследовательский институт экономики и организации управления в газовой промышленности»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Казак Александр Соломонович

Официальные оппоненты: Новицкий Николай Николаевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук, главный научный сотрудник Кудрявцев Илья Борисович, кандидат технических наук, Общество с ограниченной ответственностью «Научноисследовательский институт экономики и организации управления в газовой промышленности», заведующий отделом

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ухтинский государственный технический университет

Защита состоится «23» сентября 2013 года в 09.00 на заседании диссертационного совета Д003.017.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт систем энергетики Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН) по адресу:

664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 130, к. 355.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЭМ СО РАН по адресу:

Г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130, к.407.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета; 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130, к.

Автореферат разослан « 1 » августа 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук А.М. Клер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Трубопроводный транспорт имеет особое значение для газовой отрасли Российской Федерации. В настоящее время протяженность магистральных газопроводов (МГ) России составляет более тысяч километров и непрерывно возрастает. Рабочие давления МГ увеличиваются, газопроводы прокладываются во все более сложных климатических и инженерно-геологических условиях. На стадиях разработки и эксплуатации находятся такие крупные проекты, как «Голубой поток», «Южный поток», «Северный поток», «Бованенково – Ухта», «Сахалин – Хабаровск – Владивосток» и др. Реализация подобных проектов подразумевает как строительство новых МГ высокого давления, так и непрерывный контроль состояния уже существующих МГ.

По данным Ростехнадзора на линейных частях (ЛЧ) магистральных газопроводов ежегодно происходят десятки инцидентов и аварий.

Подавляющее большинство аварий происходит вследствие утечек газа, возникающих по разным причинам. Последствия таких утечек представляют серьезную опасность для человека, оборудования и окружающей среды, а также могут повлечь значительные финансово-экономические потери в виде недопоставок газа потребителям и штрафных санкций.

Данная работа посвящена практическим вопросам моделирования и обнаружения утечек газа в ЛЧ газопроводов. Отличительной особенностью работы является разработка физико-математической модели однофазного потока газа, а также алгоритмического метода определения местоположения и величины утечки газа применительно к современным МГ высокого давления (до 30 МПа).

В настоящее время на ЛЧ газопроводов активно применяются различные технические способы предотвращения утечек и диагностики состояния труб. К ним относятся гладкостные покрытия внутренней поверхности трубопроводов, закрепляемые измерительные приборы (геодезические рейки, обычные тензометры и волоконно-оптические приборы), приборы дистанционного измерения (радиолокационные установки (РЛС), устройства для определения чувствительности на намагничивание и гидроакустические системы), дефектоскопы различного типа и т.д. Однако статистика разгерметизаций на ЛЧ МГ демонстрирует, что, несмотря на современные системы контроля состояния труб, полностью исключить возможность возникновения утечек газа не представляется возможным. Кроме того, из-за специфики российских МГ (большая протяженность и существенное количество труднодоступных участков ЛЧ, сложный рельеф трассы ЛЧ) использование технических способов обнаружения утечек в таких газопроводах часто представляется весьма затруднительным или вовсе невозможным.

Помимо технических способов поиска утечек в газопроводах, основанных на использовании специализированного оборудования, существует ряд алгоритмических методов, в основе которых лежит термодинамическая теория течения газа в трубопроводе. Эти методы позволяют рассчитывать параметры потока газа в ЛЧ МГ при возникновении утечки в реальном времени, а также определять местоположение и значение объема утечки. С точки зрения универсальности применения такие методы представляются более простыми в реализации по сравнению со многими техническими способами идентификации утечек в виду меньшей трудоемкости и бесконтактности. Кроме того, применение большинства технических способов обнаружения утечек газа носит периодический характер, в то время как алгоритмические методы используются в автоматизированных системах диагностики газопровода, позволяющих предусматривающих реагирование на возникновение утечки в автоматическом режиме. Следует отметить, что существующие алгоритмические методы алгоритмические методы позволяют идентифицировать лишь местоположение утечки, без определения ее величины, другие алгоритмы идентификации утечек применимы лишь для стационарных режимов работы газопровода. Методы, трубопроводе с утечкой, следует признать наиболее точными и перспективными на данный момент. Однако многие из них основываются на линеаризованных (упрощенных) уравнениях движения газа в трубопроводе и не учитывают всех физических явлений, имеющих место на практике. Вследствие этого, рассматриваемые методы идентификации могут недостаточно точно определять местоположение утечки, в особенности, в морских ЛЧ МГ высокого давления при существенно нестационарных (переходных) режимах работы.

В связи с вышесказанным актуальность приобретает задача разработки алгоритмического метода определения параметров утечки в ЛЧ МГ высокого давления, а также моделирования неустановившихся неизотермических режимов течения газа по ЛЧ МГ высокого давления при возникновении утечки.

Исследованию использования общих одномерных уравнений газодинамики в разработке метода идентификации утечек газа в современных ЛЧ МГ высокого давления и посвящена данная работа.

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмического метода определения местоположения и величины утечки природного газа в ЛЧ газопровода, применимого для современных МГ высокого давления (до МПа) для повышения безопасности трубопроводного транспорта газа.

нестационарного неизотермического течения газа применительно к магистральным газопроводам высокого давления, а также существующих методов и средств обнаружения утечек из газопроводов определена область исследований и основные задачи диссертационной работы:

1. Разработка физико-математической модели однофазного потока газа в ЛЧ МГ высокого давления.

2. Разработка численного решения системы уравнений газодинамики, описывающих однофазный поток газа в трубопроводе, в случае неустановившегося неизотермического режима работы.

3. Оценка адекватности разработанной модели применительно к МГ высокого давления, в том числе, в случае неустановившихся неизотермических режимов их работы.

4. Разработка алгоритмического метода определения местоположения и величины утечки газа в ЛЧ МГ высокого давления.

5. Оценка применимости разработанного метода определения местоположения и величины утечки газа в ЛЧ газопровода для МГ высокого давления, в том числе, в случае неустановившихся неизотермических режимов их работы.

6. Реализация разработанного метода определения местоположения и величины утечки в виде программного модуля для ЭВМ.

Методы решения поставленных задач. Поставленные задачи решались путем теоретических и практических исследований. При решении задач использовались методы математического моделирования, математического анализа, математической физики и численные методы.

Научная новизна.

1. Сформирована физико-математическая модель однофазного потока газа в ЛЧ МГ высокого давления, адекватность применения которой неустановившихся режимов работы реальных современных МГ высокого давления.

2. В работе обоснован выбор формулы для расчета коэффициента гидравлического сопротивления при моделировании однофазного потока газа в ЛЧ газопровода, применимость которого впервые была реальных современных МГ высокого давления.

3. На основе экспериментальных данных режимов работы реальных современных МГ высокого давления в работе впервые обосновано использование общих одномерных уравнений газодинамики для расчета параметров однофазного потока газа в ЛЧ МГ высокого давления в случае существенно нестационарных режимов работы.

4. На основе построенной в работе модели однофазного потока сформирован метод идентификации местоположения и величины утечки газа в ЛЧ газопровода, для которого дополнительно на основе теоретических исследований подтверждена его применимость для неустановившихся неизотермических режимах работы.

5. Разработан программный модуль для ЭВМ, в котором в первые реализован сформированный метод идентификации местоположения и величины утечки газа в ЛЧ газопровода применительно к МГ высокого Практическая значимость реализации работы.

Сформированная в работе физико-математическая модель однофазного потока газа в ЛЧ газопровода была успешно использована для расчета различных режимов работы магистральных газопроводов высокого давления «Голубой поток» и «Северный поток» и показала хорошую согласованность с экспериментальными данными. Указанная выше модель позволит с повышенной точностью по сравнению с линеаризованными гидравлическими моделями рассчитывать распределения параметров потока в современных МГ высокого давления, в том числе в случае неустановившихся режимов работы, характерных для возникновения нештатных ситуаций. В настоящий момент ведутся работы по адаптации и использованию разработанного в диссертации метода идентификации утечек в разработке программного комплекса определения местоположений и объемов утечек газа в ЛЧ газопроводов газотранспортной системы Боливарианской Республики Венесуэла. Также сформированный в работе метод идентификации утечек в ЛЧ газопровода может быть адаптирован к реальным объектам (ЛЧ МГ высокого давления) и использован в существующих системах контроля утечек (СКУ) для повышения безопасности транспорта газа по МГ высокого давления.

На защиту выносятся результаты теоретических исследований, имеющих практическую и научную ценность, а именно:

1. Физико-математическая модель однофазного потока газа в ЛЧ газопровода применительно к МГ высокого давления.

2. Алгоритм численного решения системы уравнений газодинамики, описывающих однофазный поток газа в трубопроводе, в случае реализованный в виде программного модуля для ЭВМ.

сформированной физико-математической модели однофазного потока газа в ЛЧ газопровода.

величины утечки газа в ЛЧ газопровода применительно к МГ высокого давления, реализованный в виде программного модуля для докладывались и обсуждались на конференциях: VIII Всероссийская научнотехническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», г. Москва, Февраль 2010 г.; VII научно-практическая конференция молодых специалистов и ученых «Инновации в нефтегазовой отрасли», г. Ухта, Июнь-Июль 2010 г.; IV Международная научно-техническая конференция «Газотранспортные системы: настоящее и будущее», г. Москва, Октябрь 2011 г.

опубликованы в 7 научных трудах, в том числе 5 статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ, и 2 тезисах и материалах Международных и Всероссийских конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, одного приложения и библиографического списка, включающего 81 наименование. Работа изложена на 207 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц и 59 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, приведены положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе представлен научный обзор известных технических и алгоритмических методов обнаружения утечек в газопроводах, проанализированы их основные достоинства и недостатки. Среди технических методов диагностики внутреннего состояния трубопровода рассмотрены такие, как лазерный газоаналитический метод, метод вихревых токов, магнитные методы контроля и др. Рассмотренные в работе алгоритмические методы можно разделить на три группы:

1. Методы на основе статистического анализа динамики параметров потока газа по данным телеизмерений без моделирования самого процесса транспорта газа по ЛЧ. Среди таких методов рассмотрены рассчитанного локального градиента падения давления, и метод, используемый в программном комплексе ATMOSTM Pipe (компания 2. Методы на основе моделирования работы газопровода с утечкой. В ходе обзора методов данной группы в работе были рассмотрены труды О.Ф. Васильева, С.А. Сарданашвили, А.С. Казака и др.

3. Комплексные методы обнаружения утечек и идентификации их параметров. В ходе обзора методов данной группы подробно была рассмотрена интеллектуальная система обнаружения утечек и несанкционированных отборов из конденсатопроводов, разработанная А.Д. Тевяшевым и др. Указанная система объединяет в себе основные идеи методов первых двух групп.

Также в главе представлен краткий обзор научных исследований в области динамики однофазного потока газа в трубопроводе и выделены труды таких отечественных ученых, как В.В. Алешина, О.Ф. Васильева, А.Ф.

Воеводина, З.Т. Галиуллина, Б.Л. Кривошеина, М.В. Лурье, С.Н. Прялова, В.П.

Радченко, В.Е. Селезнева, В.А. Сулейманова, Ф.Г. Темпеля, И.Е. Ходановича, Ф.Б. Абуталиева, С.А. Бобровского, Р.С. Буханцевой, М.А. Гусейнзаде, Е.С.

Калашниковой, С.Г. Щербакова и др.

Также в главе кратко рассмотрены наиболее известные зарубежные программные комплексы по моделированию параметров потока в газопроводах, к которым относятся OLGA (разработчик SPT Group, Норвегия) и SIMONE (разработчик Research Group, s.r.o.). В работе анализируются некоторые особенности физико-математических моделей, используемых в указанных программных продуктах. При этом также отмечается, что существенное количество данных, положенных в их основу является коммерческой тайной.

На основе аналитического обзора статистических данных по аварийным разгерметизациям на газопроводах, анализа влияния вероятных размеров утечек на диапазон применимости алгоритмических методов для определения их параметров, а также сравнительного анализа общих и линеаризованных уравнений газовой динамики в первой главе диссертации приведено обоснование для развития алгоритмических методов обнаружения утечек газа применительно к ЛЧ МГ высокого давления. С целью оценки риска возникновения утечек и определения их характерных размеров анализируются данные по авариям как на российских, так и на европейских газопроводах.

Однако в качестве основы для статистического анализа причин возникновения утечек газа на современных ЛЧ МГ высокого давления рассматривается база данных Европейской группы по данным об инцидентах на газопроводах (EGIG), что связано с тем, что аварийность российских газопроводов обусловлена, в первую очередь, старением основных фондов (главные системы газопроводов были построены в 1960-1980 гг., в настоящее время свыше 40% МГ эксплуатируются более 30 лет). Таким образом, российские статистические трубопроводов, и, следовательно, их использование для оценки вероятности современных МГ высокого давления не является корректным в полной мере.

Вторая глава диссертации посвящена разработке физико-математической модели однофазного потока газа в ЛЧ МГ высокого давления, в основе которой представленная формулой 1.

где P – давление в газопроводе, T – температура газа, – плотность газа, – скорость потока газа, x – текущая координата длины газопровода, t – время, d – внутренний диаметр трубы, – коэффициент гидравлического сопротивления, – угол наклона газопровода к горизонту, H – высота от рассматриваемой точки газопровода до уровня моря, – удельная внутренняя энергия газа, h – удельная энтальпия газа, g – ускорение свободного падения, TОС – температура окружающей среды, K – коэффициент общей теплопередачи от газа в окружающую среду.

Рассмотрен вопрос корректности постановки граничных условий в задаче расчета параметров однофазного потока газа в рельефном трубопроводе постоянного сечения. В частности, для корректной постановки краевой задачи для неустановившегося неизотермического режима, граничное условие по температуре на входе и на выходе ЛЧ газопровода предлагается задавать в зависимости от направления течения газа в трубе:

где Gгр1 – граничное значение расхода в начале участка газопровода;

Gгр 2 – граничное значение расхода в конце участка газопровода;

Tгр1 – граничное значение температуры в начале участка газопровода;

Tгр 2 – граничное значение температуры в конце участка газопровода;

Ti i 0,1, 2, N 2, N 1, N – узловые значения температуры в различных точках разбиения координатной оси вдоль газопровода;

N – номер последней точки разбиения координатной оси вдоль газопровода.

Как видно из приведенной системы, если газ втекает в трубу с обоих концов газопровода ( Gгр1 0, Gгр2 0 ), то используются оба граничных условия по температуре Tгр1 и Tгр 2. Если же газ вытекает из обоих концов газопровода ( Gгр1 0, Gгр2 0 ), то температура газа в этих точках определяется на основе линейной интерполяции значений температуры в соседних узлах, так как ее определяет температура «набегающего» потока газа. Если же газ течет по трубе в одном направлении, то используется только одно граничное условие по температуре газа, в зависимости от знака массового расхода.

Кратко рассмотрен вопрос выбора уравнения состояния, используемого для расчета теплофизических свойств газа. Проведен сравнительный анализ уравнения Бенедикта, Вебба и Рубина с трехпараметрической корреляцией Питцера, предложенного Ли и Кесслером (BWR-LK) и уравнения состояния экспериментальных и рассчитанных с использованием уравнений BWR-LK и AGA 8 значений коэффициента сжимаемости реальной газовой смеси (пример расчетов представлен на рисунке 1) в работе для расчетов теплофизических свойств природного газа используется уравнение BWR-LK, в виду большей простоты реализации и скорости численного решения уравнения.

Рисунок 1 – Зависимость коэффициента сжимаемости от давления при температуре 305 К Для выбранного в работе уравнения состояния также рассматривается область применимости по давлению и температуре для оценки корректности расчета свойств газа в магистральных газопроводах при высоких давлениях.

Приведен алгоритм построения неявной по времени консервативной разностной схемы, на основе которой сформированы алгебраические уравнения, являющиеся разностными аналогами исходных уравнений в частных производных, описывающих неустановившееся неизотермическое течение газа в рельефном газопроводе постоянного сечения. Узловые значения параметров потока газа вдоль трубопровода, соответствующие построенной разностной схеме, представлены ниже на рисунке 2. Разностные аналоги уравнений неразрывности, движения и теплопередачи имеют следующий вид:

где сеточные значения любых функций, определяются как Рисунок 2 – Расположение узловых значений давления, расхода и температуры вдоль трубопровода Основным результатом второй главы диссертации является разработка алгоритма решения задачи расчета параметров однофазного потока газа в ЛЧ МГ высокого давления на основе общих одномерных уравнений газовой динамики для всех типов корректной постановки граничных условий, как в неустановившегося неизотермического расчета параметров потока газа в ЛЧ газопровода разработанный алгоритм расчета одного временного шага кратко можно сформулировать следующим образом:

Построить двумерную сетку по координате и по времени для получения узловых значений давления, расхода и температуры, как показано выше;

разностные аналоги в виде алгебраических уравнений (3), (считая, что теплофизические свойства газа являются известными функциями давления и температуры, задаваемыми уравнением состояния BWR-LK, а начальные распределения параметров потока известны из некоторого стационарного решения);

В зависимости от постановки граничных условий сформировать полную систему уравнений с использованием граничных условий по температуре вариационный ряд до первого члена) и численно найти все необходимые частные производные (коэффициенты разложения);

Полученную систему линейных уравнений переписать в матричном виде и получить блочно-трехдиагональную систему уравнений;

Решить полученную матричную систему уравнений методом прогонки и найти векторы неизвестных параметров потока во всех точках разбиения вдоль ЛЧ газопровода на следующем временном шаге;

Проверить, являются ли полученные распределения расхода, давления и температуры решением исходной системы разностных уравнений (3). Если ответ положительный, то итерационный процесс следует завершить. Если нет, то полученные распределения параметров потока газа следует считать новым начальным приближением решения исходной системы уравнений и вернуться к пункту 4 данного алгоритма.

Описанный выше итерационный процесс следует продолжать до тех пор, пока с заданной точностью не будут найдены искомые распределения параметров потока газа на следующем временном слое, или число итераций не превысит некоторое выбранное ограничение.

корректности использования разработанной модели потока газа применительно к МГ высокого давления. Приведен сравнительный анализ различных формул для расчета коэффициента гидравлического сопротивления с точки зрения применимости к МГ высокого давления. На рисунке 3 приведен пример сравнения расчетов распределения давления по времени на выходе гидравлического сопротивления с фактическими данными.

Рисунок 3 – Давление на выходе трубопровода по различным формулам гидравлического сопротивления На рисунке 4 приведен пример сравнения зависимости относительной ошибки расчётов по давлению на выходе существующего МГ от числа Рейнольдса на входе газопровода для различных формул гидравлического сопротивления. На основе полученных результатов в диссертации для дальнейших расчетов коэффициента гидравлического сопротивления МГ высокого давления используется формула Альтшуля, имеющая следующий вид:

где Re – число Рейнольдса, k – коэффициент эквивалентной шероховатости, D – внутренний диаметр газопровода.

Рисунок 4 – Зависимость относительной ошибки по давлению от числа Рейнольдса Рассмотрен алгоритм идентификации параметров сформированной модели потока газа с целью ее адаптации к реальным МГ высокого давления.

На рисунке 5 приведен пример сравнения расчетов распределения температуры по времени на выходе существующего МГ с использованием адаптации модели и без нее.

Рисунок 5 – Температура газа в конце участка существующего МГ высокого давления В главе также была рассмотрена область применимости по давлению и температуре для общих одномерных уравнений газодинамики, и сделан вывод о корректности их использования во всем диапазоне режимных параметров существующих и строящихся МГ высокого давления.

Далее с целью сокращения времени проведения численных расчетов в главе была проанализирована область применимости одномерных уравнений газодинамики по скорости изменения граничных условий для использования в модели однофазного потока газа в ЛЧ газопровода, и сделан вывод о корректности использования линеаризованных уравнений газодинамики в случае медленно меняющихся граничных значений параметров потока; в случае высоких скоростей изменения граничных условий к использованию рекомендуется система общих одномерных уравнений газодинамики. На примере существующего ЛЧ МГ высокого давления формулируется критерий корректности использования системы линеаризованных (упрощенных) уравнений газовой динамики в зависимости от скорости изменения граничных условий. При этом в работе отмечено, что такой критерий должен формулироваться отдельно для каждого газопровода и не может быть общим.

Пример сравнения результатов расчета параметров потока для рассмотренного газодинамических уравнений с реальными данными измерений датчиков давления и температуры, установленных на выходе линейного участка, приведен ниже на рисунке 6.

Рисунок 6 – Сравнение расчетных и реальных данных по давлению на выходе линейного участка существующего МГ высокого давления (последовательное прекращение подачи газа на два и на один час) На основе анализа результатов расчета параметров потока газа в ЛЧ существующего МГ высокого давления, как в случае стационарных, так и нестационарных режимов его работы, проводится оценка адекватности использования разработанной модели потока газа применительно к МГ высокого давления с использованием одновыборочного статистического критерия согласия Стьюдента. На рисунке 7 приведен пример расчета давления на выходе линейного участка существующего МГ высокого давления с использованием разработанной физико-математической модели.

Рисунок 7 – Давление в конце участка существующего МГ высокого давления На основе полученных результатов в третьей главе диссертации сделан вывод об адекватности работы рассматриваемой физико-математической модели применительно к ЛЧ МГ высокого давления.

Четвертая глава диссертации посвящена вопросам моделирования и обнаружения утечек газа в ЛЧ МГ высокого давления. Разработанная во второй главе физико-математическая модель однофазного потока газа в ЛЧ МГ высокого давления обобщается для случая наличия утечки в газопроводе.

Система уравнений для расчета параметров потока газа в ЛЧ газопровода с утечкой (для граничных условий давление и температура в начале, расход в конце) представлен формулой (6).

где последние три уравнения описывают параметры потока газа на левой и правой границах известной утечки. Первые два из этих уравнений отображают возникновения утечки. Третье уравнение – уравнение баланса для массового расхода.

Далее в главе рассматриваются различные типы постановки и алгоритм решения задачи идентификации параметров утечки в ЛЧ МГ высокого давления. Отмечается, что указанная задача в общем виде является идентификации сформированной модели потока в ЛЧ газопровода, и алгоритм ее решения основан на многократном решении прямой задачи расчета параметров потока в ЛЧ при помощи использования сформированной обобщенной модели однофазного потока в газопроводе с утечкой. При этом критерием определения параметров утечки является условие минимума для некоторых функционалов невязок, зависящих от временных рядов имеющихся (измеренных) параметров потока на концах ЛЧ, а также от самих искомых минимизации функционалов невязок в главе рассматривается их структура в случае установившихся граничных условий, а именно, их зависимость от массового расхода и координаты утечки. Пример такой зависимости в виде трехмерной поверхности представлен на рисунке 8.

Рисунок 8 – Зависимость основного функционала невязки E t, xl, от значения расхода и координаты утечки Построенные поверхности функционалов невязок показали корректность постановки и возможность решения задачи идентификации параметров утечки при помощи сформированного в работе алгоритма.

Далее в работе была проведена проверка работоспособности сформированного метода на основе экспериментальных данных с использованием реального газопровода по имитации утечек. Длина газопровода составляла 100 метров, расход газа (бутана) 1,5 м3 /мин. В середине трубопровода был установлен клапан переменного сечения, имитирующий утечку газа. Расчеты проводились для переходного (после возникновения утечки) режима работы газопровода, а также для различных значений величины утечки. В качестве исходных данных для моделирования были использованы значения давления в начале и в конце газопровода. В качестве дополнительных данных для построения функционалов невязок были использованы значения массового расхода в начале и в конце газопровода Результаты расчетов местоположения и величины утечки представлены ниже в таблице 1.

Таблица 1 – сравнение экспериментальных и расчетных данных о параметрах утечки в газопроводе Полученные значения погрешностей определения местоположения и величины утечки газа не превосходят порядок аппроксимации разностной работоспособность построенного метода идентификации параметров утечки в ЛЧ газопровода.

В пятой главе приводится описание программных модулей (их назначения, возможностей и архитектуры), реализованных автором в ходе построения модели расчета параметров однофазного потока газа, а также метода идентификации параметров утечки в ЛЧ МГ.

Шестая глава посвящена анализу результатов применения построенной обобщенной модели однофазного потока газа и метода идентификации утечки для ЛЧ МГ высокого давления.

В первом разделе главы моделируется МГ высокого давления с утечкой и производится расчет параметров потока газа, как для стационарных, так и для нестационарных граничных условий. Строятся графики распределений давления, расхода и температуры газа, демонстрирующие особенности динамики параметров однофазного потока в ЛЧ МГ высокого давления в случае возникновения утечки. Пример такого графика для массового расхода приведен ниже на рисунке 9.

Рисунок 9 – Распределение массового расхода при возникновении утечки;

тип стационарных граничных условий: давление в начале и в конце газопровода, температура в начале газопровода На основании проведенных расчетов сформулирован вывод о том, что возникновение даже сравнительно небольшой утечки (1,5% от среднего массового расхода в трубе), при отсутствии контроля давления на каждом из концов линейного участка может привести к нештатной ситуации, обусловленной снижением давления на одном или двух концах линейного участка. Данный вывод подтверждает необходимость своевременного обнаружения и устранения утечки в ЛЧ МГ.

Во втором разделе шестой главы анализируются результаты применения разработанного метода идентификации параметров утечки газа в ЛЧ смоделированного МГ высокого давления на основе данных, полученных с использованием разработанной обобщенной модели однофазного потока в газопроводе с утечкой. Примеры полученных результатов представлены в таблице 2 и на рисунке 10.

местоположение варьируется) Местоположение утечки, м местоположения местоположения Величина утечки, кг/с величины Расчетное Фактическое утечки, м утечки, % Расчетная Фактическая утечки, кг/с Рисунок 10 – Зависимость погрешности определения местоположения утечки от фактического местоположения утечки На основании проведенных расчетов сформулирован вывод о том, что наибольшие погрешности в определении местоположения утечки достигаются в середине участка газопровода, на максимальном удалении от «замеров»

(предварительно смоделированных данных) давления, расхода и температуры, а также о том, что точность определения местоположения утечки по трассе ЛЧ МГ увеличивается по мере увеличения размера утечки.

В третьем разделе главы с целью обоснования корректности применения сформированного метода на практике рассматривается вопрос влияния погрешностей измерений на точность решения задачи идентификации параметров утечки. Для временных рядов «измерений» (предварительно смоделированных данных на основе разработанной модели ЛЧ с утечкой) на концах ЛЧ газопровода, необходимых для решения задачи идентификации утечки с помощью сформированного метода, на основе существующих допустимых пределов ошибочных отклонений показаний расходомеров и манометров, соответствующих «СТО Газпром 5.37 - 2011», были получены аналогичные временные ряды значений, с учетом случайных (нормально распределенных) погрешностей измерения. Далее, для сформированных временных рядов измерений с учетом погрешностей, на основе метода МонтеКарло были построены распределения, получаемых из решения задачи идентификации, местоположения и расхода утечки. Полученные распределения значений параметров оказались близкими к нормальным. При этом максимальное отклонение идентифицированного местоположения утечки, обусловленное погрешностью измерений, от точного значения не превысило 300 м для ЛЧ газопровода длиной 400 км. Таким образом, полученные результаты продемонстрировали устойчивость сформированного метода определения параметров утечки и возможность его применения на практике.

В заключении приводятся основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:

Сформирована физико-математическая модель однофазного потока газа в ЛЧ МГ высокого давления, адекватность применения которой впервые была подтверждена на экспериментальных данных неустановившихся режимов работы реальных современных МГ высокого давления, и использование линеаризованными гидравлическими моделями рассчитывать распределения параметров потока в современных МГ высокого давления.

Сформирован алгоритм численного решения системы общих одномерных уравнений газодинамики, позволяющий рассчитывать распределения неустановившихся неизотермических режимов работы, в том числе при возникновении утечки и аварийном закрытии линейного участка.

Проведены исследования диапазонов применимости сформированной физико-математической модели однофазного потока газа в ЛЧ газопровода, демонстрирующие корректность ее использования во всем диапазоне режимных параметров существующих и строящихся современных МГ высокого давления.

сформирован метод идентификации местоположения и величины утечки газа в ЛЧ газопровода, для которого дополнительно на основе экспериментальных данных подтверждена его работоспособность и на основе теоретических исследований обоснована его применимость для современных МГ высокого давления, в том числе, при неустановившихся неизотермических режимах работы.

Разработан программный модуль для ЭВМ, в котором в первые реализован сформированный метод идентификации местоположения и величины утечки газа в ЛЧ газопровода применительно к МГ высокого давления.

Коршунов С.А. Аспекты анализа рисков крупных нефтегазовых проектов [1] // Труды Российского государственного университета нефти и газа им. И.М.

Губкина. – 2011. – №1. – С. 127-136.

[2] возникновении утечки // Газовая промышленность. – 2012. – №4. – С. 44-47.

Коршунов С.А., Чионов А.М., Казак К.А., Казак А.С., Кулик В.С., [3] Бушмелева А.В., Котенев В.М. Метод обнаружения утечки газа в линейной части газопровода // Трубопроводный транспорт: теория и практика. – 2013. – №1. – С. 14-21.

Казак А.С., Стурейко И.О., Казак К.А., Чионов А.М., Коршунов С.А., [4] Бушмелева А.В. Метод расчета неустановившихся режимов транспортировки газа по линейному участку магистрального газопровода при возникновении утечки // Тезисы докладов IV Международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее (GTS-2011)».

– М.: Газпром ВНИИГАЗ. – 2011. – С. 29.

Казак К.А., Коршунов С.А., Стурейко И.О., Чионов А.М. Разработка [5] требований для метода обнаружения утечек в магистральных газопроводах // Трубопроводный транспорт: теория и практика. – 2011. – №1. – С. 24-26.

Кулик В.С., Коршунов С.А., Казак К.А., Чионов А.М., Казак А.С. Об [6] использовании различных формул коэффициента гидравлического сопротивления для расчета параметров потока в газопроводах высокого давления // Трубопроводный транспорт [теория и практика]. – 2012. – №3. – С.

34-37.

Казак К.А., Чионов А.М., Коршунов С.А., Кулик В.С., Казак А.С.

[7] Идентификация неизмеряемых параметров газопровода для моделирования параметров потока газа // Трубопроводный транспорт: теория и практика. – 2012. – №2. – С. 36-41.

Подписано в печать 24 июля 2013 года Объем 1 уч.-изд. л. Формат 60Х84/ Отпечатано в ООО «НИИгазэкономика», Ул. Старая Басманная, д. 20, стр.