авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 ||

Повышение энергоэффективности магистрального транспорта нефти методами имитационного моделирования

-- [ Страница 2 ] --

Результаты расчета области возможных режимов эксплуатации нефтепровода показали, что в условиях широкого выбора и дискретности области решений показана необходимость автоматизации разработки производственной программы. Для исследования была предложена конструктивная схема участка магистрального нефтепровода, в которой были выделены следующие элементы:

  • насосный агрегат;
  • запорное устройство на лупинге, байпасе;
  • подкачка/сброс;
  • регулирующее устройство.

При разработке решения рассмотрены характерные состояния элементов, предложены способы их кодирования. На основе предложенной схемы участка с применением аппарата генетического алгоритма разработан образец решения, описывающий технологический режим работы нефтепровода в виде битовой строки, учитывающей конструктивные особенности системы.

Согласно предложенному способу кодирования разработан алгоритм формирования оптимального план-графика, где каждое решение представляет собой битовую строку (хромосому), в которой закодирована последовательность переключения режимов работы и продолжительность работы на каждом из них.

Центральным элементом решения генетическим алгоритмом является целевая функция (функция пригодности) - критерий отбора потенциальных решений из множества допустимых значений. В данной работе обосновано использование целевой функции , характеризующей затраты энергии на перекачку:

где - тариф на электроэнергию,

- плотность перекачиваемой нефти, ;

Qi – объемный расход нефти на i-ом режиме работы, ;

hi – потери напора на трение на i-ом режиме работы, ;

– продолжительность работы на i-ом режиме работы, ;

- потери электроэнергии на переходных процессах, ;

tшф - штрафные санкции за несвоевременное выполнение обязательств по перекачке, руб.

Таким образом, предлагаемый алгоритм формирования план-графика загрузки нефтепровода возможные варианты загрузки нефтепровода в денежном эквиваленте, позволяет уменьшить количество переключений с режима на режим и оптимизировать время перекачки.

В третьей главе приведено построение адаптивной феноменологической имитационной модели участка магистрального нефтепровода.

Приведен анализ имеющихся в данное время математических моделей, применяемых при моделировании промышленных объектов, показаны их достоинства и недостатки для мониторинга актуального состояния нефтепровода. Выявлено, что адаптивные модели позволяют повысить точность расчетов, не усложняя имитационную модель. Изложены принципы актуализации настраиваемых параметров по данным системы вдольтрассовой телемеханики. Рассмотрены основные виды осложнений образующихся при эксплуатации магистрального нефтепровода, выявлено их влияние на характеристики работы трубопровода.

Анализ возможности современных систем SCADA показал, что погрешность измерения физических величин менее 1,5%, количество контролируемых параметров равно четырем: давление (P), температура (T), расход (Q) и время регистрации параметра (). На основе анализа доказана возможность настройки четырех адаптивных параметров:

  • коэффициент изменения проходного сечения трубопровода - ;
  • коэффициент оценки эффективной вязкости - ;
  • коэффициент инерционности переходного процесса - .

В отличие от адаптивных параметров стохастических или абстрактных моделей предложенные коэффициенты имеют физический смысл, и поэтому могут иметь оценку во всём диапазоне изменения их значений.

Разработка адаптивной модели основывается на классических моделях гидромеханики. Базой построения модели движения нефти по трубам являются работы Н.Е. Жуковского, Л.С. Лейбензона, И.А.Чарного и Г.Д. Розенберга. Исследованию динамики течения и процессов теплообмена при перекачке нефтей посвящен ряд работ таких авторов как Черникин В.И., Тугунов П.И., Губин В.Е., Новоселов В.Ф., Юфин В.А., Гаррис Н.А., Абрамзон Л.С., Губин В.В., Новоселов В.В. и другие. В большинстве этих работ моделирование теплового режима трубопровода производится по методике Шухова, основанной на усреднении температур и скоростей по сечению трубопровода. Выявлено, что данный подход не обеспечивает достаточную точность расчета.

Математическая модель режимов работы трубопровода представлена ниже.

Уравнение движения, энергии в адаптивной форме выглядит следующим образом:

с граничными условиями:

где - безразмерный параметр Био, - внешний коэффициент теплоотдачи, ; - коэффициент теплопроводности нефти, .

Уравнение неразрывности потока

.

Реализация математической модели состоит в решении нелинейных неста­ционарных дифференциальных уравнений движения и энергии, основой по­строения которых является аппроксимационная реологическая модель. Задача по моделированию режимов работы трубопровода является сим­метричной относительно оси трубопровода и решается в цилиндрических коор­динатах в двумерной постановке (по радиусу и длине). Для моделирования не­стационарного процесса вводятся шаги по времени.

Для численного решения задачи предложено ипользовать трехмерную сетку, введя безразмерные шаги по радиусу (), длине () и размерный по времени (). Сеточная область решения задачи представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Сеточная область решения задачи

Искомыми функциями являются:

  1. функция температуры ;
  2. функция скорости ;
  3. функция потерь напора на трение ,

где - время, прошедшее с начала пуска, - расстояние до стенки трубопровода, - расстояние от начала трубопровода.

Искомые функции температуры и скорости находятся в области .

Моделирование различных режимов работы трубопровода проводится по следующему алгоритму: численно моделируется стационарный режим работы, в котором принимается . В результате получаем температурное и скоростное поля, а также кривую гидравлического уклона. Температурное поле, полученное в результате моделирования стационарного режима работы, является начальным условием при решении задачи остывания трубопровода. При моделировании процесса остывания трубопровода , поэтому работает только уравнение теплопроводности.

При моделировании нестационарного режима работы начальными условиями могут быть либо температурное и скоростное поля, полученные при моделировании стационарного режима перекачки (моделируется переходной процесс), либо температурное поле, полученное в результате решения задачи остывания (моделируется процесс возобновления течения после остановки).

Уравнение движения нестационарного случая выглядит следующим образом:

.

Граничные условия:

начальные условия:

,

где - эффективный радиус трубопровода, - средняя скорость, м/с; - эффективная вязкость жидкости, ; - предельное напряжение сдвига, Па; - плотность нефти, ; - удельная теплоемкость жидкости, .

Решение уравнения движения усложняется появлением седиментированного слоя на стенку трубы, уравнение имеет неопределенную область решения. Область решения находится на каждом шаге по длине отдельно путем варьирования переменной величиной , которая подбирается исходя из условия постоянства расхода.

Решение данных уравнений конечно - разностным методом (ме­тодом прогонки) получаем распределение температур и скоростей, а также кривую гидравлического уклона вдоль трассы трубопровода в каждый момент времени.

Проведенные результаты численного эксперимента по сопоставлению фактических и расчетных технологических параметров для нефтепровода «Холмогоры-Клин» и «Сургут-Полоцк» на участке «Платина-Пермь» и «Пермь-Лазарево», «Лазарево-Клин» по данным на 2007 год показали, что точность предлагаемой модели составляет менее 6%. Что позволяет производить теплогидравлический расчет работы нефтепровода с большей точностью.

В четвертой главе изложены результаты разработки средств оперативной адаптации имитационной модели эксплуатационного участка магистрального нефтепровода. Целью является формирование программных средств расчета параметров адаптации математической модели согласно данным системы SCADA.

На основе возможности современных систем телемеханики по набору и точности регистрируемых параметров доказано, что по регистрируемому на концах участка изменению давления наиболее достоверно оценивать живое сечение трубопровода, чем эффективную вязкость. Анализ погрешности регистрации физических параметров в современных системах SCADA показывает, что погрешность определения диаметра проходного сечения трубопровода незначительно зависит от погрешности в оценке вязкости в турбулентном режиме эксплуатации (0,05/ +0,78%, при m=0,25) и несколько возрастает при переходе в ламинарный режим течения нефти (0,25/ + 1,5%, при m=1). Решение обратных задач гидромеханики по единичным локальным значениям входных параметров дает большую погрешность всего расчета, что ставит под сомнение необходимость его выполнения.

С целью повышения точности и оперативности расчета модели участка магистрального нефтепровода параметры адаптации рассчитываются по данным системы телемеханики. Выявлено, что значения исходного параметра (P,Q,T) подвержены влиянию случайных ошибок. Для более эффективной обработки статистических данных фактических режимов методология разработана на основе работы с временными рядами. В результате получено повышение точности расчета за счет множественных оценок входных значений.

В качестве критерия достоверности входных параметров (P,Q,T) предложено использовать отклонение на определенный (заданный) процент от соседних значений. Также недостоверными являются нулевые значения параметров. На основе критерия достоверности разработан алгоритм фильтрации исходных параметров (P,Q,T). Результатом работы алгоритма является массив входных данных, значения которого удовлетворяют параметрам фильтрации. Графическое отображение работы алгоритма представлено на рисунке 3.

1 – без фильтрации входного параметра; 2 – с значением критерия достоверности 10%

Рисунок 3 – Изменение вязкости нефти на выходе НПС «Астрахань»

С целью увеличения количества значений входных параметров участвующих в расчете параметров адаптации предложено восстанавливать ложные значения. Разработан алгоритм восстановления недостоверного значения входного параметра (P,Q,T). Алгоритм восстановления значения параметра основан на нахождении значения функции в точке, проходящей через две точки (значения которых являются достоверными), аппроксимирующей функцией является уравнение прямой. В результате выполнения этого алгоритма мы получим массив данных, элементы которого будут достоверны при заданном пороге отклонения.

Анализ работы магистрального нефтепровода показал, что около 80-90% времени магистральный нефтепровода работает на стационарных режимах, поэтому был разработан алгоритм определения интервалов времени работы нефтепровода на стационарных режимах. Для определения интервалов времени введены и использованы критерии стационарности при поиске интервалов времени. Определение стационарных режимов эксплуатации производится в три шага:

1. Определение периодов времени работы каждой НПС в отдельности

2. Сравнительный анализ временных интервалов по стационарным режимам, найденным для каждого участка по всему трубопроводу.

3. Определение стационарных режимов для всего трубопровода.

Следующим шагом является расчет адаптивных коэффициентов (, , ) по данным системы SCADA. Предложенный алгоритм расчета параметров основан на решении обратных задач гидромеханики, в определении адаптивных параметров используются данные по перепаду давления, производительности и температуре.

Как дополнительной мерой проверки расчета адаптивных параметров производится построение сплайн-поверхности «Время-диаметр-вязкость», рисунок 4.

 Сплайн-поверхность «Время-Диаметр-Вязкость» Виртуальное построение-48

Рисунок 4 - Сплайн-поверхность «Время-Диаметр-Вязкость»

Виртуальное построение сплайн-поверхности является эффективным средством анализа входных данных на достоверность и позволяет в мониторинговом режиме производить интервальную оценку взаимозависимых параметров, таких как характерный диаметр проходного сечения трубопровода и кажущуюся вязкость перекачиваемого продукта.

В пятой главе рассмотрено применение имитационного моделирования для решения частных технологических задач магистрального транспорта нефти. Целью является повышение эффективности решений принимаемых диспетчерским персоналом по управлению участком магистрального нефтепровода.

В первом параграфе главы представлена реализация средств оптимизации и согласования производительности участков между НПС нефтепровода. Цель – оперативное регулирование режимов работы участков нефтепровода и насосных станций. Разработанный программный модуль распределяет величину дросселирования согласно принципам работы системы автоматического регулирования и позволяет обеспечивать минимальное давление на стенку нефтепровода.

Во втором параграфе приводится разработка алгоритма определения местоположения перевальной точки и самотечных участков на трассе нефтепровода. Работа алгоритма основана на верификации значений давления в нефтепроводе в каждой точке профиля, на наличие зон с отрицательным расчетным значением.

В третьем параграфе приводится процедура отслеживания графика движения партий нефти на участках нефтепровода. На основе анализа данных поточного вязкозиметра выявлены критерии отклонения и разработан алгоритм формализующий данную процедуру.

В четвертом параграфе главы показаны результаты разработки элементов экспертной системы для решения задачи повышения энергоэффективности магистрального транспорта нефти.

Предлагаемые программы позволяют увеличить безопасность эксплуатации трубопровода, за счет прогнозирования принятия решений и использования допустимых режимов работы.


Основные Выводы

Результатом выполненных исследований является развитие теории и методов решения задач рациональной эксплуатации систем магистральных нефтепроводов. Основу выполненных исследований составляют комплексы математических моделей и алгоритмов решения задач определения оптимальных план-графиков загрузки нефтепроводов и повышения эффективности управления магистральными нефтепроводами.

1 Применение предложенной методики формирования оптимальных план-графиков загрузки технологического участка трубопровода, с применением аппарата генетических алгоритмов, на действующих магистральных нефтепроводах позволяет получить экономию электроэнергии от 4,5-6,5% до 15,4-18%.

2 Предложенные алгоритмы адаптации математической модели участка магистрального нефтепровода с тремя ключевыми параметрами позволяют снизить погрешность расчета до 6%.

3 Получены устойчивые процедуры определения адаптивных параметров путем решения обратных задач гидромеханики для каждого локального значения. Рассчитаны значения изменений параметров эффективной вязкости = 1,05-1,44 и эффективного проходного сечения = 0,85-0,96.

4 Применение разработанной адаптивной модели и алгоритмов:

  • на нефтепроводе «Тенгиз-Морской терминал» при решении задачи повышения эффективности эксплуатации нефтепровода позволило определить эффективность применения депрессорной присадки;
  • на нефтепроводе «Холмогоры-Клин» и «Сургут-Полоцк» при решении задач оптимизации транспорта нефти позволило сократить затраты электроэнергии до 5%;
  • на нефтепроводе «Баку-Тихорецк» оценить возможность перекачки нефти без разбавителей, что позволило повысить надежность эксплуатации нефтепровода в условиях сложного рельефа местности.

Основные результаты работы опубликованы

в следующих научных трудах

  1. Катанов Р.Ш. Утечки и несанкционированные врезки в магистральном транспорте углеводородного сырья / Катанов Р.Ш., Кутуков С.Е.// Материалы 55 научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Секция трубопроводного транспорта. Уфа: УГНТУ, 2004. С.147.
  2. Катанов Р.Ш. Очистка внутренней полости трубопровода от парафино-смолистых отложений / Катанов Р.Ш., Кутуков С.Е. // Материалы 56 научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Секция трубопроводного транспорта. Уфа: УГНТУ, 2005. С.99.
  3. Катанов Р.Ш. Моделирование процесса очистки полости технологического трубопровода // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: тезисы докладов/ИПТЭР. Уфа, 2005. С. 103-104.
  4. Катанов Р.Ш. Технология очистки технологических трубопроводов насосных станций / Катанов Р.Ш., Кутуков С.Е. // Нефтегазовое дело: науч.-техн. журн./УГНТУ. Т.4, №1. 2006. С.143-148.
  5. Катанов Р.Ш. Технология очистки обвязки нефтеперекачивающих станций от внутритрубных отложений // Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта: тезисы докладов международной научно-технической конференции. Новополоцк: ПГТУ,2006. С. 227-228.
  6. Катанов Р.Ш. Расчет режимов работы нефтепровода с учетом регулирования производительности участков согласно принц

    Pages:     | 1 ||
     





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.