Усовершенствование математического аппарата метода зональной локации

Метод основан на постоянстве мгновенного и интегрального значений объемов перекачиваемой жидкости в начале и в конце трубопровода при отсутствии утечки и установившемся режиме перекачки.

Как и в методе сравнения расходов, данные о количестве перекачиваемой нефти (нефтепродукта) в начале и в конце участка трубопровода передаются на ЭВМ центрального диспетчерского пункта. В ЭВМ через определенные равнозначные промежутки времени (15...30 с) производится сравнение объемов с учетом поправок на изменение температуры и давления.

Если разбаланс объемов нефти (нефтепродукта) на входе и выходе участка трубопровода превысит установленное значение, то включается аварийный сигнал о появлении утечки.

Для обнаружения менее значительной утечки и определения ее объема в ЭВМ производится суммирование и сравнение объемов нефти за более длительный период (1...2 ч).

Достоинства метода:

быстрое обнаружение утечки;

непрерывность и дистанционность контроля утечек;

применимость при любой конструкции линейной части трубопровода.

Недостатки:

низкая чувствительность ( Qy> 5...20 м3/ч);

не обеспечивает определения места утечки.

Метод широко применяется во многих странах мира..

 

4.6.Метод акустической эмиссии

Метод основан на регистрации высокочувствительными пьезоэлектрическими датчиками, расположенными на контролируемом участке трубопровода, сигналов акустической эмиссии от напряженного состояния стенки трубопровода, микротрещин от утечек жидкости. Акустическая эмиссия является результатом высвобождения энергии из материала, находящегося в напряженном состоянии. Высокочувствительные пьезодатчики, расположенные на поверхности трубопровода, воспринимают волны механических напряжений в трубопроводе, создаваемые утечкой жидкости (или газа) и преобразуют их в электрические сигналы.

Для определения местонахождения утечек нефти или нефтепродукта методом акустической эмиссии трубопровод нагружается повышенным внутренним давлением (на 10 % выше рабочего) или внешним нагружением (например, создают изгибающий момент с помощью проезда по трассе над трубопроводом тяжелого автотранспорта). Сигналы акустической эмиссии поступают от мест утечек и дефектов при нагружении трубы на пьезодатчик в виде импульсов энергии, скорость распространения которых связана с интенсивностью напряжения. Для обнаружения мест утечек разработано специальное оборудование анализа затухания и времени прихода импульсов акустической эмиссии.

Достоинства:

• возможность контроля незначительных утечек (микроутечек); микротрещин и сильной коррозии в подземных трубопроводах с помощью наземной передвижной аппаратуры;
• высокая точность обнаружения дефектных мест в стенке трубопровода;
• возможность применения на трубопроводах (и емкости) любой конструкции, при транспорте и хранении любых продуктов;
• высокая достоверность результатов контроля.

Недостатки:

• значительные затраты времени на обследование участков трубопроводов большой протяженности;
• высокая стоимость обследования (по данным американской фирмы PhiladelphiaElektronic - до 2 тыс. долл, на 1 км);
• для выполнения контроля необходимашурфовка, поскольку пьезодатчики с предусилителями должны устанавливаться на поверхности трубы;
• производительность обследования по данному методу зависит от погодных и климатических условий;
• метод неприменим на трубопроводах, пролегающих в труднодоступной местности.

Метод акустической эмиссии как стандартный неразрушающий метод контроля в настоящее время находит широкое применение во многих отраслях техники как за рубежом, так и в нашей стране.

Мы предъявили ко всем методам следующие требования:

-простота;

-отсутствие дополнительного оборудования;

-дешевизна;

-быстрота определения утечек:

-чувствительность;

-точность определения места  утечки;

-непрерывность;

-экологичность.

В результате сравнительного анализа, мы составили следующую таблицу.

 

 

 

 

МетодТребования	Простота	Отсутствие доп. оборудования	Дешевизна	Быстрота определения утечек	Чувствительность	Точность определения места утечки	Непрерывность	Экологичность
Визуальный	+	+	-	-	-	+	-	-
Метод гидравлической локации	+	+	+	+	+	-	+	+
Метод отрицательных ударных волн	+	-	+	+	-	-	+	+
Метод сравнения расходов	+	+	+	+	+	-	+	+
Метод линейного баланса	+	+	+	-	-	-	+	+
Метод акустической эмиссии	-	-	-	-	+	+	-	+

Табл.1

 

 

 

 

 

 

 

Нами были проанализированы все другие существующие методы, но ни один не удовлетворял нашим требованиям.

Таблица наглядно отображает наиболее эффективные методы, а именно метод гидравлической локации и метод сравнения расходов. Для получения наиболее совершенного способа рассмотрим комбинацию двух этих методов.

 

4.7.Метод зональной локации

 

По своей сути метод зональной локации представляет собой объединение и усовершенствование методов гидравлической локации места утечки и контроля утечки по изменению расхода.

Основан на построении мгновенных распределений давления  и расхода жидкости по длине контролируемого участка трубопровода (зоны) по результатам измерения этих параметров на его концах. Наиболее близким аналогом к предлагаемому методу является метод гидравлической локации места утечки (представленный ниже), который годится лишь для стационарных режимов работы трубопровода, поэтому любые переходные процессы вызывают ложные сигналы об утечке, которой в действительности нет. В отличие от него обобщенный метод зональной локации использует более сложную  обработку давлений и расходов на концах участка, позволяющую идентифицировать утечку, как для стационарных, так и для нестационарных условий работы трубопровода.

Если на одном из концов участка [x1, x2] трубопровода (пусть для определенности x1– левый конец) известны давления p(x1,t) и скорости u(x1,t) течения жидкости в симметричном  интервале времени , где - длина участка; с – скорость распространения волн в трубопроводе, то в момент времени t=t0(середине рассматриваемого интервала) можно  рассчитать распределение давления  p(x, t0) и скорости u(x, t0) жидкости по длине участка. Аналогично можно вычислить распределение давления по данным, измеренным в сечении x2.

Обозначим распределение давления, рассчитанное по данным левого конца x1участка черезp*(x), а по данным правого конца x2 участка – через p**(x).  При отсутствии утечки эти давления должны быть тождественно равны друг другу p*(x)=p**(x) и идентичны фактическому распределению pфакт(x, t0).

При наличии утечки распределение p*(x, t0) давления на участке [x1, x0] до утечки равно фактическому давлению pфакт(x,t0), а на участке [x0, x2], вычисленное распределение давления p*(x,t0) должно быть меньше фактического. Аналогично этому, распределение p**(x,t0) давления на участке [x0, x2] после утечки равно фактическому давлению pфакт(x,t0), а на участке [x1, x0] вычисленное распределение давления p**(x,t0) должно быть меньше фактического. Иными словами, при наличии утечки  кривые p*(x,t0) и p**(x,t0) должны пересекаться в сечении x0, в котором находится утечка. Построив эти кривые по данным измерений на концах участка и рассчитав их точку пересечения, можно определить, где находится утечка, а сравнив скорости жидкости в этом сечении – найти интенсивность утечки.

На рисунках 1.1 и 1.2  показаны результаты вычислений распределений давления, на рисунке 1.1 показано фактическое распределение pфакт(x,t0) и давление p*(x,t0), найденное по показаниям датчиков, расположенных в сечении x1. Аналогично этому на рисунке 1.2 изображены фактическое pфакт(x,t0) распределение давления и вычисленное  p**(x,t0) по показаниям датчиков, расположенных на правом конце x2 участка.

Рис. 1.1 – Фактическое pфакт(x,t0) и вычисленное p*(x,t0) распределение давления по данным на левом конце участка трубопровода

Рис. 1.2 – Фактическое pфакт(x,t0) и вычисленное p**(x,t0) распределение давления по данным на правом конце участка трубопровода

Если сопоставить распределения p*(x,t0) и p**(x,t0) давлений, то можно увидеть, что они будут равны только в одной точке x0 трубопровода – месте утечки, рисунок 1.3.

Рис. 1.3 – Сопоставление распределений p*(x,t0) и p**(x,t0), вычисленных по давлениям и расходам в сечениях x1и x2, соответственно

Алгоритм может быть усовершенствован с целью исключить возможную неоднозначность при определении утечки, возникающую в случае нескольких точек пересечения кривых p*(x,t0) и p**(x,t0). Предлагается минимизировать среднеквадратичную разность между этими давлениями в течение установленного промежутка времени :

Результаты расчетов показали, что несмотря на то, что в единичных случаях разность между давлениями p*(x,t0) и p**(x,t0) равна нулю в нескольких точках, минимум среднеквадратичной разности Jдостигается только в сечении x0 утечки.

5. Математическая модель расхождения места утечки по методу зональной локации

Имеется несколько способов, позволяющих определить место утечки графически или графо-аналитически. Все они основаны на построении и исследовании графика падения напора в нефтепроводе. Для этой цели используется продольный профиль нефтепровода с нанесенными на нём напорами всех насосных и линиями гидравлического уклона. Допустим, напор внасосной упал от номинального значения (точка 1) до значения, характеризуемого точкой 2.Поскольку новая линия гидравлического уклона, проведя через точку 2 линию, параллельную ей до пересечения с профилем, определим место возможной утечки (точка 3). Этот способ дает хорошие результаты только при больших утечках

 

 

 

 

 

 

 

 

В данной расчетной модели определяется расхождения места утечки в зависимости от погрешностей измерительной аппаратуры. Метод зональной локации использует показания датчиков давления и ультразвуковых расходомеров. Графическая модель по данному расчету представлена на рисунке X.

Рисунок X –Графическая интерпретация к расчетной модели

Принятые обозначения:

- погрешность показаний  датчика давления;

- координата начала участка;

- координата конца участка;

 и  - показания манометров в начале и конце участка до момента возникновения утечки (рабочие значения);

- значение гидравлического  уклона до момента возникновения  утечки (рабочее значение);

 и  - показания манометров в начале и конце участка после момента возникновения утечки;

- координата фактического  места утечки;

- давление, соответствующее  координате  ;

- значение гидравлического  уклона от начала участка ( ) до места утечки ( );

- угол наклона линии  гидравлического уклона  относительно горизонтали;

- значение гидравлического  уклона от места утечки ( ) до конца участка ( );

- угол наклона линии  гидравлического уклона  относительно горизонтали;

- угол отклонения линии  гидравлического уклона  , соответствующий погрешности расходомера, установленного в начале участка (координата );

- угол отклонения линии  гидравлического уклона  , соответствующий погрешности расходомера, установленного на конце участка (координата );

- координата, полученная  пересечением линий гидр.уклонов по начальной отрицательной и конечной положительной погрешности ( и соответственно);

- координата, полученная  пересечением линий гидр.уклонов по начальной положительной и конечной отрицательнойпогрешности ( и соответственно);

- давление, соответствующее  координате  ;

- давление, соответствующее  координате  .

Принятые положительные и отрицательные погрешности соответствуют максимальным отклонениям показаний датчиков в большую и меньшую сторону.

Составим системы уравнений по максимальным погрешностям для  определения координат и :

    (1)                              (2)

Из (1): 

Из (2): 

Произведем замену, исходя из определения гидравлического уклона: , а и подставим в полученные уравнения для координат и используя формулы тангенса суммы и тангенса разности двух углов.