Разработка методов и средств автоматизированного контроля перемещений, деформаций и скорости внутренней коррозии при эксплуатации объектов транспорта и хранения жидких углеводородов

Актуальность работы. Приоритетными в XXI веке являются проблемы экологической безопасности и экологического мониторинга как объектов нефтяного профиля, так и территорий, связанных с эксплуатацией и разработкой нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири, при этом решение задач эффективной разработки и эксплуатации месторождений нефти и газа — важная составляющая успешного развития экономики России и выхода ее из кризисного состояния.

В этой связи надежная и безаварийная работа объектов добычи, транспорта и хранения нефти и газа во многом зависит от своевременного контроля их технического состояния, проведения планово-предупредительных профилактических мероприятий и ремонтов.

Поэтому для успешного решения этих задач целесообразно использовать современные системы автоматизированного контроля и управления, диагностики и обследования состояния промышленных объектов, основанные на применении новых и эффективных методов, а также с применением оригинальных методик, позволяющих получить не только качественные, но и количественные результаты о текущем состоянии контролируемого объекта.

Таким образом, в диссертационной работе представлено решение крупной народно-хозяйственной проблемы повышения надежности функционирования объектов нефтяной и газовой промышленности за счет применения новых методов контроля деформационных и коррозионных процессов, возникающих на этих объектах в ходе их строительства и эксплуатации.

Цель работы. Разработка методов, аппаратных и программных средств долговременного контроля деформаций и коррозионных процессов применительно к объектам транспорта и хранения жидких углеводородов для повышения надежности их функционирования.

Основные задачи.

1. Исследовать факторы, влияющие на формирование муаровой картины, связанной с характеристиками видеосистемы и особенностями контролируемых участков объекта, обосновать оптимальные параметры для структурных компонентов видеосистемы.

2. Исследовать основные погрешности, влияющие на точность измерений и преобразований, при использовании электронно-проекционного муарового метода.

3. Разработать и исследовать первичные преобразователи перемещений, обосновать принципы построения и разработать вторичные устройства на базе микропроцессорной техники.

4. Исследовать влияние процесса внутренней коррозии на промысловые нефтепроводы, разработать математическую модель расчета скорости коррозии для конкретных условий эксплуатации и систему для проведения исследований на физических моделях участков трубопровода.

5. Использовать результаты проведенных исследований, методические рекомендации и разработанные аппаратные и программные средства в производственных условиях, научных исследованиях и в учебном процессе.

Научная новизна:

1. В результате экспериментальных и теоретических исследований установлены основные закономерности и параметры формируемой муаровой картины для контролируемой поверхности объекта.

2. На основе теоретического анализа и проведенных экспериментов впервые разработан дифференциальный электронно-проекционный муаровый метод контроля с использованием в качестве эталонной сетки синтезируемого в компьютере виртуального растра для получения муаровой картины.

3. На основе анализа инструментальных и программных погрешностей муарового метода обоснованы принципы построения устройств контроля и разработано соответствующее программное и методическое обеспечение.

4. Исследованы и разработаны первичные преобразователи перемещений индуктивного, емкостного и оптического типа, обоснованы принципы построения микропроцессорных устройств в качестве вторичных приборов.

5. Установлена взаимосвязь между видом передаваемой цифровой информации с объектов контроля и величиной полного сопротивления измерительной линии связи, на основании чего предложен оригинальный способ опроса контролируемых пунктов с компенсацией влияния температуры на линию связи.

6. В результате теоретического и экспериментального исследования процесса внутренней коррозии нефтепромысловых трубопроводов предложена математическая модель расчета и прогноза скорости коррозии, учитывающая особенности гидродинамического режима, состава и свойств многофазной смеси конкретного трубопровода.

7. Разработаны способ и устройство для идентификации типа смеси в трубопроводе.

8. Обоснованы принципы построения и разработана экспериментальная SCADA-система для исследования внутренней коррозии на реальной физической модели трубопровода.

Методы исследований содержат методы математической статистики при обработке экспериментальных данных, методы математического моделирования, использованы классические положения теории упругости и деформаций, теории вероятностей и передачи сигналов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

— достаточным объемом экспериментальных исследований, обеспечивающим погрешность определения параметров не более 5%- хорошей сходимостью результатов теоретических расчетов и лабораторных исследованийположительными результатами применения разработанных методов контроля, аппаратных и программных средств в производственных условиях, научных исследованиях и учебном процессе.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основании проведенных автором исследований разработаны и внедрены оригинальные методики контроля и соответствующие им аппаратные средства, а также программные продукты. Это позволяет сократить число аварийных ремонтов и простоев оборудования, получать качественную и количественную информацию о параметрах контролируемого объекта, сократить трудоемкость работ в 3−4 раза за счет автоматизации процесса измерения и обработки данных, осуществлять сбор данных с разноудаленных и труднодоступных точек.

Разработанные средства позволяют обеспечить мониторинг объектов транспорта и хранения нефти и газа с созданием временного архива, содержащего информацию о техническом состоянии объекта.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при создании методических рекомендаций и устройств, внедренных в Главтюменьгеологии (трест Уренгойгеолстрой), во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО), Гипротюменнефтегазе, и Сургутнефтегазе.

Автор защищает: способ измерения топологии поверхности и деформаций объекта с использованием дифференциального электронно-проекционного муарового методапринципы построения средств автоматизированного контроля деформаций и перемещенийматематическую модель расчета скорости внутренней коррозии в трубопроводепринципы построения SCADA-системы для исследования процесса внутренней коррозии в трубопроводеустройство идентификации многофазного потока в трубопроводеспособ и устройство для передачи информации одновременно с нескольких контролируемых пунктов с компенсацией влияния температуры на приемной стороне.

Апробация работы. Основное содержание и результаты диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах:

1. Республиканской научно-технической конференции «Моделирование в задачах радиолокации и интроскопии неоднородных сред» (Свердловск, 1983).

2. Всесоюзной научно-практической конференции «Повышение эффективности инженерных изысканий для строительства в нефтегазоносных районах Западной Сибири» (Тюмень, 1983).

3. Второй зональной научно-технической конференции по программе Минвуза РСФСР «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1983).

4. Республиканской научно-технической конференции «Цифровые методы обработки сигналов в задачах радиолокации, связи и управления» (Свердловск, 1984).

5. Всесоюзной научно-практической конференции «Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты» (Благовещенск, 1986).

6. Всесоюзной научно-практической конференции «Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья» (Чита, 1987).

7. Всесоюзной школе-семинаре «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования» (Ростов-на-Дону Новороссийск, 1991).

8. Межгосударственной научно-практической конференции «Нефть и газ Тюмени. Проблемы добычи и транспортировки» (Тюмень, 1993).

9. Четвертой научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2001).

10. Международном совещании «Энергоресурсосберегающие технологии в нефтегазовой промышленности России» (Тюмень, 18−19 сентября 2001).

11. Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы развития топливно-энергетического комплекса Западной Сибири на современном этапе», (Тюмень, 2001).

12.. Второй окружной конференции ХМАО «Наука и образование XXI века» (Сургут, 2001).

13. Областной межвузовской научно-методической конференции «Информационные технологии в образовательном процессе» (Тюмень, 2002).

14. VIII международной конференции «Разработка АСУТП в системе ТРЕЙС МОУД: задачи и перспективы» (Москва, 2002).

15. Международном семинаре компании METSO Automation (Москва, 2002).

16. Республиканской научно-технической конференции «Нефть и газ» (Тюмень, 2002).

17. V Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике» (Петрозаводск, 2002).

18. IV Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2002).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 27 печатных работах, в том числе одной монографии, двух учебных пособиях, 6 авторских свидетельствах СССР и 2 патентах РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, списка литературы и приложений. Работа изложена на 302 страницах машинописного текста, содержит 107 иллюстраций, 8 таблиц, список литературы из 130 наименований, приложения на 4 страницах.

Выводы по главе.

Сформулированы требования, предъявляемые к лабораторно-исследовательскому комплексу по изучению внутренней коррозии в трубопроводах.

Обоснована структура исследовательской системы, содержащей емкости для предварительного хранения компонентов, измерительную тест-секцию, устройства для сепарации многофазной смеси, комплекс исполнительных механизмов (насосы, нагревательная установка, электромагнитные клапаны и др.) и SCADA-систему, предназначенную для управления оборудованием и обработкой данных о состоянии процесса транспортировки двухфазной трехкомпонентной смеси по трубопроводу.

Сформулированы основные функции, реализуемые такой системой.

Выполненный анализ инструментальных средств разработки SCADA-систем показал, что оптимальным для региона является выбор программного продукта Trase Mode отечественной фирмы AdAstra Research Group, Ltd (г. Москва), характеризующийся встроенной технологией адаптивного управления, процедурой автопостроения системы, GSM-телемеханикой, Web-управлением и другими инновационными технологиями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на основании проведенных автором исследований решена крупная научная проблема повышения эксплуатационной надежности объектов транспорта и хранения жидких углеводородов, которая имеет важное хозяйственное значение.

Утечки углеводородов на стадии их хранения по причине образования различных дефектов в резервуарах, аварийные разливы при авариях трубопроводов способны существенно повлиять на экологическую обстановку в регионе, а причиненный ущерб составляет сотни миллионов рублей.

1. Выполненный теоретический анализ основных видов повреждений объектов транспорта и хранения нефти показал, что коррозионные процессы оказывают значительное влияние на эксплуатационную надежность сооружений, а доля коррозионного фактора по отношению к общему числу действующих факторов (к ним относят как факторы внешних техногенных воздействий случайного характера, так и факторы, связанные с протеканием различных физико-геологических и физико-химических процессов) составляет примерно одну треть.

2. На основании проведенного анализа существующих муаровых методов исследования и контроля топологии поверхности установлено, что наиболее эффективными по своему применению являются методы, моделирующие муаровый эффект: электронно-проекционный, отражательно-электронный и дифференциальный, в которых второй растр, накладываемый на спроецированную на поверхность объекта сетку, является мнимым, то есть виртуальным.

3. Определены основные факторы, влияющие на точность муаровых методов, к которым можно отнести следующие: величину угла между объективами проектора и камеры, расстояние от поверхности объекта до проектора, шаг проецируемой и виртуальной сеток, их соотношение в виде нормировочного коэффициента, масштаб проецирования исходного (базового) растра, масштаб сканирования объектного растра, угол между осью объектива проектора и нормалью к исследуемой поверхности.

Выполненный подробный анализ основных погрешностей метода позволил дать рекомендации по их уменьшению. Установлено, что наибольшее влияние на точность измерений оказывают погрешности, связанные с особенностями работы проецирующей и сканирующей аппаратуры, со степенью освещенности объекта и отражательными свойствами исследуемой поверхности, шагом проецируемой сетки и расстоянием от видеосистемы до объекта.

4. Впервые установлено, что точность измерений при применении дифференциального метода будет выше за счет учета фиктивного перемещения, реализованного посредством поворота объектного (рабочего) и мнимого растров относительно друг друга.

5. Разработан способ измерения и контроля деформаций поверхности объекта, основанный на использовании электронно-проекционного дифференциального муарового метода.

6. Сформулированы требования, предъявляемые к средствам автоматизированного контроля топологии поверхности и возникающих деформаций. Обоснованы принципы построения системы для исследования и контроля топологии поверхности объекта с использованием электронно-проекционного дифференциального метода и выбор устройства управления (контроллера) позиционированием видеосистемы при сканировании заданной поверхности.

7. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны методические основы исследования и контроля поверхности объекта с использованием муарового метода.

8. Разработаны алгоритмы и соответствующее программное обеспечение для выполнения основных этапов исследования и контроля состояния поверхности объекта с результирующим получением координат узловых точек поверхности и построением ее трехмерного изображения.

9. В ходе проведенного теоретического анализа характерных особенностей объекта контроля (размеров, удаленности от средств коммуникаций, степени агрессивности среды, температурного режима, наличия вредных факторов, воздействующих на организм человека, числа контролируемых точек и пространственного их расположения, степени их труднодоступности, динамики процесса деформаций во времени и др.) было показано, что на основании их детальной проработки необходимо осуществлять оптимальный выбор как самого метода контроля, так и номенклатуры и типа технических средств для его реализации, считая, что в качестве целевой функции выступает повышение эксплуатационной надежности объекта.

10. Исследование емкостных преобразователей с плоскопараллельным типом электродов позволило разработать оригинальное устройство двухкоординатного емкостного преобразователя перемещений, функция преобразования которого свободна от влияния внешних дестабилизирующих факторов на результаты измерений.

11. Выполненное экспериментальное исследование электрических характеристик разработанного индуктивного преобразователя перемещений позволило установить оптимальный частотный диапазон опорного гармонического сигнала, который составил 200−300 Гц. Установлено влияние температуры на выходные характеристики индуктивного преобразователя со стальным сердечником, а для компенсации этого влияния предложено использование дифференциального метода при измерении перемещения. Предложено также использовать собственную индуктивную обмотку преобразователя для измерения температуры при погрешности не более 3%.

12. В ходе выполненных теоретических и экспериментальных исследований был разработан оптоэлектронный датчик и соответствующее микропроцессорное устройство для контроля угловых перемещений или линейных перемещений по нескольким координатам.

13. Обоснованы принципы построения и созданы вторичные приборы для разработанных первичных преобразователей на базе микропроцессоров и однокристальных микроконтроллеров.

14. В результате теоретических исследований и выполненного математического моделирования разработаны оригинальные алгоритмы сбора данных с труднодоступных точек контроля. Предложены принципы построения цифровых устройств, позволяющих реализовать указанные алгоритмы, с одновременной компенсацией влияния температуры на омическое сопротивление линии связи, выступающей в качестве главного дестабилизирующего фактора.

15. Установлено оптимальное значение длины линии связи, а также число одновременно опрашиваемых точек контроля. Дана оценка допустимой погрешности преобразования цифрового параллельного кода, образованного идентичными весовыми разрядами одновременно опрашиваемых датчиков, в эквивалентное значение тока измерительной линии связи.

16. На основе выполненного теоретического анализа причин образования внутренней коррозии в промысловых трубопроводах Западной Сибири получено условие водоэмульсионности многофазного потока для различных значений степени обводненности нефти.

17. В ходе проведенного анализа использования ультразвуковых колебаний для контроля вида многокомпонентной среды, протекающей по трубопроводу, была предложена структура ультразвуковой системы идентификации типа многофазной смеси и алгоритм работы такой системы.

18. На основании выполненного теоретического анализа существующих математических моделей расчета скорости коррозии была предложена базовая математическая модель для расчета скорости внутренней коррозии в трубопроводе, которая позволяет учесть как тип режима перекачки многофазной среды по трубопроводу, так и основные гидродинамические и физико-химические показатели многофазной смеси для конкретного месторождения. На основе базовой модели были разработаны оптимизированные прогнозные модели, для которых показано, что преимущество в использовании полученных оптимизированных моделей для мониторинга процесса коррозии участка нефтесборной сети заключается в возможности учета погрешностей измерительных приборов и значений установленных диапазонов изменения технологических параметров, а также в повышении точности вычисления скорости коррозии в соответствие с заданными гидродинамическими параметрами и физико-химическими свойствами многофазной смеси.

19. Разработано программное обеспечение для расчета скорости коррозии в трубопроводе и предложен удобный пользовательский интерфейс.

20. На основании выполненного теоретического анализа существующих видов исследований по изучению процесса коррозии в трубопроводах и приобретенного практического опыта при непосредственном участии в научных экспериментах в зарубежном исследовательском центре были сформулированы требования, предъявляемые к лабораторно-исследовательскому комплексу по изучению внутренней коррозии в трубопроводах.

21. Обоснована структура исследовательской системы, содержащей емкости для предварительного хранения компонентов, измерительную тест-секцию, устройства для сепарации многофазной смеси, комплекс исполнительных механизмов (насосы, нагревательная установка, электромагнитные клапаны и др.) и SCADA-систему, предназначенную для управления оборудованием и обработкой данных о состоянии процесса транспортировки двухфазной трехкомпонентной смеси по трубопроводу. Сформулированы основные функции, реализуемые такой системой.

22. Показано, что оптимальным решением при разработке системы мониторинга для Западной Сибири является использование отечественного инструментального пакета Trase Mode 5.1 х фирмы AdAstra Research Group, Ltd., характеризующегося единой линией программирования операторских станций и контроллеров, встроенной технологией адаптивного управления, процедурой автопостроения системы, GSM-телемеханикой, Web-управлением и некоторыми другими инновационными технологиями.