Прогнозування нестаціонарних процесів в складних газотранспортних системах при аварійних ситуаціях

Abstract

Дисертація присвячена питанням підвищення ефективності виявлення аварійних витоків газу, скорочення втрат газу під час виведення ділянки газопроводу в ремонт та підвищення ефективності планування пневматичних випробувань відремонтованих ділянок. Удосконалено різницеву модель нестаціонарного неізотермічного потоку газу на ділянці газопроводу. Модифіковано агрегативно-імітаційний метод розрахунку газотранспортних систем довільної конфігурації. Досліджено процес витікання газу через отвір в газопроводі. На основі отриманих закономірностей обґрунтовано можливість здійснення контролю за безаварійністю роботи газопроводу за даними математичної моделі. Визначено область застосування даного методу контролю. Обґрунтовано здійснення випорожнення ділянок газопроводу з пересіченим профілем траси через усі доступні продувні свічі. Доведено існування можливості економії аварійних втрат газу на магістральних газопроводах складної конфігурації шляхом раціонального керування запірною арматурою. Розраховано тривалість стабілізації температури під час пневматичних випробувань ділянок газопроводу природним газом. Проведено порівняння даних моделювання з даними вимірювального обладнання діючих магістральних газопроводів. Здійснено експериментальні вимірювання динаміки зміни тиску в посудині в процесі її випорожнення в атмосферу та визначено коефіцієнт витрати. Проведені натурні вимірювання випорожнення ділянки магістрального газопроводу через продувну свічу для визначення коефіцієнту витрати для свічі.

В диссертационной работе разработана классификация аварийных режимов газотранспортных систем, приведены основные понятия, которыми характеризуются аварийные режимы. В типичном аварийном режиме выделено три этапа: этап обнаружения утечки и прекращение транспортирования газа через аварийный участок; этап опорожнение ремонтируемого участка;этап заполнение отремонтированного участка и проведение на нем испытаний. Для обнаружения аварийных режимов, вызванных образованием аварийных утечек газа из газопровода, применяются различные методы, которые разделены на две группы: - методы базирующиеся на использовании специализированного оборудования; - методы обработки данных штатного измерительного оборудования газотранспортных предприятий. Среди методом второй группы выделен метод проведения контроля в режиме реального времени используя данные моделирования газодинамических процессов в магистральном газопроводе. Приведены технологические задачи, которые возникают при опорожнении аварийных участков магистральных газопроводов для проведения ремонтных работ и при заполнении участков для проведения пневматических испытаний, и могут быть решены с помощью моделирования указанных процессов. Проведен обзор литературы в области моделирования нестационарных неизотермических течений газа в магистральных газопроводах сложной конфигурации. Определены вопросы, которые возникают при использовании конечно-разносного метода для моделирования нестационарных неизотермических процессов. Усовершенствована разностная модель уравнений движения газа с целью снижения немонотонности численного решения. Для решения системы уравнений движения газа приняты следующие упрощения: осуществлена квазилинеаризация системы путем применения метода «предиктор-корректор»; система уравнений сведена разность изотермическому виду на стадии «предиктор», а неизотермичность учтена на стадии «корректор»; система линейных дифференциальных уравнений в частных производных аппроксимирована с помощью разностного аналога со вторым порядком аппроксимации по продольной координате и первым порядком аппроксимации по времени. Для граничного условия в виде значения давления величина массового расхода в этой граничной точке участка газопровода определена по закону сохранения массы. Повышение порядка аппроксимации закона сохранения массы значительно снижает немонотонность числового решения при резких сачках значений граничных условий. Для обнаружения аварийных расхождений измеренных и смоделированных параметров газотранспортных систем последние должны быть рассчитаны с повышенной точностью. Для этого проведена идентификация модели трения газа о стенки трубопровода по данным измерительного оборудования. Для моделирования работы газотранспортной системы сложной конфигурации усовершенствован агрегативно-имитационный метод увязки элементарных частей сложной системы между собой. В метод дополнительно введены новые типы агрегатов: подкачка, ответвление и разветвление. Введение новых агрегатов дало возможность осуществлять расчет как стационарных, так и нестационарных газодинамических процессов в газотранспортных системах включительно с многоуровневой конфигурацией. Исследован процесс истечения газа из трубопровода сквозь отверстие, соизмеримое с вероятными утечками. Исследования проводились с целью оценки эффективности обнаружения аварийных утечек методом моделирования в режиме реального времени. Для обнаружения возможностей экономии газа, который выпускается в атмосферу при выполнении ремонтных работ, рассмотрена система двухнитьевого магистрального газопровода. Для исследования влияния профиля трассы на динамику изменения параметров газового потока при пневматических испытаниях участков магистральных газопроводов рассмотрен процесс понижения давления на участке от давления испытания на прочность до давления испытания на герметичность. Определена длительность стабилизации температуры после понижения давления в газопроводе. За результатами вычислительного эксперимента установлено, что моделирование в режиме реального времени позволяет выявлять аварийные утечки, которые являются на порядок меньшими от минимально допустимых размеров утечек, которые определяются автоматами аварийного закрытия кранов. Предложено в качестве критерия оценки эффективности опорожнения участка сложного газопровода перед выведением ее из эксплуатации использовать разность давлений на краях участка. Доказано, что методы стравливания избытка газа зависят от положения аварийного участка относительно смежных компрессорных станций. Разработан алгоритм контроля в режиме реального времени с использованием имитационной адаптивной модели работы газотранспортной системы. Проведены экспериментальные измерения динамики изменения давления в сосуде, заполненной природным газом, в процессе ее опорожнения сквозь отверстие, а также натурные измерения динамики изменения давления в процессе опорожнения участка магистрального газопровода сквозь продувочную свечу. Определен диапазон значений коэффициента расхода отверстий в трубе в диапазоне низких избыточных давлений в газопроводе.

The thesis covers the problems of efficiency increase of discovery of emergency gas leak, reducing gas losses during the period of taking out of service and starting the repair of a main gas pipeline section and efficiency increase of pneumatic tests planning of the repaired sections. It is improved the differential model of transient nonisothermic gas flow on the gas line section. It is modified aggregate-imitation method of calculation of the gas-transport systems of any configuration. This thesis deals with the process if gas leak through the hole in the gas pipeline. On the ground of got regularities it is proved the possibility of realization of accident-free gas pipeline operation control using the mathematical model data. It is defined the sphere of usage of this control method. The realization of emptying of gas pipeline sections passing through the rugged regions through the available blasting pipes is proved in the thesis. It covers the possibility of saving of gas emergency losses on main pipelines of complicated configuration by the efficient operating of stop valve. It is figured out the temperature stabilization during the pneumatic tests of gas pipeline section by natural gas. The comparison of modeling data with measuring equipment data of present main gas pipeline is conducted. The experimental measuring of the pressure change dynamics in a vessel during its emptying into the atmosphere are studied and flow coefficient is defined. It is conducted the experimental measurements of empting of the main gas pipeline section through the blasting pipe to determine it flow coefficient.