Автоматизация магистрального нефтепровода АО «Транснефть» и исследование режимов перекачки нефтепродуктов с помощью инструмента Matlab

Введение 5 1. Глава 1 Теоретический анализ по теме «Автоматизация магистрального нефтепровода АО «Транснефть» и исследование режимов перекачки нефтепродуктов с помощью инструмента Matlab» 8 1.1 Обзор отечественной и зарубежной литературы по теме «Автоматизация магистрального нефтепровода АО «Транснефть» и исследование режимов перекачки нефтепродуктов с помощью инструмента Matlab» 8 1.2 Патентная проработка (выбор аналога и прототипа) по теме «Автоматизация магистрального нефтепровода АО «Транснефть» и исследование режимов перекачки нефтепродуктов с помощью инструмента Matlab» 13 1.3 Патентный анализ результатов поиска. Выбор аналога и прототипа 14 1.4 Особенности построения и функционирования 18 1.4.1 Особенности использования Matlab 26 1.5 Вывод по первой главе 28 Глава 2 Экспериментальное исследование объекта 29 2.1 Описание объекта исследования 29 2.2 Анализ технологий. Экспериментальное исследование 31 2.2.1 Опыт внедрения ССВД 31 2.2.2 Обоснование необходимости ССВД с помощью расчета нестационарных процессов 34 2.2.3 Технические схемы реализации ССВД 42 2.2.4 Особенности эксплуатации и технического обслуживания систем сглаживания волн давления 44 2.3 Вывод по второй главе 45 Глава 3. Расчеты и теоретическое описание результатов экспериментального исследования 47 3.1.1 Особенности использования системы Matlab/Simhydraulics при построении моделей 47 3.1.2 Моделирование нeустановившихся процессов с помощью Matlab/SimHydraulics 56 3.1.3 Результат моделирования 61 3.2 Безопасность жизнедеятельности 63 3.2.1 Общие сведения о проектируемом объекте 63 3.2.2 Санитарно-защитные мероприятия 65 3.2.3 Охрана труда и техника безопасности объектов магистральных нефтепроводов 67 3.3 Расчет экономического эффекта от внедрения ССВД 70 3.3.1 Технико-экономические показатели проекта 71 3.4 Вывод по третьей главе 73 Заключение 75 Список используемой литературы 77

1. Агафонов Е.Д. «Об учете скорости распространения волн давления при моделировании нeустановившихся процессов с помощью Мatlab», Вестник ИрГТУ, 2015г., 12-18с. 2. Антипов В.Н. «Хранение нефти и нефтепродуктов: учеб. Пособие»/ В. Н. Антипов, Г. В. Бахмат, Г. Г. Васильев [и др.]; под ред. Ю. Д. Земенкова. - М. : ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ Нефти и газа им. Губкина, 2013г.-560 с. 3. Антипов В.Н. «О моделировании нестационарных течений нефти при авариях на магистральном нефтепроводе», журнал «Проблемы анализа риска», 2008г. 4. Арбузов Н.С «Защита нефтепроводов от гидроударных явлений системами сглаживания волн давления», журнал «Нефтяное хозяйство», 2011г. 5. Арбузов Н.С. «Комбинированная система защиты наливного трубопровода от гидравлического удара», патент РФ №RU2559225C1, изобретение. Заявка 10.02.2014г. Опубликовано 10.08.2015г. 6. Байков И. Р., Жданова Т. Г., Гареев Э. А. «Моделирование технологических процессов трубопроводного транспорта нефти и газа».– Уфа: Изд-во Уфим. нефт. ин-та,2012г .– 128 с. 7. Беккер Л.M. Расчет повышения давления в нефтепроводах при переходных режимах // Нефтяное хозяйство. 1973. № 9. С. 48-49. 8. Белоусов В. Д. «Технологический расчет магистральных нефтепроводов». Учебное пособие.– М.: Изд-во МИНГ им. И. М. Губкина.– 2010г. - 70 с. 9. Богданов Х.У. «Способ определения утечек в трубопроводах и устройство для его осуществления», патент РФ №RU2688903C1, полезный способ. Заявка 18.05.2018г. Опубликовано 22.05.2019г. 10. Богданов, Р.И. «Диагностика потребления электроэнергии на магистральных нефтепроводах» / Рашит Богданов. - М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2018г. - 168 c. 11. Бородавкин, П. П. «Охрана окружающей среды при строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов» / П. П. Бородавкин, Б. И. Ким~М. : Недра, 2012г. - 160с. 12. Бури Альфред «Устройство для уменьшения скачков давления в трубопроводе, по которому жидкость находится под пульсирующим давлением», патент США №US2774381А, полезное устройство. Заявка 07.10.1953г. Опубликовано 18.12.1956г. 13. Быков Л.И., «Типовые расчёты при сооружении и ремонте газонефтепроводов» // Учеб.п особ.-Санкт-Петергург: Недра, 2016г.-824 с. 14. Вайншток С.М. Том №5 Технологические регламенты (стандарты организации) Акционерной компании по транспорту нефти АО «Транснефть». (В 7-ми томах):. Т.1. Эксплуатация линейной части магистральных нефтепроводов, технологических трубопроводов насосных перекачивающих станций и резервуарных парков. Кн. 2 – М.: Недра, 2015г. – 750 с. 15. Вязунов E.B. Системная защита магистральных нефтепроводов по давлению // Трубопроводный транспорт нефти. 2008. № 12. С. 36-38. 16. Вязунов Е.В. Методика расчета перегрузок трубопровода по давлению в переходных процессах // Нефтяное хозяйство. 1973. № 9. С. 45-47. 17. Гаррис, Н.А. «Построение динамической характеристики магистрального трубопровода (Модель вязкопластичной жидкости)» / Н.А. Гаррис, Ю.О. Гаррис, А.А. Глушков // Нефтегазовое дело. 2014г. – 296с. 18. Гаррис, Н.А. «Регламент эксплуатации магистрального трубопровода при условии сохранности окружающей среды» / Н.А. Гаррис, С.А. Максимова // Нефтяное хозяйство.2010г. - №1. – 63-64с. 19. Глушков, А.А. «Расчет неизотермического нефтепровода с учетом подкачек нефти» / А.А. Глушков, Н.А. Гаррис // Материалы 55-й н.-т. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Уфа, УГНТУ. -2014. - 153с. 20. Глущенко Е.П. «Волновые процессы в трубопроводах», Электронный журнал «Современные проблемы науки и образования», 2015г. 21. Голосовкер Б.И., Голосовкер В.Н., Чаков В.Г. Защита трубопровода от порыва // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. М.: ВНИИОЭНГ, 1970. № 2. С. 6-9. 22. Гольянов А. И., Михайлов А. В., Нечваль А. М. «Выбор рационального режима работы магистрального трубопровода» // Транспорт и хранение нефтепродуктов.– 2010г. - №10.– 16-18с. 23. Гориловский М.И. «Состояние и перспективы развития трубопроводов в России» // НТЖ «Трубопроводы и экология» / М.: НПО «Стройполимер», 2013г. № 4. - 12с. 24. Горшкова К.Л., Корженевский А.Г. Научно-исследовательская работа Методические указания по проведению научно-исследовательской работы для магистров направления 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» очной формы обучения. – Альметьевск: Альметьевский государственный нефтяной институт, 2016. – 24с. 25. Горшкова К.Л., Тугашова Л.Г. Методические указания по выполнению выпускной квалификационной работы для магистров направления 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» очной формы обучения. – Альметьевск: Альметьевский государственный нефтяной институт, 2016. – 16 с. 26. Горшкова К.Л., Булатов Р.Б. Методические указания по проведению преддипломной практики для магистров направления подготовки 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» очной формы обучения. – Альметьевск: Альметьевский государственный нефтяной институт, 2016. – 16 с. 27. ГОСТ Р 51164-98. Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии. – М.: Издательство стандартов, 2014г. - 42 с. 28. Григорский С.Я. «Закономерности изменения давления в нефтепроводах при остановках насосных агрегатов», журнал «Нефтяное хозяйство, 2015г. 29. Громаков Е.И. в статье «Многоконтурное регулирование давления в магистральном нефтепроводе», Международный исследовательский журнал, 2014г. 30. Груздев А. А. «Практика проведения учений по локализации и ликвидации аварийного разлива нефти» / А. А. Груздев, С. А. Самойленко, В. А. Красков, А. Л. Крам // Трубопроводный транспорт нефти. – 2013г. – 15-17с. 31. Губин, В.Е. «Транспортировка высоковязких и высокозастывающих нефтей и нефтепродуктов по магистральным трубопроводам» / В.Е. Губин // РНТС ВНИИОЭНГ. Сер. транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. —2013г. -№11. - 12с. 32. Гумеров А.Г., Гумеров Р.С., Акбердин А.М. Эксплуатация оборудования нефтеперекачивающих станций. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001. 475 с. 33. Гумеров Р.С. «Понятие, классификация магистральных нефтепроводов». - М., Нефть и газ, 2013г. – 412с. 34. Данейкин Ю.В «Измерение скорости распространения возмущений во фронте ударной волны в численном эксперименте», Томский политехнический университет, 2008г., Т215, №5 35. Демидов Н.Ю. «Гидравлический удар в нефтепроводах», НИТПУ, 2012г. 36. Джон Х. Доран «Устройство для выравнивания давления жидкости в трубопроводе», патент США №US2081799А, полезное устройство. Заявка 25.05.1937г. Опубликовано 25.05.1954г. 37. Дронговский Ю.М. Технические требования к устройствам защиты трубопроводов от повышения давления при переходных процессах // Нефтяное хозяйство. 1973. № 9. С. 50. 38. Жуков А.В.«Распространение акустических волн в нефтепроводах» Научный журнал «В мире НК», 2011г. 39. Зайцев Л. А. «Регулирование режимов работы магистральных нефтепроводов».– М.: Недра, 2015г. - 240 с. 40. Зиневич A.M., Прокофьев В.И., Ментюков В.П. «Технология и организация строительства магистральных трубопроводов больших диаметров». - М.: Недра, 2012г. - 248с. 41. Калимуллин, А. А. «Комплексная система локализации и сбора нефти при аварийных разливах» / А. А. Калимуллин, И. Ю. Хасанов, Р. Ф. Каримов // Нефтяное хозяйство. – 2012г. – 104-106с. 42. Коломенсков С.А., Мурашов О.В. Системы сглаживания волн давления // Трубопроводный транспорт нефти. 2009. № 12. С. 11-13. 43. Коростелёв Д.А. «Автоматизация процесса мониторинга и регулирования давления в нефтепроводе», Вестник АГТУ, 2017г. 44. Крылов, Ю. В. «Схемы постановки и крепления технических средств локализации и сбора аварийных разливов нефти на водных переходах магистральных нефтепроводов для проведения сравнительных испытаний// Трубопроводный транспорт нефти». 2011г. - 39-42с. 45. Лиханов Д.М «О значимости факторов влияющих на переходной процесс в простом трубопроводе», научный журнал «Гидротехническое строительство», №2, 2010г. 46. Логинов К.В., Мызников А.М., Файзуллин Р.Т. Расчет, оптимизация и управление режимами работы больших гидравлических сетей // Математическое моделирование. 2006. Т. 18. № 9. С. 92–106. 47. Лурье М.В. Задачник по трубопроводному транспорту нефти, нефтепродуктов и газа: учеб. пособие для вузов. М.: ООО «Недра-Бизнес», 2003. С. 65–70.]: 48. Магистральные трубопроводы. Свод правил. - М.: РГ-Пресс, 2014г. - 114 c. 49. Мазур И.И., Иванцов О.М.. «Безопасность трубопроводных систем»/ ИИ. Мазур, О.М. Иванцов.- М.:ИУЦ «ЕЛИМА», 2014г.-110с. 50. Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах. Руководящий документ Минтопэнерго РФ, АК «Транснефть». - М.: Транспресс,2014г. - 67 с. 51. Мешалкин, В. П. «Компьютерная оценка воздействия на окружающую среду магистральных трубопроводов». Учебное пособие / В.П. Мешалкин, О.Б. Бутусов. - М.: ИНФРА-М, 2016г. - 450 c. 52. Мостков М.А., Башкирова А.А., «Расчеты гидравлического удара», М - Л., 2010г. – 316с. 53. Мурзаханов, Г.Х. «Диагностика технического состояния и оценка остаточного ресурса магистральных трубопроводов» / Г.Х. Мурзаханов, А.И. Владимиров. - М.: Национальный институт нефти и газа, 2015г. - 430c. 54. Мызников А.М., Файзуллин Р.Т. Уточнение коэффициентов сопротивления в сложных гидравлических сетях по результатам ограниченного числа измерений // Теплофизика и аэромеханика. 2005. Т.12. № 3. С. 513–516 55. Налобин Н.Н. «Нестационарные течения нефти в линейной части нефтепровода», автореферат ТГНУ, 2012г. 56. Нечваль А.М. «Основные задачи при проектировании и эксплуатации магистральных нефтепроводов». - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2015г.-81с. 57. Одельский, Э.Х. «Гидравлический расчет трубопроводов разного назначения» / Э.Х. Одельский. - М.: Книга по Требованию, 2012г. - 100 c. 58. ОР-35.240.50-КТН-106-13. Реестр расчетного программного обеспечения. Формирование и ведение. Организация экспертизы и применения расчетного программного обеспечения. 59. ОТТ-23.040.01-КТН-160-13. Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Системы сглаживания волн давления. Общие технические требования. 60. ПАО «Транснефть». URL: https://www.transneft.ru/about/ (дата обращения: 10.10.2020). 61. Папуша, А. Н. «Динамика многофазных течений в морских магистральных трубопроводах» / А.Н. Папуша, Д.В. Казунин. - М.: Институт компьютерных исследований, 2012г. - 496 c. 62. Петров А.В. «Автоматизированная система защиты магистральных нефтепроводов», полезная модель, патент РФ №RU133216U1. Заявка 20.07.2012г. Опубликовано 10.10.2013г. 63. Пужайло А.Ф. «Способ мониторинга и оценки технического состояния магистрального трубопровода и система для его реализации», патент РФ №RU2451874C1. Заявка 29.03.2011г. Опубликовано 27.05.2012г. 64. РД-35.240.50-КТН-109-13. Автоматизация и телемеханизация технологического оборудования площадочных и линейных объектов магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов. Основные положения. 65. РД-75.180.00-КТН-255-14. Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепро- дуктов. Методика расчета нестационарных тех- нологических режимов работы магистральных трубопроводов.] 66. РД-91.020.00-КТН-335-06. Нормы проекти- рования нефтеперекачивающих станций. 67. РД-91.200.00-КТН-175-13. Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Нефтеперекачивающие станции. Нормы проектирования. 68. Ревель-Муроз П.А. «Централизованная система противоаварийной автоматики магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов», полезное изобретение, патент РФ №RU2588330C1. Заявка от 08.04.2015г. Опубликовано 27.06.2016г. 69. Руднев, В.П. «Оптимизация режимов эксплуатации магистральных нефтепроводов» / В.П. Руднев, В.Д. Черняев. М.: ВНИИОЭНГ, 2015г. - 48 с. 70. Салюков, В.В. «Магистральные газопроводы. Диагностика и управление техническим состоянием» / В.В. Салюков. - М.: Недра, 2016г. - 260c. 71. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубо- проводы. URL: http://docs.cntd.ru/document /871001207 (дата обращения: 10.11.2020). 72. Сулейманов Р. С., Хафизов А. Р. «Сбор, подготовка и хранение нефти и газа. Технологии и оборудование».Уфа.: «Нефтегазовое дело», 2017 г. - 305с. 73. Сумец П.П. «Математическое моделирование лучевым методом распространения волн в трубопроводах с учетом их особенностей» , автореферат, ВГУ 2013г. 74. Текшева И.В. «Единая система управления трубопроводной системы», полезная модель, патент №RU140620U1. Заявка 06.02.2013г. Опубликовано 20.05.2014г. 75. Телегин Л. Г. «Охрана окружающей среды при сооружении и эксплуатации газонефтепроводов «/ Л. Г. Телегин, Б. И. Ким, В. И. Зоненко. – М.: Недра, 2012г. – 128с. 76. Тетельмин, В.В. «Магистральные нефтегазопроводы» / В.В. Тетельмин. - М.: Интеллект,2019г. -938c 77. Трапезников С.Ю. «Расчет температурных режимов работы надземных нефтепроводов», Санкт-Петербургский государственный горный институт, 2011г. 78. Трубопроводный транспорт нефти: учебник для вузов: в 2 т. / Г.Г. Васильев [и др.]; отв. ред. С.М. Вайншток. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2012. Т. 1. С. 193–204, 326–331 79. Тугунов, П. И. «Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов», учеб. пособие для вузов / П. И. Тугунов, B. Ф. Новоселов, А. А. Коршак, А. М. Шаммазов. - Уфа : ООО «Дизайн- ПолиграфСервис», 2012г. - 658 с. 80. Турутин Б.Ф. «Устройство гасителя гидравлического удара», патент РФ №RU2220359C2, полезное устройство. Заявка 11.05.2001г. Опубликовано 27.12.2003г. 81. Фериченков Е.В. «Защита магистральных нефтепроводов от гидроударных явлений встречными волнами разряжения», журнал «Нефть и газ», 2009г. 82. Халлыев, Н.Х. «Капитальный ремонт линейной части магистральных газонефтепроводов». Учебное пособие для вузов. Гриф УМО вузов России / Халлыев Назар Халлыевич. - М.: МАКС Пресс, 2018г. -128c. 83. Хоперский, Г. Г. «Организация учений по ликвидации аварий на переходах магистральных нефтепроводов через водные преграды в ОАО «Сибнефтепровод» // Трубопроводный транспорт нефти.2015г., 7-12с. 84. Чужинов С.В., «Стенд для исследования течения жидкости в трубопроводе», патент РФ №RU2678712C1. Заявка 02.04.2018г. Опубликовано 31.01.2019г. 85. Шаммазов А.М. Проектирование и эксплуатация насосных и компрессорных станций. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003. 404 с. 86. Шумайлов А. С., Гумеров А. Г., Джарджиманов А. С. «Контроль утечек нефти и нефтепродуктов на магистральных трубопроводах при эксплуатации». Обзор. информ. Сер. «Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов».– М.: ВНИИОЭНГ, 2011г. - 79 с. 87. Щербаков С.Г. «Проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа». М.: Наука, 1982.-203 с. 88. Burnett R.R. Conrolling Transient Surges When 5, ООО-HP Turbine Drops Off Line // Pipe Line Industry. 1960. Vol. 12. No. 5. 89. Constant Volume Hydraulic Chamber [Электронный ресурс]. URL:http://www.mathworks.com/help/physmod/simscape/ref/constantvolumehydraulicchamber. html?searchHighlight (09.03.2020)] 90. Fluid Inertia [Электронный ресурс]. URL: http://www.mathworks.com/help/physmod/simscape/ref/ fluidinertia.html?searchHighlight (10.10.2020) 91. Hydraulic Resistive Tube [Электронный ресурс]. URL: http://www.mathworks.com/help/physmod/ simscape/ ref/hydraulicresistivetube.html (08.10.2020)], 92. White, F.M. Viscous Fluid Flow. McGraw-Hill, 1991

Обоснование выбора темы Настоящая работа посвящена исследованию гидравлических моделей, их алгоритмической и программной реализации в пакете Matlab, а также модификациям стандартных средств построения моделей гидравлических процессов, предоставляемых в указанном пакете. Инструмент для создания моделей позволяет быстро (в режиме реального времени) и с достаточной точностью рассчитывать технологические параметры нестационарных режимов, возникающих в магистральном нефтепроводе. Стандартные блоки Matlab позволяют моделировать неустановившиеся режимы течения жидкости, однако используя эти блоки не всегда существует возможность оперативного отслеживания необходимых параметров (например КПД насоса). В данной программе можно смодифицировать некоторые блоки, что позволит оперативно отслеживать параметры трубопровода изменяющиеся во время переходного режима трубопровода (КПД центробежных насосов, диаметр трубопровода), а также получить возможность регулирования скорости распространения волн возмущения в трубопроводе. Также в процессе перекачки нефти и нефтепродуктов неизбежны переключения, приводящие к изменению скорости потока. При торможении потока жидкости возникают перегрузки по давлению (гидравлический удар). Наибольшие скачки давления возникают при остановке НПС. Нередко они становятся причиной разрушения трубопроводов в ослабленных сечениях, В остальных случаях (остановка насоса, прикрытий задвижки или дроссельной заслонки и т.д.) величина ударного давления меньше, но не менее опасны, так как вызывают циклическое нагружение металла труб, способствующее развитию его малоцикловой усталости. Поэтому необходимо всемерно уменьшать величину ударного давления в линейной части магистральных трубопроводов. 1. Глава 1 Теоретический анализ по теме «Автоматизация магистрального нефтепровода АО «Транснефть» и исследование режимов перекачки нефтепродуктов с помощью инструмента Matlab» 1.1 Обзор отечественной и зарубежной литературы по теме «Автоматизация магистрального нефтепровода АО «Транснефть» и исследование режимов перекачки нефтепродуктов с помощью инструмента Matlab» При написании данной работы были использованы диссертации, авторефераты, научная и учебно-методическая литература, статьи из журналов, электронные ресурсы, а также различная нормативно-техническая документация, в соответствии с которыми выполняются работы. В научной статье «Закономерности изменения давления в нефтепроводах при остановках насосных агрегатов» автора Григорского С.Я. пишется об изучение закономерностей распространения волн повышенного давления в линейной части нефтепровода после остановки одного или нескольких последовательно работающих насосных агрегатов. Путем обработки опытных данных были получены графические и аналитические зависимости изменения давления в произвольной точке трассы нефтепровода. Подтверждено, что по мере продвижения волны повышенного давления по нефтепроводу амплитуда скачкообразного повышения давления уменьшается по экспоненциальному закону [23]. В научном журнале «Международный исследовательский журнал» в статье «Многоконтурное регулирование давления в магистральном нефтепроводе» автора Громакова Е.И. рассматривается совершенствование системы автоматического регулирования давления (САРД) в магистральном нефтепроводе. Ее объектом управления является подача нефти в магистральном нефтепроводе. САРД обеспечивает поддержание постоянства давления в магистральном нефтепроводе в процессе его эксплуатации. Для регулирования давления при транспортирования нефти предлагается использовать продвинутую двухконтурную автоматическую систему регулирования, включающую в себя частотно-регулируемых насос и дроссельную задвижку на его выходе [34]. В научной статье «Об учете скорости распространения волн давления при моделировании нeустановившихся процессов с помощью Мatlab» автора Агафонова Е.Д. анализируется возможности инструмента Matlab для построения моделей неустановившихся процессов в магистральном трубопроводе. Обсуждаются его недостатки и предлагаются способы их устранения. В частности, рассматривается один подход к решению проблемы контроля распределенных параметров и учета скорости распространения волн давления при моделировании переходных процессов в трубопроводе. Предложена модификация стандартного библиотечного блока, описывающего распределенные процессы в участке трубопровода [6]. В научной работе «Математическое моделирование лучевым методом распространения волн в трубопроводах с учетом их особенностей» автора Сумец П.П. рассматриваются закономерности влияния гидравлического сопротивления на искажение распределения давления и скорости вблизи переднего фронта волны гидроудара при ее распространении вдоль трубопровода. В работе разработан алгоритм решения одномерной волновой задачи и в интегрированной среде DELPHI реализована программа, обеспечивающая численное решение задачи о распространения волны гидроудара [78]. В электронном научном журнале «Современные проблемы науки и образования» в статье «Волновые процессы в трубопроводах» автора Глущенко Е.П. установлено, что движение среды, заполняющей акустический волновод, приводит к не взаимности его параметров в прямом и обратном направлениях. Степень не взаимности пропорциональна скорости движения среды. Скорость движения среды также влияет на скорость распространения акустических волн и приводит к изменению критических частот или критических длин волн мод волновода. С ростом скорости движения среды увеличивается число мод, для которых выполняется условие распространения [25]. В научной статье «Измерение скорости распространения возмущений во фронте ударной волны в численном эксперименте» автора Данейкина Ю.В. исследована динамика модельного фронта ударной волны с целью отработки методики определения его параметров в рамках численного эксперимента. В частности, установлено, что скорость распространения возмущений на численном фронте проявляет свойства случайной величины. Проведен анализ функции распределения статистической совокупности, полученной при численном дифференцировании характеристик. Получено удовлетворительное согласие с нормальным законом. Определено влияние псевдовязкости разностной схемы на изменение скорости распространения возмущений по высоте численного фронта ударной волны [39]. В электронном журнале «В мире НК» в статье «Распространение акустических волн в нефтепроводах» автора Жукова А.В. пишется о результатах, в ходе которых была получена зависимость амплитуды сигналов акустической эмиссии (АЭ) от времени прихода и скорости распространения сигналов, определен диапазон наиболее вероятных скоростей акустических волн при удалении источника АЭ от преобразователя акустической эмиссии (ПАЭ) и сделана попытка теоретического обоснования полученных результатов [43]. В научной статье «Защита нефтепроводов от гидроударных явлений системами сглаживания волн давления» автора Арбузова Н.С. рассматривается система сглаживания волн давления (ССВД), и при правильном выборе параметров ССВД, они служат эффективным средством сглаживания волн давления в нефтепроводах, которые способны регулировать скорость увеличения давления в трубопроводе и тем самым предотвращать аварийные ситуации [9]. В научной статье «О значимости факторов влияющих на переходной процесс в простом трубопроводе» автора Лиханова Д.М. рассматривается влияние гидравлического сопротивления, скорости ударной волны, отбора воды, величины начального напора, и метода расчета на максимальное повышение напора при гидравлическом ударе. В статье моделируются различные варианты расчета переходных процессов, расчет величины начальной скорости и скорости звука в методе расчета оказались значимыми для предотвращения аварийных ситуаций в трубопроводе [50]. В научной статье «Защита магистральных нефтепроводов от гидроударных явлений встречными волнами разряжения» автора Фериченкова Е.В. рассматривается защита магистральных нефтепродуктопроводов от волн повышенного давления встречными волнами разряжения, генерируемыми перепуском части жидкости из линии нагнетания нефтеперекачивающей станции (НПС) в ее линию всасывания. Созданная в процессе исследований компьютерная программа позволяет выбирать оптимальную настройку перепускных устройств в условиях применения на конкретном трубопроводе [86]. В научной статье «Автоматизация процесса мониторинга и регулирования давления в нефтепроводе» автора Коростелёва Д.А. в ходе исследований была построена математическая модель регулирования давления методом дросселирования, спроектирована и разработана программная система, реализующая эту модель, что позволяет осуществлять контроль и управление поворотной заслонки в нефтепроводе. Разработанная система позволяет операторам в режиме реального времени наблюдать за состоянием нефтепровода и, в случае необходимости, принимать соответствующие действия [48]. В научной статье «О моделировании нестационарных течений нефти при авариях на магистральном нефтепроводе» Антипьева В.Н. дан анализ различных методик по определению аварийного истечения нефти при гильотинном порыве магистрального нефтепровода в период неустановившегося течения. В результате установлено, что существующие одномерные модели, основанные на дифференциальных уравнениях в частных производных, в которых касательные напряжения вычисляются по формуле Дарси-Вейсбаха, непригодны для практического применения для задач с гильотинным порывом магистральных нефтепроводов. Предложены основные зависимости для определения ожидаемого количества вылившейся нефти из нефтепровода в период неустановившегося режима течения, при выводе которых используется закон сохранения массы и учитываются упругие свойства нефти и материала стенок труб [8]. В научной статье «Гидравлический удар в нефтепроводах» автора Демидова Н.Ю. проводился сравнительный анализ результатов расчетов гидравлического удара в магистральных нефтепроводах и аварийных утечек при разгерметизации линейной части трубопровода, полученных при использовании программного модуля TOXI+Гидроудар и модели Н.Е. Жуковского. Сделан вывод, что расчет параметров явления гидравлического удара следует проводить в соответствии с моделью Н.Е. Жуковского [40]. В научной работе «Нестационарные течения нефти в линейной части нефтепровода» Налобина Н.Н. разработана методика расчетов по определению наиболее опасных участков магистрального нефтепровода с учетом расстановки запорной линейной арматуры и профиля трассы трубопровода. Разработана математическая модель аварийного опорожнения магистрального нефтепровода под действием сил гравитации с переменным напором с учетом образования пробок нефтяных паров в возвышенных точках трассы, в которых создается вакуум. Давление в паровых пробках не является постоянной величиной, а изменяется по мере опорожнения аварийного участка нефтепровода. Для вычисления давления в паровых пробках предложена эмпирическая зависимость [60]. В научной статье «Расчет температурных режимов работы надземных нефтепроводов» Трапезникова С.Ю. предложены зависимости для определения коэффициента гидравлического сопротивления и безразмерного коэффициента теплоотдачи Нуссельта. Анализируется недостаточная изученность процесса теплообмена высоковязких нефтей, вызывающих необходимость проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований температурных режимов их транспортирования с целью повышения эффективности работы трубопроводного транспорта [82]. 1.2 Патентная проработка (выбор аналога и прототипа) по теме «Автоматизация магистрального нефтепровода АО «Транснефть» и исследование режимов перекачки нефтепродуктов с помощью инструмента Matlab» Поиск проводился по патентам, относящимся к автоматизации нефтепроводов и снижению аварийности при их эксплуатации. Результаты поиска приведены в таблице 1.2.1. Таблица 1.2.1 – Результаты патентного поиска № Название Страна Индекс МПК Номер патента 1 Централизованная система противоаварийной автоматики магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов Россия F17D 5/00 №RU2588330C1 2 Единая система управления трубопроводной системы Россия F17D 5/00 №RU140620U1 3 Автоматизированная система защиты магистральных нефтепроводов Россия F04D 15/00 №RU133216U1 4 Способ мониторинга и оценки технического состояния магистрального трубопровода и система для его реализации Россия F17D 5/00 №RU2451874C1 5 Комбинированная система защиты наливного трубопровода от гидравлического удара Россия F16L 55/045 №RU2559225C1 6 Устройство гасителя гидравлического удара Россия F16L55/45 №RU2220359C2 7 Способ определения утечек в трубопроводах и устройство для его осуществления Россия G01N 29/04 №RU 2688903C1 8 Стенд для исследования течения жидкости в трубопроводе Россия G01M 10/00 №RU2678712C1 9 Устройство для уменьшения скачков давления в трубопроводе, по которому жидкость находится под пульсирующим давлением США F16L55 / 05 №US2774381А 10 Устройство для выравнивания давления жидкости в трубопроводе США F16L55 / 052 №US2774381А 1.3 Патентный анализ результатов поиска. Выбор аналога и прототипа 1. В патенте РФ №RU2588330C1 изобретена централизованная система противоаварийной автоматики (ЦСПА) магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов, характеризующаяся тем, что она представляет собой программно-технический комплекс (ПТК), содержащий сервер ЦСПА с горячим резервированием, и автоматизированное рабочее место (АРМ) ЦСПА, причем ПТК выполнен с возможностью интеграции с системой диспетчерского контроля и управления (СДКУ) посредством сервера ввода-вывода СДКУ, при этом сервер ЦСПА содержит следующие алгоритмические модули: модуль связи с сервером ввода-вывода СДКУ, модуль предварительной обработки данных, модули контроля связи со смежными системами и системами автоматики магистрального трубопровода, модули алгоритмов защит и модуль связи с АРМ ЦСПА, а АРМ ЦСПА содержит следующие модули: модуль отображения отчетов, модуль отображения информации о защитах, модуль формирования настроек ЦСПА, модуль маскирования защит [73]. 2. В патенте РФ №RU140620U1 описывается полезная модель, позволяющая повысить надежность, оперативность, контроль и управляемость трубопроводной системы (ТС) в режиме реального времени. Указанный технический результат достигается тем, что система содержит подсистему обработки информации, а также подсистему контроля и управления ТС. Подсистема обработки информации составлена из блока предоставления данных, контроллера нормативных параметров, блока мониторинга, блока поддержки диспетчера, тренажера диспетчера. Однако, недостатком наиболее данной модели является ограниченность ее функциональных возможностей по организации защит технологического участка магистрального нефтепровода [79]. 3. В патенте РФ №RU133216U1 описывается полезная модель относящаяся к трубопроводному транспорту, а именно к системам автоматической защиты магистральных трубопроводов на участках между нефтеперекачивающими станциями. Технический результат - повышение надежности работы системы защиты и расширение ее функциональных возможностей. Система защиты включает установленные на каждой станции, автоматизированные программно-технические комплексы для контроля и управления насосными агрегатами станции, а также запорными устройствами нефтепровода. Данные комплексы снабжены программируемыми логическими контроллерами [67]. 4. В патенте РФ №RU2451874C1 описывается группа изобретений, которые относятся к средствам диагностики и могут быть использованы для комплексного непрерывного мониторинга технического состояния магистральных трубопроводов. В процессе мониторинга измеряют с помощью датчиков физические параметры, характеризующие текущее техническое состояние магистрального нефтепровода [68]. 5. В патенте РФ №RU2559225C1 описывается изобретение, которое относится к устройствам защиты трубопроводов от волн повышенного давления (гидравлических ударов), возникающих в процессе эксплуатации трубопровода при быстром закрытии задвижек на трубопроводах нефтеналивных терминалов, и может быть использовано при эксплуатации жидкостных систем, а именно нефтепроводов и нефтепродуктопроводов [10]. 6. В патенте РФ №RU2220359C2 разработано устройство, предназначенное для гашения гидравлического удара в трубопроводах. Устройство содержит упругий рабочий орган в виде эластичного шланга, заполненного воздухом, при этом эластичный шланг полностью расположен по дну трубопровода, закреплен первым по течению воды концом к трубопроводу, а второй конец положен свободно, при этом оба конца эластичного шланга закрыты пробками. Предлагаемый гаситель гидравлических ударов эффективен в работе, вместе с тем конструктивно прост, не требует больших затрат и сложного станочного оборудования для изготовления [85]. 7. В патенте РФ №RU2688903C1 рассматривается изобретение относящиеся к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к области трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов и может использоваться для обнаружения утечек транспортируемой среды из напорных и магистральных трубопроводов, а также обеспечение возможности оперативного обнаружения утечек нефти и нефтепродуктов, включая утечки малого объема, без дополнительного оборудования, энергии и материальных затрат при обеспечении высокой точности, надежности и достоверности измеряемых параметров [14]. 8. В патенте РФ № RU2678712C1 изобретен стенд позволяющий моделировать динамику роста газовых скоплений в условиях фазовых переходов и их последующего размыва (растворения) в условиях, максимально приближенных к реальным, характерным для магистральных трубопроводов, при этом, у стенда узкий диапазон изменения угла наклона трубопровода (угол наклона трубопровода ограничен конструкцией стенда). Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении достоверности исследований за счет создания стенда для исследования течения жидкости в трубопроводе, позволяющего моделировать технологические операции и явления, возникающие при эксплуатации магистрального трубопровода [89]. 9. В патенте США №US2774381А изобретение относится к устройству для уменьшения скачков давления в трубопроводе, по которому проходит текучая среда под «пульсирующим давлением», причем данное устройство вставляется между трубопроводом и прикрепленной к нему камерой паровой подушки. Основными особенностями изобретения являются поршень, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения внутри короткого цилиндра, соединяющего камеру паровой подушки с трубопроводом [17]. 10. В патенте США №US2081799А описывается изобретение, которое относится к устройствам для выравнивания давления жидкости в нефтепроводе. Целью изобретения является создание улучшенной конструкции устройства для выравнивания давления жидкости, посредством которых, колебания или пульсации давления текучей среды, проталкиваемой через трубопровод, существенно уменьшаются, демпфируются или выравниваются [41]. Проведенные исследования и испытания показывают, что существует необходимость создания моделей магистральных трубопроводов, с целью прогноза гидравлических, энергетических и прочих параметров, управления процессами перекачки, а также обеспечения безопасности функционирования оборудования магистрального нефтепровода. Гидравлический удар - явление резкого изменения давления в жидкости, вызванное мгновенным изменением скорости её течения в напорном трубопроводе. Гидравлический удар представляет собой колебательный процесс, возникающий в трубопроводе с капельной жидкостью при внезапном изменении скорости ее движения. Гидравлический удар возникает вследствие быстрого закрытия или открытия задвижки или иного устройства управления потоком, внезапной остановки насосов или турбин, аварии на трубопроводе (разрыв, нарушение стыка) и других причин. Этот процесс характеризуется чередованием резких повышений и понижений давления, происходящих за достаточно малый промежуток времени [30]. Существует несколько изобретений относящиеся к устройствам для защиты трубопроводов. Одно из них описывается в патенте РФ № RU123887 U1. Полезная модель относится к области транспортирования нефти по нефтепроводам, в частности, системам сглаживания волн давления для нефтепроводов. Система сглаживания волн давления (ССВД) имеет модульную конструкцию и включает в себя три клапана ССВД, производящие сброс нефти из приемной линии насосной перекачивающей станции (НПС) в случае быстрого нарастания давления, и один резервный клапан ССВД. Система также включает разделительную емкость для разделения транспортируемой по нефтепроводу нефти и тосола, используемого для передачи давления нефти из приемной линии НПС к элементам ССВД; пневмогидравлические аккумуляторы (ПГА); регулирующий клапан для поддержания заданного значения скорости нарастания давления в приемной линии НПС; блок манометров для заправки техническим азотом ПГА, контроля давления газа в ПГА и давления тосола в ССВД; средства заправки тосолом ССВД для заполнения тосолом рабочих объемов элементов ССВД и проверки герметичности гидравлических магистралей. В качестве наиболее близкого аналога рассматриваемого технического решения может быть также выбрано устройство гашения гидравлических ударов в трубопроводе согласно патенту РФ №2193134, в нем устройство включает насосную установку, всасывающий, нагнетательный и обводной трубопроводы, пусковой и отсечный клапаны. Оно также снабжено установленным после насоса автоматическим переключателем потока, соединяющим нагнетательный трубопровод и обводные трубопроводы. Автоматический переключатель потока выполнен в виде тройника, по главной оси которого расположены зеркально друг другу седла, проходные каналы которых сообщены соответственно с полостями обводного трубопровода и нагнетательного патрубка насоса. Кроме того, в автоматическом переключателе потока размещены запорные элементы, посаженные зеркально друг другу на шток со степенью свободы вдоль главной оси. Запорный элемент со стороны насоса подпружинен. Обводной трубопровод наклонен к всасывающему трубопроводу под острым углом, расходящимся в сторону автоматического переключателя потока. Задачей настоящей полезной модели является упрощение конструкции известных ССВД с одновременным повышением надежности работы. 1.4 Особенности построения и функционирования Автоматизация технологических процессов является одним из решающих факторов повышения производительности и улучшения условий труда. Все существующие и строящиеся промышленные объекты в той или иной степени оснащаются средствами автоматизации. Создание эффективной автоматизированной системы управления технологического процесса является очень сложной задачей. Основными способами увеличения эффективности предприятий являются оптимизация и модернизация производства, снижение производственных потерь и технологического расхода энергоносителей, увеличение достоверности и скорости получения информации, необходимой для принятия управленческих решений [11]. Магистральный нефтепровод – сложное техническое сооружение, эксплуатация которого на сегодняшний день невозможна без современных систем контроля, диагностики и управления. Перечисленные задачи связаны с измерением параметров технологического процесса, их обработкой и принятием решений о соответствующих режимах работы [36]. На всех этапах эксплуатации оборудования магистрального нефтепровода необходимо привлечение математических моделей. В частности, существует необходимость создания моделей магистральных трубопроводов, с целью прогноза гидравлических, энергетических и прочих параметров, управления процессами перекачки, а также обеспечения безопасности функционирования оборудования магистрального нефтепровода. В зависимости от своего назначения выделяют следующие типы моделей: ? модели статических процессов в трубопроводе (используются для расчета установившихся режимов магистрального нефтепровода); ? модели гидродинамических процессов (необходимы для описания переходов между технологическими режимами). Практическая часть выпускной квалификационной работы посвящена следующему: 1. Моделированию, которое позволяет с высокой степенью точности определять параметры течения нефти по нефтепроводу и является эффективным средством расчета технологических режимов в стационарном варианте. С помощью такого подхода технологи рассчитывают некоторое множество режимов, которые с той или иной вероятностью могут быть реализованы в системе в течение определенного промежутка времени на перспективу. В случае наступления определенных условий, происходит перевод с одного расчетного режима на другой. Практика эксплуатации магистрального нефтепровода показывает, что среднее время, в течение которых происходит переход от одного стационарного технологического режима к другому, зачастую превышает по длительности время работы в рамках какого-либо из стационарных режимов [35]. Вследствие этого возникает необходимость в построении нестационарных (динамических) моделей, описывающих переходные процессы в магистральном трубопроводе.