Прогнозирование образования гидратных пробок в нефтепродуктопроводах

Построена математическая модель, позволяющая обнаруживать потенциальные места образования гидратных пробок в газопроводах. На её основе на языке JavaScript в среде Alpha.HMI разработана программа.
Так же в ходе выполнения работы также были рассмотрены механизм образования гидратных пробок, различные методы их обнаружения, описаны несколько математических моделей, которые рассматривают образования гидратных пробок с разных сторон, и существующие программы, способные рассчитывать участки на которых могут образоваться гидраты.

Реферат ……………………………………………………………………………………………………… 9
Определения, обозначения и сокращения …………………………………………………. 13
Введение ………………………………………………………………………………………………….. 14
1 Обзор литературы ………………………………………………………………………………… 15
1.1 Механизм образования гидратных пробок …………………………………… 15
1.2 Методы обнаружения гидратных пробок ……………………………………… 17
1.2.1 СВЧ-метод определения местоположения инородных объектов в
газопроводах ………………………………………………………………………………………. 18
1.2.2 Стационарная система контроля на основе акустической эмиссии
1.2.3 Поиск гидратов в местах снижения температуры газа ниже
температуры точки росы …………………………………………………………………….. 23
1.2.4 Поиск пробок по повышенным перепадам давления…………………. 23
2 Обзор математических моделей возникновения гидратных пробок ……….. 25
2.1 Математическая модель расчёта участка конденсации влаги в местах
снижения температуры газа ниже температуры точки росы………………………. 25
2.2 Неизотермическая модель потока природного газа в трубопроводах
(основные уравнения неизотермического потока гидрата и модель оценки
риска закупорки) ……………………………………………………………………………………… 26
2.3 Термодинамика гидрата ………………………………………………………………. 29
2.4 Симулирование механизма образования гидратных пробок …………. 32
3 Средства и методы разработки ……………………………………………………………… 33
3.1 Альфа платформа ………………………………………………………………………… 33
3.2 Alpha.HMI …………………………………………………………………………………… 34
3.3 JavaScript …………………………………………………………………………………….. 34
3.4 Mathcad ……………………………………………………………………………………….. 35
4 Разработка математической модели и программы …………………………………. 37
Разработка математической модели …………………………………………….. 37
Разработка программы ………………………………………………………………… 40
5 Исследование модели …………………………………………………………………………… 42
5.1 Исследование зависимости размера зоны гидратообразования от
температуры окружающей среды в начале участка трубопровода …………….. 42
5.2 Исследование зависимости размера зоны гидратообразования от
давления в начале участка трубопровода ………………………………………………….. 45
5.3 Исследование зависимости размера зоны гидратообразования от
расхода газа в начале участка трубопровода …………………………………………….. 48
6 Финансовый менеджмент, ресурсоэфективность и ресурсосбережение …. 51
6.1 Предпроектный анализ ………………………………………………………………… 51
6.1.1 Потенциальные потребители разработки ………………………………….. 51
6.1.2 Анализ конкурентных технических решений ……………………………. 52
6.1.3 SWOT-анализ…………………………………………………………………………… 54
6.1.4 Оценка готовности разработки к коммерциализации ………………… 56
6.2 Инициация проекта ……………………………………………………………………… 58
6.2.1 Цели и результат проекта …………………………………………………………. 58
6.2.2 Организационная структура проекта ………………………………………… 59
6.3 Планирование управления научно-техническим проектом …………… 60
6.3.1 Иерархическая структура работ ……………………………………………….. 60
6.4 Планирование научно-исследовательских работ ………………………….. 61
6.4.1 Структура работ в рамках научного исследования ……………………. 61
6.4.2 Определение трудоемкости выполнения работ …………………………. 62
6.5 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) ……………………… 68
6.5.1 Расчет материальных затрат НТИ …………………………………………….. 68
6.5.2 Расчет амортизационных отчислений ………………………………………. 69
6.5.3 Основная заработная плата исполнителей темы ……………………….. 69
6.5.4 Дополнительная заработная плата исполнителей темы …………….. 71
6.5.5 Отчисление во внебюджетные фонды ………………………………………. 71
6.5.6 Прочие прямые затраты …………………………………………………………… 72
6.5.7 Накладные расходы …………………………………………………………………. 72
6.5.8 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского
проекта……………………………………………………………………………………………….. 73
6.5.9 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования 73
7 Социальная ответственность ………………………………………………………………… 77
7.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности . 77
7.2 Производственная безопасность ………………………………………………….. 78
7.3 Экологическая безопасность ……………………………………………………….. 86
7.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………….. 88
Заключение ……………………………………………………………………………………………… 91
Список использованной литературы…………………………………………………………. 93
Приложение А …………………………………………………………………………………………. 96
Приложение Б ………………………………………………………………………………………….. 99
Определения, обозначения и сокращения
Определения
В данной работе применены следующие термины с соответствующими
определениями:
автоматизированная система (АС): комплекс аппаратных и
программных средств, предназначенный для управления различными
процессами в рамках технологического процесса;
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), СКАДА:
архитектура системы управления, которая использует компьютеры, сетевую
передачу данных и графические пользовательские интерфейсы для
высокоуровневого управления процессами;
технологический процесс (ТП): последовательность технологических
операций, необходимых для выполнения определенного вида работ;
мнемосхема – представление технологической схемы в упрощенном
виде на экране АРМ.
Обозначения и сокращения
СВЧ – сверхвысокочастотное;
ЭГ – этиленгликоль;
АЭ – акустическая эмиссия;
ООО – общество с ограниченной ответственностью;
ООП – объектно-ориентированное программирование;
PLC (Programmable Logic Controllers) – Программируемые логические
контроллеры (ПЛК);
HMI (Human Machine Interface), ЧМИ – Человеко-машинный
интерфейс;
OPC (Object Protocol Control) – протокол для управления процессами;
ФБ – Функциональный блок;
ПК – Персональный компьютер;
ЛВС – Локальные вычислительные сети;
ЧС – Чрезвычайная ситуация.

Результатом выполнения магистерской диссертации является
математическая модель, позволяющая обнаруживать гидратные пробки в
газопроводах и разработанная на её основе программа.
В ходе выполнения работы был рассмотрен механизм образования
гидратных пробок, различные методы их обнаружения, описаны несколько
математических моделей, которые рассматривают образования гидратных
пробок с разных сторон, и существующие программы, способные рассчитывать
участки на которых могут образоваться гидраты.
Также было рассмотрено и изучено освоено множество программ,
понимание и умение работать в которых необходимо для выполнения задания. А
именно: изучена программная среда Альфа платформа и один из её компонентов
Alpha.HMI, программное обеспечение для математических расчётов Mathcad и
объектно-ориентированный язык программирования JavaScript, на котором была
написана большая часть программного кода.
Была построена математическая модель, позволяющая прогнозировать
участки образования гидратных пробок, и разработано программное
обеспечение на основе этой модели. Разработанная программа может
применяться в системах контроля, управления и сбора данных при
транспортировке газа по трубопроводам.
Над построенной математической моделью проведены опыты.
Исследованы зависимости размера зоны гидратообразования от таких
переменных как: температура окружающей среды в начале участка
трубопровода, давления в начале участка трубопровода, расход газа. На
основании исследованных зависимостей сделаны выводы и сформулированы
рекомендации для проектирования и эксплуатации газопроводов.
В результате проведения технико-экономического анализа выявлено, что
разработанная программа позволит значительно снизить затраты на
моделирования газопровода и поиск гидратных пробок.
Выявлены основные опасные и вредные факторы, которые могут
возникнуть в процессе работы с системой, в которой задействована
разрабатываемая программа, разработаны меры по снижению воздействий
системы на экологию, что представлено в главе социальная ответственность.
Таким образом всем поставленные задачи были выполнены, разработанная
программа имеет высокую гибкость и возможность дальнейшего развития,
исследования и использования.

1.Douglas J.Turner, Kelly T.Miller, E.Dendy, E.Sloan, Methane hydrate
formation and an inward growing shell model in water-in-oil dispersions. – Australia:
Chemical Engineering Science, 2009. – 3996 p.
2.Ke-Le Yan, Chang-Yu Sun, Jun Chen, Li-Tao Chen, De-Ji Shen, Bei Liu,
Meng-Lei Jia, Meng Niu, Yi-Ning Lv, Nan Li, Zhi-Yu Song, Shu-Shan Niu, Guang-
JinChen Flow characteristics and rheological properties of natural gas hydrate slurry
in the presence of anti-agglomerant in a flow loop apparatus. – Australia: Chemical
Engineering Science, 2014. – 99 p.
3.Jun Chen, Ke-Le Yan, Guang-Jin Chen, Chang-Yu Sun, Bei Liu, Ning
Ren, De-Ji Shen, Meng Niu, Yi-Ning Lv, Nan Li, Amadeu K., Sum Insights into the
formation mechanism of hydrate plugging in pipelines. – Australia: Chemical
Engineering Science, 2015. – 284 p.
4.Стаднюк Е. И. Обнаружение и устранение гидратных пробок в
газопроводах, Современные техника и технологии. – Томск: Изд-во ТПУ, 2014.
— Т. 3. —105 c.
5.К.А.Коровин, В.П.Шиян, СВЧ-метод определения местоположения
инородных объектов в газопроводах. – Томск: издательство ТПУ, 2007. – 71 с.
6.Патент RU 2207562 C1 G01N29/14
7.Катаев К. А., Гидратообразование в трубопроводах природного газа.
– Тюмень: издательство ТИУ, 2011. – 69 с.
8.ПаранукА.А.Разработкаметодовраннегообнаружения
гидратообразованиявмагистральныхгазопроводахитехнологических
трубопроводах компрессорных станций: дис. … канд. наук. Кубанский гос. техн.
университет, Краснодар, 2013.
9.Жумаев, К. К. Влияние гидратообразования на пропускную
способность газопровода. – Текст: непосредственный // Молодой ученый. – 2016.
– № 2 (106). – 150 с.
10. М.Г Сухарев, А.М. Красевич, Технологический расчет и обеспечение
надежности газа и нефтепроводов. – Москва: Изд-во «Нефть и газ» РГУ
НГ. им. И.М. Губкина 2000 г – 48 с.
11. Turner, D.J., Boxall, J., Yang, S., Kleehammer, D.M., Koh, C.A., Miller,
K.T., Sloan, E.D., Development of a hydrate kinetic model and its incorporation into
OLGA 2000 transient multiphase flow simulator. – Norway: 5th International
Conference on Gas Hydrates, 2005. – 12 p.
12. Sun, F., Yao, Y., Chen, M., Li, X., Zhao, L., Meng, Y., Sun, Z., Zhang,
T., Feng, D., Performance analysis of superheated steam injection for heavy oil
recovery and modeling of wellbore heat efficiency. – Energy 125, 2017. – 795 p.
13. Dong, X., Liu, H., Pang, Z., Wang, C., Lu, C., Flow and heat transfer
characteristics of multi-thermal fluid in a dual-string horizontal well. – Numer. Heat
Tran., Part A: Appl. 66 (2) 2014. – 185 p.
14. Soave G., Equilibrium constants from a modified Redlich-Kwong
equation of state. – Chemical Engineering Science 27. 1972 – 1197 p.
15. Van der Waals, J.H., Platteeuw J.C., Clathrate solutions. –Advance
Chemical Physics 2. 1959. – 57 p.
16. Kvamme, B., Tanaka, H., Thermodynamic stability of hydrates for ethane,
ethylene, and carbon dioxide. – The Journal of Physical Chemistry 99(18) 1995. –
7114 p.
17. Sloan, E.D., A changing hydrate paradigm – from apprehension to
avoidance to risk management. – Fluid Phase Equilib. 228. 2005 – 67p.
18. Сайт Атомик Софт – Интеллектуальные системы автоматизации
[Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.automiq.ru/alphaplatform/
(содержит сведения о Альфа платформе и Alpha.HMI).
19. Сайт JavaScript — Wikipedia [Электронный ресурс]. – Режим
доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/JavaScript (дата обращения 15.04.2021).
20. Сайт Mathcad — Wikipedia [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://en.wikipedia.org/wiki/ Mathcad (дата обращения 15.04.2021).
21. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Гигиенические требования к ПЭВМ и
организации труда.
22. Инструкция по охране труда при работе на персональном
компьютере.[Электронныйресурс].URL:
http://businessforecast.by/partners/646/1379 (дата обращения 15.04.2021).
23. СанПиН 2.2.542-96. Гигиенические требования к видеодисплейным
терминалам,персональнымэлектронно-вычислительныммашинами
организации работы.
24. ГОСТ Р ИСО/МЭК 27033-1-2011. Методы и средства обеспечения
безопасности. Безопасность сетей. Часть 1. Обзор и концепции.
25. ГОСТ Р МЭК 61508-2012. Функциональная безопасность систем
электрических, электронных, программируемых электронных, связанных с
безопасностью.
26. ГОСТ Р 12.1.019-2009 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов
защиты.
27. СанПиН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату
производственных помещений
28. ГОСТ 12.1.003-2014 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Шум. Общие требования безопасности
29. ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность. Общие требования»
30. ГОСТР51057-2001–«Техникапожарная.Огнетушители
переносные. Общие технические требования. Методы испытаний»