СПОСОБ КОНТРОЛЯ БАЛАНСА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ НА УЧАСТКЕ ТРУБОПРОВОДА Российский патент 2013 года по МПК F17D3/01 

Изобретение относится к области гидравлики и предназначено для контроля баланса на участке магистрального трубопровода, проложенного как на суше, так и в водной среде. Контроль баланса текучей среды на участке трубопровода обеспечивается в режиме реального времени.

Известен ряд способов, предусматривающих контроль баланса текучей среды.

Известен способ контроля баланса текучей среды, реализуемый автоматизированной системой для измерения и учета расхода теплоносителя и тепла в системе теплоснабжения, содержащей по меньшей мере один источник тепла, трубопроводы тепловой сети с датчиками температуры, датчики давления, размещенные на приеме и выходе насосной установки источника тепла, статические преобразователи мощности или датчики тока и напряжения, установленные в электросети, питающей электродвигатели насосных установок, причем система снабжена системой передачи данных, объединяющей выходы всех датчиков и сообщенной с информационным центром, содержащим ЭВМ и банк данных расходных характеристик подпиточных, сетевых, повысительных и смесительных насосных установок и характеристик электродвигателей насосных установок, который по первичным параметрам и данным, находящимся в банке данных, вычисляют текущее и суммарное значения расхода теплоносителя и тепла по каждой установке и по сети в целом по формулам, определяющим расходные коэффициенты M_нi по каждой насосной установке (RU №2144162).

Известен способ контроля баланса текучей среды, реализуемый как способ автоматизированного учета и сведения товарного баланса нефтепродуктов на нефтебазах и АЗС, при котором заливают новую дозу нефтепродукта в резервуар для его хранения, замеряют исходные значения плотности нефтепродукта в резервуаре на момент его заливки и фиксируют их в ЭВМ, а также вводят текущие значения плотности нефтепродукта, а в процессе отпуска нефтепродукта измеряют текущие значения расхода нефтепродукта, корректируя его, а затем вносят в ЭВМ расход отпускаемого из резервуара нефтепродукта, перед поступлением новой дозы нефтепродуктов в резервуар совместно с плотностью находящегося на этот момент нефтепродукта в резервуаре замеряют уровень и затем на основе градуировочной характеристики резервуара вычисляют объем нефтепродукта, а затем и его массу, которую заносят в память ЭВМ и сравнивают ее при помощи ЭВМ с документальной массой нефтепродукта, находящегося на этот момент в резервуаре, по бухгалтерским книжным остаткам и в ЭВМ, вычисляют величину дебаланса между ними с определением знака дебаланса, а затем осуществляют прием новой дозы нефтепродуктов в резервуар, и, если прием новой дозы нефтепродуктов в резервуар осуществляется с помощью физических средств измерений, то в зависимости от величины и знака дебаланса производится корректировка принимаемой массы нефтепродуктов, увеличивая или уменьшая значение фактических измерений объема и плотности таким образом, чтобы величина дебаланса находилась в допустимых пределах, а если прием новой дозы нефтепродуктов в резервуар осуществляется только в соответствии с массой нефтепродуктов, указанной в товарно-транспортной накладной, то определяется суммарный объем массы нефтепродукта, находящегося на этот момент в резервуаре, с учетом товарно-транспортной накладной, которые заносят в память ЭВМ и сравнивают их с документальной массой нефтепродукта, находящегося на этот момент в резервуаре, по бухгалтерским книжным остаткам, затем вычисляют величину дебаланса между ними с определением знака дебаланса и производится корректировка отпускаемых доз нефтепродуктов через автоматизированный стояк налива (АСН) на нефтебазах или через топливораздаточные колонки (ТРК) на АЗС таким образом, чтобы величина дебаланса фактической товарной массы нефтепродуктов в резервуаре и отпущенной товарной массы нефтепродуктов, отраженной в бухгалтерских документах, стремилась к совпадению (RU №2344379).

Известен способ контроля баланса текучей среды, реализуемый устройством, содержащим первый передающий пункт, включающий последовательно соединенные первый преобразователь давления и первый фильтр нижних частот, первый генератор сигналов и первый усилитель мощности, приемный пункт, включающий первое входное устройство, последовательно соединенные блок оценки временного рассогласования, указатель расстояния и блок сброса, выход которого подключен к первому входу блока оценки временного рассогласования и второму входу указателя расстояния, первую линию связи между выходом первого усилителя мощности и входом первого входного устройства и вторую линию связи. Несущие частоты генераторов несущей частоты выбраны такой величины, чтобы спектры обеих частот составного сигнала не перекрывались и их можно было бы достаточно легко расфильтровать на приемном пункте.

На приемном пункте для обнаружения факта передачи составного импульса с частотно-временным кодированием применяются соответствующие блоки квадратурного фазового детектирования на первой и второй несущих частотах для выделения огибающих первого и второго подымпульсов несущих частот со случайной начальной фазой и соответствующее декодирование с использованием защитного интервала (RU №2037798).

Известен способ контроля баланса текучей среды на участке трубопровода, реализуемый узлом контроля баланса давления, который содержит датчик давления, подключенный к контролируемому участку через трансформатор давления. Последний выполнен в виде последовательно соединенных между собой с помощью патрубков секций, состоящих из V-образных трубок. Трансформатор соединен с датчиком давления и контролируемым участком через отсечные вентили и через запорные устройства с воздушным и жидкостным коллекторами (SU №1551848, прототип).

Недостатками известных способов является низкая точность получаемых результатов, отсутствие результатов контроля баланса, полученных в режиме реального времени.

Технической задачей изобретения является создание эффективного способа контроля баланса текучей среды на участке трубопровода и расширение арсенала способов контроля баланса текучей среды на участке трубопровода.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в повышении технологичности, точности, надежности и быстродействия за счет эффективного и оперативного контроля параметров текучей среды в режиме реального времени.

Сущность изобретения состоит в том, что способ контроля баланса текучей среды на участке трубопровода предусматривает получение меток времени с заданным равномерным интервалом, измерение давления перекачиваемой среды на концах участка одновременно в двух сечениях, расположенных на расстоянии между ними, составляющем от 0,001 до 0,04 длины этого участка трубопровода, выявление градиента давления в двух сечениях на каждом конце участка между собой, и определение соответствующего градиенту давления массового расхода текучей среды, а также сравнение мгновенных значений массового расхода текучей среды на концах участка трубопровода для определения скользящего среднего баланса расхода текучей среды на участке трубопровода, по значениям которого осуществляют контроль наличия разбаланса массового расхода, с последующим внесением значений разбаланса в устройство хранения информации.

Предпочтительно измерение давления в двух сечениях на каждом конце участка трубопровода осуществляется с помощью датчиков давления, а определение скользящего среднего баланса расхода текучей среды на участке трубопровода осуществляют из соотношения:

B_T=[∑(G_i in)-∑(G_i out)]/N, где:

N - количество мгновенных значений расхода за выбранный расчетный период T;

G_i in, ∑G_i out - значения мгновенного расхода на входе и выходе по направлению движения текучей среды в трубопроводе за период T соответственно, кг/сек;

B_T - средний баланс текучей среды из трубопровода за период T, кг/сек.

Предпочтительно получение меток времени осуществляется с помощью приемника GPS, выявление градиента давления в двух сечениях на каждом конце участка между собой и определение соответствующего градиенту давления массового расхода текучей среды осуществляют с помощью локального узла, включающего локальный контроллер, к которому подключены датчики давления и приемник GPS на этом конце участка трубопровода, при этом каждый локальный контроллер проверяет направление градиента давления от пары соседних датчиков давления и производит передачу соответствующих мгновенных значений массового расхода текучей среды в центральный контроллер.

При этом определение скользящего среднего баланса расхода текучей среды на участке трубопровода, по значениям которого осуществляют контроль наличия разбаланса массового расхода, осуществляют с помощью центрального контроллера по информации, получаемой от локальных контроллеров, о мгновенных значениях массового расхода текучей среды. Передача данных между контроллерами осуществляется с помощью сети Интернет по протоколу TCP/IP.

Кроме того, локальные контроллеры периодически передают в центральному контроллеру сообщения о своей работоспособности, метки времени от GPS и параметры, получаемые от датчиков давления с временным интервалом, равным интервалу получения меток времени, центральный контроллер использует указанные сообщения для визуального отображения, а если своевременное периодическое сообщение от локального контроллера отсутствует, центральный контроллер фиксирует отказ соответствующего локального узла и формирует тревожный сигнал.

На чертеже изображена схема аппаратного комплекса для реализации способа контроля баланса текучей среды (продукта) на участке трубопровода.

Комплекс содержит две пары датчиков 2 давления на трубопроводе 1, установленных парами на расстоянии 50-200 метров между соседними датчиками 2 в каждой паре, локальные программируемые логические контроллеры 3, датчики временных меток в виде GPS приемников 4, линии 5 связи, центральный контроллер 6 и автоматизированное рабочее место 7 оператора (персональный компьютер 7). Датчики 2 выполнены с временем срабатывания не более 1 мсек (миллисекунд). Пары датчиков 2 располагаются на границах контрольного участка трубопровода 1, расстояние между двумя парами датчиков, т.е. длина контрольного участка составляет 5000-50000 м. Таким образом, датчики 2 установлены на расстоянии между ними на каждом конце контрольного участка, составляющем от 0,001 до 0,04 длины этого участка трубопровода 1. Один из датчиков 2 в каждой паре является внутренним по отношению к контрольному участку, а другой - внешним. Соотношение расстояний между датчиками 2 в каждой паре и длиной участка выбрано из условия минимального влияния гидравлических потерь по длине участка на результаты контроля.

Таким образом, комплекс состоит из трех узлов - двух локальных и одного центрального. Локальные узлы размещаются на границах контрольного участка трубопровода 1 (в зоне пар датчиков 2), центральный узел - в диспетчерском пункте. Локальные контроллеры 3, их GPS приемники 4 и датчики 2 давления относятся к локальным узлам; центральный контроллер 6, его датчик временных меток в виде приемника GPS (не изображен), и персональный компьютер 7 оператора АРМ - к центральному. Все три контроллера 3, 6 комплекса, а также компьютер 7 соединены между собой линиями 5 связи по сети Интернет (Ethernet).

Представленные в блок-схеме на уровне функционального обобщения составные - контроллеры 3, 6 и компьютер 7 с заданными функциональными возможностями относятся к цифровым комбинационным автоматам, для которых известны методы синтеза их структуры по содержательному описанию функции (сведениям о функциях, изложенным в описании), т.е. они могут быть синтезированы с помощью известных правил и методов, с помощью которых автоматическое устройство может быть получено по предъявляемым к нему требованиям.

Способ контроля баланса текучей среды на участке трубопровода реализуется следующим образом.

При установившейся работе трубопровода 1 постоянно производится получение меток времени с заданным равномерным интервалом с помощью GPS приемника 4. Одновременно с помощью датчиков 2 осуществляется измерение материальной величины - давления перекачиваемой среды в двух сечениях на каждом конце контрольного участка трубопровода 1. Полученные результаты измерений в виде материальных сигналов служат для выявления градиента давления в двух сечениях на каждом конце участка между собой и определения соответствующего градиенту давления массового расхода текучей среды, а также сравнение мгновенных значений массового расхода текучей среды на концах участка трубопровода 1 для определения скользящего среднего баланса (разбаланса) расхода текучей среды на участке трубопровода 1. Скользящее среднее - это среднее значение в течение определенного количества интервалов времени.

Принцип работы комплекса основан на расчете массового расхода продукта по перепаду давления на коротком участке трубопровода 1. На каждом конце участка периодически проводится расчет массового потока продукта.

В локальном контроллере 3 задаются следующие параметры расчета:

D - диаметр трубопровода 1, м;

S - площадь трубопровода 1, м²;

η - коэффициент динамической вязкости текучей среды (продукта), Н*сек/м²;

dX - расстояние между датчиками 2 на концах участка, м;

ρ - плотность продукта в условиях перекачки, кг/м³;

dH - разность высот между датчиками 2 на одном конце участка, м;

k - эквивалентная шероховатость участка трубы между датчиками, м;

dU - поправка к падению напора между датчиками, атм;

m - поправка к коэффициенту гидравлического сопротивления между датчиками.

По замерам давлений локальные контроллеры вычисляют массовый расход между датчиками 2 на концах участка по формуле:

Где P2, P1 - давление на первом и втором датчиках 2, атм (датчики считаются по направлению отсчета пикетов трубопровода 1. (В любом трубопроводе есть заданный отсчет пикетов. Все километры в этой же системе отсчета);

G - массовый расход, кг/сек,

dV=(P2-P1+0,1*dH+dU)/dX - градиент падения напора между датчиками 2 на концах участка, атм/м,

Re=4*G/(π*D*η) - коэффициент Рейнольдса,

a=D*S²*ρ,

b=m*λ/(196*a),

C=a/(32*η),

λ - коэффициент гидравлического сопротивления, вычисляемый по формуле:

По значениям скользящего среднего осуществляют контроль наличия разбаланса массового расхода с последующим внесением всех значений разбаланса в устройство хранения информации контроллера 6.

Определение скользящего среднего баланса расхода текучей среды на участке трубопровода 1, по значениям которого осуществляют контроль наличия разбаланса массового расхода, осуществляют с помощью центрального контроллера 6 по информации, получаемой от локальных контроллеров 3, о мгновенных значениях массового расхода текучей среды.

Определение скользящего среднего баланса расхода текучей среды на участке трубопровода 1 осуществляют из соотношения:

B_T=[∑(G_i in)-∑(G_i out)]/N, где:

N - количество мгновенных значений расхода за выбранный расчетный период T;

G_i in, ∑G_i out - значения мгновенного расхода на входе и выходе по направлению движения текучей среды в трубопроводе 1 за период T соответственно, кг/сек;

B_T - средний баланс текучей среды из трубопровода 1 за период T, кг/сек.

Выявление градиента давления в двух сечениях на каждом конце участка между собой и определение соответствующего градиенту давления массового расхода текучей среды осуществляют с помощью локального узла, включающего локальный контроллер 3, к которому подключены датчики 2 давления и приемник 4 GPS на этом конце участка трубопровода 1. Каждый локальный контроллер 3 проверяет направление градиента давления от пары соседних датчиков 2 давления и производит передачу соответствующих мгновенных значений массового расхода текучей среды в центральный контроллер 6.

Балансы подводятся за несколько заданных периодов времени T. Значения баланса сохраняются в архиве и отображаются в виде тренда на графиках. Параллельно ведется статистика значений давления и баланса с расчетом среднего и стандартного отклонения за период T.

Передача данных между контроллерами 3, 6 осуществляется по линиям 5 с помощью сети Интернет по протоколу TCP/IP.

Локальные контроллеры 3 периодически передают центральному контроллеру 6 сообщения о своей работоспособности, метки времени от приемника 4 GPS и параметры, получаемые от датчиков 2 давления с временным интервалом, равным интервалу получения меток времени. Центральный контроллер 6 использует указанные сообщения для визуального отображения, а если своевременное периодическое сообщение от локального контроллера 3 отсутствует, центральный контроллер 6 фиксирует отказ соответствующего локального узла и формирует тревожный сигнал, а также сообщение на монитор компьютера 7. Центральный контроллер 6 отображает и ведет архив (запись в блок памяти) значений расхода на концах участка, отображает их баланс и тренд во времени этих значений.

В результате создан эффективный способ контроля баланса текучей среды на участке трубопровода и расширен арсенал способов контроля баланса текучей среды на участке трубопровода. При этом повышены технологичность, точность, надежность и быстродействие за счет эффективного и оперативного контроля параметров текучей среды в режиме реального времени, расширены функциональные возможности способа.

Способ предусматривает получение меток времени с заданным равномерным интервалом, измерение давления перекачиваемой среды на концах участка одновременно в двух сечениях, расположенных на расстоянии между ними, составляющем от 0,001 до 0,04 длины этого участка трубопровода, выявление градиента давления в двух сечениях на каждом конце участка между собой и определение массового расхода текучей среды, а также сравнение мгновенных значений массового расхода текучей среды на концах участка трубопровода для определения скользящего среднего баланса расхода текучей среды на участке трубопровода, по значениям которого осуществляют контроль наличия разбаланса, с последующим внесением значений разбаланса в устройство хранения информации. Технический результат - повышены технологичность, точность, надежность и быстродействие за счет эффективного и оперативного контроля параметров текучей среды в режиме реального времени, расширены функциональные возможности способа. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля баланса текучей среды на участке трубопровода, предусматривающий получение меток времени с заданным равномерным интервалом, измерение давления перекачиваемой среды на концах участка одновременно в двух сечениях, расположенных на расстоянии между ними, составляющем от 0,001 до 0,04 длины этого участка трубопровода, выявление градиента давления в двух сечениях на каждом конце участка между собой и определение соответствующего градиенту давления массового расхода текучей среды, а также сравнение мгновенных значений массового расхода текучей среды на концах участка трубопровода для определения скользящего среднего баланса расхода текучей среды на участке трубопровода, по значениям которого осуществляют контроль наличия разбаланса массового расхода, с последующим внесением значений разбаланса в устройство хранения информации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение давления в двух сечениях на каждом конце участка трубопровода осуществляется с помощью датчиков давления.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что определение скользящего среднего баланса расхода текучей среды на участке трубопровода осуществляют из соотношения:
B_T=[∑(G_i in)-∑(G_i out)]/N,
где N - количество мгновенных значений расхода за выбранный расчетный период Т;
G_i in, G_i out - значения мгновенного расхода на входе и выходе по направлению движения текучей среды в трубопроводе за период Т соответственно, кг/с;
В_Т - средний баланс текучей среды из трубопровода за период Т, кг/с.

4. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что получение меток времени осуществляется с помощью приемника GPS.

5. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что выявление градиента давления в двух сечениях на каждом конце участка между собой и определение соответствующего градиенту давления массового расхода текучей среды осуществляют с помощью локального узла, включающего локальный контроллер, к которому подключены датчики давления и приемник GPS на этом конце участка трубопровода, при этом каждый локальный контроллер проверяет направление градиента давления от пары соседних датчиков давления и производит передачу соответствующих мгновенных значений массового расхода текучей среды в центральный контроллер.

6. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что определение скользящего среднего баланса расхода текучей среды на участке трубопровода, по значениям которого осуществляют контроль наличия разбаланса массового расхода, осуществляют с помощью центрального контроллера по информации, получаемой от локальных контроллеров о мгновенных значениях массового расхода текучей среды.

7. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что передача данных между контроллерами осуществляется с помощью сети Интернет по протоколу TCP/IP.

8. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что локальные контроллеры периодически передают центральному контроллеру сообщения о своей работоспособности, метки времени от GPS и параметры, получаемые от датчиков давления с временным интервалом, равным интервалу получения меток времени, центральный контроллер использует указанные сообщения для визуального отображения, а если своевременное периодическое сообщение от локального контроллера отсутствует, центральный контроллер фиксирует отказ соответствующего локального узла и формирует тревожный сигнал.