СПОСОБ И СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ФИЗИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ МНОГОФАЗНЫХ СМЕСЕЙ ПРИ ИХ ТРАНСПОРТИРОВКЕ ПО ТРУБОПРОВОДНОЙ СИСТЕМЕ Российский патент 2023 года по МПК F17D3/01 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области измерительных средств и обеспечивает мониторинг физических и технологических параметров многокомпонентных многофазных смесей типа природного газа и нефти (называемых в дальнейшем «флюиды») при их транспортировке по трубопроводной системе, а также к оптимизации контроля и управления трубопроводной системой и может быть использовано в нефте-газо-транспортной области промышленности.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для мониторинга параметров транспортируемого флюида в трубопроводной системе обычно в конечном числе точек трубопровода устанавливают измерительное оборудование, обеспечивающее измерение физических и технологических параметров транспортируемого флюида: давления, температуры, расхода, состава и других.

Определение физических и технологических параметров течения многофазной многокомпонентной среды (флюида) необходимо для оптимизации его транспорта. Более того, точное определение ряда физических параметров транспортируемого флюида с заданной пространственной и временной локализацией обладает критической практической важностью, например:

1) определение температуры и локального давления газа в системе с целью удержания их в заданном диапазоне, поскольку при определенных соотношениях между локальными давлением и температурой при транспорте природного газа возможно образование, выпадение и отложение газогидратов внутри трубопроводной системы, что может приводить как к частичному уменьшению полезного диаметра трубы, так и к образованию газогидратной пробки, полностью прекращающей технологический процесс транспорта флюида;

2) определение температурного распределения вдоль трубопроводной системы с целью недопущения возникновения участков с критически высокой температурой транспортируемого флюида при прокладке трубопроводной системы в вечно-мерзлых грунтах, поскольку повышение температуры транспортируемого флюида выше критической приводит к подтаиванию окружающего трубу грунта и, соответственно, к изменению механических напряжений с возможной последующей деформацией системы и, как следствие, её разрывам;

3) определение температурного распределения вдоль трубопроводной системы с целью недопущения возникновения участков с критически низкой температурой транспортируемого флюида, поскольку при преодолении трубопроводной системой естественных водных преград уменьшение температуры транспортируемого флюида ниже точки замерзания окружающей воды способствует нарастанию льда на поверхности труб, приводящему к изменению механических напряжений с возможной последующей деформацией системы и её разрывам;

4) определение, в частности, точных значений температуры и давления флюида, которые необходимо держать в заданных пределах в любой точке трубопровода и в любой момент времени на всем его протяжении, поскольку для каждой из труб трубопровода, в зависимости от производителя, времени закладки и условий эксплуатации, существуют ограничения по локальным значениям физических свойств и режимам транспортируемого флюида;

5) определение изменения теплотворной способности флюида (при транспорте и смешивании флюидов разного состава в узлах смешения) в зависимости от времени на входах в перекачивающие станции по известным компонентным составам на входах в трубопроводную систему для недопущения неконтролируемого ухудшения качества транспортируемого флюида.

Здесь необходимо отметить, что теплотворная способность флюида является его ценным техническим параметром, характеризующим потенциальную удельную тепловую энергию, которая может выделиться при его сжигании и ради использования которой его транспортируют по трубопроводам к разным потребителям, находящимся в разных географических точках. Величина выделяемой энергии при сжигании флюида входит в критерии оценки продажной стоимости флюида, то есть существенно влияет на его коммерческую составляющую, и поэтому является важным как техническим, так и, соответственно, коммерческим параметром на выходах из трубопроводной системы при расчётах с потребителем.

Кроме того, величина теплотворной способности является определяющей при определении величины расхода части транспортируемого флюида в качестве топлива для работы перекачивающего оборудования, объём которого может составлять до 3% от общего объёма перекачиваемого флюида.

Рассматривая известные способы измерения параметров флюидов в трубопроводе, которые могли бы оказаться полезными в решении вышеуказанных задач, можно отметить, что в первую очередь они направлены на повышение точности определения расхода флюида, информация о котором является важной также и для коммерческой составляющей. В патенте GB 2422016 описан способ визуального определения параметров многофазного течения. Другая серия патентов рассматривает расходомеры, собранные из измерителя давления и оптических датчиков, установленных в специальных точках трубы (см., например, ЕР 0684450, СА 2573665, WO 2012101139). Тем не менее, упомянутые изобретения основываются на предположении о стационарности течения на выделенном участке трубопровода. Стационарный (или установившийся) режим транспорта характеризуется тем, что в каждой точке трубопроводной системы физические и технологические параметры транспортируемого флюида остаются неизменными в течение всего времени. Для стационарных режимов транспорта флюида по трубопроводной системе полученной информации от измерительных приборов на измерительных узлах (обычно на крановых площадках) вполне достаточно для определения потока и его контроля в силу известных физических законов изменения параметров стационарного потока вдоль направления трубы.

На практике же транспортировка флюида всегда осуществляется в нестационарных режимах, которые в большей или меньшей степени отличаются от стационарного режима, при котором возможно упрощенное физико-математическое описание.

Таким образом, рассмотрение режима транспортировки флюида по трубопроводной системе в качестве стационарного, то есть как режима, при котором параметры потока флюида постоянны в любых заданных координатных точках трубопровода и не зависят от времени транспорта флюида, является в той или иной степени грубым приближением, а в реальности всегда реализуется нестационарный режим, при котором параметры потока флюида в процессе его транспортировки меняются во всех или в некоторых координатных точках или участках трубопровода во времени.

Нестационарный режим транспорта отличается именно тем, что в каждой точке трубопроводной системы физические и технологические параметры флюида зависят не только от координаты этой точки (как в стационарном режиме), но и от времени. Зависимость от времени возникает в результате многих причин: изменение со временем параметров окружающей среды (температура и давление атмосферного воздуха, скорость ветра), изменение расходов на входах и на выходах системы, перестановка запорной арматуры при изменении планов поставки флюида потребителям, вывод части системы из активной эксплуатации для технического обслуживания, ремонта, модернизации и тому подобные. При незначительных изменениях внешних параметров режим транспорта флюидов устанавливается близким к стационарному. Однако, любые изменения внешних параметров приводят к процессу перестройки режима транспорта, которые происходят, как в любой физической системе, за конечное время - возникает нестационарный режим транспорта флюида.

При нестационарном режиме, значительно отличающимся от стационарного транспорта флюида по трубопроводной системе, измеренных физических и технологических данных, получаемых с установленного измерительного оборудования, недостаточно, чтобы их напрямую интерполировать вдоль трубопровода по простым аналитическим формулам, справедливым для стационарного режима. Поэтому, для мониторинга значений параметров флюида в заданной локализации трубопровода и в заданный момент времени, требуется, используя указанные данные, получаемые с установленного измерительного оборудования, проводить трудоемкий комплекс расчетов реализованного нестационарного режима транспорта флюида численными методами с помощью вычислительной техники.

Повышение точности измерения расхода флюида является только одной из задач по оптимальному управлению трубопроводной системой, но и она в современных условиях требует привлечения вычислительной техники.

В настоящее время разработано и используется несколько комплексов, выполненных с возможностью определения физических и технологических параметров транспортируемого по трубопроводной системе флюида:

Д1. В.Н. Цыбульник, А.Л. Кутырев. 2013. Программно-вычислительный комплекс математического моделирования процессов транспорта газа «Астрагаз», Газовая промышленность, с.17-19;

Д2. Макс. Г. Анучин, Мих. Г. Анучин, А.Н.Кузнецов Экономичный метод расчета стационарных режимов газотранспортных систем, 2016, Математическое моделирование,28,4, с.64-76;

Д3. Д.Г. Леонов. 2017. Методы, модели и технологии разработки и интеграции распределенных гетерогенных программно-вычислительных комплексов в транспорте газа, Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, 196 с.;

Д4. М.Г. Анучин, М.Г. Анучин, А.А. Анфалов, А.А. Архипов, В.В. Волосов, А.Н. Кузнецов, Л.Н. Шабанова. Моделирование транспорта природного газа в режиме онлайн. Программно-вычислительный комплекс «Волна». 2017. Нефть. Газ. Новации. № 5, с. 27-35.

Недостатками имеющихся комплексов моделирования являются либо возможность рассмотрения только стационарных процессов транспорта, как в Д1 и Д2, либо недостаточная точность в пространственной и временной локализации вычисленных значений физических и технологических параметров транспортируемого флюида при невозможности полноценного учёта нестационарных технологических процессов в режиме реального времени, как в Д3 и Д4, поскольку многокомпонентность и многофазность транспортируемого флюида даже не рассматриваются. В результате для нестационарных режимов транспорта многофазного многокомпонентного флюида нет возможности решить критически важные задачи, в частности перечисленные выше задачи 1-5.

В Д1 (система «Астрагаз») определяются физические и технологические параметры природного газа в приближении, что природный газ (однофазный, многокомпонентный, с неменяющимся составом) транспортируется в стационарных режимах. При этом многокомпонентность газа учитывается только однажды при определении его физических свойств, их значения фиксируются и остаются в расчётах постоянными вдоль всего трубопровода, тем самым предопределяя невозможность вычисления значений физических и технологических параметров транспортируемого природного газа, соответствующих реальным технологическим условиям транспорта по трубопроводной системе: в результате система по Д1 не способна обеспечить решение важных задач, требующих учёта реальных условий транспорта многокомпонентного многофазного флюида в режиме реального времени, в частности, выше перечисленных критических задач 1-5.

В Д2, Д4 (система «Волна») определяются физические и технологические параметры природного газа в приближении, что природный газ (однофазный, многокомпонентный, с неменяющимся составом) транспортируется как в стационарных режимах, так и в нестационарных режимах. Многокомпонентность учитывается только однажды для определения физических свойств газа, которые фиксируются и остаются в расчётах неизменными вдоль всего трубопровода. Примененные в Д2, Д4 алгоритмы и методы определения параметров транспортируемого газа не позволяют выполнить условия для осуществления распараллеливания вычислений на графических ускорителях ввиду высокой степени их ветвлений, поэтому определять эти параметры в режиме реального времени с локализацией в пространстве меньше, чем 2 км не представляется возможным. При этом минимальная величина дискретизации по времени, которая допускается в системе Д4 («Волна») - порядка 10 секунд, является слишком большим значением для определения параметров флюида при нестационарном режиме транспортировки. Таким образом, система по Д2, Д4 также оказывается неспособна предоставить точное и быстрое решение задач, возникающих при транспортировке многокомпонентного многофазного флюида.

В Д3 (система «Веста») также, как и в Д4, определяются физические и технологические параметры природного газа в приближении, что природный газ (однофазный, многокомпонентный, с неменяющимся составом) транспортируется как в стационарных режимах, так и в нестационарных режимах. Многокомпонентность учитывается только для определения физических свойств газа, причем компонентный состав фиксируется и остается в расчётах неизменным вдоль всего трубопровода. Часть расчетных формул в системе Д3 используется в более грубом приближении, по сравнению с применёнными в системе Д4, в частности, в Д3 для увеличения скорости расчетов часть слагаемых в системе уравнений отброшены. Для повышения универсальности и улучшения масштабируемости вычислительных процедур в Д3 предложено использовать распределенные гетерогенные программно-вычислительные подходы. Однако, вследствие невыполнения условий для реализации распараллеливания расчётов, а именно, из-за высокой степени ветвлений алгоритмов, применяемых в системе Д3, алгоритмы и методы расчета по определению параметров транспортируемого газа также не допускают проведение параллельных расчетов на графических ускорителях и, вследствие этого, не позволяют определять эти параметры в режиме реального времени. В Д3, следовательно, ответы на вопросы, возникающие при описании критически важных аспектов, в частности перечисленных в пунктах 1-5, так же не получить.

В известных системах и способах определения значений физических и технологических параметров флюида при его транспортировке по трубопроводу не предусмотрена возможность выработки сигналов о возникновении ряда внештатных ситуаций, таких как возникновение участков сужения трубопроводной системы из-за выпадения газогидратов внутри трубопроводной системы и отложения их на стенках труб вплоть до возникновения газогидратных пробок. Кроме того, с помощью известных технических решений невозможно локализовать области временного повышения давления и/или понижения/повышения температуры транспортируемого флюида и соответственно обеспечить формирование сигнала о высокой вероятности возникновения обледенения подводных частей трубопровода или перегрева частей трубопровода в мёрзлом грунте и/или сигнала о высокой вероятности возникновения разрыва или утечки в конкретных местах трубопровода.

Хотя способ определения параметров транспортируемого в нестационарном режиме флюида, раскрытый в Д4, можно рассматривать в качестве близкого аналога предлагаемого изобретения, в Д4 не обеспечен контроль компонентного состава транспортируемого флюида и соответственно отсутствует возможность учета изменения компонентного состава при смешении флюида, поставляемого в трубопроводную систему разными поставщиками, нет возможности определения компонентного состава и теплотворной способности транспортируемого флюида в местах его входа в перекачивающие станции и выхода для потребителей.

Таким образом, является актуальной проблема повышения точности определения и последующего контроля физических свойств транспортируемого многокомпонентного многофазного флюида с учётом реальной нестационарности режима транспорта флюида в любой заданной точке трубопровода в произвольный момент времени, с целью управления технологическими режимами транспорта для обеспечения его надёжности, повышения энергоэффективности и безопасности, включая предотвращение аварийных ситуаций. А это, в свою очередь, вызывает необходимость в средствах расчёта физических и технологических параметров многокомпонентного многофазного флюида при его транспортировке по трубопроводу, которые бы обеспечивали достаточную точность и актуальность на всём протяжении трубопровода для своевременного вырабатывания сигналов о высокой вероятности нештатных и аварийных ситуаций.

Предлагаемое техническое решение направлено на решение указанных задач и обеспечивает преодоление по меньшей мере некоторых недостатков известных средств расчёта физических и технологических параметров многокомпонентного многофазного флюида при его транспортировке по трубопроводу и расширение их функциональных возможностей, что будет понятно из следующего описания.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании способа и системы определения и контроля физических и технологических параметров многокомпонентного многофазного флюида при его транспортировке по трубопроводу.

Предлагаемые система и способ характеризуются повышенной точностью определения физических и технологических параметров транспортируемого флюида и возможностью предупреждения о повышенной вероятности возникновения нештатных ситуаций. Предлагаемое изобретение обеспечивает технический результат в виде возможности определения физических и технологических параметров флюида по всей длине трубопровода, включая труднодоступные и недоступные для прямого измерения места, в процессе его транспортировки по трубопроводной системе, а также контроля значений указанных параметров и повышения безопасности и надёжности работы оборудования.

Предлагаемый способ основан на определении значений необходимых параметров транспортируемого флюида путем расчета физических и технологических процессов нестационарного транспорта флюида по трубопроводной системе, базирующегося на измерении физических параметров самого флюида в конечном числе измерительных узлов, а также измерении параметров окружающей среды, а именно температуры, давления и скорости движения окружающей среды в измерительных узлах (обычно такие узлы располагают на перекачивающих станциях).

Выявленные недостатки в известных технических решениях Д1 - Д4, разработанных для контроля транспортировки флюида по трубопроводной системе, возможно устранить с помощью предлагаемого метода определения и контроля значений физических и технологических параметров многокомпонентных многофазных смесей при их транспортировке по трубопроводной системе в условиях возможной нестационарности потока.

Расчет поведения флюида на участках между измерительными узлами с использованием физических моделей флюида и алгоритмов без ветвлений, с учётом получаемых данных об изменении компонентного и фазового состава флюида в местах смешения потоков от различных источников, обеспечивает определение параметров нестационарных процессов с требуемой точностью, с требуемой пространственной локализацией и в режиме реального времени или быстрее, что не способен осуществить прототип Д4.

На основе рассчитанных значений параметров транспортируемого флюида на протяжении трубопровода определяют его теплотворную способность в требуемых точках, осуществляют, в том числе, расчёт значений концентрации водяного пара.

Рассчитанные значения давления и температуры флюида на протяжении трубопровода совместно с рассчитанными концентрациями водяного пара сравнивают с точкой росы, характерной для значений температуры и давления флюида, рассчитанных для локальных точек трубопровода, и в случае приближения локальных параметров транспортируемого флюида к условиям возможного образования газогидратов в режиме реального времени формируют предупреждающий сигнал о необходимости штатного изменения режима транспортировки флюида по трубопроводу.

Требуемая точность и пространственно-временное разрешение расчетов нестационарных режимов транспортировки флюида по трубопроводной системе определяется несколькими факторами:

1) Расчетный шаг по пространству должен быть порядка линейных размеров, характерных для возникающих в трубопроводах градиентов давления и температуры флюида при нестационарных режимах транспорта флюида, которые в свою очередь определяются характерными линейными размерами вихрей, возникающих в трубе трубопроводной системы, используемой на практике, диаметром обычно порядка 1м. Поэтому внутренний диаметр трубы и является этим линейным масштабом (размером), который и определяет величину расчетного шага по пространству. Задавать линейный масштаб с большей точностью, чем размер диаметра трубы, физически нецелесообразно.

2) Временное разрешение расчета должно быть меньше характерного времени образования газогидратов при сформировавшихся условиях их образования - порядка 1 минуты, а также меньше характерного времени перемешивания разных потоков флюида - порядка 1 секунды и меньше характерного времени изменения таких параметров нестационарного режима транспорта флюида, как давление и температура флюида - порядка 0,1 секунды , и при этом удовлетворять условию Куранта: ), здесь и - расчетные шаги по пространству и по времени (пространственно-временное разрешение), - максимальная локальная скорость флюида в трубопроводе и максимальная скорость звука во флюиде: при Δh = 1м, V_f = 20м/с, V_s =450м/с, Δt должна быть меньше, чем 0,00106с. Тогда, необходимое временное разрешение, характерное для рассматриваемых процессов транспорта флюида по трубопроводам и удовлетворяющее всем вышеизложенным требованиям, выбирается равным 0,001 сек.

3) При проведении расчетов с такими шагами по пространству производится вычитание чисел, находящихся в расчетных ячейках и являющихся близкими по значению (при численном решении дифференциальных уравнений), и для того чтобы не происходила потеря точностей вычисления и не накапливалась вычислительная ошибка, проводятся расчеты с увеличенным числом знаков после запятой, конкретно - с двойной точностью.

Выполнение вышеперечисленных условий позволяет проводить высокоточное моделирование транспорта флюида по трубопроводной системе в режиме реального времени, однако это становится возможным только при использовании технологии распараллеливания расчетов. Процесс распараллеливания расчетов заключается в том, что при получении данных в расчетных узлах на следующем временном слое с использованием данных на предыдущем временном слое используется расчетный алгоритм, позволяющий производить расчеты одновременно на двух и более процессорах вычислительной машины. Распараллеливание расчетов в настоящее время возможно либо на высокопроизводительных вычислительных кластерах (т.н. суперкомпьютерах), либо с использованием графических ускорителей, содержащих большое число расчетных ядер (процессоров). Второй вариант значительно дешевле и доступнее и предложен для использования в настоящем изобретении. Для его реализации в вычислительную систему добавляется один (или несколько) графических ускорителей и для проведения вычислений задействуются вычислительные ядра графического ускорителя с использованием соответствующих алгоритмов. Число вычислительных ядер в одном графическом ускорителе может превышать согласно некоторым вариантам его реализации, 2000 штук, а это определяет количество параллельных вычислительных процессов для расчета физических параметров на новом временном слое, которые возможно запустить одновременно, и, соответственно, во столько же раз увеличивает скорость проведения расчетов.

Для реализации этих преимуществ необходимо, чтобы вычислительный алгоритм допускал возможность проведения параллельных расчетов. Основным требованием к таким алгоритмам, допускающим проведение параллельных расчетов, является отсутствие в этих алгоритмах ветвлений (также называемых «условными переходами»), то есть отсутствие операций в алгоритме, выполнение которых может идти альтернативно по разным формулам, в зависимости от тех или иных условий, например: если некоторая величина является положительной, то расчет осуществляется по одним формулам, в противном случае - по другим. Наличие такого типа ветвлений в алгоритме не позволяет осуществлять проведение параллельных расчетов.

Согласно настоящему предполагаемому изобретению выбор алгоритмов расчета должен соответствовать требованию не иметь ветвлений, что обеспечивает возможность проведения параллельных вычислений на графических ускорителях.

В совокупности выбор алгоритмов без ветвлений и использование графических ускорителей обеспечивает возможность существенно (в несколько тысяч раз, в соответствии с многотысячным количеством ядер в графических ускорителях) увеличить производительность расчётов, что, в свою очередь, позволяет повысить детализацию расчётов без потерь в их точности и скорости, а это уже гарантирует осуществление контроля параметров нестационарного и стационарного транспорта флюида в режиме реального времени.

Предлагаемый согласно изобретению способ возможно успешно применять для решения следующих практических задач:

1) предупреждения уменьшения рабочего диаметра трубопроводов выделяющимися газогидратами в процессе транспортировки природного газа и предотвращения образования газогидратных пробок;

2) предупреждения возможного подтаивания вечномерзлых грунтов вблизи трубопровода, сопровождаемого возрастанием механических напряжений, деформаций системы, и предотвращение возможных разрывов трубопровода и соответствующих утечек флюида;

3) предупреждения нарастания льда на трубопроводе при прохождении им водных преград и возможных его разрывов с утечкой флюида;

4) предупреждения выхода физических параметров транспортируемого флюида (давление, температура) за технологические и прочностные ограничивающие пределы в каждой из труб трубопровода в любой его точке и на всем его протяжении;

5) определения теплотворной способности флюида (при транспорте и смешивании углеводородов разного состава) на выходах из трубопроводной системы при известных входных характеристиках в местах подключения и смешения разных потоков флюида в любой момент времени.

Предлагаемый способ определения и контроля значений физических и технологических параметров многокомпонентных многофазных флюидов по всей длине трубопроводной системы, включая труднодоступные и недоступные для измерений места, в режиме реального времени при стационарном и нестационарном режимах транспортировки по трубопроводу содержит в себе:

измерение давления, температуры, компонентного состава и массового или объёмного расхода транспортируемого флюида, используя штатную систему измерительных устройств, установленных в конечных точках трубопроводной системы;

измерение температуры, давления и скорости движения окружающей среды в измерительных узлах (обычно на перекачивающих станциях);

расчёт на основании указанных измеренных значений следующих физических свойств флюида в условиях транспортировки: коэффициента сжимаемости флюида, коэффициентов теплоемкости при постоянном давлении и при постоянном объеме, скорости звука во флюиде, коэффициента Джоуля-Томпсона, числа Рейнольдса, коэффициента гидравлического сопротивления трения, коэффициента теплообмена с окружающей средой;

расчёт на основании измеренных и рассчитанных значений физических параметров для флюида и окружающей среды значений плотности, импульса и плотности полной энергии транспортируемого флюида на всём протяжении трубопроводной системы с заданными точностью и пространственно-временным разрешением путём численного решения полной системы нестационарных уравнений динамики флюида в частных производных с одной пространственной переменной в виде координаты вдоль трубы, причём, используя указанные рассчитанные значения плотности, импульса и плотности полной энергии флюида в измерительных узлах в качестве граничных условий, и используя указанные рассчитанные физические свойства флюида стационарного распределения вдоль трубопровода в качестве начальных данных;

Согласно предлагаемому изобретению, обеспечена возможность вычисления параметров многокомпонентного флюида на протяжении всего трубопровода с учётом нестационарного режима транспортировки, используя при этом измерительные данные с конечного числа измерительных точек.

Согласно предлагаемому изобретению при указанном расчете значений параметров транспортируемого флюида по всему протяжению трубопроводной системы учитывают изменение компонентного состава флюида в местах смешения потоков от различных источников путём расчёта изменённого компонентного состава флюида, на основе учёта как пропорциональности долей в общем объёме, составленном из разных поступивших потоков при их смешении, так и весовых значений концентраций отдельных компонентов в каждом из поступающих в место смешения потоков.

На основе рассчитанных значений параметров транспортируемого флюида на протяжении трубопроводной системы отдельно определяют его теплотворную способность в любой интересующей (заданной) локальной точке.

При расчёте изменённого компонентного состава флюида осуществляют в том числе расчёт значений концентрации водяного пара, что критически важно знать для расчёта возможного момента формирования газогидратов и места их локализации на трубопроводе.

Рассчитанные локальные значения давления и температуры флюида вдоль трубопроводной системы совместно с рассчитанными концентрациями водяного пара сравнивают с точкой росы, характерной для значений температуры и давления флюида, сложившихся (рассчитанных) в локальной точке трубопровода, с целью определения и контроля возможного локального образования газогидратов, и в случае приближения локальных параметров транспортируемого флюида к условиям возможного образования газогидратов в режиме реального времени формируют предупреждающий сигнал о необходимости штатного изменения режима транспортировки флюида по трубопроводной системе.

Основой для построения вычислительной части, согласно предлагаемому изобретению, являются параметры транспортировки флюида, измеренные в штатной системе измерительных устройств, установленных в конечных точках трубопроводной системы, которые используются при компьютерных расчетах для определения значений параметров флюида, транспортируемого по трубопроводной системе, с учетом турбулентного тепло-массо-обмена внутри транспортируемого потока флюида. При этом для получения расчетных параметров в режиме реального времени и с заданной точностью локализации используют упомянутые выше вычислительные технологии и компоновки расчетных алгоритмов, позволяющие произвести распараллеливание расчетов на многоядерных графических ускорителях.

С целью возможности применения метода распараллеливания на многоядерных графических процессорах при указанном расчёте значений параметров транспортируемого флюида на протяжении трубопроводной системы используют алгоритмы без ветвлений.

В модели трубопроводной системы вводится система расчетных точек (расчетная сетка), покрывающая все трубопроводы с заданным пространственным разрешением (с минимальным шагом, имеющим физический смысл - не менее размера диаметра трубы) и совпадающая с измерительными узлами в местах их расположения.

Наряду с пространственной расчетной сеткой вводится расчетный шаг по времени, равный 0,001сек, величина которого удовлетворяет четырём условиям: во-первых, соответствует характерному времени образования газогидратов, т.е. не превосходит его, во-вторых, соответствует характерному времени перемешивания разных потоков флюида, в-третьих, соответствует времени изменения таких параметров нестационарного режима транспорта флюида, как давление и температура флюида, в-четвёртых, обеспечивает математическую устойчивость работы расчетных алгоритмов.

Для расчета нестационарных режимов транспортировки углеводородов по трубопроводной системе используется полная система уравнений в консервативной форме, что обеспечивает автоматическое выполнение законов сохранения на выбранной пространственной расчетной сетке, а также гарантирует отсутствие появления нефизических источников массы, импульса и энергии транспортируемого флюида, что в противном случае проявляется в качестве дополнительного источника расчетных ошибок при других подходах.

В качестве граничных условий для проведения расчетов используются результаты измерений штатной измерительной системы, которые интерполируются на требуемые моменты времени (между моментами измерений) и вносятся в расчетный модифицированный c учётом реальных свойств флюида алгоритм, разработанный на основе известного метода коррекции потоков с использованием искусственной нелинейной вязкости, который ранее успешно применялся в газодинамических расчетах распространения сильных ударных волн (Flux-Corrected Transport. Editors: Dmitri Kuzmin, Rainald Löhner, Stefan Turek. Springer. 2012). Модификация метода заключается во включении в расчетный алгоритм уравнений состояния реального флюида, вид которого зависит от компонентного состава флюида, транспортируемого по трубопроводной системе. Выбор этого алгоритма в качестве базового обеспечивает повышение точности расчетов, монотонность численных результатов, характерную для реальных процессов транспорта флюида по трубопроводной системе, а также позволяет построить алгоритм для распараллеливания расчетов на многоядерных графических ускорителях.

Согласно предлагаемому изобретению, осуществляют расчет распределения значений плотности импульса и полной энергии флюида в расчетных точках трубопроводной системы, который в каждый последующий момент времени осуществляется с использованием этих значений, достигнутых в предыдущий момент времени. При этом один расчетный шаг по времени разбивается на два полушага: на первом полушаге вычисляются предварительные значения плотности, импульса и энергии флюида во всех расчетных точках трубопроводной системы, и затем эти предварительные значения используются для вычисления давления флюида в промежуточный момент времени. На втором полушаге по времени используются эти значения давления флюида и осуществляется окончательный пересчет значения плотности, импульса и полной энергии флюида для нового расчетного момента времени, и затем осуществляется пересчет давления и температуры флюида в каждой расчетной точке трубопроводной системы.

Согласно настоящему изобретению предложен способ мониторинга значений физических и технологических параметров многокомпонентного многофазного флюида при транспортировке по трубопроводу, согласно которому:

(а) задают систему расчетных точек, покрывающую весь трубопровод с требуемым пространственным разрешением так, чтобы часть из них была совмещена с конечным количеством имеющихся измерительных узлов трубопровода,

(б) измеряют с заданной периодичностью, давление, температуру, компонентный состав и массовый или объёмный расход транспортируемого флюида в конечном числе измерительных узлов трубопровода;

(в) измеряют с заданной периодичностью внешние параметры: температуру, давление и скорость движения окружающей среды в отдельных узлах, предназначенных для измерения параметров окружающей среды;

(г) определяют на основании указанных измеренных значений параметров флюида и параметров окружающей среды следующие физические параметры флюида в расчетных точках: коэффициент сжимаемости, коэффициенты теплоемкости при постоянном давлении и при постоянном объеме, скорость звука во флюиде, коэффициент Джоуля-Томпсона, число Рейнольдса, коэффициент гидравлического сопротивления трения, коэффициент теплообмена с окружающей средой;

(д) определяют на основании указанных измеренных и определенных значений физических параметров флюида и окружающей среды значения плотности, импульса и плотности полной энергии, давления и температуры транспортируемого флюида на всём протяжении трубопровода, причём указанные определённые значения плотности, импульса и плотности полной энергии флюида в измерительных узлах используют в качестве граничных условий для расчета температуры, скорости и локального компонентного состава транспортируемого флюида в расчетных точках на всем протяжении; отличающийся тем, что

при указанном определении значений плотности, импульса и плотности полной энергии транспортируемого флюида с использованием полной системы нестационарных уравнений динамики флюида в частных производных с одной пространственной переменной в виде координаты вдоль трубопровода на всём его протяжении учитывают изменение компонентного и фазового состава флюида в местах смешения потоков от различных источников с периодичностью измерений, заданной на основании характерного времени перемешивания разных потоков указанного флюида, путём определения изменённого компонентного состава флюида с учётом как пропорциональности долей в общем объёме, составленном из разных поступивших потоков при их смешении, так и весовых значений концентраций отдельных компонентов в каждом из поступающих в место смешения потоков, и

производят мониторинг указанных определённых значений температуры и давления флюида, при котором в случае выхода значений указанных величин за границы заданных допустимых диапазонов в по меньшей мере одной точке трубопровода формируют предупреждающий сигнал в режиме реального времени, включающий информацию о локализации такой точки трубопровода и по меньшей мере одно из: информации о выходе значений указанных величин из допустимого диапазона и информации о мерах по предотвращению нештатной или аварийной ситуации, развитие которой вероятно при указанном выходе из допустимого диапазона.

Согласно некоторым вариантам реализации предлагаемого способа, на основе определённых значений параметров транспортируемого флюида на протяжении трубопровода определяют его теплотворную способность в заданных точках.

Согласно некоторым вариантам реализации предлагаемого способа, при определении изменённого компонентного состава флюида осуществляют в том числе расчёт значений концентрации водяного пара.

Согласно некоторым вариантам реализации предлагаемого способа, указанный мониторинг определённых значений давления и температуры флюида включает сравнение определённых концентраций водяного пара с точкой росы, соответствующей текущим значениям температуры и давления флюида, определённым для конкретных точек трубопровода, и, в случае приближения указанных значений параметров транспортируемого флюида и концентраций водяного пара к условиям возможного образования газогидратов в режиме реального времени, формируют предупреждающий или управляющий режимами транспортировки флюида сигнал.

Согласно некоторым вариантам реализации предлагаемого способа, при указанном определении значений указанных параметров транспортируемого флюида на всём протяжении трубопровода используют алгоритмы без ветвлений и применяют метод распараллеливания вычислений на многоядерных графических процессорах.

Согласно ещё одному аспекту, предлагаемое изобретение относится к системе мониторинга значений физических и технологических параметров многокомпонентного многофазного флюида при транспортировке по трубопроводу, содержащей:

(а) блок сбора данных о транспортируемом флюиде, выполненный с возможностью получать и вычислять с заданной периодичностью значения давления, температуры, компонентного состава и массового или объёмного расхода транспортируемого флюида в конечном числе измерительных узлов в трубопроводе;

(б) блок сбора данных о внешней среде, выполненный с возможностью получать и вычислять с заданной периодичностью внешние параметры: температуру, давление и скорость движения окружающей среды в отдельных узлах, предназначенных для измерения параметров окружающей среды и, как правило, расположенных на перекачивающих станциях;

(г) аналитический блок, выполненный с возможностью обмена данными с блоком сбора данных о транспортируемом флюиде и блоком сбора данных о внешней среде, а также с возможностью определять на основании указанных данных следующие физические параметры флюида в заданных расчетных точках: коэффициент сжимаемости, коэффициенты теплоемкости при постоянном давлении и при постоянном объеме, скорость звука во флюиде, коэффициент Джоуля-Томпсона, число Рейнольдса, коэффициент гидравлического сопротивления трения, коэффициент теплообмена с окружающей средой; и с возможностью определять на основании имеющихся данных о значениях физических параметров флюида и окружающей среды значения плотности, импульса и плотности полной энергии, давления и температуры транспортируемого флюида на всём протяжении трубопровода и использовать указанные определённые значения плотности, импульса и плотности полной энергии флюида в качестве граничных условий для расчета температуры, скорости и локального компонентного состава транспортируемого флюида в расчетных точках на всем протяжении;

отличающейся тем, что

аналитический блок выполнен с возможностью определения изменённого компонентного состава флюида с учётом как пропорциональности долей в общем объёме, составленном из разных поступивших потоков при их смешении, так и весовых значений концентраций отдельных компонентов в каждом из поступающих в место смешения потоков, причем

аналитический блок выполнен с возможностью использовать при указанном определении значений плотности, импульса и плотности полной энергии транспортируемого флюида полную систему нестационарных уравнений динамики флюида в частных производных с одной пространственной переменной в виде координаты вдоль трубопровода на всём его протяжении с учётом изменения компонентного и фазового состава флюида в местах смешения потоков от различных источников с периодичностью измерений, заданной на основании характерного времени перемешивания разных потоков указанного флюида, и

аналитический блок выполнен с возможностью вести мониторинг указанных значений температуры и давления флюида и, в случае выхода значений указанных величин за границы заданных допустимых диапазонов в по меньшей мере одной точке трубопровода, формировать предупреждающий сигнал в режиме реального времени, включающий информацию о расположении такой точки трубопровода и информацию о мерах по предотвращению нештатной или аварийной ситуации, развитие которой вероятно при указанном выходе из допустимого диапазона.

Согласно некоторым вариантам реализации предлагаемой системы, аналитический блок дополнительно выполнен с возможностью определять теплотворную способность транспортируемого флюида в требуемых точках на основе определённых значений параметров транспортируемого флюида на протяжении трубопровода.

Согласно некоторым вариантам реализации предлагаемой системы, аналитический блок дополнительно выполнен с возможностью определять значение концентрации водяного пара при определении изменённого компонентного состава флюида.

Согласно некоторым вариантам реализации предлагаемой системы, аналитический блок выполнен с возможностью при ведении указанного мониторинга определённых значений давления и температуры флюида сравнивать определённые концентраций водяного пара с точкой росы, соответствующей текущим значениям температуры и давления флюида, определённым для конкретных точек трубопровода, и в случае приближения указанных значений параметров транспортируемого флюида и концентраций водяного пара к условиям возможного образования газогидратов в режиме реального времени формировать предупреждающий сигнал.

Согласно некоторым вариантам реализации предлагаемой системы, аналитический блок функционально соединен с некоторым количеством многоядерных процессоров и выполнен с возможностью производить указанное определение значений указанных параметров транспортируемого флюида на всём протяжении трубопровода с использованием алгоритмов без ветвлений путём распараллеливания вычислений на указанных многоядерных графических процессорах.

В результате применения предлагаемого изобретения, на новом временном слое в каждой расчетной точке трубопроводной системы определяют значения плотности, импульса и полной энергии транспортируемого флюида. Используя эти значения, осуществляют расчет температуры, скорости и локального компонентного состава транспортируемого флюида, в том числе определяют наличие и концентрацию водяных паров, а также наличие газогидратов или приближение к термодинамическим условиям их образования - в этом случае формируется и передаётся на интерфейс программного комплекса предупреждающий сигнал. Таким образом, формируется полный набор информации о значениях физических характеристик транспортируемого флюида во всех точках трубопроводной системы в каждый момент времени.

Расчетные алгоритмы построены таким образом, что осуществляется распараллеливание расчетов на многоядерных графических ускорителях. Это обеспечивает высокую скорость получения информации о транспортируемом флюиде, как в стационарном, так и в нестационарном режимах его транспортировки в любой точке трубопровода, в том числе в труднодоступных и недоступных для прямого измерения параметров флюида местах, при этом с заданной временной дискретизацией и с заданной скоростью расчетов, в том числе в режиме реального времени или быстрее.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в том, что за счёт точного и своевременного определения параметров флюида в любой точке трубопровода без установки каких-либо дополнительных измерительных устройств внутри и вне трубопровода обеспечена возможность контроля, анализа и последующей реализации безопасных технологических режимов транспортировки флюида, а также предотвращения аварийных и внештатных ситуаций.

Так как на практике подбор оптимальных режимов транспортировки флюида зачастую осуществляется оператором диспетчерской службы, предлагаемое изобретение также обеспечивает возможность моделирования разных режимов транспортировки и быстрого выбора оптимального режима.

Предлагаемый способ определения физических и технологических параметров флюида, транспортируемого по трубопроводной системе, обеспечивает надежность, устойчивость процесса транспортировки, выбор оптимальных энергоэффективных режимов работы трубопроводной системы при непрерывных изменениях внешних условий, а также обеспечивает безаварийность и безопасность транспортировки.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаемое изобретение согласно одному из возможных вариантов реализации показано на Фиг. 1 и работает следующим образом: с помощью измерительных приборов (датчиков 3, 4 температуры и давления флюида, датчиков 5 молярного состава флюида) в заданных местах трубопровода (1), в том числе на крановых площадках и в местах входа транспортируемого флюида (2) в трубопроводную систему (1) производят измерения значений физических и технологических параметров флюида (2) (а именно: его давления, температуры, массового или объемного расхода, компонентного состава) и параметров окружающей среды (температуры, давления, скорости движения окружающей среды). Как показано на Фиг. 1, эти данные поступают в аналитический блок (6). В аналитическом блоке (6), согласно одному из возможных вариантов реализации предлагаемого изобретения, за сбор указанных данных отвечает система (7) сбора данных телеметрии, которая после сбора и первичной обработки данных передает из на программно-аппаратный комплекс (8), выполненный с возможностью расчета параметров нестационарного течения флюида (2) и расчета дополнительных параметров. Согласно одному из вариантов реализации изобретения, аналитический блок (6) кроме того содержит систему (9) поддержки принятия решений, которая соединена со средствами (10) управления режимом потока флюида с обеспечением получения информации об актуальных положениях управляющих элементов технических систем трубопровода (1), а именно имеет возможность сбора данных об оборудовании трубопровода и актуальном техническом состоянии и метрологических характеристиках этого оборудования. Кроме того, система поддержки принятия решений выполнена с возможностью передавать средствам (10) управления режимом потока флюида управляющие сигналы. Согласно одному из вариантов реализации предлагаемого изобретения, передачу указанных сигналов по меньшей мере частично инициирует оператор с помощью системы (9). Таким образом, аналитический блок (6) выполнен с возможностью по меньшей мере анализа и обработки поступающей информации об окружающей среде, флюиде и элементах трубопровода, и передачи управляющих сигналов средствам управления режимом потока флюида.

По полученным значениям величин рассчитывают дополнительные параметры, которые подают в качестве граничных условий в расчетный программный комплекс (а именно: плотность флюида, его импульс, плотность полной энергии), по этим данным дополнительно производят расчеты физических свойств флюида, характерных для условий транспорта флюида, (а именно: коэффициент сжимаемости флюида, коэффициенты теплоемкости при постоянном давлении и при постоянном объеме, скорость звука во флюиде, коэффициент Джоуля-Томпсона, число Рейнольдса, коэффициент гидравлического сопротивления трения, коэффициент теплообмена с окружающей средой).

Полученные значения подают на входы вычислительного программного комплекса и используют в качестве начальных данных для проведения расчета параметров транспортируемого флюида при нестационарном режиме.

Расчет проводят шагами по времени с использованием аппроксимации на подробную пространственную сетку с использованием полной системы дифференциальных уравнений в частных производных для нестационарного неизотермического течения вязкого сжимаемого теплопроводного флюида в трубопроводной системе с круглым поперечным сечением площади с шероховатыми теплопроводными стенками с переменной вдоль длины трубопровода высотой уровня оси трубы над уровнем моря:

Систему уравнений замыкают термодинамическими соотношениями - термическим и калорическим уравнениями состояния транспортируемого флюида:

здесь - координата вдоль оси трубопровода, - модуль ускорения свободного падения, - проекция средней локальной скорости на ось трубопровода, - вертикальное отклонение координаты оси трубопровода от некоторого фиксированного значения, - удельная (на единицу объема) полная энергия газа, Т, P - локальные температура и давление флюида, S- площадь поперечного сечения трубы, - внутренний диаметр трубы, - коэффициент гидравлического сопротивления трения.

В качестве коэффициента гидродинамического сопротивления трения используют эмпирическую формулу, учитывающую число Рейнольдса Re (характеризующее степень турбулентности потока флюида в трубе), коэффициент гидравлической эффективности e и шероховатость внутренней поверхности конкретного участка трубопроводной системы К (параметры, характеризующие трубу):

.

Расчет температуры, скорости и локального компонентного состава транспортируемого флюида в расчетных точках на всем протяжении трубопровода в каждый период времени осуществляют в два этапа по времени:

на первом этапе вычисляют предварительные значения плотности, импульса и энергии флюида во всех расчетных точках трубопроводной системы и затем эти предварительные значения используются для вычисления давления флюида в промежуточный момент времени;

на втором этапе используют полученные значения давления флюида и осуществляют окончательный пересчет значения плотности, импульса и полной энергии флюида для конечного момента времени, и осуществляют пересчет давления и температуры флюида в каждой расчетной точке трубопроводной системы.

1. В местах, где происходит смешение флюидов, поставляемых из разных источников, осуществляют расчет нового компонентного состава флюида пропорционально значениям концентраций компонент поступившего потока флюида, в том числе осуществляют расчет значений концентрации водяного пара. Эти расчеты не являются трудоемкими и осуществляются на процессоре компьютера.

2. Производятся расчеты локальных значений плотности, давления, температуры, скорости движения и внутренней энергии флюида и его компонентного состава вдоль трубопроводной системы с пространственным шагом, имеющим значение порядка диаметра трубы - так, например, на типовую трубу диаметром 1 м и длиной 10 км трубопроводной системы полагается 10000 расчетных точек, и получают в результате расчетов значения параметров флюида и его течения с точность локализации 1 м. Эти расчеты являются трудоемкими и для получения результатов в режиме реального времени осуществляются с применением параллельных вычислений на графических ускорителях. Рассчитанные локальные значения давления и температуры вдоль трубопроводной системы совместно с рассчитанными концентрациями водяного пара сравнивают каждую секунду реального времени с точкой росы возможного локального образования газогидратов. В случае приближения локальных параметров транспортируемого флюида к условиям возможного образования газогидратов, а также, когда их значения приближаются к заданным ограничительным значениям для конкретного участка трубопровода, формируют соответствующий предупреждающий сигнал о необходимости штатного изменения режима транспортировки флюида по трубопроводной системе.

3. Рассчитанный компонентный состав флюида является исходным для определения теплотворной способности транспортируемого флюида из разных источников поступления в узлах его смешения и на всех выходах из трубопроводной системы по методикам согласно ГОСТ 31369-2008.

4. Для численного решения приведенной выше системы уравнений используют программно-аппаратную реализацию нестационарных расчетных алгоритмов: их выбирают 1) консервативными - автоматически обеспечивающими выполнение на расчетных сетках физических законов сохранения массы, импульса и энергии, т.е. расчетный алгоритм не является источником возникновения или исчезновения физических величин как результат аппроксимации дифференциальных уравнений на дискретную расчетную сетку и 2) с отсутствием ветвлений: алгоритм записывается так, чтобы в процессе расчетов отсутствовали команды сравнения значений рассчитанных величин, а также условные переходы (переходы, согласно некоторым условиям) внутри расчетного алгоритма. Это гарантирует возможность проведения расчетов параметров течения флюида для неограниченного количества элементов трубопроводной системы в режиме реального времени с высоким пространственным разрешением вплоть до масштаба диаметра трубопровода (что обеспечивается выбором пространственного шага дискретизации) с учетом турбулентного тепло-массо-обмена течения флюида за счет использования технологии аппаратного распараллеливания на многоядерных графических ускорителях.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении возможности более точного определения основных параметров транспортируемого многокомпонентного многофазного флюида по всей трубопроводной системе в реальном времени и с локализацией, погрешность которой определяется величиной шага дискретизации по пространству (порядка диаметра трубы), без установки каких-либо дополнительных измерительных устройств внутри трубопровода. Исходя из значения пространственной дискретизации выбирается шаг расчетов по времени (дискретизация по времени) так, чтобы удовлетворялись условия:

- разрешение по времени расчета должно быть меньше характерного времени образования газогидратов при сформировавшихся условиях их образования - порядка 1 минуты,

- разрешение по времени расчета должно быть меньше характерного времени перемешивания разных потоков флюида - порядка 1 секунды,

- разрешение по времени расчета должно быть меньше характерного времени изменения таких параметров нестационарного режима транспорта флюида, как давление и температура флюида - порядка 0,1 секунды

- выполнялось условие Куранта, обеспечивающее устойчивость расчетных алгоритмов: ), здесь и - расчетные шаги по пространству и по времени (пространственно-временное разрешение), - локальная скорость флюида в трубопроводе и скорость звука во флюиде - порядка 0,001секунды.

Для таких величин, как давление и температура флюида, согласно предлагаемому изобретению, задаются пороговые значения и/или допустимые диапазоны значений. Эти заданные значения устанавливают с учётом физических закономерностей возникновения газогидратных осадков, возникновения предельно допустимых напряжений в трубопроводе, отложений льда на трубопроводе и других возможных аварийных и внештатных ситуаций. Выход расчетной величины любого основного параметра флюида в какой-либо точке трубопровода за пределы допустимых диапазонов приводит к формированию по меньшей мере одного предупреждающего сигнала. Согласно некоторым вариантам реализации, такой сигнал сопровождается на некотором (любом) визуальном информационном устройстве (мониторе) указанием параметра, величины его отклонения от нормы и местоположения на трубопроводе, где данный параметр вышел из заданных допустимых границ нормы, что даёт возможность оператору или автоматике изменить режимы транспортировки флюида, чтобы вернуть указанный параметр в границы нормы, обеспечив тем самым надежность, безаварийность и энергоэффективность эксплуатации трубопроводной системы.

Предлагаемый способ и система обеспечивают выработку и обработку информации о нестационарном поведении флюида, реально происходящем при его транспортировке в трубопроводной системе, с точностью и быстродействием, обеспечивающими успешный мониторинг всех его критически важных физических и технологических параметров, с целью недопущения выхода этих параметров за границы допустимых диапазонов и предотвращения, тем самым, нештатных и аварийных ситуаций в трубопроводе.

Предлагаемый способ позволяет также определить теплотворную способность флюида в любых требуемых координатных точках трубопровода, с учётом изменения его компонентного состава за счёт смешения различных потоков флюида в трубопроводной системе, рассчитать значения температуры, давления и концентрации водяного пара по всей длине трубопровода с учётом его многокомпонентности и многофазности в условиях нестационарного потока. Это позволяет в режиме реального времени отслеживать приближение вышеуказанных параметров транспортируемого флюида к физическим условиям возможного образования газогидратов в локальных точках трубопровода, возможного перегрева или переохлаждения. В случае выхода значений указанных параметров за допустимые границы формируют предупреждающий сигнал о необходимости штатного изменения режима транспортировки флюида по трубопроводу, что даёт возможность оператору или автоматике изменить режимы транспортировки флюида, чтобы вернуть указанный параметр в границы нормы, обеспечив тем самым надежность и безаварийность эксплуатации трубопроводной системы.

Группа изобретений относится к области измерительных средств и обеспечивает мониторинг физических и технологических параметров многокомпонентных многофазных смесей типа природного газа и нефти, называемых в дальнейшем «флюиды», при их транспортировке по трубопроводной системе, а также к оптимизации контроля и управления трубопроводной системой, и может быть использовано в нефтегазотранспортной области промышленности. Предлагаемый способ и система мониторинга позволяют определять физические и технологические параметры флюида по всей длине трубопровода, включая труднодоступные для измерений и недоступные места, в процессе его транспортировки по трубопроводной системе, и на основании их анализа подбирать или назначать безопасные режимы работы трубопроводной системы при непрерывных изменениях внешних условий, обеспечивая тем самым надёжность, безопасность и безаварийность работы транспортной системы и оборудования. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ мониторинга значений физических и технологических параметров многокомпонентного многофазного флюида при транспортировке по трубопроводу (1), согласно которому:

(а) задают систему расчетных точек, покрывающую весь трубопровод с требуемым пространственным разрешением так, чтобы часть из них была совмещена с конечным количеством имеющихся измерительных узлов (3, 4, 5) трубопровода,

(б) измеряют с заданной периодичностью давление, температуру, компонентный состав и массовый или объёмный расход транспортируемого флюида в конечном числе измерительных узлов (3, 4, 5) трубопровода;

(в) измеряют с заданной периодичностью внешние параметры: температуру, давление и скорость движения окружающей среды в отдельных узлах (5), предназначенных для измерения параметров окружающей среды;

(г) определяют на основании указанных измеренных значений параметров флюида и параметров окружающей среды следующие физические параметры флюида в расчетных точках: коэффициент сжимаемости, коэффициенты теплоемкости при постоянном давлении и при постоянном объеме, скорость звука во флюиде, коэффициент Джоуля-Томпсона, число Рейнольдса, коэффициент гидравлического сопротивления трения, коэффициент теплообмена с окружающей средой;

(д) определяют на основании указанных измеренных и определенных значений физических параметров флюида и окружающей среды значения плотности, импульса и плотности полной энергии, давления и температуры транспортируемого флюида на всём протяжении трубопровода, причём указанные определённые значения плотности, импульса и плотности полной энергии флюида в измерительных узлах используют в качестве граничных условий для расчета температуры, скорости и локального компонентного состава транспортируемого флюида в расчетных точках на всем протяжении; отличающийся тем, что

при указанном определении значений плотности, импульса и плотности полной энергии транспортируемого флюида с использованием полной системы нестационарных уравнений динамики флюида в частных производных с одной пространственной переменной в виде координаты вдоль трубопровода на всём его протяжении учитывают изменение компонентного и фазового состава флюида в местах смешения потоков от различных источников с периодичностью измерений, заданной на основании характерного времени перемешивания разных потоков указанного флюида, путём определения изменённого компонентного состава флюида с учётом как пропорциональности долей в общем объёме, составленном из разных поступивших потоков при их смешении, так и весовых значений концентраций отдельных компонентов в каждом из поступающих в место смешения потоков, и

производят мониторинг указанных определённых значений температуры и давления флюида, при котором в случае выхода значений указанных величин за границы заданных допустимых диапазонов в по меньшей мере одной точке трубопровода формируют предупреждающий сигнал в режиме реального времени, включающий информацию о локализации такой точки трубопровода и информацию о мерах по предотвращению нештатной или аварийной ситуации, развитие которой вероятно при указанном выходе из допустимого диапазона.

2. Способ мониторинга по п. 1, согласно которому на основе определённых значений параметров транспортируемого флюида на протяжении трубопровода определяют его теплотворную способность в заданных точках.

3. Способ мониторинга по п. 1, согласно которому при определении изменённого компонентного состава флюида осуществляют в том числе расчёт значений концентрации водяного пара.

4. Способ мониторинга по п. 3, согласно которому указанный мониторинг определённых значений давления и температуры флюида включает сравнение определённых концентраций водяного пара с точкой росы, соответствующей текущим значениям температуры и давления флюида, определённым для конкретных точек трубопровода, и, в случае приближения указанных значений параметров транспортируемого флюида и концентраций водяного пара к условиям возможного образования газогидратов в режиме реального времени, формируют предупреждающий или управляющий режимами транспортировки флюида сигнал.

5. Способ мониторинга по любому из пп. 1-4, согласно которому при указанном определении значений указанных параметров транспортируемого флюида на всём протяжении трубопровода используют алгоритмы без ветвлений и применяют метод распараллеливания вычислений на многоядерных графических процессорах.

6. Система мониторинга значений физических и технологических параметров многокомпонентного многофазного флюида при транспортировке по трубопроводу, содержащая:

(а) блок (3, 4) сбора данных о транспортируемом флюиде, выполненный с возможностью получать и вычислять с заданной периодичностью значения давления, температуры, компонентного состава и массового или объёмного расхода транспортируемого флюида в конечном числе измерительных узлов в трубопроводе;

(б) блок (5) сбора данных о внешней среде, выполненный с возможностью получать и вычислять с заданной периодичностью внешние параметры: температуру, давление и скорость движения окружающей среды в отдельных узлах, предназначенных для измерения параметров окружающей среды и, как правило, расположенных на перекачивающих станциях;

(г) аналитический блок, выполненный с возможностью обмена данными с блоком сбора данных о транспортируемом флюиде и блоком сбора данных о внешней среде, а также с возможностью определять на основании указанных данных следующие физические параметры флюида в заданных расчетных точках: коэффициент сжимаемости, коэффициенты теплоемкости при постоянном давлении и при постоянном объеме, скорость звука во флюиде, коэффициент Джоуля-Томпсона, число Рейнольдса, коэффициент гидравлического сопротивления трения, коэффициент теплообмена с окружающей средой; и с возможностью определять на основании имеющихся данных о значениях физических параметров флюида и окружающей среды значения плотности, импульса и плотности полной энергии, давления и температуры транспортируемого флюида на всём протяжении трубопровода и использовать указанные определённые значения плотности, импульса и плотности полной энергии флюида в качестве граничных условий для расчета температуры, скорости и локального компонентного состава транспортируемого флюида в расчетных точках на всем протяжении;

отличающаяся тем, что

аналитический блок (6) выполнен с возможностью определения изменённого компонентного состава флюида с учётом как пропорциональности долей в общем объёме, составленном из разных поступивших потоков при их смешении, так и весовых значений концентраций отдельных компонентов в каждом из поступающих в место смешения потоков, причем

аналитический блок (6) выполнен с возможностью использовать при указанном определении значений плотности, импульса и плотности полной энергии транспортируемого флюида полную систему нестационарных уравнений динамики флюида в частных производных с одной пространственной переменной в виде координаты вдоль трубопровода на всём его протяжении с учётом изменения компонентного и фазового состава флюида в местах смешения потоков от различных источников с периодичностью измерений, заданной на основании характерного времени перемешивания разных потоков указанного флюида, и

аналитический блок (6) выполнен с возможностью вести мониторинг указанных значений температуры и давления флюида и в случае выхода значений указанных величин за границы заданных допустимых диапазонов в по меньшей мере одной точке трубопровода формировать предупреждающий сигнал в режиме реального времени, включающий информацию о расположении такой точки трубопровода и по меньшей мере одно из: информации о выходе значений указанных величин из допустимого диапазона и информации о мерах по предотвращению нештатной или аварийной ситуации, развитие которой вероятно при указанном выходе из допустимого диапазона.

7. Система мониторинга по п. 6, в которой аналитический блок дополнительно выполнен с возможностью определять теплотворную способность транспортируемого флюида в требуемых точках на основе определённых значений параметров транспортируемого флюида на протяжении трубопровода.

8. Система мониторинга по п. 6, в которой аналитический блок дополнительно выполнен с возможностью определять значение концентрации водяного пара при определении изменённого компонентного состава флюида.

9. Система мониторинга по п. 8, в которой аналитический блок выполнен с возможностью при ведении указанного мониторинга определённых значений давления и температуры флюида сравнивать определённые концентраций водяного пара с точкой росы, соответствующей текущим значениям температуры и давления флюида, определённым для конкретных точек трубопровода, и в случае приближения указанных значений параметров транспортируемого флюида и концентраций водяного пара к условиям возможного образования газогидратов в режиме реального времени формировать предупреждающий сигнал.

10. Система мониторинга по любому из пп. 6-9, в которой аналитический блок функционально соединен с некоторым количеством многоядерных процессоров и выполнен с возможностью производить указанное определение значений указанных параметров транспортируемого флюида на всём протяжении трубопровода с использованием алгоритмов без ветвлений путём распараллеливания вычислений на указанных многоядерных графических процессорах.