автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Методологическое обеспечение экспертных расчетов утечек и выбросов при трубопроводном транспорте жидких углеводородов



iVTr/J

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

тюменский государственный нефтегазовый университет

На правах рукописи

ЗЕМЕНКОВ ЮРИЙ ДМИТРИЕВИЧ

МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЕРТНЫХ РАСЧЕТОВ УТЕЧЕК И ВЫБРОСОВ ПРИ ТРУБОПРОВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ

Специальность 05.15.13 - "Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ"

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Соискатель:

Научный консультант -заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор В.Н. Антипьев

Тюмень 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................... 6

Глава 1. АНАЛИЗ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ 16 ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ.................................................. ......

1.1. Общая характеристика технической надежности нефтепроводов................................................................. 16

1.2. Аварийные и нормативные выбросы углеводородов при эксплуатации нефтепроводов....................................... 22

1.3 .Концепции совершенствования контроля технического состояния действующих трубопроводов Западной Сибири........................................................ 33

1.4. Методологические основы классификации отказов и повреждений............................................................... 43

1.5. Анализ методов контроля дефектов и утечек на магистральных нефтепроводах.............................................................. 59

1.5.1. Анализ систем контроля и обнаружения утечек

жидких углеводородов........................................... 59

1.5.2. Анализ методов контроля утечек на основе моделирования процесса перекачки....................... 69

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1............................................................. 77

Глава 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УТЕЧЕК ПРИ НАРУШЕНИИ

ГЕРМЕТИЧНОСТИ НЕФТЕПРОВОДА............................... 79

2.1. Истечение нефти из поврежденного трубопровода.................. 79

2.2. Определение величин утечек при нестационарных режимах работы НС.................................................................... 85

2.3. Оценка погрешностей методики и разработка рекомендаций по определению утечки...................................................... 93

2.4. Расчет величины утечки из наклонного трубопровода............. 112

2.5. Расчет величины утечки из горизонтального трубопровода 123

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2............................................................. 129

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА МАССООТДАЧИ С ОТКРЫТОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ............................................................. 131

3.1 .Методологические основы расчетов диффузионных процессов в

углеводородных средах.................................................... 131

3.2.Разработка метода открытого испарения многокомпонентной

углеводородной смеси...................................................... 140

3.2.1.Построение математической модели процесса массоотдачи с открытой поверхности жидких углеводородов................. 140

3.2.2.Разработка метода расчета коэффициентов фазового распределения......................................................... 146

3.2.3.Исследование теплофизических характеристик нефти и нефтепродуктов в процессах тепломассопереноса.............. 154

3.2.4.Решение системы дифференциальных уравнений

массообмена методом Рунге- Кутта......................................... 165

3.3.Оценка испаряемости многокомпонентных углеводородных

жидкостей..................................................................... 171

3.4.Моделирование процесса массообмена на основе теории

подобия........................................................................ 184

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3

193

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

массоотдачи углеводородных жидкостей

с открытой поверхности......................................... 194

4.1.Влияние влажности и атмосферного давления на динамику испарения нефтей.......................................................... 195

4.2.Исследование массоотдачи при динамическом испарении

жидких углеводородов................................................... 198

4.3.Экспериментальные исследования закономерностей влияния температуры на кинетику испарения углеводородов в процессах массоотдачи.................................................... 212

4.4.Исследование влияния высоты взлива нефти на процесс массоотдачи с открытой поверхности................................. 220

4.4.1.Методика проведения исследований и разработка экспериментальных установок..................................... 220

4.4.2. Исследование массоотдачи со свободной поверхности нефтяного пятна на основе полного многофакторного эксперимента........................................................... 230

4.5.Методы расчета выбросов при испарении жидких углеводородов................................................................ 235

выводы по главе 4.............................................................. 245

глава 5. исследования физико-химических свойств углеводородсодержащих веществ и разработка методов их расчета............................

5.1. Исследование влияния состава углеводородной жидкости

на ее плотность и молекулярную массу................................................249

5.2. Изменение вязкости нефтей и нефтепродуктов при растечении

их по открытой поверхности............................................. 264

5.3. Экспериментальные исследования изменения реологических свойств нефтеконденсатных смесей применительно к аварийно-восстановительным работам на трубопроводах..................279

5.4.Исследование давления насыщенных паров конденсатов....................290

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5............................................................................................................294

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ........................................................................................................297

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников....................................................299

приложение 1......................................................................................................................................................320

ПРИЛОЖЕНИЕ 2......................................................................................................................................................322

приложение 3......................................................................................................................................................328

ПРИЛОЖЕНИЕ 4......................................................................................................................................................340

ПРИЛОЖЕНИЕ 5......................................................................................................................................................359

ПРИЛОЖЕНИЕ 6......................................................................................................................................................372

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В настоящее время Западная Сибирь является главной топливно-энергетической базой России, обеспечивающей почти половину валютных поступлений за счет экспорта нефти и газа. Основной объем нефти доставляется на нефтеперерабатывающие заводы по трубопроводам, надежность которых достаточно высока, однако полностью устранить аварии на магистральных нефтепроводах практически невозможно либо экономически нецелесообразно. Особенно актуальным это становится в настоящее время, так как около 30% нефтепроводов выработали свой ресурс и нуждаются в реконструкции.

Динамика общего числа аварий показывает, что в течение 20 лет наблюдается их стойкое снижение за счет совершенствования технологии перекачки нефти, автоматизации процесса перекачки нефти, внедрения телемеханики, совершенствования средств активной защиты трубопроводов от коррозии. Но в последнее время даже в условиях работы нефтепроводов с неполной загрузкой практически отсутствует снижение показателя аварийности. С одной стороны, это приводит к необходимости проводить реконструкцию линейной части, с другой - разрабатывать до наступления аварий методы и способы, позволяющие в короткий срок оценить тяжесть возможной аварии, рассчитать время ее ликвидации и определить необходимые средства для производства аварийно- восстановительных работ. Вместе с тем необходимо дальнейшее совершенствование технологических процессов, оборудования и транспортных средств с целью усиления охраны атмосферного воздуха от загрязнения неконтролируемыми вредными выбросами.

На современных трубопроводах при больших объемах перекачки аварийные потери нефти приносят значительный ущерб народному хозяйству. По данным международного социально-экономического союза, при добыче и

транспортировке безвозвратно ежегодно теряется как минимум 4 млн. тонн. При разработке системы мероприятий по борьбе с потерями углеводородов необходимо выявлять все факторы, определяющие реальный и потенциально возможный ущерб.

Последствия аварий и инцидентов на нефтепроводах продолжают обострять экологические проблемы. Нефть, разлитая при нарушении герметичности трубопроводов или хранящаяся в аварийных котлованах, на протяжении ремонтно-восстановительного периода находится с открытой поверхностью, испаряясь в атмосферу. Под воздействием солнечной радиации окислы азота с углеводородами способны образовывать фотохимические оксиданты - компоненты фотохимического смога, которые вредно влияют не только на растительность и животных, но и продолжительное время в зависимости от интенсивности техногенного потока действуют на здоровье людей. Природа и люди бессистемно испытывают на себе действие всех антропогенных физико- и биотоксичных факторов в различных сочетаниях и по мере их накопления.

Поэтому контроль и ограничение вредных выбросов в атмосферу стало общегосударственной политикой, интегрируемой в систему управления и регулирования безопасностью. Актуальность данной проблемы отмечена в различных правительственных документах. Вопросы повышения надежности, снижения аварийности, совершенствования эксплуатации и повышения эффективности работы системы нефтепроводного транспорта рассматривались на заседании Комиссии Правительства РФ по оперативным вопросам, на заседаниях Правления АК "Транснефть", Коллегии Министерства топлива и энергетики РФ и др. Одной из приоритетных задач в обеспечении надежности и безопасности нефтепроводов было признано обеспечение эффективного контроля за состоянием линейной части нефтепровода.

Опыт эксплуатации отечественных нефтепроводов указывает на необходимость формирования системного подхода к оценке приемлемого риска, учитывающего все многообразие проблем безопасности. Анализ риска должен базироваться на использовании всей доступной информации для определения вероятности наступления аварии, прогнозирования ущерба, внедрения различных систем контроля выбросов и утечек нефти и нефтепродуктов и т.д.

Актуальность проблемы подтверждается также рядом правительственных постановлений, нормативных отраслевых документов, направленных на решение задач энергоресурсосбережения, природопользования и охраны окружающей среды при эксплуатации нефтепродуктопроводов и хранилищ. Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» определяет правовые, экономические и социальные основы обеспечения безопасной эксплуатации предприятий и направлен на прогнозирование и предупреждение аварий на опасных производственных объектах и обеспечение готовности организаций, эксплуатирующих опасные производственные объекты, на локализацию и ликвидацию последствий аварий. В условиях возрастающих штрафных санкций со стороны государства за нанесение экологического ущерба предприятия обязаны рассчитывать и декларировать выбросы загрязняющих веществ. Более того, подобные расчеты становятся обязательными уже на стадии проектирования опасных производственных объектов.

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное обобщение и решение крупной народно-хозяйственной проблемы повышения эффективности системы контроля и обеспечения экологически безопасной эксплуатации нефтепроводов Западно-Сибирского региона за счет разработки методологии экспертных расчетов утечек и оценок аварийных выбросов углеводородов.

Основные задачи исследования:

• разработать концептуальную модель базы данных повреждений и дефектов на основе выполнения системного анализа ретроспективных данных по причинам и видам отказов линейной части трубопроводов;

• разработать математическую модель истечения жидких углеводородов через повреждение на линейной части нефтепровода в период неустановившегося режима работы насосной станции при авариях на магистральных трубопроводах;

• установить закономерности процесса массоотдачи со свободной поверхности жидких углеводородов, учитывающих основные составляющие теплового и материального баланса в условиях нарушения герметичности нефтепроводов;

• разработать математические модели для экспертных оценок выбросов жидких углеводородов в атмосферу при статическом и динамическом испарении в условиях временного хранения в открытых емкостях и при растечении по дневной поверхности;

• создать комплекс математических моделей, позволяющих дать количественную оценку динамики изменения физико-химических свойств нефтей, конденсатов и углеводородных смесей в различных термодинамических условиях и при испарении до 30% наиболее легких компонентов;

• разработать систему программного и методологического обеспечения оперативного и экспертного расчетов объемов утечек жидких углеводородов и выбросов для условий их испарения с открытой поверхности при авариях на магистральных нефтепроводах.

Методологические основы и достоверность исследований.

В диссертационной работе автором использованы классические

положения теории тепло-массопереноса, фазовых переходов и прикладной

гидромеханики, системного анализа, теории графов и надежности систем,

теории планирования полных и дробных многофакторных экспериментов с последующей обработкой полученной информации методами математической статистики, численные методы интегрирования и методы корреляционно-регрессионного анализа экспериментальных данных, осуществляемые с использованием специальных программ, составленных на алгоритмических программных языках для ПЭВМ.

Выполненные в настоящей работе исследования связаны с научно-техническими целевыми программами Минвуза РСФСР "Нефть и газ Западной Сибири" на 1981ч-1990 (приказы Минвуза РСФСР от 15.10.81 № 559 и от 10.10.86 № 641), с директивными документами: "Энергетической стратегией России", принятой Правительством России в 1994 году; программой "Надежность и безопасность трубопроводного транспорта Западной Сибири ", принятой АК " Транснефть" в 1993 г.; программой "Высоконадежный трубопроводный транспорт", утвержденной в 1993 г. правительствами России и Украины; Федеральным законом №116-ФЗ "О промышленной безопасности опасных производственных объектов", принятым Государственной Думой 20.07.1997; грандом научно-технического Совета ТюмГНГУ за 1997г.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке методологического аппарата проведения экспертных расчетов и оценок утечек и аварийных выбросов жидких углеводородов на магистральных нефте- и конденсатопроводах. По отдельным вопросам проведенных исследований научная новизна состоит в следующем:

1. Разработана новая концепция комплексной классификации и систематизации повреждений, их видов и причин, позволяющая совершенствовать организацию банка дефектов, отказов и аварий.

2. Впервые разработана математическая модель истечения жидких углеводородов через повреждение на линейной части нефтепровода в период неустановившегося режима работы насосной станции,

позволяющая дать количественную экспертную оценку величины утечки без выявления физической динамики изменения повреждения.

3. Впервые установлены закономерности процесса массоотдачи жидких углеводородов, находящихся с открытой поверхностью в условиях аварийного растечения и временного хранения в аварийных котлованах.

4. Впервые разработаны математические модели для количественной характеристики статического и динамического испарения нефтей с открытой поверхности. Получены математические модели описывающие динамику изменения температуры свободной поверхности нефти и нефтепродукта, учитывающие основные составляющие теплового потока: солнечной радиации, температуры воздуха и т.д..

5. Впервые проведено численное моделирование процесса массоотдачи углеводородных смесей для условий нарушения герметичности линейной части магистральных нефтепроводов с учетом основных составляющих теплового и материального баланса.

6. Впервые теоретически обоснована и экспериментально подтверждена корректность использования данных о фракционном составе нефти в качестве исходной характеристики при экспертных расчетах выбросов и потерь углеводородов от испарения с открытой поверхности.

7. Впервые создан комплекс математических моделей, позволяющих дать количественную оценку динамики изменения физико-химических свойств нефтей, конденсатов и углеводородных смесей в различных термодинамических условиях и при величине потерь легких углеводородов, достигающей 30 % масс.

8. Разработана научно-методическая основа, алгоритмический комплекс и программное обеспечение системы экспертных оценок и методов

прогнозирования выбросов углеводородов при авариях на

нефтепроводах.

Практическая ценность работы заключается в разработке положений по совершенствованию методов контроля и экспертных оценок утечек и выбросов углеводородов при нарушении герметичности трубопроводов. Разработ�