авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Некоммерческое акционерное общество

«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»

Кафедра Инженерная кибернетика.

Специальность Автоматизация и

управление.

Допущен к защите

Зав. кафедрой_

«_»_2014.

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

пояснительная записка Тема «Разработка и исследование модели транспортировки высоковязкой нефти в условиях сильнопересеченной местности».

Магистрант Магай Е.В.

подпись (Ф.И.О.) Руководитель диссертации Сябина Н.В.

подпись (Ф.И.О.) Рецензен Ахметов Б.С.

подпись (Ф.И.О.) Нормоконтроль Копесбаева А.А.

подпись (Ф.И.О.) Алматы, 2014г.

Некоммеческое акционерное общество «АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»

Факультет Теплоэнергетический.

Специальность Автоматизация и управление.

Кафедра Инженерная кибернетика.

ЗАДАНИЕ на выполнение магистерской диссертации Магистранту Магай Евгении Викторовне фамилия, имя, отчество) Тема диссертации «Разработка и исследование модели транспортировки высоковязкой нефти в условиях сильнопересеченной местности»..

утверждена Ученым советом университета №_от «_»_ Срок сдачи законченной диссертации «_»_ Цель исследования Разработать и исследовать модель транспортировки высоковязкой нефти.

Перечень подлежащих разработке в магистерской диссертации вопросов или краткое содержание магистерской диссертации:

Выполнить обзор существующих способов транспортировки высоковязкой нефти по трубопроводу. Выполнить обзор существующих моделей транспортировки жидких сред по трубопроводу. Определить основные параметры и оценить их влияние на процесс транспортировки. Разработать математическую модель процесса транспортировки высоковязкой нефти в условиях сильнопересеченной местности. Выполнить реализацию модели в среде графического программирования LabView. Проанализировать состояние и возможности стенда «Исследование процессов протекающих в трубопроводе»

с точки зрения внедрения модели..

Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей) Рекомендуемая основная литература 1. Трубопроводный транспорт нефти/ Г.Г. Васильев, Г.Е. Коробков, А.А.

Коршак и др.;

Под редакцией С.М. Вайнштока: Учеб.для вузов: В 2т. – М.:

ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. – Т. 1. – 407с.

2. Трубопроводный транспорт нефти и газа: Учеб.для вузов/ Р.А. Алиев, В.Д.

Белоусов, А.Г. Немудров и др. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1988.

368с.

3. Н.А.Виноградова, Я.И.Листратов, Е.В.Свиридов Разработка прикладного программного обеспечения в среде LabVIEW: Учебное пособие – М.:

Издательство МЭИ, 2005. – 49с ГРАФИК подготовки магистерской диссертации Наименование разделов, перечень Сроки представления Примечание разрабатываемых вопросов научному руководителю Дата выдачи задания Заведующий кафедрой_() (подпись) (Ф.И.О.) Руководитель диссертации() (подпись) (Ф.И.О.) Задание принял к исполнению магистрант () (подпись) (Ф.И.О.) Реферат Объем и структура работы. Общий объем работы составляет 49 страниц, в том числе 21 рисунков, списка использованных источников из наименований.

Магистерская диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников.

Ключевые слова: транспортировка нефти, вязкая нефть, модель нефтепровода, «горячий» нефтепровод в условиях сильнопересеченной местности.

Актуальность темы. Актуальностью данной темы является создание модели «горячего» нефтепровода в условиях сильнопересеченной местности на основании добычи высоковязкой нефти и транспортировке ее по всему Казахстану, в условиях разного рельефа местности страны.

Цель работы: разработать и исследовать модель транспортировки высоковязкой нефти.

Объектом исследования является участок нефтепровода со сложным рельефом.

Методы исследования. В ходе решения поставленных задач в диссертационной работе использованы математические методы определения основных параметров нефтепровода.

Полученные результаты, их новизна, практическая значимость. На основании выполненных исследований получены следующие результаты:

- Выполнен обзор существующих способов транспортировки высоковязкой нефти по трубопроводу и моделей транспортировки жидких сред по трубопроводу.

- Разработана математическая модель процесса транспортировки высоковязкой нефти в условиях сильнопересеченной местности. Выполнена реализация модели в среде графического программирования LabVIEW - Проведены исследования на модели.

Результаты проведенной работы были опубликованы в сборнике статей научно-практической конференции магистрантов АУЭС Мазмндама Жмысты клемі мен рылымы.

Жмысты жалпы клемі 49 беттен трады, соны рамында 21 сурет олданылан дебиеттер тізімі.

Магистрлік диссертация кіріспеден, ш блімнен, орытындыдан, олданылан дебиеттер тізімінен трады.

Маызды сздер: мнай тасымалдау, ттыр мнай, мнай бырыны лгiсi, атты шоала жердi жадайда мнай быры «ысты».

Таырыпты зектiлiгi. Осы таырыпты зектiлiгi лгiнi жасауы болып табыл барлы азастан бойымен оны жоары ттыр мнайды ндiруiн тбегей жне тасымалдауда атты шоала жердi жадайда мнай быры «ысты», елдi р трлi жер бетiнi жадайында. Жмысты масаты:

жоары ттыр мнайды тасымалдауын лгiнi жасап зерттеу. Крделi бедерi бар мнай бырыны являетсяучастогi зерттеу нысанамен.

Зерттеудi дiстерi. Мнай бырыны негiзгi параметрлерiн анытауды пайдаланылан математикалы дiстерiн диссертациялы жмыста ойылан есептердi шешiмi жрiсте.



- Алан нтижелер, олардыны жаалыы, жаттыу маыздылыы.

- Атарылан зерттеулердi тбегейде келесi нтиже алан:

- быр бойымен быра жне сйыты орталарды тасымалдауды лгiлерi бойымен жоары ттыр мнайды тасымалдауыны азiргi тсiлдерiн атарылан шолу.

- Зерттеулер жасалан Abstract Volume and structure of work.Total amount of work is 50 pages, including Figures, 15 items of bibliographies.

Master's thesis consists of an introduction, two chapters, conclusion, list of sources used.

Keywords: transportation of oil, viscous oil, pipeline model, "hot" pipeline under rugged terrain.

Relevance of the topic. Relevance of this topic is to create a model of the "hot" pipeline under rugged terrain on the basis of production of high oil and transporting it across Kazakhstan, under different terrain of the country.

Objective: To develop and explore the model for the transport of highly viscous oil.

Object of study is the oil pipeline with difficult terrain.

Research methods. In the course of solving the problems in this thesis used mathematical methods for determining the basic parameters of the pipeline.

The results obtained, their novelty, practical significance. On the basis of the research results are as follows :

- A review of existing methods of transporting highly viscous oil by pipeline and transportation models fluids through the pipeline;

- A mathematical model of the transport of highly viscous oil in rugged terrain conditions. Implementation of the model is made in graphic LabVIEW environment;

- Researches on the model.

The results of this work were published in a collection of articles of undergraduates scientific and practical conference AUPET.

Содержание Введение………………………………………………………………………..... Глава 1. ТРАНСПОРТИРОВКА НЕФТЕПРОДУКТОВ ПО ТРУБОПРОВОДУ Способы транспортировки нефтепродуктов…………………………...

1.1 Основные технологии перекачки высоковязких и застывающих 1. нефтей………………………………………………………………….....

Рельеф и магистральные трубопроводы Казахстана…………………..

1.3 Обзор методов моделирования………………………………….……...

1.4 Обзор существующих математических моделей 1. нефтепровода…………………………………………………………….

1.5.1 Модель И.А. Чарного………………………………………………….... 1.5.2 Модель в виде передаточных функций А.А. Прокопова…………..... 1.5.3 Модель А.А. Гольянова……………………………………………….... 1.5.4 Моделирование режимов работы трубопроводов с применением комплекса программ NIPAL 3.0………………………………………...

Постановка задачи…………………………………………………….....

1.6 Глава 2. РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ «ГОРЯЧЕГО»

НЕФТЕПРОВОДА В СРЕДЕ ГРАФИЧЕСКОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ LABVIEW………………………………………………………………………..

Разработка математической модели транспорта высоковязкой нефти 2. на участке «горячего» трубопровода………………………………….

Обоснование выбора среды программирования ……………………… 2.2 Разработка виртуальной модели «горячего» нефтепровода в среде 2. программирования LabVIEW и ее анализ..…………………………..

Система обработки экспериментальных данных…………..………… 2.4 Заключение…………………………………………………………………….... Список используемой литературы……………………………………………... Введение Республика Казахстан входит в число 15 ведущих стран мира по запасам нефти. За 22 года независимости объемы добычи нефти увеличились в три раза.

Если в 1992 году за год было добыто 25,8 миллионов тонн, то в 2011 году добыча нефти в Казахстане составила 81 млн. тонн, а в 2012 году 66 млн. тонн.

Разведанные запасы нефтяных месторождений составляют порядка 6, миллиарда тонн, а прогнозируемые запасы, по оценкам экспертов, оцениваются в 25 млрд. тонн[1].

Согласно отчетам Министерства нефти и газа Республики Казахстан, извлекаемых запасов "черного золота" хватит на 50-60 лет с учетом ежегодного объема добычи и доведения к 2020 году до 120 млн тонн в год [1].

Имея такие запасы и залежи нефти, немаловажным является и транспортировка нефти до пунктов переработки нефти и на экспорт. Больший объем нефти транспортируется по нефтепроводу, общая протяженность которого на территории Казахстана составляет 5 495 км. Транспортировка нефти по магистральным нефтепроводам обеспечивается нефтеперекачивающими станциями, 64 печами подогрева нефти, резервуарным парком для хранения нефти общим объемом 1 259 тыс. м 3. Нефтепровод пересекает всю страну с разнообразным рельефом Казахстана.

Основные месторождения нефти приходятся на Западный и Южный Казахстан. Более 30 месторождений высокопарафинистых нефтей открыто на полуостровах Мангышлак и Бузачи. Из них в промышленной разработке находятся такие известные всем как Узень, Карамандыбас, Жетыбай, Каламкас, Каражанбас. Нефть месторождений Узень, Жетыбай и Карамандыбас предельно насыщена растворенным в ней парафином при высоком его содержании более 20%, а также смолами и асфальтенами. Нефть месторождений п-ов Бузачи, таких как Каражанбаса и месторождения Северный Бузачи, характерна высокой вязкостью, смолистостью при значительном содержании сернистых соединений. Для транспортировки таких нефтей необходим определенный тепловой режим, так как обычная перекачка традиционным способом может привести к серьезным последствиям таким, как образования пробок, большая парафинизация и полная остановка работы нефтепровода из-за застывания нефти.

С учетом разнообразного рельефа Казахстана и свойствами добываемой нефти, разработка виртуальной модели участка трубопровода для перекачки высоковязких нефтей с учетом рельефа местности с отслеживаемыми параметрами температуры и давления, является актуальной.

Настоящая магистерская диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка сокращений.

В первой главе рассматриваются основные технологии перекачки высоковязких и застывающих нефтей, обзор существующих математических моделей нефтепровода. Здесь же сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена вопросам разработки виртуальной модели «горячего» нефтепровода в среде графического программирования LabVIEW.

Третья глава посвящена исследованию полученной виртуальной модели «горячего» нефтепровода.

Глава 1. ТРАНСПОРТИРОВКА НЕФТЕПРОДУКТОВ ПО ТРУБОПРОВОДУ 1.1 Способы транспортировки нефтепродуктов Существует несколько способов транспортировки нефтепродуктов от места их добычи до заводов по переработке или мест сбыта. К ним относятся:

железнодорожный, водный, автомобильный и трубопроводный транспорт.

Рассмотрим достоинства и недостатки каждого из методов.

Железнодорожным транспортом доставляются все виды нефтепродуктов, в том числе и сжиженные нефтяные газы, в цистернах, бункерах или лёгкой таре. К достоинствам данного вида транспорта относятся его универсальность, доставка нефтепродуктов в большинство пунктов потребления, равномерность доставки грузов в течение всего года с более высокой скоростью, чем водным транспортом. Недостатки: относительно низкая эффективность использования мощности подвижного состава, большие капитальные затраты, относительно высокие эксплуатационные затраты, необходимость специальных сливно наливных пунктов и пунктов зачистки вагонов-цистерн, значительные потери нефти и нефтепродуктов при транспорте и разгрузочно-погрузочных операциях [15].

Водный транспорт позволяет перевозить в наливных баржах и танкерах, а также в мелкой таре нефть, нефтепродукты и сжиженные газы в любых количествах. Достоинства: располагают неограниченной пропускной способностью водных путей, нет необходимости в создании дорогостоящих линейных сооружений. Недостатки: провозная способность флота ограничивается грузоподъемностью и другими показателями передвижных средств флота, производительностью причального и берегового нефтебазового хозяйства, эффективность использования супертанкеров повышается с увеличением дальности перевозок, на малых расстояниях они перестают быть рентабельными [15].

Автомобильный транспорт обеспечивает перевозки на короткие расстояния от крупных нефтебаз к мелким и далее к потребителям.

Достоинства: доставка небольших партий нефтепродуктов на различные расстояния с большой скоростью, большая маневренность и высокая проходимость, высокая оперативность. Недостатки: высокие затраты на эксплуатацию, сравнительно небольшая грузоподъемность автоцистерн, неполная загрузка подвижных средств из-за порожних пробегов цистерн, зависимость от наличия и технического состояния дорог [15].

Трубопроводный транспорт служит для перевозки большого количества нефти, нефтепродуктов и сжиженных нефтяных газов в одном направлении.

Достоинства: небольшие удельные капитальные вложения на единицу транспортируемого груза, наиболее низкая себестоимость перекачки, бесперебойная поставка в течение года, высокая производительность труда, незначительные потери нефтей и нефтепродуктов при перекачке, сравнительно короткие сроки строительства, возможность наращивания пропускной способности трубопровода, возможность перекачки нескольких сортов нефти и нефтепродуктов по одному трубопроводу. Недостатки: потребность в крупных материальных затратах на заполнение всего трубопровода нефтью или нефтепродуктом при вводе в эксплуатацию, крупные единовременные капитальные вложения в строительство [15].

Наиболее экономичным видом транспорта нефтепродуктов является трубопроводный, который обеспечивает перекачку большого количества нефтепродукта на любые расстояния. Трубопроводы, перекачивающие продукцию на значительные расстояния, называются магистральными.

Магистральные трубопроводы в зависимости от перекачиваемой жидкости называются соответственно: нефтепроводами — при перекачке нефти;

нефтепродуктопроводами — при перекачке жидких нефтепродуктов.

Магистральный трубопровод состоит из следующих комплексов сооружений:

- подводящих трубопроводов, связывающих залежи нефти или нефтепродуктов с основными сооружениями трубопровода. По этим трубопроводам перекачивают нефть от промысла или нефтепродукт от завода в резервуары головной станции;

- головной перекачивающей станции, на которой собирают нефть и нефтепродукты, предназначенные для перекачки по магистральному трубопроводу. Здесь производят приемку нефтепродуктов, разделение их по сортам, учет и перекачку на следующую станцию;

- промежуточных перекачивающих станций, на которых нефть, поступающая с предыдущей станции, перекачивается далее;

- конечных пунктов, где принимают продукт из трубопровода, распределяют потребителям или отправляют далее другими видами транспорта;

- линейных сооружений трубопровода. К ним относятся собственно трубопровод, линейные колодцы на трассе, станции катодной и протекторной защиты, дренажные установки, а так же переходы через водные препятствия, железные и автогужевые дороги[2].

Основной составной частью магистрального трубопровода является собственно трубопровод. Глубину заложения трубопровода определяют в зависимости от климатических и геологических условий, а так же с учетом специфических условий, связанных с необходимостью поддержания температуры перекачиваемого продукта.

1.2 Особенности технологии перекачки высоковязких и застывающих нефтей Добыча и перекачка нефти обладающей высокой вязкостью (при обыденных температурах) либо содержащей огромное количество парафина по трубопроводам обычным, методом затруднена. Для их транспортировки используют следующие способы увеличения текучести нефтей: смешение вязких с маловязкими и совместная их перекачка, смешение и перекачка с водой, термообработка вязких нефтей и следующая их перекачка, перекачка заранее нагретых нефтей, добавление присадок-депрессаторов в нефть.

В настоящее время транспорт таких нефтей по трубопроводам осуществляется всеми перечисленными методами. Но выбор метода перекачки должен быть обусловлен технико-экономическим расчетом.

Перекачка с разбавителями. Улучшения реологических параметров вязких нефтей (вязкости, температуры застывания, напряжения сдвига) можно добиться методом смешения их с разбавителями. В качестве разбавителей могут применяться конденсаты, бензины, керосины, маловязкие нефти. Если на месторождении добываются нефти разных видов - вязкие и маловязкие, то, соединяя их, можно достигнуть резкого понижения вязкости и температуры застывания.





Для некоторых вязких нефтей требуется добавлять чрезвычайно огромное количество разбавителя (до 70 %). Нужное количество разбавителя для каждого сорта нефти определяется лабораторными исследовательскими работами.

Подача светлого разбавителя на месторождение, обычно, осуществляется по параллельному трубопроводу, сооружение и эксплуатация которого требуют дополнительных издержек[3].

Гидротранспорт вязких нефтей. Совместная перекачка вязких нефтей с водой является одним из действенных методов транспорта. Существует несколько вариантов гидротранспорта:

1) В трубопровод сразу закачивают воду и вязкий нефтепродукт, таким образом, чтоб нефтепродукт двигался внутри водяного кольца. Чтоб не происходило всплытия нефти в водяном кольце, сгустку присваивают вращение применением «спиральных» труб. Такие трубы на внутренней поверхности имеют винтообразную вырезку промышленного производства либо приваренные железные полосы (проволоку) нужных размеров. Спиральная вырезка вызывает вращение передвигающегося потока, в итоге чего появляются центробежные силы, отбрасывающие наиболее томную воду к стенам трубы, из-за того что поток в основной части состоит из нефти, то резко растет расход воды при малых издержек энергии по сопоставлению с перекачкой одной прохладной вязкой нефти. Таким методом могут перекачиваться нефти, имеющие плотность ниже, чем вода. Разделение воды и нефти на конечном этапе делается любым известным методом (химическим методом, тепловым, отстоем и др.) [3].Широкого распространения этот метод не получил из-за трудности производства винтообразных нарезок на внутренней поверхности трубы;

2) метод заключается в образовании консистенции нефти с водой. Когда появляется смесь типа нефть в воде (Н/В), частички нефти окружены водяной пленкой и контакта нефти с внутренней поверхностью трубы не происходит.

Появляется водяное кольцо, внутри которого скользит водонефтяная смесь. Это приводит к понижению затрат на трение при перекачке.

При резком уменьшении скорости перекачки и температуры смесь типа Н/В может перейти в оборотную - типа «вода в нефти» (В/Н). Таковая смесь имеет вязкость больше, чем начальная нефть. Устойчивость эмульсии типа Н/В зависит от многих причин. В итоге экспериментальных исследовательских работ было установлено, что малое количество воды должно составлять около 30 % общего размера транспортируемой консистенции[3].

Перекачка термообработанных нефтей. Нагрев с целью конфигурации реологических параметров нефти именуется термообработкой. Она заключается в следующем. Нефть нагревают до некой температуры, а потом охлаждают с определенной скоростью. Температуру нагрева и скорость остывания подбирают лабораторным методом для каждого нефтепродукта. В итоге этого резко понижаются вязкость и температура застывания термообработанной нефти. Если эти параметры сохраняются низкими некоторое время (одни нефти восстанавливают свои характеристики за 3 суток, остальные - за 20 суток), то нефть можно перекачивать по трубопроводу как обычную маловязкую жидкость[3].

Перекачка нефтей с присадками. Для улучшения реологических параметров нефтей перед их перекачкой по трубопроводам применяются добавление особых нефтерастворимых присадок. Это беззольные сополимеры этилена и присадки на базе сложных эфиров метакриловой кислоты. Механизм действия присадок еще не совершенно ясен. Предполагается, что молекулы присадок адсорбируются на поверхности кристаллов парафина, мешая их росту. Появляется суспензия парафина с огромным количеством маленьких кристаллов и высокой степенью дисперсности [3].

Перед добавлением присадок нефть следует нагревать до полного расплавления парафина. В дальнейшем, при движении нефти с присадками по трубопроводу, она не нуждается в подогреве на промежуточных станциях.

Перекачка заранее нагретых нефтей более универсальный метод трубопроводного транспорта вязких нефтей, также именуемая «горячая перекачка». При этом нефть греется на головном трубопроводе и насосами закачивается в магистраль. Через каждые 25-100 км по длине трассы инсталлируются промежуточные термо-станции, где остывшая нефть вновь подогревается [3].

В наше время для транспортировки вязкой нефти применяют все приведенные выше методы. Но наиболее распространен метод перекачки заранее нагретых нефтей.

1.3 Рельеф и магистральные трубопроводы Казахстана Казахстан занимает девятое место в мире по площади и расположен в центре континента Евразия. В связи с этим рельеф местности Казахстана разнообразен. 58 % территории занимают пустыни и полупустыни, 10 % — горы. На севере республики преобладают степи и лесостепи. На западе страны лежит Прикаспийская низменность. На северо-западе находится Предуральское плато. На юго-западе — полуостров Мангышлак (Мангыстау). Восточнее расположено плато Устюрт. На северо-востоке от Каспийской низменности расположены Мугоджары, далее Тургайское плато. Возле Аральского моря находятся пустыня Кызылкум и песчаные массивы — Большие Барсуки, Малые Барсуки и Приаральские Каракумы. Центральную часть Казахстана занимает Центрально-Казахстанский мелкосопочник (Сары Арка). Южнее расположена пустыня Бетпак-Дала (Голодная степь), к югу от неё находится пустыня Моинкум, к востоку — Балхашская впадина. На юге находится Илийская впадина.

Самая низкая точка Казахстана — впадина Карагие на полуострове Мангышлак — 132 метров ниже уровня мирового океана. Самая высокая — пик Хан-Тенгри — 6 995 м.

Вся поверхность нашей страны имеет общий наклон с юга на север и с востока на запад.

Такое разнообразие рельефа создают особые условия, осложняющие эксплуатацию нефтепроводов.

На рисунке 1.1 приведена карта магистральных нефтепроводов Республики Казахстан. Как видно на карте нефтепровод Кенкияк-Кумколь проходит через Мугаджарские горы, нефтепровод от ГНПС имени Б. Джумагалиева до нефтеперерабатывающего завода в Шымкенте проходит через горы Каратау, нефтепровод Атасу-Алашанькоу проходит через предгорье Заилийского Алатау. Эти нефтепроводы имеют сильнопересеченный рельеф.

Рисунок 1.1 - Карта магистральных трубопроводов Республики Казахстан 1.4 Обзор методов моделирования Для изучения процессов протекающих в трубопроводе при перекачки нефтепродуктов чаще всего применяют методы моделирования, так как наблюдать физически за этими процессами нет возможности.

Целью моделирования являются получение, обработка, представление и использование информации об объектах, которые взаимодействуют между собой и внешней средой;

а модель здесь выступает как средство познания свойств и закономерности поведения объекта.

Теорией моделирования является раздел науки, изучающий способы исследования свойств объектов-оригиналов, на основе замещения их другими объектами-моделями. В основе теории моделирования лежит теория подобия.

При моделировании абсолютное подобие не имеет места и лишь стремится к тому, чтобы модель достаточно хорошо отображала исследуемую сторону функционирования объекта. Абсолютное подобие может иметь место лишь при замене одного объекта другим точно таким же.

Все модели можно разделить на два класса (см. рисунок 1.2).

Вещественные натурные модели - это реальные объекты, процессы и системы, над которыми выполняются эксперименты научные, технические и производственные.

Вещественные физические модели – это муляжи, макеты, воспроизводящие физические свойства оригиналов (тепловые, кинематические, динамические, электрические, гидравлические, световые модели).

Модели Вещественные Идеальные Натуральные Наглядные Физические Знаковые Математические Математические Рисунок 1.2 – Классификация моделей Вещественные математические – это аналоговые, цифровые, структурные, геометрические, графические и кибернетические модели.

Идеальные наглядные модели – это чертежи, схемы, карты, графики, графы, аналоги, структурные и геометрические модели.

Идеальные знаковые модели – это алфавит, символы, упорядоченная запись, языки программирования, топологическая запись, сетевое представление.

Идеальные математические модели - это функциональные, аналитические, имитационные, комбинированные модели [5].

В приведенной классификации некоторые модели имеют двойное толкование. Все модели, кроме натурных, можно объединить в один класс мысленных моделей, потому что. они являются продуктом абстрактного мышления человека.

Одним из наиболее универсальных видов является математическое моделирование, ставящим систему математических соотношений в соответствие моделируемому физическому процессу, решение которой позволяет получить ответ на вопрос о поведении объекта без создания физической модели, часто оказывающейся дорогостоящей и неэффективной.

В общем случае математическая модель реального объекта, системы или процесса представляется в виде системы функционалов (уравнение 1.1) [5] Фi(X,Y,Z,t)=0 (1.1) t где X - вектор входных переменных, X=[x1,x2,x3,..., xN] ;

Y - вектор выходных переменных, Y=[y1,y2,y3,..., yN]t;

Z - вектор внешних воздействий, Z=[z1,z2,z3,..., zN]t;

t - координата времени.

Построение математической модели заключается в определении связей между теми или иными процессами и явлениями, создании математического аппарата, позволяющего выразить количественно и качественно связь между процессами и явлениями, между интересующими специалиста физическими величинами, и факторами, влияющими на конечный результат.

Обычно их оказывается очень много, что ввести в модель всю их совокупность не удается. При построении математической модели перед исследованием возникает задача выявить и исключить из рассмотрения факторы, несущественно влияющие на конечный результат, математическая модель обычно включает значительно меньшее число факторов, чем в реальной действительности. На основе данных полученных из эксперимента выдвигаются гипотезы о связи между величинами, выражающими конечный результат, и факторами, введенными в математическую модель. Такая связь обычно выражается системами дифференциальных уравнений в частных производных.

Конечной целью этого этапа моделирования является формулирование математической задачи, решение которой с необходимой точностью выражает результаты, интересующие специалиста.

В зависимости от характера изучаемых процессов в системе все модели могут быть разделены на следующие виды:

Детерминированные модели – отображают детерминированные процессы, то есть процессы, в которых предполагается отсутствие всяких случайных воздействий.

Стохастические модели – отображают вероятностные процессы и события;

в этом случае анализируется ряд реализаций случайного процесса, и оцениваются средние характеристики.

Стационарные и нестационарные модели. Модель называется стационарной, если вид оператора и его параметры не изменяются во времени.

Если же параметры модели изменяются во времени, то модель следует назвать параметрически нестационарной:

Статические и динамические модели. Модель системы называется статической, если состояние системы не изменяется, то есть система находится в равновесии. Математическое описание в статических моделях не включает время как переменную и состоит из алгебраических или дифференциальных уравнений (в случае объектов с распределенными параметрами). Статические модели обычно являются нелинейными. Они точно отражают состояние равновесия, вызванное переходом объекта от одного режима к другому.

Динамическая модель отражает изменение состояния объекта во времени.

Математическое описание таких моделей обязательно включает производную во времени. Динамические модели используют дифференциальные уравнения.

Точные решения этих уравнений известны только для некоторого класса дифференциальных уравнений. Чаще приходится прибегать к использованию численных методов, являющихся приближенными.

Для целей управления динамическую модель представляют в виде передаточной функции, связывающей входные и выходные переменные.

Линейные и нелинейные модели. Математически функция L(x) – линейна, если L(1x1+2x2)=1L(x1)+2L(x2). (1.2) Аналогично понимается и линейность функции нескольких переменных.

Линейным функциям присуще использование только операций алгебраического сложения и умножения переменной на постоянный коэффициент. Если в выражении для оператора модели есть нелинейные операции, то модель является нелинейной, в противном случае – линейной. Основное отличие между линейными и нелинейными объектами состоит в том, что для последних не выполняется принцип суперпозиции.

Модели с сосредоточенными и распределенными параметрами. Если основные переменные процесса изменяются как во времени, так и в пространстве (или только в пространстве), то модели, описывающие такие процессы, называются моделями с распределенными параметрами. В этом случае в операторные (а иногда и в параметрические) функции вводятся геометрические координаты z=(z1,z2,z3). И в векторной записи эти уравнения могут быть представлены как y(z)=[p(z),z,x)], (1.3) p(z)=[y(z),z,x].

Их математическое описание включает обычно дифференциальные уравнения в частных производных, либо обыкновенные дифференциальные уравнения в случае стационарных процессов с одной пространственной координатой.

Если можно пренебречь пространственной неравномерность значений y(z) 0, то координат состояний объекта, то есть считать градиент z соответствующая модель – модель с сосредоточенными параметрами.

Модели непрерывные и дискретные во времени. Модели, описывающие состояние объектов относительно времени как непрерывного аргумента называются непрерывными (по времени) y(t) = [p(t),x(t)], (1.4) p(t) = [y(t),x(t)].

В связи с широким внедрением цифровой вычислительной техники работа с такими моделями требует квантования по времени с шагом t. Поэтому вместо непрерывной шкалы t приходится рассматривать дискретную шкалу t = i*t, в которой t =0,1,2… приобретает смысл относительного времени. Так что непрерывная модель должна быть заменена дискретной (во времени) y(i)=[p(i),x(i),t], (1.5) p(i)=[x(i),y(i),t].

Дискретно-непрерывные модели используются для случаев, когда хотят выделить наличие как дискретных, так и непрерывных процессов[6].

Требования, предъявляемые к математическим моделям: точность – свойство, отражающее степень совпадения предсказанных с помощью модели значений параметров объекта с их истинными значениями;

экономичность затрат машинного времени;

универсальность – применимость к анализу группы однотипных объектов.

1.5 Обзор существующих математических моделей нефтепровода Для получения математической модели линейного участка трубопровода используется законы сохранения массы и сохранения количества движения.

Закон сохранения массы гласит: масса любой части материальной системы, находящейся в движении, не зависит от времени и является величиной постоянной. Поскольку скорость изменения постоянной величины равна нулю, полная производная по времени от массы любой части рассматриваемой системы будет так же равна нулю. Интегральная форма закона сохранения массы записывается в виде [3] d ( x )dV 0, (1.6) dt где (х) – плотность вещества;

х = (х1, х2, х3) – координаты точки;

- произвольный объем системы;

dV – дифференциал объема:

Преобразовывая уравнение (1.6) получается div (U) 0. (1.7) dt Эта формула называется законом сохранения массы в дифференциальной форме [3].

Для одномерного течения жидкости уравнение примет вид ( U1) 0. (1.8) t x Закон сохранения количества движения гласит: скорость изменения количества движения любой части материальной системы, находящейся в движении, равна сумме всех внешних сил. Математически закон запишется в виде [3] d (U)dV F, (1.9) dt где F FV dV FSdS;

(1.10) S Fv – силы обусловленные силовыми полями;

Fs – силы действующие на единицу поверхности.

Подставив (1.9) в (1.10) получим интегральную форму записи закона сохранения количества движения d U dV FV dV FSdS. (1.11) dt S Для получения математической модели линейного нефтепровода будем пользоваться этими двумя законами [3].

Для получения динамической модели нефтепровода запишем исходные уравнения законов сохранения массы и количества движения в интегральной форме [3]:

U dV 0, x (1.12) t U1 U1 FV dV FS dS.

(1.13) t x1 1 S 1.5.1 Модель И.А. Чарного Впервые силы трения непосредственно в дифференциальные уравнения неустановившегося движения жидкости были введены И.А. Чарным. Им получены дифференциальные уравнения движения сжимаемой жидкости в трубах с учетом гидравлических сопротивлений M I p t x F x x ;

(1.14) (F) M 0, t x где М – массовый расход жидкости, протекающий через поперечное сечение F трубы;

I – количество движения этой массы жидкости, определяемое по средней в сечении скорости жидкости с поправкой Кариолиса на неравномерное распределение скоростей;

р – среднее давление в сечении;

х – координаты вдоль оси трубы;

t – время;

– смоченный периметр;

х – средняя по смоченному периметру.

Для движения жидкости с дозвуковой скоростью И.А. Чарным показана возможность пренебрежения динамическим давлением, соответствующим скоростному напору, на основании этого уравнения (1.14) принимают вид p () x t, (1.15) p 2 () t c x Метод линеаризации предложенный И.А. Чарным, заключается в замене члена с квадратичным трением в динамическом уравнении системы (1.15) специально подобранным линейным членом, т.е.

2 ( ) 2a (), (1.16) 8 где 2а=const.

Тогда уравнения 1.14 в линеаризованной постановке имеют вид p Q x t 2aQ, (1.17) 1 p Q c 2 t x где Q= – массовая скорость частиц жидкости;

с – скорость звука в данной среде.

Система уравнений (1.15) представляет собой частный случай телеграфных уравнений с постоянными коэффициентами. Для (1.15) И.А.

Чарным получено решение задач для случая, когда на одном конце трубопровода задано давление, а на другом – линейная комбинация скорости и ее производной как функции времени. Полученные методом контурного интегрирования в плоскости комплексной частоты аналитические результаты используются для решения практических вопросов: гидравлический удар вязкой жидкости в простом трубопроводе, колебательные процессы в обвязке компрессорных станций, аккумулирующая способность магистральных трубопроводов и др. [7].

Многие последующие работы явились результатом обобщения и дальнейшего развития идей И.А. Чарного.

Данная модель Чарного рассматривает только гидравлический режим нефтепровода, но не затрагивает температурный режим который необходим для перекачки высоковязкой нефти.

1.5.2 Модель в виде передаточных функций А.А. Прокопова Одна из последних удачных моделей предложена Прокоповым А.А. В его работе рассматривается система перекачки жидкости, разбитая на шесть участков, при наличии точки отбора. Модель представлена в виде передаточных функций [8] 1 0 m (m12 k p m 22 ) P1 Wrp1 0 1 m 22 Q1 (s) m11 k p m 1 kp 0 (1.18) 1 / h (s) sh((h (s)(l1 l 2 )) k p ch((h (s)(l1 l 2 )) ;

ch((h (s)(l1 l 2 )) k p h (s) sh((h (s)(l1 l 2 )) 10 m (m13 k p m 23 ) P1 0 1 m 23 Wrp Q B (s) (s) 1 kp 0 (1.19) 1 / h (s) sh(h (s)l 2 ) k p ch(h (s)l 2 ) ;

(s) m 1 m Q4 1 Wrp 3 0 m 22 m 21 ;

(1.20) Q1 (s) s 10 1 m13 m Q4 1 ch[h (s)l1 ] 0 m 23 m Wrp 4 ;

(1.21) Q B (s) (s) 10 m m12 kp P4 m 22 m Wrp 5 1 ;

(1.22) Q1 (s) (s) 0 kp m m13 k p ch[h (s)l1 ] P4 m 23 m 21, Wrp 6 1 (1.23) Q B (s) (s) 0 kp где h(s) 1/ c s 2 2 a s ;

s ch[h(s)(l1 l 2 )] k p h(s) sh[h(s)(l1 l 2 )] ;

l1 – длина трубопровода до точки отбора;

l2– длина трубопровода после точки отбора.

Данная модель рассматривает шесть участков с наличием отбора, расчет идет только для давления и расхода, но нет привязки к температуре, поэтому данная модель не подходит для описания процессов в «горячем» нефтепроводе.

1.5.3 Модель А.А. Гольянова В работе Гольянова А.А. предложена математическая модель, основанная на уравнениях И.А. Чарного в виде соотношений:

p k (x 2, t ) p k (x1, t ) ch k (x 2 x1 ) Zk v k (x1, t ) sh k (x 2 x1 ) 0;

p (x, t ) (1.24) v k ( x 2, t ) v k ( x1, t ) ch k ( x 2 x1 ) k 1 sh k ( x 2 x1 ) 0, Zk где p k (x, t ), v k (x, t ) – k-е гармоники давления и скорости на момент времени t на расстоянии х от начала координат;

k – комплексная постоянная распространения волнового процесса;

Zk– комплексный импеданс простого трубопровода бесконечной длины[9].

1.5.4 Моделирование режимов работы трубопроводов с применением комплекса программ NIPAL 3. Разработанный в институте проблем транспорта энергоресурсов программный комплекс NIPAL 3.0 позволяет полноценное моделирование различных режимов работы трубопроводов и трубопроводных систем.

Комплекс программ подходит для моделирования стационарного, пускового, переходных режимов работы, а также остывание трубопроводов, транспортирующих высоковязкие нефти с высокой температурой застывания, имеющих сложные реологические свойства.

Математическая модель режимов работы неизотермического трубопровода включает в себя тепловое уравнение для нестационарного режима работы. В безразмерном виде выглядит 0 W n 1 W с рR 2 T с р0 R 2 T 1 T R 0 r, W (1.25) t z r r r R r R r с граничными условиями T z0 T0 н ;

T 0;

t r T Bio (T T0 ) 0.

r r R где Bio=R/– безразмерный параметр Bio.

Уравнение движения для нестационарного режима работы в безразмерном виде выглядит следующим образом 0 W W n W P n r 0 r r n (r0 ).

0 R (1.26) r R r r r t z Граничные условия W r R 0;

W 0.

r r Начальные условия W t 0 0, где R – радиус;

0 – средняя скорость, м/с;

– вязкость жидкости, Н/м2;

0 – предельное напряжение сдвига, Па;

– плотность нефти, кг/м3;

ср – удельная теплоемкость жидкости, Дж/кг·К.

В результате решения уравнений (1.25) и (1.26) конечно-разностным методом получаем распределение температур и скоростей, а также кривую гидравлического уклона вдоль трасы трубопровода в каждый момент времени[10].

Данная модель не учитывает рельеф трубопровода.

1.6 Постановка задачи В настоящее время до сих пор нет универсальной модели описывающей процессы протекающие в нефтепроводе, построение которой позволила бы охватить все критерии и особенности транспортировки высоковязкой нефти по трубопроводу с учетом рельефа местности. Получить простые расчетные формулы для сложной трубопроводной системы не всегда возможно, тем более, если речь идет о нестационарном течении в трубопроводной системе [7].Поэтому чаще применяют какие-либо допущения или предположения.

Таким образом, цель дипломного проекта заключается в разработке модели транспорта высоковязкой нефти на участке трубопровода в условиях сильно пересеченной местности, используя возможности пакета графического программирования LabVIEW Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Выполнить обзор существующих способов транспортировки высоковязкой нефти по трубопроводу.

2) Выполнить обзор существующих моделей транспортировки жидких сред по трубопроводу.

3) Определить основные параметры и оценить их влияние на процесс транспортировки.

4) Разработать математическую модель процесса транспортировки высоковязкой нефти в условиях сильнопересеченной местности.

5) Выполнить реализацию модели в среде графического программирования LabVIEW 6) Исследовать полученную модель Глава 2. РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ «ГОРЯЧЕГО»

НЕФТЕПРОВОДА В СРЕДЕ ГРАФИЧЕСКОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ LABVIEW Разработка математической модели транспорта высоковязкой 2. нефти на участке «горячего» трубопровода Объект исследования дипломной работы представлен на рисунке 2. нефтепровод с сильнопересеченным рельефом.

Рисунок 2.1 – Объект исследования:

Где Рн, Рк – давления в начале и конце участка;

Тн, Тк – температура в начале и конце участка;

L1, L2, L3, L4, L5 – длины соответствующих участков;

, – углы наклона трубопровода к горизонту, D – диаметр трубопровода;

Н1, Н2 – насосы перекачивающих станций 1 и 2.

Предварительно подогретая до некоторой температуры нефть, двигаясь по трубопроводу, будет отдавать свое тепло через металл трубы и изоляцию в окружающую среду, и температура нефти будет понижаться.

Пусть расход нефти, ее начальная температура на входе трубопровод и условия теплообмена не меняются во времени. При этих предположениях тепловой и гидравлический режимы перекачки можно считать установившимися. При установившемся режиме течения температура в сечении трубопровода остается постоянной и меняется только от сечения к сечению трубы.

Основными характеристиками «горячего» нефтепровода являются температура, давление, а так же вязкость и плотность нефти.

Для определения изменения температуры рассмотрим два близко расположенных сечения трубопровода х и х+dx (см. рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Участок трубы Через сечение х в единицу времени поступает поток тепла, значение которого обозначим через q(x). Этот поток тепла складывается из конвективной составляющей, обусловленной переносом тепла из-за движения жидкости, и составляющей, обусловленной переносом тепла из-за теплопроводности.

Последняя составляющая в потоке в трубопроводе много меньше конвективной, поэтому не будем учитывать ее при выводе уравнения притока тепла.

В сечении х конвективная составляющая потока тепла uSc T(x) Qc T(x) Gc T(x), (2.1) где – плотность нефти;

u, S – соответственно скорость потока и площадь сечения трубы;

с – удельная теплоемкость;

Т(х) – температура в сечении х;

Q, G – соответственно объемный и массовый расходы.

В сечении х+dx конвективная составляющая потока тепла uSc T(x dx) Qc T(x dx) Gc T(x dx). (2.2) Разность значений этих потоков тепла в выбранных сечениях равна потерям тепла на участке трубопровода длиной dx. Имеем dT( x ) Gc T( x ) Gc T( x dx ) Gc dx. (2.3) dx В стационарном потоке тепло не накапливается в области между рассматриваемыми сечениями и температура нефти остается постоянной, поэтому разность потоков тепла равна значению потока тепла через боковую поверхность трубопровода и изоляцию между этими сечениями в окружающую среду.

По формуле Ньютона значение этого потока тепла в единицу времени равно H DK(T Tг )dx, (2.4) где D – внутренний диаметр трубопровода;

К – коэффициент теплопередачи;

Tг – температура окружающей среды, например, невозмущенная температура грунта при подземной прокладке трубопровода.

Приравняем найденные потоки тепла dT DK(Tг T).

Gc (2.5) dx Это уравнение описывает изменение температуры в потоке нефти в трубопроводе и называется уравнением Шухова. В этом уравнении можно учесть тепло, которое выделяется из-за работы сил вязкого трения на участке трубы между выбранными сечениями. Тепло, выделяющееся в единицу времени, равно T gGidx, (2.6) где g – ускорение силы тяжести;

i – гидравлический уклон.

Эту величину, сократив ее на dx, подставим со знаком плюс в правую часть уравнения (2.5), так как тепло трения увеличивает температуру нефти, и получим dT DK(Tг T) gGi.

Gc (2.7) dx При перекачке парафинистой нефти в результате понижения температуры из нее может выделяться парафин. Выпадение парафина сопровождается выделением тепла.

Количество тепла, выделяющегося в единицу времени на единице длины, равно d dT Q X Gl, (2.8) dT dx где l – скрытая теплота кристаллизации парафина;

d/dT – масса парафина, выделяющегося при снижении температуры на один градус. Эту величину следует добавить к правой части уравнения (2.7).

Слагаемые (2.6) и (2.8) при «горячей» перекачке много меньше мощности тепла подогрева и ими можно пренебречь.

Если теплообмен имеет нестационарный характер и температура нефти между выбранными сечениями меняется со временем, то в левую часть уравнения (2.7) следует добавить еще одно слагаемое, учитывающее изменение количества тепла. Имеем dT Q T Sc dx. (2.9) dt Эту величину, сократив ее на dx, подставим в левую часть уравнения (2.7) и получим dT dT Sc Gc DK(Tг T) gGi. (2.10) dt dx Это уравнение, в отличии от (2.5) и (2.7) описывает нестационарный процесс теплообмена при постоянном расходе [1]. Уравнение (2.10) ляжет в основу модели для определения температуры.

Гидравлический режим опишем следующей системой:

2 z 2 ( ) P x x 2 g x 2 D t (2.11) ( ) 1 P x c 2 t где Р – давление;

– плотность;

– коэффициент гидравлического сопротивления;

– линейная скорость течения;

с – коэффициент, учитывающий влияние изменения линейной скорости на определенном участке трубопровода;

D – диаметр трубы;

t – время.

В первом уравнении движения учтены потери энергии на трение, на преодоление разности отметок трубопровода и инерционные сопротивления.

Второе уравнение характеризует количественный баланс [11].

Плотность нефти – масса нефти в единице объема. При изменении температуры плотность нефти меняется: при повышении температуры она уменьшается, при понижении температура увеличивается. Плотность нефти при отклонении от номинальных значений температуры определяется по формуле [3] (T ) 0 1 (20 T ), (2.12) где – температура поправки, =1,825-0,001317.

Т – температура нефти в сечении х+dx;

Зависимость вязкости от температуры Т может быть определена по формуле (Т) 0 exp[u(T Tг )], (2.13) где 0 – кинематическая вязкость при температуре Тг;

u – показатель крутизны вискограммы. Для определения величины u кроме 0 и Тг достаточно иметь еще одно значение вязкости при какой-либо другой температуре [3].

Примем допущения:

- Процесс с распределенными параметрами;

- Трубопровод не имеет отводов и вставок;

- Движение нефти в трубопроводе ламинарное.

Определившись с математической моделью процесса необходимо ее реализовать в среде программирования.

Обоснование выбора среды программирования 2. В настоящее время при моделировании технологических процессов используются современные среды графического программирования такие как MathLab, Delphi, LabVIEW, SystemView.

Delphi - это среда быстрой разработки, в которой в качестве программы используется язык Delphi. Язык Delphi - строго типизированный объектно ориентированный язык, в основе которого лежит хорошо знакомый программистам Object Pascal [13].

Среда программирования Borland Delphi позволяет создавать самые различные программы: от простейших однооконных приложений до программ управления распределёнными базами данных. Подходит для небольших приложений либо приложений, над которыми в дальнейшем будет работать один разработчик. Позволяет написать практически любое приложение.

Delphi – это система объектно-ориентированного визуального программирования.

В основе Delphi лежит технология визуального проектирования и событийного программирования, суть которой заключается в том, что среда разработки берет на себя большую часть рутинной работы, оставляя программисту работу по конструированию диалоговых окон и функций обработки событий [13].

MatLab — программный продукт, нацеленный на разработку и отладку алгоритмов расчета. MatLab применяется, главным образом, в инженерных расчетах [14].

MatLab предоставляет удобные средства для разработки алгоритмов, включая высокоуровневые с использованием концепций объектно ориентированного программирования. В нём имеются все необходимые средства интегрированной среды разработки, включая отладчик и профайлер.

Функции для работы с целыми типами данных облегчают создание алгоритмов для микроконтроллеров и других приложений, где это необходимо.

Язык MatLab является высокоуровневым интерпретируемым языком программирования, включающим основанные на матрицах структуры данных, широкий спектр функций, интегрированную среду разработки, объектно ориентированные возможности и интерфейсы к программам, написанным на других языках программирования.

Программы, написанные на MatLab, бывают двух типов — функции и скрипты. Функции имеют входные и выходные аргументы, а также собственное рабочее пространство для хранения промежуточных результатов вычислений и переменных. Скрипты же используют общее рабочее пространство. Как скрипты, так и функции не компилируются в машинный код и сохраняются в виде текстовых файлов. Существует также возможность сохранять так называемые pre-parsed программы — функции и скрипты, обработанные в вид, удобный для машинного исполнения. В общем случае такие программы выполняются быстрее обычных, особенно если функция содержит команды построения графиков [14].

LabVIEW представляет собой высокоэффективную среду графического программирования, в которой можно создавать гибкие и масштабируемые приложения измерений, управления и тестирования с минимальными временными и денежными затратами. LabVIEW сочетает в себе гибкость традиционного языка программирования с интерактивной технологией экспресс ВП, которая включает в себя автоматическое создание кода, использование помощников при конфигурировании измерений, шаблоны приложений и настраиваемые экспресс ВП. Благодаря этим особенностям и новички, и эксперты могут легко и быстро создавать приложения в LabVIEW.

Интуитивно понятный процесс графического программирования позволяет уделять больше внимания решению проблем, связанных с измерениями и управлением, а не программированию [4].

Система LabVIEW включает в себя:

ядро, обеспечивающее работоспособность программных процессов, разделение аппаратных ресурсов между процессами;

компилятор графического языка программирования "G";

интегрированную графическую среду разработки, выполнения и отладки программ;

набор библиотек элементов программирования в LabVIEW, в том числе библиотеки графических элементов пользовательского интерфейса, библиотеки функций и подпрограмм, библиотеки драйверов, библиотеки программ для организации взаимодействия с измерительно-управляющими аппаратными средствами и т.п.;

развитую справочную систему;

обширный набор программ-примеров с возможностью как тематического, так и алфавитного поиска.

Программирование в системе LabVIEW максимально приближено к понятию алгоритм. После того, как продуман алгоритм работы своей будущей программы, остается лишь нарисовать блок-схему этого алгоритма с использованием графического языка программирования "G". Не потребуется думать о ячейках памяти, адресах, портах ввода-вывода, прерываниях и иных атрибутах системного программирования. Данные будут передаваться от блока к блоку по "проводам", обрабатываться, отображаться, сохраняться в соответствии с вашим алгоритмом. Мало того, сам поток данных будет управлять ходом выполнения вашей программы. Ядро LabVIEW может автоматически использовать эффективные современные вычислительные возможности, такие как многозадачность, многопоточность и т.п. Процесс программирования в LabVIEW похож на сборку какой-либо модели из конструктора. Программист формирует пользовательский интерфейс программы - "мышкой" выбирает из наглядных палитр-меню нужные элементы (кнопки, регуляторы, графики и т.д.) и помещает их на рабочее поле программы. Аналогично "рисуется" алгоритм - из палитр-меню выбираются нужные подпрограммы, функции, конструкции программирования (циклы, условные конструкции и прочее). Затем также мышкой устанавливаются связи между элементами – создаются виртуальные провода, по которым данные будут следовать от источника к приемнику. Если при программировании случайно будет сделана ошибка, например какой-то провод будет подключен "не туда", то в большинстве случаев LabVIEW сразу обратит на это внимание программиста.

Система программирования LabVIEW имеет встроенный механизм отладки приложений. В процессе отладки разработчик может назначать точки остановки программы, выполнять программу "по шагам", визуализировать процесс исполнения программы и контролировать любые данные в любом месте программы. Система LabVIEW позволяет защитить программы от несанкционированного изменения или просмотра их исходного кода. При этом разработчик может либо использовать пароли на доступ к приложениям, либо вовсе удалить исходный код из работающего приложения.

Созданную в среде LabVIEW прикладную программу принято называть Виртуальным прибором (ВП). В состав прикладной программы на LabVIEW входят две основные составляющие:

лицевая панель виртуального прибора (FrontPanel);

функциональная панель или блок-диаграмма (Diagram).

Лицевой панелью (Frontpanel) называется окно, через которое пользователь взаимодействует с программой.

Блок-диаграмма (BlockDiagram) является исходным программным кодом ВП, созданным на языке графического программирования LabVIEW. Блок диаграмма представляет собой реально исполняемое приложение.

Компонентами блок-диаграммы являются: виртуальные подприборы, встроенные функции LabVIEW, константы и структуры управления. Объекты лицевой панели представлены на блок-диаграмме в виде соответствующих терминалов (terminals), через которые данные могут поступать от пользователя в программу и обратно.

Блок-диаграмма LabVIEW соответствует строкам текста в обычных языках программирования вроде С или Basic - это такой же реально исполняемый код.

Для реализации виртуальной модели «горячего» нефтепровода была выбрана среда графического программирования LabVIEW фирмы National Instruments, из-за простоты реализации кода программы, полностью объектно ориентированного, с достаточно большой базой визуализации. Для поставленных целей данных функциональных возможностей достаточно, а процесс программирования прост и надёжен.

Разработка виртуальной модели в среде графического 2. программирования LabVIEW и ее анализ Разрабатывается модель участка нефтепровода в условиях сильнопересеченной местности. Данная модель отображает расчеты основных параметров таких как: температура, давление, вязкость и плотность, используемых при эксплуатации нефтепровода.

На блок диаграмме (см. рисунок 2.3) представлен код программы.

Входными данными являются: давление создаваемое насосом на перекачивающей станции, температура подогрева нефти, вязкость нефти для двух температур, плотность нефти при 20 С, диаметр трубы. Эти данные необходимы для реализации математической модели и их можно легко найти в справочных материалах по добываемой нефти в Казахстане и литературе посвященной транспортировки нефти.

Начало Тн, Рн, 20, 20, 50, D Тк, Рк,, Графики Сохранить?

Да Нет Сохранение Конец Рисунок 2.3 – Блок-схема алгоритма программы Участок разрабатываемого нефтепровода разбит на 5 отрезков, три линейных и два под уклоном. Сложностью реализации вывода информации для каждого участка является то, что выходные данные с одного интервала являются входными данными для следующего участка. Данная задача была решена с помощью структуры Последовательность (Sequence Structure).

Последовательность (Sequence Structure) выглядит как набор кадров и обеспечивает последовательное выполнение размещенных в ее кадрах фрагментов программ. Таким образом получилось реализовать пять участков, выходные данные одного участка являются входными данными следующего участка. На блок-схеме представлен алгоритм выполнения программы (см.

рисунок 2.4).

Выходными значениями являются: давление в трубе и температура нефтепродукта на каждом участке трубопровода, плотность и вязкость нефти.

Эти параметры были выбраны в качестве основных в данной модели, именно их изменение необходимо отслеживать.

По рисунку 2.4 видно, что в основной программе используются обращения к подпрограммам.

Подпрограмма 1 представлена в виде иконки, блок диаграмма представлена на рисунке 2.5 и выполняет расчет давления, реализуя систему уравнений (2.11).

Входными характеристиками для подпрограммы 1 являются: начальное давление, – плотность нефти, – линейная скорость течения, с – скорость звука в данной среде, D – диаметр трубы.

Выходная величина давление на определенном участке трубы.

Подпрограмма вызывается 5 раз для каждого участка нефтепровода в каждом кадре Последовательности (Sequence Structure).

Подпрограмма 2 представлена в виде иконки, блок диаграмма представлена на рисунке 2.6, и выполняет расчет температуры по формуле (2.10).

Входными характеристиками подпрограммы 2 являются: температура подогрева, плотность нефти, диаметр и массовый расход трубы. Выходными данными являются: температура.

Подпрограмма 2 используется 5 раз в программе, по числу исследуемых участков в каждом кадре Последовательности (Sequence Structure).

Подпрограмма 3 представлена в виде иконки, блок диаграмма представлена на рисунке 2.7, и выполняет расчет плотности и вязкости нефтепродукта, реализация формул (2.12) и (2.13).

Входными характеристиками подпрограммы 3 являются: температура подогрева нефти, плотность при нормальных условиях (20 оС), значение вязкости при 20 и 50 оС, значение коэффициента объемного расширения нефти Е. Выходными параметрами являются плотность и вязкость на соответствующем участке нефтепровода.

Подпрограмма 3 используется 5 раз в программе, по числу исследуемых участков в каждом кадре Последовательности (Sequence Structure).

Рисунок 2.4 – Блок-диаграмма программы Рисунок 2.5 – Блок диаграмма подпрограммы Рисунок 2.6– Блок-диаграмма подпрограммы Рисунок 2.7– Блок-диаграмма подпрограммы Для графического отображения полученных результатов используем графический индикаторы Waveform Graph и XY Graph.

График осциллограммы (Waveform Graph) - графический индикатор, имитирующий работу осциллографа. Он принимает данные в виде массива чисел и отображает их с равномерным шагом.

Двухкоординатный график (XY Graph) - графический индикатор, позволяющий отображать функциональные зависимости. Для отображения на данном индикаторе массива точек с произвольными координатами по осям необходимо сформировать массив кластеров или объединить два массива координат X и Y в кластер.

Вывод и ввод данных в программе осуществляется в пользовательском интерфейсе (см. рисунок 2.8, 2.9). Интерфейс включает в себя несколько вкладок.

Вкладка «Трубопровод» окно визуально разделено на две части, в верхней части выводятся результаты, полученные в ходе реализации программы, виде таблиц, так же есть возможность сохранить полученные данные в файл любого расширения, для этого нужно нажать кнопку «Сохранить», присвоить имя файлу и через точку записать его расширение. В нижней части интерфейса представлена модель нефтепровода, в котором задаются входные данные:

диаметр трубы, длины участков нефтепровода, углы наклонов трубопровода к горизонту, для моделирования сильнопересеченной местности, начальные температура и давление, параметры перекачиваемой нефти.

Вкладка «Графики» (см. рисунок 2.9) предназначена для вывода полученных значений в виде графиков:

изменение давления по длине нефтепровода;

изменение давления по времени;

изменение температуры по длине нефтепровода;

изменение температуры во времени;

изменение вязкости по длине нефтепровода;

изменение вязкости от температуры изменение плотности по длине нефтепровода;

изменение плотности от температуры.

Остановка программы осуществляется по нажатию кнопки STOP.

Рисунок 2.8 – Пользовательский интерфейс вкладка «Трубопровод»

Рисунок 2.9 – Пользовательский интерфейс вкладка «Графики»

Система обработки экспериментальных данных 2. Для проведения эксперимента необходимо задать исходные данные.

1) Рассмотрим реальную вязкую нефть добываемую на одном из крупнейших месторождений Казахстана Жетыбай в Мангыстауской области.

Жетыбайская нефть имеет плотность 850,4 кг/м3 при 200С, содержание парафина 20,5%, температура застывания 290С, температура плавления 610С.

Давление создаваемое в трубопроводе для перекачки нефти от 5 до МПа. Остановимся на 7 МПа.

Для выполнения расчетов установим температуру подогрева нефти на 65 С, вязкость составляет 16,4 ст при температуре 200С, 0,17 ст при температуре 400С. Трубопровод диаметром 0,5 м, Результаты эксперимента приведены на рисунке 2.10, где представлен интерфейс пользователя программы. На рисунке видно, что температура уменьшается вдоль трассы с 650С до 290С, плотность растет с 819 кг/м3 до кг/м3, вязкость возрастает с 0,5 10-3 ст до 2,14 ст. Так же приведены графики изменения температуры, давления, плотности и вязкости.

Рисунок 2.10 – результаты эксперимента для Жетыбайской нефти На рисунке 2.11 представлены графики изменения температуры. По длине трубопровода и с течением времени температура уменьшается. Участок 1-2 – это подъем, на подъеме выделяется больше энергии для перекачки, из-за чего нефть остывает медленее.

А Б Рисунок 2.11 Изменение температуры А) по длине нефтепровода;

Б) по времени На рисунке 2.12 представлены графики изменения давления по длине трубопровода и в зависимости от времени перекачки. Давление уменьшается на всем пути. На участке 1-2 график более крутой, что связанно с подъемом на данном участке, давление возрастает за счет силы тяжести нефти, на участке 3 4 спуск, что создает самотечный процесс, и давление уменьшается.

А Б Рисунок 2.12 Изменение давления А) по длине нефтепровода;

Б) по времени На рисунке 2.13 представлены зависимости плотности от температуры и по ее изменение по длине трубопровода. Плотность зависит от температуры, при уменьшении температуры плотность растет и наоборот.

А Б Рисунок 2.13 Изменение плотности А) в зависимости от температуры;

Б) по длине нефтепровода На рисунке 2.14 представлены зависимости вязкости от температуры и по ее изменение по длине трубопровода. Вязкость зависит от температуры, при уменьшении температуры вязкость возрастает и наоборот.

Рисунок 2.14 Изменение вязкости А) в зависимости от температуры;

Б) по длине нефтепровода 2) Рассмотрим реальную вязкую нефть добываемую на одном из крупнейших месторождений Казахстана Узень в Мангыстауской области.

Узеньская нефть имеет плотность 859 кг/м3 при 200С, содержание парафина 23,5%, температура застывания 300С, температура плавления 640С.

Давление создаваемое в трубопроводе для перекачки нефти от 5 до МПа. Остановимся на 5,5 МПа.

Для выполнения расчетов установим температуру подогрева нефти на 70 С, вязкость составляет 28,8 ст при температуре 200С, 0,24 ст при температуре 400С. Трубопровод диаметром 1,022 м, Результаты эксперимента приведены на рисунке 2.15. На рисунке видно, что температура уменьшается вдоль трассы с 700С до 460С, Давление уменьшается с 5,5 МПа до 4,8МПа, плотность растет с 823 кг/м3 до 840 кг/м3, вязкость возрастает с 0,2 10-3 ст до 0,06 ст. Так же приведены графики изменения температуры, давления, плотности и вязкости.

Рисунок 2.15 – Результаты эксперимента для Узеньской нефти На рисунке 2.16 представлены графики изменения температуры. По длине трубопровода и с течением времени температура уменьшается. Участок 1-2 – это подъем, на подъеме выделяется больше энергии для перекачки, из-за чего нефть остывает медленее.

А Б Рисунок 2.16 - Изменение температуры А) по длине нефтепровода;

Б) по времени На рисунке 2.17 представлены графики изменения давления по длине трубопровода и в зависимости от времени перекачки. Давление уменьшается на всем пути. На участке 1-2 график более крутой, что связанно с подъемом на данном участке, давление возрастает за счет силы тяжести нефти, на участке 3 4 спуск, что создает самотечный процесс, и давление уменьшается.

А Б Рисунок 2.17 Изменение давления А) по длине нефтепровода;

Б) по времени На рисунке 2.18 представлены зависимости плотности от температуры и по ее изменение по длине трубопровода. Плотность зависит от температуры, при уменьшении температуры плотность растет и наоборот.

А Б Рисунок 2.18 Изменение плотности А) в зависимости от температуры;

Б) по длине нефтепровода На рисунке 2.14 представлены зависимости вязкости от температуры и по ее изменение по длине трубопровода. Вязкость зависит от температуры, при уменьшении температуры вязкость возрастает и наоборот.

А Б Рисунок 2.14 Изменение вязкости А) в зависимости от температуры;

Б) по длине нефтепровода Заключение Существует множество разработанных математических моделей и виртуальных моделей для моделирования процессов происходящих в нефтепроводе, идеальной модели не существует, так как невозможно следить за всеми параметрами и учитывать все физические особенности процесса.

Поэтому многие используют некоторые ограничения и допущения для упрощения этих моделей с помощью разнообразных преобразований.

В работе были рассмотрены различные методы моделирования, для разработки выбран математический метод, который описывает процессы, протекающие на участке «горячего» нефтепровода со сильнопересеченным рельефом в виде математических соотношений, реализация которых позволяет получить ответ на вопрос о поведении объекта без создания физической модели.

Для того, чтобы облегчить задачу моделирования в настоящее время широко используются методы компьютерного моделирования динамических систем с помощью программных средств. Диссертационная работа выполнена в среде графического программирования LabVIEW.

Было разработано программное обеспечение, которое позволяет по выведенной математической модели транспортировки вязкой нефти с сильнопересеченным рельефом, отслеживать основные параметры такие как:

температура, давление, вязкость и плотность по всей длине трубопровода.

Возможны 3 варианта представления результатов:

в виде таблиц непосредственно в самой программе на вкладке «нефтепровод»;

в виде графиков на вкладке «Графики»;

в виде таблиц в Excel.

Также предоставляется возможность выбора разнообразных входных параметров.

Приведены примеры и исследования протекающие при перекачке реальных вязких нефтей.

Результатом работы является виртуальная модель, которая может быть использована в качестве основы при постановке лабораторных работ, а также в качестве источника данных при развитии проекта.

В сборнике статей научно-практической конференции магистрантов АУЭС опубликована статья с результатами магистерской диссертации.

Список используемой литературы 1. http://www.kmg.kz/ 2. Трубопроводный транспорт нефти/ Г.Г. Васильев, Г.Е. Коробков, А.А.

Коршак и др.;

Под редакцией С.М. Вайнштока: Учеб.для вузов: В 2т. – М.:

ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. – Т. 1. – 407с.

3. Трубопроводный транспорт нефти и газа: Учеб.для вузов/ Р.А. Алиев, В.Д. Белоусов, А.Г. Немудров и др. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1988.

368с.

4. Н.А.Виноградова, Я.И.Листратов, Е.В.Свиридов Разработка прикладного программного обеспечения в среде LabVIEW: Учебное пособие – М.: Издательство МЭИ, 2005. – 49с 5. ru.wikipedia.org/wiki/Моделирование 6. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры / А.А.

Самарский, А.П. Михайлов. – 2-е изд., испр. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. – 320с.

7. Гидродинамические процессы в сложных трубопроводных системах / М.А. Гусейнзаде, Л.И. Другина, О.Н. Петрова, М.Ф. Степанова. – М.: Недра, 1991. – 164с.

8. Прокопов А.А., Тигист Т.Т. Математическое модели сложных неоднородных распределенных систем перекачки жидкости. Дис… канд. Техн.

Наук – СПб, 2003.

9. Гольянов А. А. Обнаружение места утечек в магистральных нефтепродуктопроводах с помощью сканирующих импульсов давления. Дис… канд. Техн. Наук – Уфа, 2004.

10. Бахтизин Р.Н. (УГНТУ), Шутов А.А., Штукатуров К.Ю. (ИПТЭР), Статья «Моделирование режимов работы трубопроводов с применением комплекса программ NIPAL 3.0 (NonIsothermalPipelineforAbnormalLiquids)».

Нефтегазовое дело, 2004.

11. Трубопроводный транспорт газа. Бобровский С. А., Щербаков С. Г., Яковлев Е. И., Гарляускас А. И., Грачев В. В. М., «Наука», 1976, 1—495.

12. Автоматизация физических исследований и эксперимента:

компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW 7/ Под.ред. Бутырина П. А. -М.: ДМК Пресс, 2005. 264 с.

13. Дьяконов В. П., Круглов В. В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. - СПб.: «Питер», 2002. - С.

448.

14. Основы Delphi. Профессиональный подход Дата выпуска: 2004 Автор Сухарев М Издательство: Наука и Техника Количество страниц: 603с.

15. http://mirnefti.ru/

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.