Ключевые слова: метод материального баланса, обнаружение утечек и несанкционированных врезок, локализация утечек и несанкционированных врезок, нефтепровод.
Трубопроводный транспорт является наиболее распространенным способом транспортировки нефти в России. А магистральные нефтепроводы являются стратегически важными объектами, которые должны обеспечивать бесперебойную и своевременную доставку нефти. От их работы зависит не только экономическое благосостояние граждан РФ, но и уровень надежности экспортных поставок, осуществляемых отечественными компаниями.
Основной опасностью для нефтепроводов является утечка или несанкционированная врезка, которые ведут к серьезным последствиям. В первую очередь, это экономический ущерб, включающий в себя стоимость потерянной технологической нефти, затраты на ремонт нефтепровода и дополнительные энергозатраты, направленные на восполнение требуемых объемов перекачки. Во вторую очередь, разлив транспортируемого углеводородного сырья наносит урон как природе, так и человеку.
Компании, оказывающие услуги по транспортировке нефти и нефтепродуктов по магистральным трубопроводам РФ, а также за границы нашей страны, заинтересованы в изучении и модернизации существующих методов обнаружения утечек.
Актуальность темы работы заключается в том, что нефтяная отрасль является ведущей в отечественной промышленности, включает в себя важнейший аспект – транспортировку нефти. Поэтому необходимость изучения и развития методов обнаружении утечек и несанкционированных врезок в нефтепроводах обусловлена экономическими, экологическими, политическими составляющими национальных интересов нашей страны.
Метод материального баланса обнаружения утечек на нефтепроводе
Метод материального баланса основан на сравнении сумм элементарных масс нефти, заключенных в объеме трубопровода от сечения 
до сечения 
. Они вычисляются при определенных распределениях давления и температуры в момент времени «до утечки» и в момент времени «после утечки». Разность сумм элементарных масс (дисбаланс) указывает на наличие утечек и несанкционированных врезок (УНВ) на рассматриваемом участке нефтепровода [1–4].
Математическая интерпретация метода материального баланса имеет следующий вид [3]:
где 
– масса нефти на участке в момент времени 
(после образования УНВ), т;
– масса нефти на участке в момент времени 
(до образования УНВ), т.
Интегральная (суммарная) масса определяется по следующей формуле [3]:
где 
– плотность при 20 °C, кг/м3;
– площадь сечения, м2;
– внешний диаметр, мм;
– толщина стенки, мм;
– коэффициент объемного расширения стали, 
;
– коэффициент объемного расширения нефти,;
– модуль Юнга, Па;
– коэффициент Пуассона;
– среднее значение давления и температуры на участке 
;
– атмосферное давление, Па;
– начальная температура, °C.
Формула, представленная выше, учитывает зависимость плотности от температуры и давления и изменение диаметра трубопровода под действием разности внутреннего и внешнего давлений.
Режим работы технического участка (ТУ)
Расчет проведен по следующим данным.
Выбранный режим работы нефтеперекачивающих станций ТУ – (2/3-3-3-3):
- НПС-1: НПВ-3600-13 – 2 ед., НМ 7000-250-3 – 3 ед.
- На НПС-2: НМ 7000-250-3 – 3 ед.
- На НПС-3: НМ 7000-250-3 – 3 ед.
- На НПС-4: НМ 7500.249 – 3 ед.
Сниженный режим работы нефтеперекачивающих станций ТУ – (2/2-1-2-1):
- НПС-1: НПВ-3600-13 – 2 ед., НМ 7000-250-3 – 2 ед.
- На НПС-2: НМ 7000-250-3 – 1 ед.
- На НПС-3: НМ 7000-250-3 – 2 ед.
- На НПС-4: НМ 7500.249 – 1 ед.
Все данные по нефтеперекачивающим станциям обезличены.
Методология расчета применительно к рассматриваемому технологическому участку
Схема расчета:
1) Производится расчет стационарного неизотермического режима работы 2/3-3-3-3.
2) Производится расчет суммарной массы нефти на участке от НПС-1 до НПС-2.
3) Производится расчет стационарного неизотермического режима работы 2/3-3-3-3 с утечкой на участке от НПС-1 до НПС-2.
4) Производится расчет суммарной массы нефти на участке от НПС-1 до НПС-2 с учетом перераспределения давления при утечке.
5) Производится оценка разности масс (дисбаланса) между массами на режиме 2/3-3-3-3 без утечки и на режиме 2/3-3-3-3 с утечкой.
Результаты расчета обнаружения утечки при режиме работы ТУ 2/3-3-3-3 с частотным регулированием
Для численной апробации методики был произведен ряд расчетов с утечкой на участке от НПС-1 до НПС-2 с расходом 110 м3/ч, равным погрешности установленных ультразвуковых расходомеров.
Графическое представление результатов расчета режима работы 2/3-3-3-3 с утечкой на 3943 км и без нее представлено на рисунке 1.
При утечке с расходом, равным имеющейся погрешности ультразвуковых расходомеров, линии гидроуклонов отличаются друг от друга незначительно, а излом практически отсутствует. Следовательно, обнаружение утечки через визуальный анализ линий гидроуклонов затруднительно. В таких случаях необходимо использовать математический метод расчета материального баланса.
Исходя из формулы (2), интегральная масса участка от
до 
является функцией, зависящей от давления и температуры: 
.В данной расчетной модели вычисления производились с шагом в 1 км.
являются средними значениями давления и температуры на участке от до После образования УНВ распределение
меняется, перераспределение же 
на данном участке незначительно. В месте отбора нефти изменение давления достигает пикового значения, что выражено появлением излома на линии гидравлического уклона. Интегральная масса в свою очередь, являясь функцией от изменяется в зависимости от величины изменения давления на участке от до . Дисбалансом является разница между интегральными массами выбранного участка до перераспределения и после перераспределения. Проведя оценку дисбаланса интегральных масс каждого километрового участка до и после появления УНВ, было обнаружено, что максимальное по модулю значение дисбаланса соответствует смоделированному месту УНВ: пиковое значение дисбаланса составляет 0,0061 тонн и фиксируется на 3943 км, что объясняется зависимостью
от 
Данное утверждение графически проиллюстрировано на рисунке 2.
По вышеуказанному методу были проведены аналогичные расчеты для утечек с расходами 110, 300, 500 м3/ч в трех различных сечениях участка магистрального нефтепровода (МН) от НПС-1 до НПС-2. Результаты представлены в таблице 1.
Анализ таблицы 1 показывает, что рассматриваемый метод фиксирует наличие утечек во всех случаях моделирования, т. е. в начале, в середине и в конце рассматриваемого участка. Однако утечки № 1 и № 3, расположенные близко к насосным станциям, показывают меньшую величину дисбаланса в сравнении с утечкой № 2. Это объясняется тем, что на рассматриваемом режиме технологического участка 2/3-3-3-3 имеется частотное регулирование, реализованное гидромуфтами, работающее по принципу выдерживания уставок давления по выходу из 1-й НПС и входу 2-й НПС. Следовательно, необходимо провести аналогичные расчете при режиме работы ТУ без частотного регулирования.
Результаты расчета обнаружения утечек при режиме работы ТУ 2/2-1-2-1 без частотного регулирования
При сниженном режиме работы перекачки частота вращения насосных агрегатов максимальна и уже не зависит от уставок давления. Аналогичные расчеты были приведены для утечек с расходами 110, 300, 500 м3/ч, соответствующих координатам 3943, 4025, 4100 км. Данные представлены в таблице 2.
Анализ таблицы 2 показывает, что при работе технологического участка на режиме 2/2-1-2-1, не зависящем от уставок регулирования, метод материального баланса показывает стабильные результаты (одного порядка цифр) независимо от места моделирования УНВ. На рисунке 3 представлен графический результат расчета.
Анализ графика линии гидроуклона с УНВ при режиме 2/2-1-2-1, показанного на рисунке 3, относительно графика линии гидроуклона с УНВ при режиме 2/3-3-3-3, изображенного на рисунке 1, показывает, что при сниженном режиме работы излом линии гидроуклона более выражен из-за отсутствия регулирования по выходу НПС-1 и входу НПС-2. Что показывает влияние конфигурации режима работы на применение метода материального баланса.
Результаты расчета обнаружения утечек при фактической раскладке толщин стенок ТУ
Предыдущие расчеты были проведены на среднюю толщину стенки участка, равную 14 мм.
На основании имеющихся данных по раскладке на участке НПС-1 – НПС-2 был проведен расчет по определению наличия УНВ методом материального баланса при условиях, идентичных прошлым (места отбора, расход утечки), для двух вариантов режимов работы № 1 (2/3-3-3-3), № 2 (2/2-1-2-1). Данные по полученным расчетам приведены в таблицах 3 и 4.
Анализ таблиц 3, 4 показывает, что корреляция результатов расчетов при идентичных режимах работы МН на участке со средней толщиной стенки и на участке с реальной раскладкой толщин стенок сохраняется.
Введение реальной раскладки толщин стенок ТУ приближает расчетную математическую модель к реальным условиям. Также реальная раскладка влияет на изменение параметров режима работы (расход и распределение давления), а следовательно, и на интегральную массу нефти на рассматриваемом участке.
Результаты сравнения расчетов со средней толщиной стенки и с реальной раскладкой приведены в таблице 5.
Анализ таблицы 5 показывает, что введение реальной раскладки толщин стенок нефтепровода в математическую модель существенно приближает расчетную модель к реальным условиям. Такая разница в значениях интегральной массы нефтепровода и расхода перекачки существенна для балансовых методов обнаружения утечек.
Выводы
· Проведенные расчеты показали, что точность определения наличия утечки методом материального баланса зависит от конфигурации режима, а именно: при наличии частотного регулирования по уставкам давления по выходу НПС-1 и входу НПС-2 расчетный массовый дисбаланс, определенный УНВ – минимален. Однако при работе на режиме с отсутствием частотного регулирования по уставкам давления (выход НПС-1, вход НПС-2) с идентичными параметрами утечек (координата, расход) расчетный массовый дисбаланс более выражен. Т.е. метод материального баланса показывает более высокую чувствительность при режимах работы без частотного регулирования.
· При наличии на режиме работы участков с регулированием по выходу НПС-1 и входу НПС-2 необходимо учитывать снижение чувствительности метода материального баланса и вводить дополнительные методы контроля целостности нефтепровода.
· Исходя из зависимости от , можно локализовать место УНВ, зная значения давления и температуры на каждом участке интегрирования до и после их перераспределения, вызванного появлением УНВ.
· Введение реальной раскладки толщин стенок нефтепровода в математическую модель существенно приближает расчетную модель к реальным условиям.
· Использование метода материального баланса позволит снизить количество облетов по причине «внеплановый облет», уменьшит денежные потери от внеплановых остановок нефтепровода, связанных с ложным срабатыванием других систем контроля, и, таким образом, снизит энергозатраты на восполнение объемов перекачки.
Литература
1. Шестаков Р.А. Разработка методики параметрической диагностики технологических участков магистральных нефтепроводов: дис. … канд. техн. наук. М, 2019. 155 с.
2. Лурье М.В. Математическое моделирование процессов трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов и газа, М.: Нефть и газ, 2003. 335 с.
3. Зверев Ф.С. Модифицированный метод материального баланса для оперативного определения утечек жидкости из трубопровода, М.: Нефть и газ, 2008. 398 с.
4. Зверев Ф.С. Совершенствование технологий обнаружения утечек нефти из трубопроводов: дис. … канд. техн. наук. М., 2010. 173 с.
5. Лурье М.В. Повышение безопасности транспортировки нефти и нефтепродуктов путем внедрения непрерывного мониторинга массы жидкости на участках трубопровода // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2017. № 5. С. 68–75.
6. Матвеева Ю.С., Дейнеко С.В. К вопросу о параметрических методах контроля герметичности магистральных нефтепроводов // Тезисы докладов VII Региональной научно-технической конференции, посвященной 100-летию В.Л. Березина. – М.: РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2023. С. 394.
7. Филиппов С.А., Матвеева Ю.С. К вопросу о нормативных методах обнаружения утечек нефти и нефтепродуктов // Сборник тезисов 73-й Международной молодежной научной конференции. Том 2. М.: РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2019. С. 242–243.
8. Земенков Ю.Д. Методологическое обеспечение экспертных расчетов утечек и выбросов при трубопроводном транспорте жидких углеводородов: специальность 25.00.19 «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. – Тюмень, 1999. 360 с.
9. Сеоев Л.В., Мельников Д.И., Земенкова М.Ю. Интеллектуальный мониторинг утечек нефтепродуктов при эксплуатации магистральных и мобильных нефтепродуктотранспортных систем // Деловой журнал Neftegaz.RU. 2022. № 5–6 (125–126). С. 90–92.
10. Земенков Ю.Д., Шабаров А.Б., Земенков М.Ю. Современные проблемы транспорта углеводородных газов, Тюмень: Тюменский индустриальный университет, 2021. 425 с.
11. Сунагатуллин Р.З. Способ контроля баланса нефти при квазинестационарных режимах работы участка нефтепровода с безнапорным течением // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2011. Т. 11, № 1. С. 40–45. DOI: 10.28999/2541-9595-2021-11-1-40-45.
12. Чионов А.М., Амерханов А.А., Кудрицкий А.В. Стохастическая модель материального баланса для обнаружения утечек в нефтепроводе // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2019. Т. 9, № 6. С. 633–639. DOI: 10.28999/2541-9595-2019-9-6-633-639.
13. Нехитрова Е.К. Причины ложных срабатываний систем обнаружения утечек и способы их устранения // Образование. Наука. Производство: XIII Международный молодежный форум, Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2021. С. 3273–3277.
References
1. Shestakov R.A. Razrabotka metodiki parametricheskoy diagnostiki tekhnologicheskikh uchastkov magistralnykh nefteprovodov: dis. kand. tekhn. nauk [Development of a methodology of parametric diagnostics of technological sections of trunk oil pipelines: Cand. Engin. Sci. Diss.]. Moscow, 2019. 155 p. [In Russian].
2. Lurie M.V. Matematicheskoe modelirovanie protsessov truboprovodnogo transporta nefti, nefteproduktov i gaza [Mathematical modeling of processes of pipeline transportation of oil, oil products and gas]. Moscow: Neft’ i gaz - Oil and Gas, 2003. 335 p. [In Russian].
3. Zverev F.S. Modifitsirovannyy metod materialnogo balansa dlya operativnogo opredeleniya utechek zhidkosti iz truboprovoda [Modified method of material balance for operative determination of liquid leaks from a pipeline]. Moscow: Neft’ i gaz - Oil and Gas, 2008. 398 p. [In Russian].
4. Zverev F.S. Sovershenstvovanie tekhnologiy obnaruzheniya utechek nefti iz truboprovodov: dis. kand. tekhn. nauk [Improvement of technologies of oil leak detection from pipelines: Cand. Engin. Sci. Diss.]. Moscow, 2010. 173 p. [In Russian].
5. Lurie M.V. Povyshenie bezopasnosti transportirovki nefti i nefteproduktov putem vnedreniya nepreryvnogo monitoringa massy zhidkosti na uchastkakh truboprovoda [Improving the safety of oil and petroleum product transportation by introducing continuous monitoring of liquid mass at pipeline sections]. Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov - Science and technology of pipeline transportation of oil and petroleum products, 2017, No. 5, pp. 68-75. [In Russian].
6. Matveeva Yu.S., Deyneko S.V. K voprosu o parametricheskikh metodakh kontrolya germetichnosti magistralnykh nefteprovodov [To the issue of parametric methods of leak tightness control of trunk oil pipelines]. Tezisy dokladov VII Regionalnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii, posvyashchennoy 100-letiyu V.L. Berezina [Theses of reports of VII Regional Scientific and Technical Conference devoted to the 100th anniversary of V.L. Berezin]. Moscow, Gubkin University Publ., 2023. 394 p. [In Russian].
7. Filippov S.A., Matveeva Yu.S. K voprosu o normativnykh metodakh obnaruzheniya utechek nefti i nefteproduktov [Regulatory methods for detecting oil and petroleum product leaks]. Sbornik tezisov 73-y Mezhdunarodnoy molodezhnoy nauchnoy konferentsii [Collection of abstracts of the 73rd International Youth Scientific Conference]. Moscow, Gubkin University Publ., 2019, Vol. 2, pp 242-243. [In Russian].
8. Zemenkov Yu. D. Metodologicheskoe obespechenie ekspertnykh raschetov utechek i vybrosov pri truboprovodnom transporte zhidkikh uglevodorodov: spetsialnost 25.00.19 «Stroitelstvo i ekspluatatsiya neftegazoprovodov, baz i khranilishch»: dissertatsiya na soiskanie uchenoy stepeni doktora tekhnicheskikh nauk [Methodological support of expert calculations of leakages and emissions at pipeline transportation of liquid hydrocarbons: specialty 25.00.19 «Construction and operation of oil and gas pipelines, bases and storages»: thesis of Doctor of Technical Sciences Dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences]. Tyumen, 1999. 360 p. [In Russian].
9. Seoev L.V., Melnikov D.I., Zemenkova M.Yu. Intellektualnyy monitoring utechek nefteproduktov pri ekspluatatsii magistralnykh i mobilnykh nefteproduktotransportnykh sistem [Intelligent monitoring of oil product leaks during operation of trunk and mobile oil product transportation systems]. Delovoy zhurnal Neftegaz.RU - Business magazine Neftegaz.RU, 2022, No. 5-6, pp. 90-92. [In Russian].
10. Zemenkov Y.D., Shabarov A.B., Zemenkov M.Yu. Sovremennye problemy transporta uglevodorodnykh gazov [Modern problems of hydrocarbon gas transportation]. Tyumen, 2021. 425 p. [In Russian].
11. Sunagatullin R.Z. Sposob kontrolya balansa nefti pri kvazinestatsionarnykh rezhimakh raboty uchastka nefteprovoda s beznapornym techeniem [Method of oil balance control at quasi-unsteady operating modes of a section of oil pipeline with unpressurized flow]. Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov - Science and technology of pipeline transportation of oil and petroleum products, 2011, Vol. 11, No. 1, pp. 40-45. DOI: 10.28999/2541-9595-2021-11-1-40-45. [In Russian].
12. Chionov A.M., Amerkhanov A.A., Kudritsky A.V. Stokhasticheskaya model materialnogo balansa dlya obnaruzheniya utechek v nefteprovode [Stochastic material balance model for oil pipeline leak detection]. Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov - Science and technology of pipeline transportation of oil and petroleum products, 2019, Vol. 9, No. 6, pp. 633-639. DOI: 10.28999/2541-9595-2019-9-6-633-639. [In Russian].
13. Nekhitrova E.K. Prichiny lozhnykh srabatyvaniy sistem obnaruzheniya utechek i sposoby ikh ustraneniya [Causes and remedies for false alarms in leak detection systems]. Obrazovanie. Nauka. Proizvodstvo: XIII Mezhdunarodnyy molodezhnyy forum [Education. Science. Production: XIII International Youth Forum]. Belgorod, 2021, pp. 3273-3277. [In Russian].
