Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологического процесса специализированного нефтеналивного порта 17
1.1.Общая структура и технология перегрузки нефти и нефтепродуктов
1.2.Обеспечение безопасности реализации грузовых операций в
специализированных нефтеналивных портах 27
1.3. Способы восстановления работоспособного состояния специализированного нефтеналивного порта на основе моделей отказоустойчивости сложных систем 32
1.4. Анализ причин и модели оценки потерь нефтепродуктов в специализированных нефтеналивных портах 41
1.5.Основные результаты исследований, содержащиеся в первой главе...49
2. Модели и алгоритмы параметрической идентификации нефти на основе оценки электропроводимости и диэлектрической проницаемости
2.1. Электропроводность и диэлектрическая проницаемость как параметры оценок переменных состояния нефти в автоматизированных технологических производствах 51
2.2. Модели и алгоритмы оценки удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости жидкостей 58
2.3.Модель датчика информации (ячейки) для измерения параметров жидкостей , 67
2.4. Модели параметрической идентификации 71
2.5. Основные результаты, представленные во второй главе 81
3. Моделирование и идентификация рабочих параметров технологической схемы налива вакуумного газойля в танкеры з
3.1. Модель закольцованной технологической схемы заполнения танкера вакуумным газойлем за счет перепада высот между резервуарным парком и танкером 84
3.2. Оценка параметров элементов модели технологической схемы по данным измерений 90
3.3. Идентификация параметров разветвленной схемы линии при заполнении танкера вакуумным газойлем 107
3.4. Моделирование сопротивления ветвей технологической линии по данным измерений полного расхода и напоров в узлах 113
3.5. Основные результаты третьей главы 118
4. Модели и алгоритмы совершенствования и оптимизации производственных и технологических процессов нефтеналивного порта в условиях ограниченных ресурсов 119
4.1.Модель и алгоритм открытого поиска для ресурсосбережения в порту 120
4.2.Численный алгоритм для оптимального распределения ресурсов в порту 128
4.3. Модель и алгоритм минимизации электроэнергетических потерь в порту методом линейного программирования 135
4.4. Информационная поддержка определения минимальных потерь электроэнергии в порту 139
4.5. Основные результаты четвертой главы 143
Заключение 145
Список использованных источников
- Способы восстановления работоспособного состояния специализированного нефтеналивного порта на основе моделей отказоустойчивости сложных систем
- Модели и алгоритмы оценки удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости жидкостей
- Идентификация параметров разветвленной схемы линии при заполнении танкера вакуумным газойлем
- Модель и алгоритм минимизации электроэнергетических потерь в порту методом линейного программирования
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Начало эксплуатации современных нефтеналивных терминалов в Северо – Западном регионе и строительство высокопроизводительных портов в нашей стране стало возможным, благодаря крупным научным достижениям выдающихся русских ученых. Среди широко известных ученых, внесших огромный вклад в разработку современных технологий и создание высокопроизводительных терминалов, перегрузочных машин и оборудования для отечественных портов следует отметить академика А.Н. Крылова, М.Я. Алферьева, И.Г. Бубнова, В.Г. Власова, Н.Н. Исанина, Н.Н. Ковалева, В.Т. Костенко, Р.А. Нелепина, В.Н. Перегудова, В.Л. Поздюнина, И.Д. Спасского, Ю.А. Шиманского, Никерова П.С., Яковлева П.И., Ветренко Л.Д., Штенцеля В.К., Ирхина А.П., Сиротского В.Ф., Трифанова В.Н. и многих других. На современном этапе возрождения и развития отечественных портов фундаментальными стали труды Степанова А.Л., Эглита Я.Я., Кацмана Ф.М., Казакова А.П., Климова Е.Н., Дерябина Р.В., Гнеденко Б.В., Зубкова М.Н., Андрианова Е.Н., Костылева И.И., Попова С.А., Терехова О.А., Тюрина Б.Ю. и др. В настоящее время, в связи со строительством крупных морских и речных портов на Черном море, в Дальневосточном регионе, на Балтике, на магистральных реках нашей страны, широко развернуты фундаментальные и прикладные исследования в данной предметной области.
Эффективность автоматизации нефтеналивных портов и портового оборудования обеспечивается путем применения математических методов исследования операций, разработки моделей и алгоритмов, базирующихся на современных информационных технологиях, которые вместе с организационными и технологическими преобразованиями элементов и существующих систем управления перегрузочным комплексом позволяют качественно изменить функционирование всех подсистем, значительно улучшить организационно – технологические показатели предприятия в различных сферах бизнеса.
Создание механизмов реализации концепции совершенствования процессов автоматизации нефтеналивных портов на основе новых информационных технологий и компьютерных вычислительных средств является фундаментальным направлением использования имеющихся резервов снижения потребляемых ресурсов, улучшения технико–экономических и производственных показателей специализированных портов, определяющим актуальность основных положений и выводов диссертационных исследований.
Цели и задачи работы: Повышение эффективности и качества функционирования нефтеналивных терминалов и систем обеспечения температурных режимов нефти во время погрузки и выгрузки путем моделирования и оптимизации технологических процессов в порту.
В диссертации сформулированы следующие задачи исследований:
-
Анализ технологических процессов погрузки и выгрузки нефти и нефтепродуктов нефтеналивного терминала, рабочих режимов и способов управления технологическим оборудованием грузовых причалов, автоматизированных систем управления стендерами и способов их защиты от гидравлических ударов, систем управления расходом вакуумного газойля и схем управления теплообменным оборудованием. Оценка рисков перехода систем наливного терминала в нестандартное состояние на основе логико– вероятностных методов анализа работоспособности, надежности и безотказности работы сложных многофункциональных систем. Разработка модели надежности, основанной на анализе наиболее вероятных событий инициаторов. Определение и выбор вариантов перехода системы в различные состояния, определяемые технологическими схемами перегрузочного комплекса путем учета наиболее вероятных технических неисправностей и ошибок операторов. Реализация на моделях системы обеспечения безаварийного питания грузовых насосов, насосной станции, комплекса по перевалке нефти и нефтепродуктов, а также контроль уровней заполнения буферных емкостей.
-
Разработка моделей и алгоритмов для внедрения энергосберегающих технологий и принятия эффективных мер по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов, вследствие нарушений герметичности соединений перекачивающих насосов, арматуры стендеров, узлов измерения количества нефтепродуктов, отгруженных в нефтеналивные суда. Разработка концепции информационного обеспечения состава мероприятий по предупреждению чрезвычайных ситуаций, обусловленных разливами нефти и нефтепродуктов, на объектах комплекса. а также мероприятий по максимально возможному снижению ущерба и потерь в случае возникновения опасных ситуаций. Количественные оценки последствий наиболее вероятных разливов нефтепродуктов.
-
Исследование способа и автоматизация процесса измерения состава нефти и нефтепродуктов путем оценки их проводимости и диэлектрической проницаемости в рабочем диапазоне частот. Разработка алгоритма идентификации параметров и диагностики состава жидкостей, основанного на сопоставлении электрических сигналов с базовыми значениями, полученными для различных наборов составов светлых фракций и других продуктов. Оценка параметров и состояния поступающей в порт нефти из различных месторождений по экспериментальным данным. Составление схем замещения для анализа рабочих характеристик датчика информации (ячейки с раствором), оценка оптимальных значений электрических параметров, требуемых для определения диэлектрической проницаемости электролитов. Разработка модели и алгоритма оценки удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости различных растворов.
-
Разработка модели и алгоритма для автоматизации и оценки параметров разветвленной технологической схемы трубопроводов, используемых для подачи вакуумного газойля в танкеры. Разработка программы и алгоритма для оценки переменных состояния – отметок уровней в буферных емкостях, в узлах трубопроводной системы и расходов в трубопроводах за счет перепада высот между резервуарным парком и танкером. Разработка алгоритма распределения потоков нефти и нефтепродуктов в разветвленных рукавах трубопроводов нефтеналивного комплекса, основанного на использовании принципа наименьшего действия. Реализация процедуры поиска зависимости расходов в ветвях разветвления от полного расхода в нагнетательном трубопроводе с помощью программы, обеспечивающей итерационный сходящийся вычислительный процесс и оценку коэффициентов матрицы Якоби на каждом шаге.
-
Разработка многошаговой модели распределения ресурса (объема топлива для нагрева теплоносителя до заданной температуры в течение заданного времени) по процессам (потребителям теплоносителя) и алгоритма её функционирования в условиях ограничений. Модель и алгоритм ресурсосбережения электроэнергии в нефтеналивном порту и их реализация с помощью стандартных функций вычислительных систем. Разработка математической модели и вычислительного алгоритма оптимизации технологических процессов в нефтеналивном порту путем распределения изменяющихся в каждой конкретной ситуации ресурсов по процессам в условиях ограничений и структурных изменений модели.
Объект исследования: задачи автоматизации и оптимизации технологических процессов специализированного нефтеналивного порта, разработка энергосберегающих технологий, с целью уменьшения потребления ресурсов на выполнение перегрузочного процесса.
Предмет исследования: математические модели и алгоритмы автоматизации и оптимизации технологических процессов в нефтеналивных портах.
Методы исследования. При проведении исследований в диссертационной работе использовались фундаментальные положения современной теории управления и автоматизации технологических процессов, теория и математические методы идентификации структуры и параметров моделей, методы математического программирования и исследования операций, теория принятия решений, практические методы оптимизации, методы планирования эксперимента, коммерческой производственной деятельности, методы организации и проведения машинного эксперимента. В работе применялись теоретические положения финансовой аналитики и оценки бизнеса предприятий в рыночных условиях.
Научная новизна:
Разработаны модели и алгоритмы для внедрения энергосберегающих технологий и автоматизации процессов принятия решений по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов.
Представлены: способ измерений и автоматизации процесса измерения состава нефти и нефтепродуктов путем оценки их проводимости и диэлектрической проницаемости в рабочем диапазоне частот; алгоритм идентификации параметров и диагностики состава жидкостей; алгоритм оценки параметров поступающей в порт нефти по экспериментальным данным.
Разработаны: вычислительный алгоритма распределения потоков нефти и нефтепродуктов в разветвленных рукавах трубопроводов нефтеналивного комплекса, основанный на использовании принципа наименьшего действия; процедура поиска зависимости расходов в ветвях разветвления от полного расхода в нагнетательном трубопроводе технологической линии; программа реализации итерационного процесса с оценкой элементов матрицы Якоби на каждом шаге.
Предложена многошаговая модель распределения ресурса (объема топлива для нагрева теплоносителя до заданной температуры в течение заданного времени) по процессам (потребителям теплоносителя) и алгоритм её функционирования в условиях ограничений.
Создана математическая модель и вычислительный алгоритм (сплайн-алгоритм) оптимизации технологических процессов в нефтеналивном порту путем распределения изменяющихся в каждой конкретной ситуации ресурсов по процессам в условиях ограничений и структурных изменений модели.
Практическая ценность состоит:
в оценке рисков перехода систем наливного терминала в нестандартное состояние на основе логико–вероятностных методов анализа работоспособности, надежности и безотказности работы сложных многофункциональных систем;
в практическом использовании модели надежности, основанной на анализе наиболее вероятных событий инициаторов, и выборе вариантов перехода системы в различные состояния, определяемые технологическими схемами перегрузочного комплекса путем учета наиболее вероятных технических неисправностей и ошибок операторов.
Практически значимыми являются модели и алгоритмы, созданные для внедрения энергосберегающих технологий и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов при нарушениях герметичности соединений трубопроводов и арматуры стендеров при отгрузке нефти в танкеры.
Важным для практики является способ измерений состава нефти и нефтепродуктов, основанный на оценке проводимости и диэлектрической проницаемости жидкостей в рабочем диапазоне частот, а также алгоритм идентификации параметров и диагностики состава жидкостей по экспериментальным данным.
Практически значимыми являются разработанные модель и алгоритм распределения потоков нефти и нефтепродуктов в разветвленных сетях трубопроводов нефтеналивного комплекса, основанные на использовании методов оптимизации расхода энергии на транспортирование жидкости.
Большое прикладное значение имеет многошаговая модель распределения ресурса (объема топлива для нагрева теплоносителя до заданной температуры в течение заданного времени) по процессам (потребителям теплоносителя) и алгоритм, основанный на процедуре сплайн - аппроксимации исходных характеристик.
Практически значимыми являются действующие модели, алгоритмы и информационное обеспечение, пригодные для решения комплекса задач автоматизации технологических процессов в нефтеналивных портах и проведения машинного эксперимента.
Реализация результатов работы
Основные научные положения диссертационных исследований внедрены на объектах распределительно – перевалочного комплекса ОАО «РПК ВЫСОЦК-ЛУКОЙЛ-II», а также внедрены в учебный процесс на информационном факультете и факультете ПТ и ЭМ Санкт - Петербургского университета водных коммуникаций.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором на: межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 200-летию транспортного образования в России, «Водный транспорт России: история и современность»; международном межвузовском морском фестивале; международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». Материалы диссертационной работы представлены к участию в конкурсе на лучшую научно-техническую разработку ООО «ЛУКОЙЛ-Транс».
Публикации
По теме диссертации опубликовано 4 печатные работ, в том числе – одна работа опубликована в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация представлена в форме рукописи, состоящей из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 96 наименований. Общий объем работы составляет 159 страниц.
Способы восстановления работоспособного состояния специализированного нефтеналивного порта на основе моделей отказоустойчивости сложных систем
Транспортировка нефти из главных центров нефтедобычи в мире к источникам спроса, в глобальном масштабе осуществляется, прежде всего, за счет танкеров и трубопроводов. Глобальная схема морских маршрутов доставки нефти прочно устоялась [44]. Риски, связанные с транспортировкой нефти, побуждают как правительства, так и нефтяные компании и судовладельцев считаться с необходимостью наличия у них эффективных и проверенных возможностей действий в условиях кризисной ситуации [4].
Деятельность любого нефтеналивного порта сопряжена с вероятностью возникновения различных аварийных ситуаций. Наиболее опасными являются аварийные ситуации, связанные с разливом перегружаемого груза. Для предотвращения подобных ситуаций компаниям, эксплуатирующим подобные объекты, вменяется, разрабатывать комплекс мероприятий по предотвращению аварийных разливов нефти и нефтепродуктов (далее ЛАРН).
Разработка данных мероприятий должна вестись в соответствии с существующей законодательной базой регламентирующей отношения в данной отрасли. Законодательная база представляет собой совокупность законодательных актов разных уровней, международных, государственных, ведомственных, локальных.
Основными направлениями при планировании и разработке мероприятий по предупреждению и предотвращению последствий аварий и инцидентов на предприятиях нефтяной отрасли являются:
Безопасная и безаварийная работа нефтяных терминалов возможна только при использовании комплекса организационных, технологических и технических мероприятий. Их эффективность зависит от уровня подготовки персонала и от совершенства принимаемых технических решений. Структурно все разрабатываемые мероприятия можно разделить на две большие группы:
Данные мероприятия можно назвать общими для всех структурных подразделений терминала, но существуют и специализированные, учитывающие особенности технологического процесса данного структурного подразделения, мероприятия [5].
Рассмотрим более подробно мероприятия по предотвращения ЧС на причальных объектах. Аварии на объектах участка отгрузки нефти и нефтепродуктов особенно опасны тем, что способны повлечь наиболее тяжелые последствия. Особенно это касается возможного экологического ущерба и его самого опасного проявления — попадания нефти и нефтепродуктов на акваторию терминала. Данные обстоятельства требуют внедрения дополнительных мероприятий характерных для участка отгрузки.
Превентивные мероприятия: Для повышения навигационной безопасности нефтеналивного терминала и, соответственно, вероятности разливов нефти, все подходы к нему, фарватеры и суда должны находиться под контролем системы управления движения судов (СУДС), позволяющей отслеживать движение танкера с точностью до 10 метров Подход танкера под погрузку и отход груженых танкеров должен контролироваться буксирами соответствующей мощности до выхода на главный фарватер Во время погрузо-разгрузочных работ танкер ограждается по периметру бонами, что позволяет исключить растекание нефти при аварии системы налива или переполнения грузового танка Сваи причальных сооружений с целью защиты от коррозии и давления льда, особенно при подходах танкеров, в зимний период обрабатываются специальным полимерно-композитным составом Активные мероприятия: При возникновении аварийной ситуации предусматривается автоматическое отключение системы налива нефти от танкера, включается аварийный прерывистый звуковой и световой сигнал, в течение 10 секунд закрывается дисковая поворотная заслонка (отсечной клапан) перед стендерами, одновременно происходит закрытие задвижек на стендерной площадке
Все задвижки на нефтеналивных причалах, кроме некоторых дренажных, снабжены электроприводом. В случае аварийного отсоединения от танкера срабатывает автоматическое отсоединение стендера от танкера и закрытие электрозадвижек
Нефтепровод, по которому транспортируется нефть, проложен на эстакаде, имеющей уклон к берегу. На нижней эстакаде, в непосредственной близости от берега, имеются водостоки ливневых вод
Нефтепровод оборудован теплоизоляционным кожухом, выполняющим роль теплоизоляционного материала. В аварийной ситуации, при незначительной утечке, кожух будет сдерживать напор нефти, не допуская прямого попадания нефти в акваторию.
Дополнительно на эстакаде предусмотрена бетонированная площадка с бортиком. Эти обвалования способствуют сдерживанию разлитой на причале нефти
В целях предупреждения и предотвращения возникновения на тяных терминалах и распределительно - перевалочных комплексах чрезвычайных ситуаций, связанных с разливами нефти, должен быть разработан, согласован и введен в действие план по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов. Характер мероприятий, включенных в разрабатываемый план, определяется производительностью предприятия.
Организация аварийно - спасательных работ в случае разлива с объектов терминала, транспортных нефтеналивных судов построена в зависимости от объема попавших в воду нефтепродуктов, с учетом разливов трех уровней (три уровня реагирования).
В зависимости от объема разлившихся нефти и нефтепродуктов, различают:
Первый уровень (разливы локального значения) - разливы до 100 тонн нефтепродуктов - могут произойти в результате обрыва гибкого шланга при проведении грузовых операций, из-за неправильных действий экипажей судов при погрузке. Разлив первого уровня - это разлив, ликвидация которого возможна с помощью сил и средств, имеющихся в распоряжении владельца терминала или судна (95 % всех разливов нефтепродуктов).
Второй уровень (разливы муниципального и территориального значения) - разливы от 100 до 1000 тонн - могут произойти при разрушении трубопровода и повреждении танкера. Разливы второго уровня - это такие разливы, которые могут быть ликвидированы как силами терминала, так и с привлечением ресурсов региона по ликвидации аварийных разливов нефти/нефтепродуктов.
Модели и алгоритмы оценки удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости жидкостей
Введение в эксплуатацию в Северо-Западном регионе новых крупных портов по перевалке нефти и нефтепродуктов, не имеющих по ряду технологических характеристик аналогов в мировой практике, требуют создания технических средств автоматизации и контроля технологических процессов. Процессы должны характеризоваться высокими качественными показателями и базироваться на современных концепциях изучения электрофизических свойств веществ и анализа их качества в процессе эксплуатации.
Известно, что для обеспечения работы нефтеналивных специализированных портов по существующей системе трубопроводов может поступать нефть, из различных природных источников, с различными свойствами, зависящими от источников, с различным содержанием серы, примесей, в отдельных случаях воды и другими. Неоднородный поток нефти должен оперативно контролироваться системой быстродействующих датчиков, что позволит автоматизировать технологический процесс подготовки и погрузки нефти в танкеры, обеспечить безопасность грузовых операций, а также оперативно реализовать требуемые переключения потоков для обеспечения, в случае необходимости сепарирования нефти в специальных емкостях с последующей погрузкой, согласно существующим технологиям.
Установление связи состояния нефти с параметрами активной проводимости и диэлектрической проницаемости в определенном диапазоне изменения частоты представляет большой практический интерес, поскольку эта связь позволяет использовать идентификационные положения теории управления для оперативного решения задач диагностики, основанных на сопоставлении электрических сигналов с базовыми значениями [12]. Базовые значения должны быть получены для различных потенциальных составов светлых фракций и других продуктов разгоном.
Следует отметить, что оценка параметров и состояния нефти электрофизическими методами базируется на надежной основе достоверного и оперативного определения электрофизических параметров большого числа растворов различного класса, из которых получены конкретные закономерности изменения є и ге0, определены возможности получения этих закономерностей путем обобщения экспериментальных данных.
В течение последних 50-ти лет диэлектрический анализ использовался многими учеными в фундаментальных исследованиях. Вместе с тем данный метод применительно к растворам всех классов остается несовершенным, в виду сложности процессов, происходящих при проведении эксперимента. Традиционная теория сравнительно хорошо объясняет результаты эксперимента для веществ, очень плохо проводящих электрический ток. Попытки распространить полученные результаты на определение свойств (параметров) поляризации растворов, обладающих заметной проводимостью, и на электролиты - проводники второго рода - не имели успеха. Не удалось также распространить методы определения удельной электропроводности электролитов на растворы - диэлектрики, особенно в диапазоне аг0 10"4 См/м. Традиция разделения исследований на диэлектрические и кондуктометрические, а также разработка приборов и агрегатов на основе использования только диэлектрической проницаемости или только удельной электропроводимости, оказалась продуктивной. В итоге были созданы приборы, в основе которых использованы различные схемы измерений. Было замечено, что в системах измерения параметров необходимо учитывать влияние составляющих полной проводимости измерительного элемента в виде ячейки с раствором, воспринимающим изменения в электрической системе объекта исследования. Затем, путем последовательного анализа, были обнаружены значимые составляющие влияния на измерения межфазовых процессов и конструктивных параметров прибора. Сами методы определения электрофизических параметров стали подразделяться на низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные и т.д.
Метрологическое обеспечение разработок приборов оказалось проблематичным по причине крайне ограниченного ассортимента стандартных образцов, которые могли бы быть найдены, например, с помощью образцовых средств измерения. Имеющиеся решения- не обеспечивают определения электрофизических параметров с нормируемой погрешностью большинства веществ во всем возможном диапазоне проводимостей [74].
Иначе говоря, выбранные ранее пути изучения свойств поляризации и проводимости, основанные на традиционной феноменологической теории не обеспечивали единства решения вышеупомянутых проблем определения электрофизических параметров растворов всех классов, что крайне сужало применение в науке и технике этого фундаментального научного метода. Необходимо было разработать теоретические основы и средства определения электрофизических свойств, пригодные для всех классов растворов. В этой связи отметим, что процессы проводимости и смещения атомов и молекул в веществе, а также в целом в системе между электродами- объясняются с позиции независимости параметров удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости. Эта взаимосвязь также не раскрывается в полной мере. Исследователю приходится иметь дело с многообразием соединений, при этом следует учитывать взаимовлияние параметров.
Вследствие взаимосвязи и взаимной обусловленности всех явлений, наблюдаемых на практике, понятие об изолированной системе жидкости и её состояний является в известной мере идеализацией. Наличие факта смещения атомов и молекул, их магнитных моментов, а также электропроводности жидкости, находящейся во внешнем электрическом поле, требует дополнительных обоснований. В действительности наблюдается взаимосвязь между этими параметрами при сложном взаимодействии полей частиц вещества (атомов и молекул), несущих заряды и являющихся диполями, ассоциатами и т.д., и внешнего электромагнитного поля. Действие этих полей распространяется на всю область пространства, пронизывает вещество по всему объему; поля связаны между собою.
Вещество (его внутренние поля) и взаимодействующее с ним внешнее электромагнитное поле составляют одну систему, разделение которой условно и, следовательно, неоднозначно.
Практически для исследования электрофизических параметров веществ может быть использован диапазон частот электромагнитных колебаний от О (постоянный ток) до 1018 Гц (рентгеновское излучение). Следует обратить особое внимание на определение параметров є и эг0 на частотах до 100 МГц, поскольку в этом частотном диапазоне можно использовать в качестве чувствительных элементов емкостные ячейки. Установлено, что эта часть частотного спектра относится к квазистанционарной области определения электрофизических свойств жидких веществ.
Во всем диапазоне частотного спектра справедливы два уравнения поля (уравнения Максвелла), которые связывают изменяющиеся во времени электрические и магнитные поля. С помощью уравнений Максвелла определяются накопление (распределение) и рассеяние энергии в веществе. При этом для описания характера распространения электромагнитных колебаний в веществе требуется две пары взаимосвязанных параметров. Уравнения можно представить в следующем виде [73]:
Идентификация параметров разветвленной схемы линии при заполнении танкера вакуумным газойлем
С увеличением Ко ячейки и со наблюдается ослабление токов проводимости (уменьшение зе), протекающих через жидкость.
Следовательно, у электродов должна быть значительная поверхность для гальванического контакта с жидкостью. Этот результат, необходимо учитывать при конструировании измерителей (ячеек).
Бесконечно большая поверхность электродов является наиболее желаемым вариантом. Практически этот вариант осуществить не удается. Поэтому требуется выполнение оптимизации измерителя путем увеличения К0 до определенной величины, что приводит в конечном итоге к уменьшению проводимости эг рабочего объёма измерителя.
Выбор площади электродов жестко связан с геометрической постоянной Ко и геометрическими характеристиками слоя жидкости, который разделяет приэлектродные объемы. В принципе поверхности электродов могут быть любых разрядов, но не меньше оптимальных, чем у ячейки, предназначенной для исследования данного класса жидкостей.
Измерения электрических параметров измерителя, который построен по принципу, изображенному на рис. 2.2, с изолированными от жидкости охранным электродом, эффективны в комплекте с соответствующими трансформаторными мостами ёмкостей и другими системами, используемыми для компенсации «паразитных» параметров, в том числе, кабельных соединений.
Таким образом, можно сформулировать основные требования к измерителю (ячейке) для определения диэлектрической проницаемости и удельной электрической проводимости жидкостей.
Ячейка должна состоять из двух потенциальных электродов, разделенных друг от друга столбиком (слоем) жидкости с такими геометрическими характеристиками (геометрической постоянной Ко), чтобы все приложенное к электродам внешнее напряжение переменного тока приходилось на этот столбик жидкости. Поверхности электродов должны обеспечивать при гальваническом контакте с раствором на границе раздела фаз переходное сопротивление, близкое или равное нулю (достаточно большую переходную емкость). Причем эти потенциальные электроды целесообразно экранировать третьим охранным электродом, не имеющим контакта с жидкостью (изолированными от жидкости). Тогда в конструкции измерителя полностью выполняется условие, при котором она становится образцовой для определения є и ае0 растворов.
Отмстим важный факт. Тангенс угла потерь для данной жидкости и тангенс угла потерь электрической системы между электродами обычно неодинаковы. Поэтому в расчет тангенса учла потерь в электрической системе между электродами ячейки с раствором должны входить измеренные электрические параметры эквивалентные активной проводимости G и эквивалентной общей ёмкости СоСщ для модели с параллельной схемой замещения: Щ - ячейки с раствором- ш —общ , (Z.Zi.) В расчёт тангенса угла потерь жидкости входят величины se=l/R и С: tg ажидкости=эз/соП C=l/co+R C (2.22) Следовательно, при создании измерителя (ячейки) для определения и ге0 жидкостей целесообразно знать (учитывать) соотношения электрических параметров границы раздела фаз электрод- жидкость и объемной части ячейки с жидкостью «вдали» от электродов.
Раскрытие связи состояния распределения (накопления и рассеяния) электромагнитной энергии, вытекающей из уравнений Максвелла (2.1) и (2.2), объединяющих законы Ампера, Кулона и Фарадея с химическим состоянием (составом, структурой) нефтей, представляет большой практический интерес.
Нефти в отличие от других жидкостей обладают сложной фракционной системой и мультимерным строением. Поэтому для нефти и их смесей естественно ожидать отличающиеся от индивидуальных веществ зависимости активной проводимости и диэлектрической проницаемости от частоты электромагнитных колебаний, а так же использования этих зависимостей для решения проблем оперативной диагностики в соответствии с потенциальным содержанием светлых фракций для оценки изменений состава продуктов разгонки [58]. Следует отметить, что в настоящее время имеются методы и аппаратура для анализа продуктов в статических условиях. Они позволяют по ряду параметров свойств и состава с определенной точностью характеризовать нефти, поступающие на переработку, но только до момента отбора пробы. Повышение надежности оценки состава нефтей связано не только с проблемой содержания пробы. Важны также знания и навыки оператора при работе со сложными, многооперационными методами и приборами, с оборудованием, реактивами. Иначе возможны затруднения в оценке необходимых изменений в технологическом процессе, что может привести к увеличению затрат на производство [70]. Затем, что сам процесс отбора и дальнейшее её использование неминуемо приводят к загрязнению окружающей среды. В этой связи представляется важным отыскать методы и средства, которые, с одной стороны, в определенной степени могут заменить многофакторные и многооперационные анализы качества нефти, а с другой стороны, позволяют построить системы оперативной диагностики, исключающие отбор проб.
Попыткой решить первую из этих задач можно считать примененную в работе оценку качества нефтей с помощью индекса полярности, определенного методом газовой хроматографии. В зависимости от величины этого индекса все нефти условно подразделяются на пять групп в соответствии с особенностями их переработки.
Модель и алгоритм минимизации электроэнергетических потерь в порту методом линейного программирования
Инструкцией по эксплуатации оборудования узлов учета и технологических причалов в порту при погрузке (выгрузке) нефтепродуктов в танкеры предусматриваются различные варианты схем транспортирования нефтепродуктов. Выбор схем обеспечивается за счет того, что трубопроводы на причальной части образуют кольцо и разделены между собой электроприводной арматурой. В зависимости от выбранных для погрузки нефтепродуктов стендеров, открывают соответствующую электроприводную арматуру. Затем, согласно принятому к исполнению каргоплану, начинается погрузка нефтепродукта (ВГЛ) в танкеры. Первоначально ВГЛ подается «самотеком», далее пускается один из насосов с частотным регулированием двигателя, ВГЛ начинает подаваться в танкер. Регулирование расхода ВГЛ в танкер ведется при помощи частотного преобразователя или позиционирования электроприводных задвижек. В результате образуется разветвленная технологическая линия, для которой характерны конкретные технологические параметры, определяемые расходами на определенных временных интервалах, вязкостью транспортируемого нефтепродукта , зависящей от температуры, и другими факторами. Для совершенствования режимов работы технологической линии, выбора наиболее рациональных схем транспортирования нефтепродуктов (ВГЛ, мазута, дизельного топлива и др.), а также непрерывного контроля технического состояния требуется разработать модель трубопроводной системы (гидравлической сети), поскольку на действующем объекте проведение активного эксперимента исключено.
Выбор структуры и параметров модели разветвленной технологической линии нефтеналивного порта может быть осуществлен на основе методов идентификации [47], [60]. Поскольку структура модели каждой ветви гидравлической сети, предназначенной для транспортирования ВГЛ, может считаться заданной, эксперимент может использоваться непосредственно для определения параметров моделей. Наиболее трудоемкой частью моделирования сложного разветвления сети следует считать определение модулей сопротивлений ветвей гидравлической сети как ее составляющих. С этой целью непосредственно на элементах сети должен проводиться эксперимент, который можно в определенных случаях избежать за счет использования предлагаемой процедуры идентификации. Процедура основана на использовании измерений полного расхода в напорной части сети и давлений в узлах разветвления технологической линии трубопроводов. Еще раз подчеркнем, что для оценки модулей сопротивлений всех ветвей нет необходимости измерять расходы в каждой ветви. Требуются только полные расходы жидкости в напорном трубопроводе на различных режимах, т.е. расходы на «входе» в разветвление и соответствующие им напоры (давления жидкости) в узлах, измерения которых не представляют технических трудностей. При этом зависимость разностей давлений на концах каждого трубопровода ( в двух узлах) от расходов в нем принимается, согласно модели, в форме полинома, например, квадратичного полинома. В большинстве случаев для турбулентных течений модель может быть принята в форме параболы.
Резервуарный парк AQ1-33 К1 К2 Qi К1 Q2 К2 Рис.3.1. Разветвленный участок трубопроводной системы технологической линии погрузки нефтепродуктов 110 ,где С1,С2,СЗ — стендеры, Q,Q1,Q2,Q3,Q4,Q5 - расходы в ветвях трубопроводов, К1,К2 - узлы учета. Предположим, в результате измерений общего расхода нефтепродукта и давлений в узлах на участке технологической линии, представленной на рис. 3.1, на различных режимах погрузки жидкости (например, ВГЛ) получены временные ряды. Ряды измерений полного расхода нефтепродукта, полученные в различные моменты времени, представим в виде вектора расходов
Тогда задача идентификации формулируется следующим образом: имея приведенные выше экспериментальные данные, мы должны определить модули сопротивлений всех ветвей технологической линии и, таким образом, оценить параметры моделей элементов гидравлической сети.
Остановимся кратко на алгоритме параметрической идентификации. Предположим, что для участка гидравлической сети, состоящей из четырех узлов с изменяющимися давлениями в узлах, получены измерения в различные моменты времени технологического процесса отгрузки ВГЛ (рис. 3.1), которым предписаны, соответственно, индексы 1,2,3,...,ш.
Возвратимся к рис.3.1 и рассмотрим часть сети, состоящую из первого узла, к которому подходит основной напорный трубопровод с полным расходом, а отводится нефтепродукт по двум ветвям, расходы в которых пока не определены. Однако известны напоры в первом узле и на концах ветвей (трубопроводов) - во втором и четвертом узлах: hi(i), h2(i), h4(i). Таким образом, мы имеем массив данных:
