Разработка системы метрологического обеспечения оценки соответствия качества углеводородной продукции газовой отрасли современным требованиям тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.15, доктор технических наук Окреилов, Михаил Владимирович

• Окреилов, Михаил Владимирович
• доктор технических наук
• 2012

Оглавление диссертации доктор технических наук Окреилов, Михаил Владимирович

Список сокращений

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Анализ состояния испытаний на качество углеводородной газовой продукции.

1.1 Анализ нормативных требований к контролю качества углеводородной газовой продукции

1.1.1. Основные стандарты по качеству углеводородных газов.

1.1.2. Особенности требований к контролю качества УВГП.

1.1.3 Нормативные требования к измерению НПГ.

1.2 Сертификационные испытания углеводородной газовой продукции.

1.2.1 Недостатки в метрологическом обеспечении измерений нефтяного попутного газа

1.3 Обоснование и разработка основных направлений существенного улучшения состояния МО испытаний углеводородной газовой продукции

1.3.1 Основные направления совершенствования нормативной базы испытаний УВГП.

1.3.2 Разработка международного стандарта (1 редакция) «Государственная система обеспечения единства измерений. Лабораторные и потоковые хроматографы для контроля углеводородного состава сжиженных углеводородных газов. Методика поверки».

1.3.3 Повышение точности методик измерений при контроле качества углеводородной газовой продукции.

1.3.4 Достоверность контроля соответствия качества и основные направления улучшения состояния МО испытаний УВГП.

1.3.5 Причинно-следственные диаграммы - как средство анализа состояния процессов производства УВГП.

Выводы по главе

ГЛАВА 2. Исследование основных процессов усложнения состава и перспектив расширения номенклатуры углеводородной газовой продукции.

2.1 Влияние характеристик месторождений на состав добываемой углеводородной продукции

2.1.1 Газовые месторождения природного газа

2.1.2 Газоконденсатные месторождения углеводородов.

2.1.3 Газы нефтегазовых месторождений.

2.2 Влияние применяемых технологий на процессы усложнения состава углеводородной газовой продукции.

2.3 Совместное влияние характеристик месторождений и применяемых технологий на процессы усложнения состава углеводородной газовой продукции.

2.4 Перспективы расширения номенклатуры УВГП за счет переработки природного газа.

2.4.1 Окислительная конверсия метана.

2.5 Перспективы расширения номенклатуры УВГП за счет переработки нефтяного попутного газа

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. Анализ существующих и перспективных инструментальных методов оценки качества углеводородной газовой продукции.

3.1 Анализ существующих инструментальных методов оценки качества УВГП.

3.1.1 Методы определения состава У В газов.

3.1.2 Требования к качеству углеводородного конденсата, ШФЛУ, смесей легких жидких углеводородов.

3.2 Анализ перспективных инструментальных методов оценки качества углеводородной продукции газовой отрасли.

3.2.1. Масс-спектрометрия.

3.2.2. Высокоэффективная жидкостная хроматография.

3.2.3. Инфракрасная спектроскопия.

3.2.4. Атомно-абсорбционная спектрометрия.

3.2.5. Метод, основанный на использовании индуктивно-связанной плазмы с масс-спектрометрической или атомно-эмиссионной спектральной регистрацией.

3.2.6. Рентгено-флуоресцентная спектрометрия.

3.2.7. Метод ультрафиолетовой флуоресценции

3.2.8. Метод ядерного магнитного резонанса

3.2.9. Хроматомасс-спектрометрия.

3.2.10. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР).

3.3. Оценка пригодности программного обеспечения, применяемого при испытаниях углеводородной газовой продукции

3.3.1. Компьютеризация лабораторий при построении систем обеспечения качества испытаний УВГП.

3.3.2. Компьютеризация современных испытательных приборов и автоматизация измерений при испытаниях углеводородной продукции.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4 . Обоснование и разработка новых типов СО углеводородной газовой продукции с учетом расширения ее номенклатуры и сложности.

4.1. СО для контроля качества углеводородных газов и УВГП.

4.2. Особенности производства и требования к СО жидких углеводородов, вырабатываемых в газовой отрасли.

4.3. Разработка новых СО состава жидких и газообразных углеводородов.

4.4. Актуальные вопросы разработки и создания СО состава.

Выводы по главе

ГЛАВА 5. Исследование вопросов изменения качества углеводородной газовой продукции при ее транспортировке и хранении

5.1. Качество услуг и особенности трубопроводного транспорта, предназначенного для транспортировки УВГП.

5.2. Борьба с коррозией при добыче и транспортировке высокосернистой углеводородной продукции

5.2.1. Магистральные трубопроводы

5.2.2. Выбор материалов для труб и оборудования, предназначенного для работы в среде влажного сероводородного газа.

5.3. Система измерений трубопроводного транспорта углеводородов.

5.3.1. Учет количества УВГП.

5.3.2. Показатели качества УВГП.

5.4. Проблема обеспечения достоверности измерений показа-телей качества УВГП, транспортируемой по газопроводам

5.4.1. Статистические ошибки контроля качества углеводородов.

5.4.2. Статистические ошибки поверки средств измерений, применяемых для контроля качества транспортируемой УВГП.

5.4.3. Статистические ошибки контроля при дублировании измерений поставщиком и получателем транспортируемой углеводородной продукции.

5.5. Проблема учета фактического качества транспортируемых углеводородов при расчетах между поставщиками и получателями.

5.5.1. Ступенчатая шкала качества.

5.5.2. Непрерывная шкала качества.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка системы метрологического обеспечения оценки соответствия качества углеводородной продукции газовой отрасли современным требованиям»

Актуальность научной работы. Необходимость обеспечения высокого качества отечественной углеводородной газовой продукции (УВГП) определяется следующим:

- реализуются рыночные отношения, основу которых составляет использование экономических стимулов и рычагов в прямой зависимости от повышения качества продукции и степени удовлетворения потребности населения в высококачественных видах продукции;

- значительно усиливаются взаимосвязи между экономической и технической сторонами качества;

- произошла существенная перестройка системы стандартизации;

- широко распространяется внедрение международных стандартов ИСО серии 9000 по системам менеджмента качества;

- получают серьезное развитие новые подходы по оценке соответствия продукции и услуг в свете положений ИСО серии 17000.

- резко возрастает количество новых технологий, основанных на широком применении углеводородов (УВ), - как природного газа (ПГ) и нефтяного попутного газа (НПГ), газовых конденсатов (ГК) и углеводородных (УВ) газов, вырабатываемых при переработке нефти, так и чистых углеводородов (метана, этана, пропана и бутана), а также разнообразных УВГС. Это относится не только к сфере ТЭК России, но и к другим отраслям промышленности, в частности, - к металлургии, машиностроению, пищевой, химической и нефтехимической промышленности.

Появление новых технологий, рост объемов экспорта УВГП сопровождаются резким повышением внимания к ее качеству. Это проявляется как в заказах на производство УВ более высокой чистоты, УВГС с узкими допусками на содержание основных компонентов и примесей, так и в ужесточении ответственности поставщиков за соблюдение требований к соответствию выпускаемой УВГП действующей нормативной документации (НД). Необходимо, также, иметь в виду, что грядущее существенное исчерпание во всем мире природных запасов нефтяных углеводородов (НУ), а также забота о чистоте среды обитания все больше привлекают внимание науки, производства и бизнеса к использованию УВ газов, ГК и газовых гидратов не только в качестве топлива в традиционных способах их сжигания, но и в качестве экологически чистого топлива в автомобильных двигателях внутреннего сгорания (ДВС).

В мировом энергетическом балансе УВ газы в настоящее время занимают 3 место (рис. 1), однако их потребление растет наибольшими темпами по сравнению с другими энергоносителями (рис. 2) и уже в ближайшее время, вероятно, именно они выйдут на 1 место в мире по своей энергетической значимости. газ

24%

Рис. 1. Долевое распределение первичных энергоресурсов в мировом энергопотреблении, 2009 год (данные British Petroleum statistical review of world energy 2010)

Трлн куб. футов Трлн м3

Годы

Рис. 2. Прирост запасов и добыча традиционного газа в мире по прогнозам Ж. Лахеррера [80] (прогнозы основываются на последних данных о величине мировых начальных ресурсов традиционного природного газа, которые составляют от 10 000 до 12 000 трлн куб. футов): 1 - предполагаемые открытия; 2 - открытия запасов; 3 - брутто-добыча (с учетом обратной закачки в пласт); 4 - объем добычи; 5 - добыча; доказанные запасы: 6 - данные Администрации энергетической информации США (ELA) - журнала Oil & Gas; 7 - данные IEA - World Energy Outlook; 8 - данные BP Statistical Review of World Energy; 9 - данные OPEC Annual Statistical Bulletin; 10 - данные CEDIGAZ; 11 - остаточные доказанные и вероятные ресурсы

При этом, по имеющимся прогнозам цены на УВ газы будут расти даже несколько более высокими темпами, чем цены на нефть (рис. 3), что говорит о высокой важности для нашей страны этого вида энергоносителей и обуславливает актуальность комплексного подхода к повышению качества УВГП, включая важнейшие вопросы метрологического обеспечения (МО) испытаний УВГП [1]. У В газы — один из важнейших видов энергетических ресурсов, а также источников сырья для нефтехимии. Доля нефти и газа, используемая в нефтехимической и химической промышленности составляет 4-10 % от мирового потребления. Доля газа в ТЭК непрерывно возрастает [80]. По прогнозу общее потребление энергоресурсов в мире в 2020 г. составит 17-23 млрд т условного топлива. Из них на газ придется 26,2 %. По прогнозам потребление У В газов в мире к концу XXI века достигнет 340 трлн м или 12 тысяч футов .

Среднегодовая цена на нефть, Brent, $ —•—Среднегодовая цена на газ в Европе, CIF $/1000 куб.м.

Рис. 3. Прогноз цен на нефть (левая шкала) и на газ (правая шкала)

Особое значение для нашей страны имеет ПГ, поскольку, располагая всего 12,8 % мировой территории и 2,8 % населения, Россия обладает 34 % доказанных и более 40 % потенциальных запасов этого ценнейшего УВ сырья. Именно это национальное богатство, в совокупности со значительными запасами нефтяных УВ Западной и Восточной Сибири, а также огромным потенциалом УВ месторождений шельфа Арктических морей, делает Россию ведущей мировой энергетической державой в XXI веке, обуславливая высокую актуальность этой диссертационной работы. Следует отметить, что роль и значение ПГ для нашей страны в дальнейшем будут неуклонно возрастать, что обусловлено не только тем, что он является более экологически чистым видом топлива, чем мазут и другие НП.

Основой ПГ, как известно, является метан, который можно конвертировать в синтез-газ (смесь СО и Н2), а затем в метанол, мировое производство которого уже превысило 35 млн т/год [2]. испытаний УВГП [1]. У В газы — один из важнейших видов энергетических ресурсов, а также источников сырья для нефтехимии. Доля нефти и газа, используемая в нефтехимической и химической промышленности составляет 4-10 % от мирового потребления. Доля газа в ТЭК непрерывно возрастает [80]. По прогнозу общее потребление энергоресурсов в мире в 2020 г. составит 17-23 млрд т условного топлива. Из них на газ придется 26,2 %. По прогнозам о о потребление У В газов в мире к концу XXI века достигнет 340 трлн м или 12 тысяч футов .

Среднегодовая цена на нефть, Brent, $ Среднегодовая цена на газ в Европе, CIF $/1000 куб.м.

Рис. 3. Прогноз цен на нефть (левая шкала) и на газ (правая шкала)

Особое значение для нашей страны имеет ПГ, поскольку, располагая всего 12,8 % мировой территории и 2,8 % населения, Россия обладает 34 % доказанных и более 40 % потенциальных запасов этого ценнейшего УВ сырья. Именно это национальное богатство, в совокупности со значительными запасами нефтяных УВ Западной и Восточной Сибири, а также огромным потенциалом УВ месторождений шельфа Арктических морей, делает Россию ведущей мировой энергетической державой в XXI веке, обуславливая высокую актуальность этой диссертационной работы. Следует отметить, что роль и значение ПГ для нашей страны в дальнейшем будут неуклонно возрастать, что обусловлено не только тем, что он является более экологически чистым видом топлива, чем мазут и другие НП.

Основой ПГ, как известно, является метан, который можно конвертировать в синтез-газ (смесь СО и Нг), а затем в метанол, мировое производство которого уже превысило 35 млн т/год [2].

Далее метанол может быть конвертирован в бензин (технология МТв), в олефины (технология МТО), в диметиловый эфир - альтернативу дизельному топливу - ДТ (технология ЭМЕ) [3].

Возрастание роли УВ газов и УВГП обусловлено еще и тем, что в настоящее время во всем мире добываемая и поступающая на переработку нефть становится все более «тяжелой», то есть содержит повышенное содержание высококипящих остаточных фракций, а, кроме того, - более загрязненной по сере, смолам и примесям металлов, что требует дополнительных затрат на очистку сырья и тем самым удорожает нефтяную У В продукцию уже на подготовительной стадии. Таким образом, объективно все большее значение приобретает УВГП, получаемая из ПГ и НПГ, УВ газов нефтепереработки и ГК.

Одним из важнейших путей решения проблемы повышения качества и конкурентоспособности УВГП является ее сертификация. В соответствии с терминологическим стандартом [4], под сертификацией понимается процедура, посредством которой документально удостоверяется, что продукция, процесс или услуга соответствуют установленным требованиям. В соответствии с ФЗ «О техническом регулировании» [5], под сертификацией понимается форма осуществляемого органом по сертификации подтверждения соответствия объектов требованиям технических регламентов, положениям стандартов или условиям договоров.

С 1999 г. в соответствии с ФЗ "О газоснабжении" [6] были начаты работы по переходу на обязательную сертификацию ПГ. В марте 2003 г. постановлением Госстандарта № 20 утверждена система сертификации газа в РФ [7]. В настоящее время в Системе сертификации ГОСТ Р функционирует более 70 органов и около 100 лабораторий, область аккредитации которых включает разнообразную УВГП. Однако, анализ деятельности органов по сертификации УВГП показывает, что сертификация пока еще не в полной мере достигает цели предотвращении выпуска продукции, не отвечающей существующим требованиям, и недостаточно эффективна в части выявления ресурсов и путей повышения ее качества [8]. Причины этого заключаются в недостаточном использовании возможностей методов современной прикладной и теоретической метрологии и МО, в недостаточной методической проработке ряда метрологических вопросов, возникающих при отборе образцов продукции, их идентификации, испытаниях и подтверждении достоверности результатов, а также при анализе состояния производства. Акцентирование внимания на этих важных для качества УВГП вопросов, также, повышает актуальность этой работы. В диссертации, в числе прочих вопросов, нашли отражение работы, проведенные автором, по совершенствованию МО и методического обеспечения сертификационных испытаний УВГП с целью повышения ее качества, результаты исследования разницы в составах различных типов УВ газов и соответствующие обоснования необходимости расширения номенклатуры СО для контроля состава УВГП, а также результаты оценки состояния действующей НД в этой области и рекомендации по ее совершенствованию, вопросы изменения качества УВГП при транспортировке и предлагаемые автором меры по сохранению качества УВГП при ее транспортировке трубопроводным транспортом (ТРТ).

Цель диссертационной работы: разработка и обоснование новых научных, технических и нормативно-методических решений, направленных на совершенствование системы МО контроля качества УВГП (включая и ряд актуальных вопросов повышения качества жидкой УВ продукции газовой отрасли) с целью повышения качества этой продукции.

Объекты исследования диссертационной работы: УВГП, включающая в себя ПГ из чисто газовых и ГКМ, НПГ и газ, вырабатываемый нефтеперерабатывающими заводами (НПЗ). ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ:

Метрологическое обеспечение - "установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений" [9].

Испытание - техническая операция, заключающаяся в определении одной или нескольких характеристик данной продукции, процесса или услуги в соответствии с установленной процедурой (ГОСТ Р 1.12).

Проведение испытаний - определение одной или более характеристик объекта оценки соответствия согласно процедуре (Международный стандарт ИСО/МЭК 17000:2004).

МО испытаний - установление и применение научных и организационных основ, технических средств, метрологических правил и норм, необходимых для получения достоверной измерительной информации о значениях показателей качества и безопасности продукции и услуг, а также о значениях характеристик воздействующих факторов и (или) режимов функционирования объекта при испытаниях, других условий испытаний (ГОСТ Р 51672-2000).

Продукция. В ФЗ «О техническом регулировании» указывается, что под продукцией понимается результат деятельности, представленный в материально-вещественной форме и предназначенный для дальнейшего использования в хозяйственных и иных целях [5].

Более общую формулировку этого понятия дают международные стандарты (МС ИСО 9000:2000, МС ИСО/МЭК 17000:2004), определяя продукцию как результат процесса [10].

Необходимо отметить, что, в ФЗ «О защите прав потребителей» [11] и других законодательных актах РФ используется термин «товар» как предмет торговли. Ясно, что смысл понятий «продукция» и «товар» близок, а их взаимная замена не вызывает каких-либо трудностей в их практическом использовании. При этом, понятно, что термин «товар» не применяется в отношении продукции, изготовленной для собственных нужд ее изготовителем.

Партия продукции - 1) совокупность установленного количества единиц продукции одного наименования и обозначения, предназначенная для реализации; 2) определенное количество сырья, упаковки или продукции, при условии их однородности, полученных в результате одной или серии операций [12].

Термин газовая продукция (ГП) и тем более, термин углеводородная газовая продукция

- УВГП, в настоящее время еще не стандартизован, но представление о группе продукции, охватываемой этим термином, является достаточно устойчивым. В неё входят газы и газовые смеси, находящиеся при нормальном давлении, а также сжатые, сжиженные, абсорбированные и адсорбированные газы. В Общероссийском классификаторе продукции [13] в качестве основных классификационных признаков использованы те, которые отражают её происхождение и область применения.

Сертификация - форма осуществляемого органом по сертификации подтверждения соответствия объектов требованием технических регламентов, положениям стандартов или условиям договоров [5];

- сертификация - подтверждение соответствия третьей стороной, относящееся к продукции, процессам, системам или персоналу [14].

Несмотря на формальное различие этих формулировок, смысл их одинаков: сертификация - это документальное подтверждение соответствия продукции определенным требованиям, конкретным стандартам или техническим условиям (ТУ). Национальные законодательные акты различных стран конкретизируют соответствие чему устанавливается, а также, кто устанавливает это соответствие. Таким образом, сертификация - это документальное подтверждение соответствия продукции определенным требованиям, конкретным стандартам или ТУ. Различают обязательную и добровольную сертификацию [15]. Обязательная сертификация - это форма обязательного подтверждения соответствия продукции требованиям технических регламентов, осуществляемая органом по сертификации [16]. Добровольная сертификация - сертификация, осуществляемая на добровольных началах для подтверждения соответствия продукции и других объектов требованиям стандартов, условиям договоров или системы добровольной сертификации [17].

Природный газ, natural gas (ПГ, NG) - сложная газообразная смесь УВ, включающая, главным образом, СН4, а также, в большинстве случаев, этан, пропан и высшие УВ в гораздо меньшем количестве, плюс некоторые негорючие газы,— например, азот и диоксид углерода (международный стандарт ISO : 14532: 2001). В отечественной технической литературе под ПГ понимается газ, добываемый из чисто газовых месторождений и ГКМ.

Нефтяной (попутный) газ (НПГ):

- «газ горючий природный (растворенный газ или смесь растворенного газа и газа газовой шапки) из нефтяных, газонефтяных, газоконденсатнонефтяных, нефтегазовых, нефтегазоконденсатных месторождений, добываемый через нефтяные скважины» (статья 129 ФЗ от 29 мая 2002 года № 57-ФЗ);

- «смесь УВ и неуглеводородных газов и паров, находящихся как в свободном, так и в растворенном состоянии, выделяющихся из сырой нефти в процессе ее добычи» (пункт 3 Национального стандарта, утвержденного Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии 28 декабря 2005 года ГОСТ Р8 615.2005 «Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения количества извлекаемой из недр нефти и нефтяного газа»);

- «смесь газообразных и парообразных УВ и неуглеводородных компонентов, выделяющихся из пластовой нефти при ее разгазировании» (проект ФЗ «О безопасности производственных процессов добычи, транспортировки и хранения нефти и газа», разработанный Минпромэнерго России в 2006 году);

- УВ газы, сопутствующие нефти и выделяющиеся при ее добыче на газонефтяных месторождениях [18].

В рекомендациях по метрологии Р 50.2.063-2009 вместо НПГ применяется другой термин -«добытый нефтяной газ». При этом, под добытым нефтяным газом понимается «количество свободного нефтяного газа, сданного потребителям, израсходованного на собственные нужды нефтедобывающего предприятия, включая потери, а также газ, сохраненный в газохранилищах» [19]. В ISO : 14532: 2001, также, нет термина «нефтяной (попутный) газ». Вместо НПГ в нем применяется термин «неочищенный (пластовый) газ (raw gas)» При этом, под неочищенным (пластовым) газом понимается тот же объект, что и под термином НПГ, а именно «необработанный газ, отбираемый с устья скважин, поступающий по газосборной линии к технологическому оборудованию и очистным сооружениям».

Как видно из вышеприведенных определений, в НД нет единообразия в терминологии НПГ. Отчасти этот недостаток можно объяснить тем, что до недавнего времени у нас НПГ, в основном, сжигали в факелах, не вникая в его потенциально высокую энергетическую и технологическую ценность. В настоящее время положение с НПГ кардинально меняется в лучшую сторону, в связи с чем эти газы требуют самого тщательного изучения, разработки оптимальных технологий его использования и, безусловно, обоснованного принятия единой терминологии и определений. При этом, необходимо учитывать, что НПГ существенно отличается по составу от ПГ, однако для него до сих пор не разработано специальных нормативных требований. Не случайно, в планах ТК 52 на 2012 г. впервые запланировано разработать ГОСТ Р «Попутный нефтяной газ. Термины и определения».

Отметим, что НПГ отличается от ПГ, состоящего на 70-99% из метана, гораздо меньшим содержанием СН4, а также гораздо более высоким содержанием тяжелых УВ, что и делает его ценным сырьем для нефтехимических производств. Известно, что сжигание НПГ на факельных установках помимо серьезных экологических последствий приводит к значительным потерям ценного химического сырья. К примеру, только в 2004 году в составе НПГ на факельных установках было сожжено -7,1 млн тонн этана (СгНб), ~ 4,1 млн тонн пропана (СзНв), ~ 2,6 млн тонн бутана (С4Н10), 13 млн м гелия [20].

Газ газоконденсатных месторождений (ГКМ) - это ПГ, выделяющийся из жидкой смеси конденсата УВ, при разработке газоконденсатных месторождений. Следует отметить, что даже составы ПГ из чисто газовых и из газоконденсатных месторождений существенно отличаются, что можно проиллюстрировать сравнением данных таблиц 33 и 10.

Газовые конденсаты (ГК) - жидкие смеси высококипящих УВ различного строения, выделяемые при добыче ПГ из ГКМ. При разработке ГКМ давление падает в несколько раз - до 48 МПа, и из газа выделяется сырой нестабильный газовый конденсат (НГК), содержащий, в отличие от стабильного конденсата (СГК), не только УВ С5 и выше, но и растворённые газы метан-бутановой фракции.

Газы, вырабатываемые нефтеперерабатывающими организациями (газы нефтепереработки) - газы, выделяющиеся при перегонке нефти или образующиеся при различных технологических процессах ее переработки на НПЗ - крекинге, пиролизе, коксовании, деструктивной гидрогенизации и других процессах переработки нефти.

Основные задачи, решавшиеся в диссертационном исследовании:

- анализ состояния системы МО контроля качества УВГП в РФ, выявление недостатков и нерешенных проблем;

- исследование связи между методическими особенностями сертификации УВГП, метрологическими аспектами сертификационных испытаний и достоверностью контроля соответствия продукции нормативным требованиям;

- анализ технических требований на качество У В газовой продукции;

- разработка СО для градуировки и поверки приборов, применяемых при испытаниях ПГ и другой УВГП;

- исследование оценки достоверности контроля соответствия УВГП, включая оценку индивидуальных рисков потребителя и изготовителя;

- исследование возможности применения современных метрологических методов оценки и учета для повышения качества УВГП;

- разработка методологии обеспечения достоверности измерений показателей качества УВ газовой продукции, транспортируемой по трубопроводам; разработка и обоснование методологии оптимизации коммерческого учета углеводородов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Показатели достоверности и способы оценивания качества У В газовой продукции.

2. Повышение эффективности УВ трубопроводного транспорта (ТРТ) путем совершенствования измерительных технологий и МО.

3. Статистические ошибки контроля 3-го рода при дублировании измерений поставщиком и получателем транспортируемой УВГП, заключающиеся в расхождении результатов контроля поставщика и получателя, то есть в признании поставщиком продукции соответствующей условиям контракта, а получателем - не соответствующей.

4. Основные направления повышения точности методик измерений, применяемых при контроле качества УВГП.

5. Концепция метрологического обеспечения испытаний УВГП (приложение А).

6. Межгосударственный стандарт «Государственная система обеспечения единства измерений. Лабораторные и потоковые хроматографы для контроля углеводородного состава сжиженных углеводородных газов. Методика поверки» (1 редакция).

7. Новые стандартные образцы состава смесей: метанола в метане, имитатора состава бензина, имитатора газа деэтанизации, имитатора состава нестабильного газового конденсата (ГСО-КНГ).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработан международный стандарт «Государственная система обеспечения единства измерений. Лабораторные и потоковые хроматографы для контроля углеводородного состава сжиженных углеводородных газов. Методика поверки» (1 редакция).

2. Математически проанализирована проблема обеспечения достоверности измерений показателей качества УВГП, транспортируемой по газопроводам. Рассмотрены статистические ошибки контроля при дублировании измерений поставщиком и получателем УВГП. Впервые показано, что при коммерческих расчетах за УВ продукцию проблема статистических ошибок измерительного контроля часто усложняется, так как помимо ошибок 1-го рода, когда бракуется фактически годная продукция, и 2-го рода, - когда признается годной фактически негодная УВ продукция, возникают еще статистические ошибки 3-го рода, заключающиеся в расхождении результатов контроля поставщика и получателя, то есть в признании поставщиком продукции (которая может быть как годной, так и бракованной) соответствующей условиям контракта, а получателем - не соответствующей.

Математически показано, что при двойном контроле параметров УВ продукции поставщик и получатель находятся в неравном положении, так как практически только поставщик несет потери из-за ошибок измерительного контроля. Показано, что при статистических ошибках контроля 3-го рода разногласия между поставщиком и получателем УВГП целесообразно разрешать путем проведения дополнительной серии измерений и усреднения полученных результатов, а если этого недостаточно, - привлекать 3-ю сторону для выполнения анализа контрольной пробы с усреднением результатов измерений всех 3-х сторон.

3. Рассмотрены вероятностные показатели качества измерительного контроля. Показано, что снижение СКО случайной погрешности измерений является эффективным способом повышения их достоверности. Проведен анализ статистических ошибок поверки СИ, применяемых при контроле качества транспортируемой УВ продукции.

4. Проанализировано состояние с выпуском СО в РФ для контроля качества УВГП газовой отрасли. Показано, что выпускаемая в нашей стране номенклатура СО, в целом, обеспечивает высокий метрологический уровень контроля качества УВ природных газов. В то же время, продемонстрировано отсутствие СО состава, предназначенных для контроля состава УВ нефтепереработки и НПГ. Обоснована необходимость разработки и выпуска таких СО. Сформулированы требования к составу и диапазонам концентраций компонентов СО УВ газов нефтепереработки и НПГ.

5. Рассмотрены и обсуждены особенности производства и требования к СО жидких УВ, вырабатываемых в газовой отрасли. Показано, что в настоящее время отсутствует единая НД и почти нет СО для контроля качества широкого ассортимента товарной жидкой УВ продукции, вырабатываемой в газовой отрасли (ГК, ШФЛУ, СУГ, УВ фракции, чистые жидкие УВ и пр.).

Сформулированы предложения по созданию НД и СО по ряду конкретных видов жидкой УВ продукции газовой отрасли. Впервые разработаны новые СО состава смесей метанола в метане, имитатора состава бензина, имитатора состава нестабильного газового конденсата (ГСО-КНГ).

6. Впервые доказана перспективность применения диаграмм причинно-следственных связей при проведении сертификации УВГП. Показано, что с их помощью можно существенно ускорить анализ состояния производства УВГП, повысить вероятность выявления отклонений качества УВ газовой продукции от нормативных требований, облегчить понимание требований и выводов эксперта.

7. Впервые на примерах чисто газовых, ГКМ и нефтегазовых месторождений УВ обоснован и проиллюстрирован процесс усложнения состава получаемой УВГП в зависимости от характеристик месторождений, содержащих УВ газы - ПГ и НПГ. Показано усложнение состава УВГП при переходе от чисто газовых месторождений (СН4 ~ 94-99 %), к ГКМ (в газовой фазе : СН4 75-94 %, С2Н6 - до 9,0 %, С3Н8 - до 3,1 %, С4Н|0 - до 1,0 %, С5Н12+в ~ до 2,0 %) и далее - к нефтегазовым месторождениям, содержащим НПГ (СН4 30-96 %, С2Нб - до 21 %, СзН8 - до 22 %, С4Н10 - до 12 %, СбНп+в - до 6 %), что необходимо учитывать при повышении уровня МО при контроле качества УВГП.

8. На примере газов, вырабатываемых газо- и нефтеперерабатывающими организациями впервые показано влияние применяемых технологий на процессы усложнения состава УВГП. Показано, что если в сравнительно простых технологических процессах гидроочистки образуются только предельные УВ (СН4 27-34 масс. %, СгНб 21-24,5 масс. %, СзНв 20,5-41 масс. %), то в современных технологических процессах глубокой переработки нефти, например, при каталитическом крекинге, кроме предельных УВ, образуются еще и непредельные УВ, являющиеся ценным химическим сырьем для газохимии, такие как этилен (С2Н4 4,0-6,0 масс. %), пропилен (СзНб 22-24 масс. %), бутилен (Н-С4Н8 14-15 масс. %) и изобутилен (изо- С4Н8 6,0-10,5 масс. %), что наглядно иллюстрирует кардинальное влияние применяемых технологий на процессы усложнения УВГП.

9. Впервые проведено системное обоснование перспективных направлений расширения номенклатуры УВГП за счет переработки НПГ. Проведен анализ новых технологических процессов предварительной подготовки НПГ, позволяющих существенно повысить эффективность его переработки с расширением номенклатуры УВ продукции. Представлены современные способы очистки НПГ от нежелательных примесей других газов, в особенности, от Н23, с получением дополнительного товарного продукта - гранулированной серы.

10. Показано, что основной компонент ПГ - метан, являясь ценным УВ топливом, одновременно является и основой для новых газохимических процессов, обеспечивая, в перспективе, неуклонный рост номенклатуры УВ продукции газовой отрасли, к которой относят не только УВГП, но и метанол, уксусную кислоту, формальдегид, олефины, этилен и пропилен, метилтретбутиловый эфир, карбамид, аммиак, аммиачную селитру и многие другие продукты.

Практическое значение работы:

1. Впервые показано, что главными проблемами сертификации УВГП, чистых УВ газов и УВГС, НПГ на современном этапе является недоработанность нормативной базы УВ продукции газовой отрасли, что выражается в отсутствии единых требований к ее качеству, а также, в ряде случаев, - в недостаточной точности определений компонентного состава испытуемых проб. Обоснована необходимость разработки единых нормативных требований:

- к УВ газам, подаваемым во внутрипромысловые газопроводы, а также на УКПГ;

- на ограничение содержания капельных жидкостей и механических примесей в газах, подаваемых во внутрипромысловые газопроводы;

- на ограничение влажности сероводородсодержащих газов, подаваемых на переработку на ГПЗ;

- на режимы эксплуатации внутрипромысловых коллекторов сырого газа.

2. Проиллюстрирована важность учета такого показателя товарного У В газа большого числа месторождений, как содержание паров метанола в газе. Обоснована актуальность и необходимость скорейшей разработки соответствующего НД. Впервые отмечено важное для

18 практики отсутствие четкой взаимоувязки показателей качества товарного газа на УКПГ и в МГ в зависимости от применяемой технологии промысловой обработки газа.

3. Обоснована необходимость пересмотра и существенной доработки до уровня современных требований положений ГОСТ 5542 «Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия». Показана обязательность введения в этот стандарт требований к точке росы по воде или норматива на содержание влаги в ПГ. Обоснована необходимость введения в стандарты ГОСТ 5542 и ГОСТ 27577 нормативного требования к точке росы по УВ. Показано, что отсутствие этого норматива приводит к созданию условий для выделения в газопроводах жидкого УВ конденсата, что снижает пропускную способность газопроводов и требует дополнительных мощностей оборудования для прокачки газа.

4. Показано, что особенности и недостатки существующей нормативной базы не позволяют обеспечить достаточную точность измерений количества НПГ. В тех случаях, когда температура НПГ меньше 250 К, а абсолютное давление ниже 0,1 МПа, отсутствует возможность выполнения расчетов его расхода, так как в этих условиях невозможно рассчитать коэффициенты сжимаемости газа. Отмечено наличие проблемы измерения количества НПГ и в тех часто встречающихся на практике случаях, когда в смеси УВ попутных газов, кроме примесей, содержится еще и водяной пар, поскольку отсутствуют алгоритмы определения реального фазового состояния таких смесей.

5. Впервые на большом фактическом материале продемонстрировано, что при проведении сертификации продукции часто руководствуются только такими формальными критериями, как своевременность проведения поверки, наличие сертификата аттестации испытательного оборудования и т.п. При этом, частота поверки и калибровки СИ не всегда увязывается с реальным уровнем точности измерений, а организационные мероприятия по МО часто проводятся безотносительно к состоянию технологического процесса, доли забракованной продукции в общем объёме выпуска и близости действительных значений показателей качества ГП к нормированным значениям. Обоснована необходимость устранения выявленных недостатков.

6. Разработана и внедрена в практику процедура аттестации методики измерений, предназначенной для контроля качества УВГП, с использованием стандартизованной методики, включающая экспериментальные и расчетные этапы с оценкой доверительных границ погрешности аттестуемых методик измерений.

7. Обоснована необходимость введения в основные стандарты на качество У В газов нормативных требований на допустимое содержание в них паров метанола - ингибитора гидратов, а также на содержание гликолей, применяемых для осушки газов от влаги. Обоснована необходимость повышения, в целом, уровня МО сертификационных испытаний УВГП. Предложено ввести в состав выполняемых проверок при сертификации оценку состояния МО производства, в частности, в части МО испытаний.

8. Показано, что традиционно в отечественной газохимии и нефтехимии в качестве основных сырьевых компонентов для производства УВ продукции всегда использовали продукты нефтепереработки. В перспективе же, как вытекает из данных представленных в этой диссертации, продукты нефтехимии будут успешно заменены продукцией газопереработки, цепочка технологических переделов которой во многих случаях обладает значительными экономическими преимуществами перед процессами переработки НП. Проиллюстрирована и обоснована складывающаяся новая структура Российского промышленного комплекса переработки УВ нефтегазовых ресурсов и нефтегазохимии.

9. Показано, что наиболее радикальным методом борьбы с НгБ-коррозией является удаление из УВ газа сероводорода и влаги. Обсуждены зарубежные подходы к проблеме борьбы с НгЗ-коррозией КМ, применяемых для добычи и транспортировки ПГ и НПГ с высоким содержанием НгБ. Показано, что в США и Канаде основные усилия направлены на очистку ПГ и НПГ от сероводорода с получением элементной серы и другой полезной продукции, например, серных бетонов. Отмечено, что, например, во Франции и ряде других стран применяют трубы из специальных низколегированных сталей, стойких к сульфидному растрескиванию. Приведены примеры марок и химического состава таких сталей.

Представлена широкая номенклатура различных стальных и титановых труб, выпускаемых отечественной промышленностью для газовой, нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслей промышленности.

10. Проведен анализ 2-х возможных подходов к формированию шкал качества (ступенчатой и непрерывной) в условиях, когда значение показателей качества определяются в результате измерений, а в качестве критерия оптимальности решения этих задач принят минимум потерь при взаимных расчетах между поставщиками и получателями УВ. Показано, что при использовании ступенчатой шкалы качества необходимо стремиться к тому, чтобы действительные значения показателя качества находились на достаточном удалении от границ интервалов. Применение непрерывной шкалы качества требует согласования результатов измерений при сдаче-приемке УВ продукции, установления единых обоснованных требований к точности контрольных и арбитражных измерений, проведения межлабораторных сличений и пр.

11. Показано, что требования рынка к повышению качества продукции, как одному из ключевых инструментов улучшения конкурентной позиции предприятий газовой отрасли, предполагают дальнейшее проникновение специализированных программных продуктов в испытательные лаборатории, занятые контролем качества этой продукции. Рассмотрены вопросы компьютеризации ИЛ при построении систем обеспечения качества испытаний УВГП и жидкой УВ продукции газовой отрасли, а также компьютерные программы, предназначенные для решения общелабораторных задач в таких испытательных лабораториях.

Рассмотрены вопросы компьютеризации современных испытательных приборов и автоматизации измерений при испытаниях УВ продукции. Представлены схемы автоматизированного сбора данных в ИЛ, а также компьютерные интерфейсы, позволяющие осуществлять текущий контроль и управление. Рассмотрены различные варианты проведения измерений при испытаниях, осуществляемых в автоматическом режиме.

12. Рассмотрены требования к качеству выпускаемых газовой отраслью конденсатов, ШФЛУ, сжиженных газов и смесей легких жидких УВ. Показано, что для характеристики качества этой УВ продукции обычно используются такие физико-химические показатели, как: давление насыщенных паров, УВ (и/или) фракционный состав, содержание меркаптановой серы и сероводорода, воды, щелочей, метанола, цвет и запах, однако единых нормативных требований на эту продукцию в газовой отрасли (в отличие от нефтепереработки) до сих пор не разработано.

Личный вклад автора. Основные научные результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором или при его непосредственном участии на всех этапах проведения исследований в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» и в производственных условиях - в командировках на предприятия газовой и нефтегазовой отраслей промышленности, а также при последующей обработке, интерпретации и теоретическом обобщении результатов экспериментов и формулировке выводов. Из 29 основных публикаций 11 работ (в том числе, монография) принадлежат автору лично. 13 работ опубликованы в перечне ведущих рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК Минобразования России. В научных трудах, опубликованных в соавторстве, автор участвовал в равной доле с остальными.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях: на Международной специализированной конференции «Топливный комплекс XXI века: перспективы развития на северо-западе», на Всероссийской конференции «Метрология и стандартизация нефтегазовой отрасли - 2011» и др.

Публикации результатов. Автором по теме диссертационной работы опубликованы 29 работ, в том числе 1 монография, 1 отчет по НИР, 17 статей, а также 10 докладов на конференциях.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованных источников в количестве 201 наименования и 6 приложений, изложенных на 139 страницах машинописного текста. Текст диссертации изложен на 222 страницах машинописного текста, содержит 46 таблиц, 38 иллюстраций и 62 формулы.

Заключение диссертации по теме «Метрология и метрологическое обеспечение», Окреилов, Михаил Владимирович

Вывод:

Поскольку экспериментально установлена существенная зависимость относительных молярных коэффициентов чувствительности от условий хроматографического анализа и состава анализируемой пробы КГН следует при аттестации ГСО-КГН использовать:

- значение молярной доли в качестве аттестуемой характеристики содержания компонентов в ГСО-КГН;

- при определении содержания постоянных газов и углеводородов метод абсолютной градуировки с применением эталонов сравнения с содержанием компонентов близким к аттестуемому значению;

- при определении содержания сернистых компонентов метод построения градуировочной зависимости логарифмического вида для каждого поддиапазона содержания компонента с применением эталонов сравнения с содержанием компонентов, соответствующим 20 % и 80 % от верхнего значения молярной доли поддиапазона.

С учетом потребностей потребителя предусмотреть возможность представления результатов аттестации ГСО-КГН в единицах молярной доли и/или единицах массовой доли.

Алгоритм пересчета значений молярной доли компонентов КГН в значения массовой доли

Пересчет значений проводят следующим образом:

- вычисляют массу т• каждого 7-го компонента КГН по формуле тГхгМ-г

Д.1.1) где М • - молярная масса7-го компонента, г/моль (см. таблицу Б.1); у

- вычисляют массу 1 моля КГН по формуле N

Д-1.2) где N - число компонентов образца КГН;

- вычисляют массовую долю ^ у-го компонента КГН, в %, по формуле

Ш: и; =-2.\00. . (Д.1.3)

Значение абсолютной расширенной неопределенности массовой доли компонентов КГН вычисляют по формуле

Результат измерений массовой доли у-го компонента в анализируемой пробе КГН записывают в виде

Д.1.4)

100

Д. 1.5)