Entwicklung des automatisierten Temperaturkontrollsystems der Hauptgasleitung

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 3092 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In diesem Artikel werden die Ergebnisse eines numerischen Experiments und einer Analyse von Temperaturfeldern (Kühler für Gas) unter Verwendung von Kühlelementen in der Fallstudie Gaspipeline vorgestellt. Eine Analyse der Temperaturfelder zeigte mehrere Prinzipien für die Bildung eines Temperaturfeldes, was auf die Notwendigkeit hinweist, beim Gaspumpen eine relative Temperatur aufrechtzuerhalten. Der Kern des Experiments bestand darin, eine unbegrenzte Anzahl von Kühlelementen an der Gasleitung zu installieren. Der Zweck dieser Studie bestand darin, zu bestimmen, in welchem Abstand es möglich ist, Kühlelemente für das optimale Gaspumpregime zu installieren, im Hinblick auf die Synthese des Steuergesetzes und die Bestimmung des optimalen Standorts und die Bewertung des Steuerfehlers in Abhängigkeit vom Standort Kühlelemente. Die entwickelte Technik ermöglicht die Bewertung des Regelfehlers des entwickelten Steuerungssystems.

In einer schnell wachsenden Wirtschaft ist die Frage, den Verbrauchern die erforderliche Menge an Rohstoffen zur Verfügung zu stellen, akut. Eine der Hauptrohstoffquellen sind Kohlenwasserstoffe, Erdgas und Öl. Verschiedene Materialien und Erdölprodukte scheinen im Zuge ihrer Verarbeitung die Bevölkerung des Planeten mit den notwendigen Produktionsprodukten zu versorgen. Mit der Entwicklung der Regionen des Hohen Nordens (Russland) besteht die Notwendigkeit, nach Technologien für die Gewinnung und den Transport von Kohlenwasserstoff-Rohstoffen über große Entfernungen in Gegenwart verschiedener chemischer Verbindungen, wie z. B. Paraffine, zu suchen. Die Gewinnung solcher Rohstoffe ist eine recht mühsame Aufgabe. Ein weiteres Problem ist der spätere Transport. Rohstoffe können nicht vollständig vor Ort verarbeitet werden. Daher gelangt das Rohprodukt in die Feldpipeline. Das Vorhandensein von Verunreinigungen im Rohprodukt hat einen erheblichen Einfluss auf die Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit des Rohrleitungstransports.

Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Wetterbedingungen im hohen Norden eine wichtige Rolle beim Transportprozess spielen. In Gebieten, in denen die durchschnittliche Jahrestemperatur zwischen −50 und +40 Grad Celsius schwanken kann, wird die Pipeline zusätzlich durch die physikalischen Eigenschaften des Metalls beeinflusst, dessen tägliche Dehnung und Kompression an den Rohrwänden zu Verformungen und Zerstörung der gesamten Pipeline führen kann .

Im Gegensatz zu Öl wird das Gas, wenn es sich bei dem betreffenden Kohlenwasserstoff-Rohstoff um Erdgas handelt und die Temperatur steigt, viskos, was den weiteren Transport durch die Pipeline erschwert.

Um diese Probleme zu beseitigen, wurden einerseits automatische Heizungen (für Öl) und die Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Temperatur (für Gas) in der Pipeline entwickelt. Eine solche Erwärmung der Pipeline ist jedoch lokaler Natur. Oftmals wird in einem bestimmten Teil der Rohrleitung ein Heizelement installiert, das diese auf einen hohen Wert erwärmt. Und dann erfolgt die Nacherwärmung über eine lange Distanz. Diese Methode zur Beheizung von Rohrleitungen ist nicht wirtschaftlich, da sie viel Energie verbraucht, was die Produktkosten in die Höhe treibt.

Eine alternative Anwendung besteht hingegen darin, die Rohrleitung unterirdisch zu verlegen. Diese Methode ist effizienter, da das Temperaturgleichgewicht über einen längeren Zeitraum erhalten bleibt. Die Umsetzung einer unterirdischen Verlegung ist jedoch aufgrund von Permafrostgebieten nicht immer möglich, was zu weiteren Bodensenkungen führt. Die Methode zur Verlegung des Heizkabels und die Methode zur Messung der thermischen Einwirkung auf die Rohrleitung sind seit langem bekannt.

Die erste Studie in dieser Richtung begann mit der Arbeit des bekannten Ölwissenschaftlers auf dem Gebiet der Erdölgeologie, Gubkin IM. In seinen Studien beschrieb er Methoden zur Beeinflussung der Lagerstätte und des Pumpen-Kompressor-Systems, um extraviskoses Öl aus der Lagerstätte zu extrahieren. Basierend auf seiner Methode haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt in ihren wissenschaftlichen Arbeiten alternative Methoden der thermischen Einwirkung auf die Pipeline beschrieben, um die rheologischen Eigenschaften der geförderten Rohstoffe zu verbessern. Der Autor von „Berechnungsmethoden und -algorithmen (Pipeline-Gastransport)“, Sardanashvili SA, beschrieb Berechnungsmethoden und -algorithmen in einer Form, die sich auf ihre praktische Anwendung bei der Entwicklung und dem Betrieb von Computersystemen für die Versandsteuerung des Erdgastransports und die Lösung von Problemen konzentriert der Planung und Sanierung von Gastransportsystemen. Lurie MV et al. untersuchten in einer Studie mit dem Titel „Modeling of Oil Product and Gas Pipeline Transportation“ die wichtigsten Öl- und Gaspipelines und Methoden der thermischen Beeinflussung dieser Pipelines1. Bei der Analyse der Literatur fehlen jedoch Methoden zur Berechnung des thermischen Regimes von Tanklagern und Pumpstationen.

In anderen Studien, durchgeführt von Lanzano, Erickson und Nikolaev, analysierten die Autoren die Pipeline-Infrastrukturen, stellten ihre Berechnungsmethoden unter verschiedenen Betriebsbedingungen vor und begründeten die Abhängigkeiten der hydraulischen Berechnung von Ölpipelines, die hochviskose Öle mit komplexen rheologischen Eigenschaften transportieren2, 3,4. Darüber hinaus haben Chizhevskaya et al. stellte ein System von Managemententscheidungen vor, das auf der Analyse der Arbeit von Disponenten in Öl- und Gastransportanlagen basiert. Die Autoren haben eine neue Technologie zur Überwachung der Wirksamkeit der Versandsteuerung bei der Sicherheitsüberwachung und methodischen Unterstützung mithilfe neuronaler Netzwerktechnologien und maschinellem Lernen in Öl- und Gasspeicheranlagen entwickelt5. In einer anderen Studie haben Zolotov et al. einen Korrekturfaktor zur Umrechnung des Verhältnisses von Sensorwiderstand zu Gaskonzentration ermittelt. Sie entwickelten ein Programm zum Zeichnen von Diagrammen auf der Grundlage von Parametern, die von Sensoren gelesen wurden, um eine bequeme Datenpräsentation zu ermöglichen, und später entwickelten sie ein Programm zum Sammeln und Speichern von Daten von Sensoren in einer Datei6. Darüber hinaus beschrieben Wu et al.7 Feldtests und präsentierten numerische Simulationen unter Verwendung der Timoschenko-Balkentheorie und der Explosionsspannungswellentheorie, die Schereffekte berücksichtigen. Darüber hinaus untersuchten die Autoren der Arbeit8,9,10 die Asphaltenablagerung in porösen Medien und prognostizierten Produktionsprofile auf der Grundlage von Unsicherheiten, was die Effizienz der Ölgewinnung verbesserte. Golik et al. stellte das mathematische Modell des Autors und die Genehmigung der Methodik für wärmetechnische Berechnungen von mehrschichtigen Ölpipelines vor. Ein Abschnitt einer Ölpipeline, der unter schwierigen geokryologischen Bedingungen verläuft, wird modelliert, eine Methode zur Berechnung thermischer Prozesse im System „Rohr-Boden“ beschrieben und die wichtigsten erzielten Ergebnisse beschrieben11. Die Autoren dieser Arbeiten12,13,14,15,16 zeigten die Bedeutung der Temperaturkontrolle von Öl und Gas während des Transports und der Lagerung. In17,18,19 stellten die Autoren fest, dass die aktuelle Zusammensetzung der Rohstoffe auch das Temperaturfeld beeinflusst. Diese Untersuchungen waren jedoch lokaler Natur und bezogen sich auf eine bestimmte Lagerstätte. Der systematische Charakter der Studie wurde erstmals in Tabelle 1 demonstriert. Diese Arbeiten zeigen die Möglichkeit, die Theorie von Systemen mit verteilten Parametern auf die Analyse komplexer Multiparametersysteme anzuwenden.

Die Papiere23,24 beschreiben die Aufgaben zur Gewährleistung des sicheren Betriebs von Öl- und Gaspipelines. In den anderen von Wissenschaftlern durchgeführten Studien analysierten sie die Notwendigkeit, ein thermisches Feldkontrollsystem für verschiedene Betriebsbedingungen und Pipeline-Betriebsbedingungen zu entwickeln25,26,27,28,29,30,31,32,33. So analysierten die Autoren in ihren Arbeiten34,35 das bestehende Problem der Sicherheit von Rohrleitungssystemen. Die auf einer Kombination aus Bayes’scher Netzwerkkonstruktion und Dempster-Scheifer-Evidenztheorie basiert, einer alternativen Methode zur Unfallbewertung von Fernleitungen, und die vorgeschlagene Struktur kann eine realistischere Analyse der Folgen von Unfällen ermöglichen, da sie die berücksichtigt bedingte Abhängigkeit im Unfallgeschehen. In dem Artikel36 versuchen die Autoren zu überprüfen, ob die Methode der Diskriminanzanalyse und -klassifizierung (DAC) verwendet werden kann, um die oben genannten Ziele zu erreichen und das zukünftige Verhalten von Netzwerkleitungen vorherzusagen. Als Fallstudien verwendeten die Autoren drei Pipelinenetze, die unterschiedliche Arten von Flüssigkeiten (Öl, Gas und Wasser) transportierten. Für jedes untersuchte Netzwerk wurde die DAC-Methode verwendet, um die Rohre anhand einfacher Variablen (Rohr-/Netzwerkeigenschaften) und dimensionsloser Verbindungsvariablen in zwei Gruppen (ausgefallen/erfolgreich) zu klassifizieren und mehrere Szenarien zu analysieren. In37 analysierten die Autoren das Problem des sicheren Betriebs von Gaspipelines unter Druck. Die Ergebnisse der Arbeit zeigten, dass das Unfallszenario als Einschränkung für die Bestimmung der Sicherheitsabstände in der Nähe von Erdgas- und Erdölgasleitungen berücksichtigt werden sollte. Die Ergebnisse wurden weiterverarbeitet, um Funktionsdiagramme zur schnellen Beurteilung von Unfällen zu erhalten. Die Autoren38 untersuchen in ihrer Arbeit, wie sich Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Faktoren auf die Ergebnisse der Analyse auswirken können. Diese Forschung soll Eigentümern von Transport- und Verteilungspipelineunternehmen beim Risikomanagement und bei der Entscheidungsfindung helfen, die multivariaten Konsequenzen zu berücksichtigen, die sich aus Pipelineausfällen ergeben können. In39 wird ein probabilistischer Ansatz des Bayesian Belief Network (BBN) zur internen Korrosionsgefährdungsbeurteilung für Öl- und Gaspipelines vorgestellt. Das entwickelte BBN-Modell kann gefährdete Abschnitte der Pipeline identifizieren und sie entsprechend einordnen, um die Effizienz einer fundierten Entscheidungsfindung zu verbessern. In einer Studie40 entwickelten die Autoren mathematische Modelle, die die Ursache des Ausfalls von Ölpipelines auf der Grundlage anderer Faktoren als Korrosion vorhersagen. Auf der Grundlage historischer Pipeline-Unfalldaten wurden Regressionsanalysen und künstliche neuronale Netzwerkmodelle entwickelt. Mit diesen Modellen können Betreiber Entscheidungen auf der Grundlage von Vorhersagen zu erwarteten Fehlerursachen treffen und notwendige Maßnahmen ergreifen, um Unfälle zu verhindern.

Darüber sprechen auch die Arbeiten41,42,43, deren Untersuchung die Autoren dieses Artikels dazu veranlasste, eine komplexe Analyse durchzuführen und eine numerische Methode zur Berechnung des Temperaturfeldes für einen effizienten und sicheren Betrieb zu entwickeln. So werden in den Werken44,45 Untersuchungen zur Analyse der Arbeit von Gaspipelines mittels der Methode der Fuzzy-Komplex-Schätzung bei der Konstruktion mathematischer Abhängigkeiten beschrieben. Sie spiegeln sich in46,47 wider. Die Autoren der Arbeiten48,49 führten auf der Grundlage der thermisch-hydraulischen Analyse und der Identifizierung von Mustern im Betrieb von Gaspipelines eine Analyse der Wolkentheorie beim Aufbau eines Modells von Gaspipelines durch.

Tabelle 2 präsentiert die Arbeit der Autoren, die das Problem des Kohlenwasserstofftransports mithilfe der Apparatur verteilter Systeme untersucht haben.

Beim Verfassen dieses Artikels wurden die Studien zum Betrieb von Offshore-Pipelines analysiert. In den Arbeiten56,57,58 bieten und zeigen die Autoren das Modell des Meerespipelinebetriebs, Risiken bei Höchstdruck sowie ökologische Folgen bei Unfällen. Die Arbeiten32,59,60, die die Überwachung des Betriebs von Gas- und Ölpipelines beschreiben, widmen sich dem ökologischen Problem. In Arbeiten61,62,63 werden Untersuchungen vorgestellt, die den Betrieb von Gasnetzen in einer Notfallsituation beschreiben, die Korrelation von Unfällen zur Beurteilung von Lecks wird entwickelt. Diese Forschungen werden von den Autoren von64,65,66 fortgesetzt, die qualitative und quantitative Methoden der Risikobewertung des Betriebs von Gaspipelines bei Änderungen ihrer Betriebsmodi untersuchen. Untersuchungen von Arbeiten67,68 zeigen die wirtschaftliche Komponente der Berechnungen des Gaspipelinebetriebs, den Vorteil der Erdgasversorgung durch Pipelines gegenüber der LNG-Versorgung sowie die Berechnung von Gaslecks bei Unfällen und die Schätzung dieses Wertes, der letztendlich den Erdgaspreis beeinflusst . Die Arbeiten69,70,71 führen den Leser in die Modellierung transienter Prozesse in Erdgaspipelines ein. Die Autoren der Arbeiten stellten numerische Simulationen und Simulationsergebnisse in Softwaresimulatoren vor. Diese Studien sind interessant, weil sie dem Leser den Vergleich der Ergebnisse und deren praktische Anwendung auf reale Rohrleitungssysteme zeigen. Ähnliche Studien spiegeln sich in den Arbeiten72,73,74 wider, in denen die Autoren Methoden der Spektralelement-Kleinste-Quadrate für nichtlineare hyperbolische Differentialgleichungen bei der Untersuchung des Gasflusses durch Rohrleitungen sowie das Auftreten der dispergierten Phase im Gasfluss vorstellten. Die Autoren von75,76,77 führen die Leser in die spektrale Methode der kleinsten Quadrate für zweidimensionale Maxwell-Gleichungen und Navier-Stokes-Gleichungen ein und erforschen die Entwicklung eines unterirdischen Pipeline-Überwachungssystems.

Die Autoren von Seung-Mok Shin et al.78 entwickelten ein Echtzeit-Überwachungssystem zur Erkennung von Fremdschäden an einer Gaspipeline. Zu diesem Zweck wurde eine drahtlose Datenübertragungsmethode verwendet und die Erfassungsorte waren durch die Umstände und die Kosten für die Installation von Sensoren begrenzt. Die Autoren entwickelten eine Berechnungs- und Überwachungssoftware unter Verwendung eines Algorithmus, der die Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen nutzt, und eines Datenbanksystems, das auf drahtlosen Kommunikations- und DSP-Systemen basiert. In den Arbeiten von Surana et al. und Cheng et al., 79,80, wurde eine raumzeitliche Finite-Elemente-Formulierung eindimensionaler instationärer Navier-Stokes-Gleichungen für kompressible Strömungen in einem Eulerschen Referenzsystem für die Hochgeschwindigkeitsgasdynamik entwickelt Gewährleistung des sicheren Betriebs von Gaspipelines für den Erdgastransport. Die Autoren Yuhua et al., Francis et al., Girgin et al. analysierten die Leistung von Fluidtransportpipelines bei der Schätzung von Ausfallwahrscheinlichkeiten mithilfe von Bayes'schen Glaubensnetzwerken und einem Fuzzy-Fehlerbaum81,82,83. Zum Abschluss der Literaturrecherche analysierten wir die Arbeiten der Autoren Guo et al., Han und Weng, Hossain und Muromachi84,85,86, die eine umfassende Risikobewertung von Fernleitungen mithilfe des Fuzzy-Petri-Netzmodells, einer integrierten Methode, demonstrieren im Bayes'schen Netzwerk. In Werken87,88 demonstrieren die Autoren die Methode der quantitativen Risikobewertung, die auf der Differenz der Netzabschnitte der Pipeline basiert, und untersuchen das Auftreten von Korrosion an den Abschnitten unterirdischer Gas- und Ölpipelines beim Transport von Öl und Gas.

Alle untersuchten Arbeiten zeigten die Bedeutung der Entwicklung eines eigenen Systems zur Steuerung des Pipeline-Temperaturfelds bei unterschiedlichen Regimewechseln und unterschiedlichen Arten von Kohlenwasserstoff-Rohstoffen, sowohl für Rohöl als auch für Erdgas.

Es ist wichtig zu verstehen, dass sich das Temperaturfeld in der Rohrleitung über ihre gesamte Länge ausbreitet, wobei die Dicke der Rohrleitung zu berücksichtigen ist. Daher ist es im mathematischen Modell notwendig, die räumliche Verteilung entlang der gesamten Rohrleitung sowie die thermische Wirkung auf diese zu berücksichtigen.

In dieser Studie wird die Verwendung von Heizelementen (Heizungen) vorgeschlagen, die die Funktion eines kontinuierlichen Heizelements erfüllen, das an allen Stellen der Rohrleitung ein Wärmefeld bildet. Dies führt jedoch nicht zu einer Überhitzung einiger Abschnitte der Rohrleitung, und es wird vorgeschlagen, diese Heizelemente durch wirtschaftlichere und praktischere zu ersetzen, beispielsweise Impuls- und Abschnittsheizelemente, was letztendlich einen wirtschaftlichen und praktischen Effekt haben wird. Der Einbau solcher Heizelemente trägt dazu bei, eine konstante Temperatur beim Öltransport und eine konstante Temperatur beim Gastransport aufrechtzuerhalten.

Daher wird eine Problemstellung für die Entwicklung eines räumlich verteilten Steuerungssystems für das Temperaturfeld einer Pipeline, die Kohlenwasserstoffrohstoffe transportiert, erstellt und basierend auf der Fourier-Reihe und der Green-Funktion eine mathematische Abhängigkeit dargestellt.

Der Artikel wird im Abschnitt „Das mathematische Modell“ mit einem kurzen Überblick über das mathematische Modell, einem numerischen Beispiel einer Problemstellung mit Anfangs- und Randbedingungen, fortgesetzt. Darüber hinaus werden zwei vereinfachte Modelle vom Original abgeleitet. Der Abschnitt „Numerische Auflösung“ zeigt die numerische Lösung der Leistungsmodellierungsmethode und die zur Integration dieser Modelle vorgeschlagene Systemformulierung sowie das jeweils für die Computerimplementierung zu verwendende Netz. Im Abschnitt „Ergebnisse“ werden die Ergebnisse der Studie vorgestellt, und schließlich werden die Ergebnisse der Studie im Abschnitt „Schlussfolgerungen“ vorgestellt.

Betrachten Sie eine Rohrleitung mit einem Innenradius R und einer Länge L aus einem Material, das durch die Wärmeleitfähigkeit des Materials a2 gekennzeichnet ist. Da das Rohmaterial in der Rohrleitung mit der Innenwand der Rohrleitung in Kontakt steht und seine Wärme an diese überträgt, entspricht die Temperatur der Rohrleitungswand der Temperatur des Rohmaterials. Somit kann davon ausgegangen werden, dass der Durchmesser der Rohrleitung gegen Null tendiert, aber nicht gleich Null ist. Somit kann die Pipeline in Abb. 1 grafisch dargestellt werden.

Schematische Darstellung der Pipeline.

R ist der Innenradius eines Rohres; \(\xi\) ist der Punkt (Koordinaten entlang der X-Achse) der Position des Heizelements;\(x\) ist der Punkt (koordiniert entlang der X-Achse) der Position des Temperatursensors; und L ist die Pipelinelänge.

Im statischen Modus ist die Gasleitung mit Impulskühlern nicht an die Stromversorgung angeschlossen. In diesem Modus wird den Kühlern kein elektrischer Strom zugeführt und es wird kein Temperaturfeld erzeugt. Alle am Metallrohr befindlichen Strukturelemente befinden sich im Ruhezustand auf der Temperatur des transportierten Mediums. Das Ergebnis der Verdichtung von Gas an Kompressorstationen ist eine Erhöhung seiner Temperatur am Auslass der Kompressorstation. Der Anfangswert der Gastemperatur und die Druckvolumina in der Rohrleitung bestimmen den Wert der Gastemperatur. Eine zu hohe Gastemperatur am Ausgang der Kompressorstation kann negative Folgen haben: Zerstörung der Isolierbeschichtung der Rohrleitung und auch zu hohen Spannungen in der Rohrwandung. Eine übermäßige Reduzierung des Prozessgasdrucks führt jedoch zu einem erhöhten Energieverbrauch für die Gaskompression (aufgrund des erhöhten Gasverbrauchs).

In kalten Klimazonen, in Gebieten mit gefrorenem Boden, sind Maßnahmen zur Abkühlung des Gases auf Minustemperaturen wichtig. Dies ist notwendig, um die Bildung geschmolzener Böden an den Rohrleitungswänden zu verhindern, da diese Erddurchdringung zu einer Verschiebung der Rohrleitung und damit zu einem Unfall führen kann. Wenn das Gas nicht abgekühlt wird, beginnt es sich auszudehnen und wird viskoser. Für den Transport wird zusätzliche Energie benötigt. Im dynamischen Modus wird die Gasleitung, an der die Sektionskühler mit dem Kältemittel installiert sind, an das Stromnetz angeschlossen. In diesem Modus wird ein Impulsstrom an die Kühlelemente X1,X2,X3…X8 angelegt. Ihre Temperatur sinkt. Mit der Zeit beginnen sie, die Temperatur des Rohrabschnitts und der gesamten Rohrleitung zu senken. Der Gastransport erfolgt weiterhin ohne zusätzliche Energie und es gibt keinen Einfluss des Temperaturfeldes am Boden. Im Vergleich zu heute eingesetzten Bodenstabilisatoren werden sowohl das Temperaturbildungsfeld als auch die Energiekosten reduziert. Es ist wichtig zu beachten, dass die Anzahl und Länge der Installation solcher Heizgeräte nicht begrenzt ist.

Um die Effizienz zu gewährleisten, werden die Kühlelemente und Sensoren in Reihe geschaltet. Sobald das System entworfen wurde, ist es offensichtlich, dass so viele Kühlelemente für die Aufrechterhaltung der Temperatur nicht praktikabel sind. Somit erhalten wir in dieser Studie eine Methode zur Bestimmung der optimalen (kleinsten) Anzahl von Gaskühlelementen, die die erforderliche Temperaturerhaltung gewährleisten. Dies wird erreicht, indem T(x,t) innerhalb von Tzad gehalten wird. In diesem Fall wird das anfängliche Temperaturfeld der Pipeline φ(x), ausgedrückt als Eingangsstoß U am Punkt x zum Zeitpunkt t, durch den folgenden Ausdruck beschrieben:

wobei \(\partial U\) eine Eingabeaktion U am Punkt x ist; \(\partial t\) ist die Zeit; \(\varphi (x)\) ist das anfängliche Temperaturfeld der Pipeline.

Und:

Können wir schließen, dass:

wobei G die diskreten Werte des Dimensionsgleichgewichts am Punkt y, x, t sind.

Mit der resultierenden Funktion können Sie den Wert des Temperaturfeldes in der Rohrleitung zu einem festen Zeitpunkt bestimmen, ohne den Durchmesser der Rohrleitung zu berücksichtigen. Um den Durchmesser zu berücksichtigen, betrachten Sie ein mathematisches Modell der folgenden Form:

wobei T die Temperatur am Punkt 0, l, r zum Zeitpunkt t ist.

Durch die Anwendung ähnlicher Transformationen erhalten wir eine Formel zur Berechnung der Temperatur an einem Rohrleitungspunkt:

wobei n die Termzahl der Fourier-Reihe ist; l ist die Stablänge; Es ist Zeit; x ist der Punkt (Koordinate entlang der X-Achse) des Standorts des Temperatursensors; ξ ist der Punkt (Koordinate entlang der X-Achse) der Position des Kühlelements; τ ist der Moment des Einschaltens der Punktquelle; und a2 ist der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Materials des Kontrollobjekts.

Es ist wichtig zu verstehen, dass das gebildete Temperaturfeld über die Zeit nicht konstant bleibt. Um die dynamischen Eigenschaften des gemessenen Punktes zu berücksichtigen, ist es notwendig, den zuvor gebildeten Impuls zu berücksichtigen.

Der Impuls jedes Kühlelements wirkt sich auf benachbarte Kühlelemente und Sensoren aus. Die Wirkung des ersten Temperaturimpulses auf die folgenden, sagen wir, drei Kühlelemente lässt sich wie folgt ausdrücken:

Und der Einfluss des angegebenen Impulses auf die Sensoren wird ausgedrückt als:

oder:

wobei \(j = 1,2,...d\).

Die Abhängigkeit beschreibt den Einfluss des ersten Aufpralls auf jeden weiteren unter Berücksichtigung des aktuellen Zustands:

In der Anfangsphase kühlt die maximal angegebene Leistung das homogene Objekt schnell ab und die Temperatur erreicht ihren Maximalwert. Mit der Zeit erreicht die Temperatur jedoch T = const bei t = τi. In diesem Moment wird der Regler aktiviert, der das Kühlelement ξi einschaltet und die Temperatur auf den eingestellten Modus erhöht, der zur Aufrechterhaltung der Erdgastemperatur erforderlich ist. In diesem Fall entspricht die Position des Kühlelements den Koordinaten des Sensors ξi. Lassen Sie uns ξi zum Zeitpunkt t = τi ausdrücken.

oder:

Oder allgemein:

Wenn wir den Leistungsfaktor des Kühlelements berücksichtigen und ihn in eine Fourier-Reihe erweitern, erhalten wir:

wobei \(n -\) ungerade Zahlen.

Also als \(S_{2} = \frac{1}{3}S_{1} ;\)\(S_{3} = \frac{1}{5}S_{1} ;\)\(.. ..;S_{n} = \frac{1}{n}S_{1}\),

Dann:

oder \(x = \frac{l}{4}\): \(\sin \frac{\pi }{l}x = \frac{\sqrt 2 }{2}\), \(\sin \frac {3\pi }{l}x = \frac{\sqrt 2 }{2}\), \(\sin \frac{5\pi }{l}x = - \frac{\sqrt 2 }{2} \), …, Dann

oder \(x = \frac{l}{6}\):\(\sin \frac{\pi }{l}x = \frac{1}{2}\), \(\sin \frac{3 \pi }{l}x = 1\), \(\sin \frac{5\pi }{l}x = \frac{1}{2}\), \(\sin \frac{7\pi } {l}x = - \frac{1}{2}\), \(\sin \frac{9\pi }{l}x = - 1\),…,

Infolge:

Die Genauigkeit der Regelung wird durch die Anzahl der Kühlelemente bestimmt, die sich am Regelobjekt befinden. Wenn Sie also die maximal mögliche Anzahl an Kühlelementen einstellen, umfasst das System nur die notwendigen. Nachdem das System in den stabilen Zustand übergegangen ist, werden nicht beteiligte Kühlelemente nicht mehr benötigt. Daher wird die Anzahl der verbleibenden Elemente am kleinsten – also optimal – sein.

Lassen Sie uns eine Modellierung des entwickelten Steuerungssystems für die Gastransportpipeline durchführen. Nehmen wir an, die Länge des Rohrleitungsabschnitts beträgt 10 m. Das Simulationsergebnis ist in Tabelle 3 und (Ergänzung 1 Pipeline-Temperaturfeld (3D-Fall)) dargestellt.

Wie aus den Daten in der Tabelle hervorgeht, werden Sektorspitzen beobachtet. Dies weist auf die Möglichkeit hin, einige Kühlelemente auszuschalten. Berechnen Sie Ort und Zeitpunkt der Anziehung der Kühlelemente. Auf ähnliche Weise erhalten wir eine zweidimensionale Gleichung.

Daraus geben wir die Koordinaten des Standorts des enthaltenen Kühlelements an.

Lassen Sie uns eine experimentelle Studie unter den gleichen Bedingungen durchführen. Das Ergebnis ist in Form von Tabelle 4 dargestellt.

Basierend auf den gewonnenen Daten lässt sich folgendes Fazit ziehen: Während die Temperatur in der Rohrleitung in einem 10 m langen Abschnitt auf 25 Grad gehalten wurde, wurden nur einige Heizungen durch das Steuerungssystem aktiviert. In dem Experiment, bei dem fünf Heizgeräte installiert waren, wurden nur die Kühler Nr. 2, 3 und 4 verwendet. In dem System, in dem sechs Heizgeräte installiert waren, wurden nur die Kühler Nr. 1, 8, 6 und 9 verwendet. Damit wurde die Wirtschaftlichkeit der entwickelten Technik experimentell nachgewiesen (Supplementary 2 Program 42 Cooler Sections).

Der Kern des Experiments bestand darin, eine unbegrenzte Anzahl von Kühlelementen am Untersuchungsobjekt zu installieren, die auch die Rolle von Kühlelementen spielen können, wenn sie unter den Bedingungen der Synthese des Regelgesetzes und der Bestimmung des Optimums an einer Gasleitung eingesetzt werden Lage der Kühlelemente. Der Aufbau eines Systems ist möglich, wenn ungenutzte Elemente entfernt werden. Das auf dieser Methodik basierende Automatisierungsschema muss den für Steuerungssysteme erforderlichen qualitativen und quantitativen Merkmalen entsprechen. Um die Qualität dieses Systems zu überprüfen, wurden mehrere Methoden entwickelt:

Technik zum Finden der optimalen Lage von Impulskühlungen oder Kühlelementen in Verbundsteuerobjekten. Mit dieser Technik können wir den optimalen Diskretisierungsschritt für zusammengesetzte und mehrschichtige Kontrollobjekte bestimmen.

Bewertung des Regelfehlers in Abhängigkeit von der Position des Heiz- oder Kühlelements unter Verwendung der entwickelten Technik, die die Bewertung des Regelfehlers des entwickelten Regelsystems ermöglicht.

Ziel der Forschungsarbeit war die Durchführung einer allgemeinen Literaturrecherche zum Problem des Gastemperaturverlusts beim Ferntransport und zur Verfügbarkeit eines Steuerungssystems zur Impulskühlung des Erdgasstroms durch Installation von Kühlsensoren an Gasleitungen.

Die Analyse der Daten ergab, dass es bisher keine vorgeschlagene Methode zur Berechnung von Wärme- und Energieverlusten entlang der Pipelinelänge sowie Technologien gibt, die zur Aufrechterhaltung des Temperaturregimes von Erdgas während des Ferntransports eingesetzt werden könnten. Die Autoren entwickelten ein System aus Heiz- und Kühlelementen mit dem Ziel, den Transport des Gasmediums ohne Verlust der Gastemperatur entlang der Pipeline zu verbessern, um die Bildung von Hydraten zu verhindern und eine Gasausdehnung zu verhindern, die den Transport erschweren würde. Die Autoren führten eine Analyse der dynamischen Temperaturfelder durch, die von Impulsabschnittsheizungen erzeugt werden. Sie präsentierten eine Synthese des Temperaturfeldsteuerungssystems basierend auf der Green-Funktion der Wand eines mehrteiligen Heiz-Kühlers unter Berücksichtigung der räumlichen Konfiguration des Rohrs. Sie präsentierten ein-, zwei- und dreidimensionale analytische Modelle steuerbarer Temperaturfelder mit Impulsheizelementen, die sich durch die Verwendung der Green-Funktion zur Beschleunigung der Prozesse im Vergleich zu Finite-Differenzen-Modellen auszeichnen. Dieses Modell zeichnet sich durch eine hierarchische Struktur, eine sinnvolle Auswahl an Input-, internen, messbaren und steuerbaren Größen aus, die es ermöglicht, ein mathematisches Modell des kontrollierten räumlichen Erwärmungsprozesses zu entwickeln.

Diese Studie präsentiert die Ergebnisse eines numerischen Experiments und einer Analyse von Temperaturfeldern (Kühler für Gas) unter Verwendung von Kühlelementen in der Fallstudie Gaspipeline. Eine Analyse der Temperaturfelder zeigte mehrere Prinzipien für die Bildung eines Temperaturfeldes, was auf die Notwendigkeit hinweist, beim Gaspumpen eine relative Temperatur aufrechtzuerhalten. Der Kern des Experiments bestand darin, eine unbegrenzte Anzahl von Kühlelementen an der Gasleitung zu installieren. Der Zweck dieser Studie bestand darin, zu bestimmen, in welchem Abstand es möglich ist, Kühlelemente für das optimale Gaspumpregime zu installieren, im Hinblick auf die Synthese des Steuergesetzes und die Bestimmung des optimalen Standorts und die Bewertung des Steuerfehlers in Abhängigkeit vom Standort Kühlelemente. Die entwickelte Technik ermöglicht die Bewertung des Regelfehlers des entwickelten Steuerungssystems. Die entwickelte Technik umfasst die Fähigkeit, den Fehler abzuschätzen, der sich aus den Koordinaten der Standorte der Kühlelemente und der Tatsache ergibt, dass sich ihre Standorte unterscheiden. Zu den wichtigsten Ergebnissen der Studie zählen die folgenden:

Es wurde ein mathematisches Modell der Rohrleitung erstellt, das es ermöglicht, jederzeit das Temperaturfeld der Rohrleitung unter Berücksichtigung des sich dynamisch ändernden Zustands zu bestimmen.

Zur Bestimmung des Einbauortes von Kühlelementen wurde eine Technik entwickelt, die es ermöglicht, die Einbauorte von Kühlelementen unter Berücksichtigung des vorgegebenen Temperaturregimes zu berechnen.

Um die Solltemperatur in der Gasleitung auf einem Abschnitt von 10 km auf 25 Grad zu halten, wurden von der Steuerung nur 4 von 6 Kühlelementen aktiviert. Daher wurde die wirtschaftliche Machbarkeit der entwickelten Methode zur Bestimmung der optimalen Temperatur für den Transport von Erdgas durch die Hauptpipeline experimentell nachgewiesen.

Die erzielten Ergebnisse wurden anhand verschiedener Rohrleitungsschemata validiert. Um die Funktionsqualität dieses Systems zu verbessern, wäre es sinnvoll, die Einschaltzeit der Kühlelemente zu bestimmen. Dadurch wird die Zeit für Überschreitungen des Rohrleitungssystems erheblich verkürzt und Energie beim Betrieb der Kompressorstation eingespart. Dies ist jedoch Gegenstand weiterer Forschung.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an den entsprechenden Autor.

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Referenzen herunterladen

Diese Forschung war eine persönliche Initiative der Autoren, die an den Experimenten teilgenommen haben. Vielen Dank an alle Teilnehmer der Forschung.

Abteilung für Erdöltechnik, Bergbauuniversität Sankt Petersburg, Sankt Petersburg, Russland

Vadim Fetisov

Abteilung für Systemanalyse und -management, Bergbauuniversität Sankt Petersburg, Sankt Petersburg, Russland

Jurij W. Iljuschin

Abteilung für Bau und Reparatur von Gas- und Ölpipelines und Speicheranlagen, Gubkin Russische Staatliche Universität für Öl und Gas (Nationale Forschungsuniversität), Moskau, Russland

Gennadii G. Wassiljew

Abteilung für Bau und Reparatur von Gas- und Ölpipelines und Speicheranlagen, Gubkin Russische Staatliche Universität für Öl und Gas (Nationale Forschungsuniversität), Moskau, Russland

Igor A. Leonovich

Universität Leipzig, 04109, Leipzig, Deutschland

Johannes Müller

Universität Shiraz, Shiraz, Iran

Masoud Riazi

Fachrichtung Chemieingenieurwesen, School of Engineering, University of KwaZulu-Natal, Howard College Campus, King George V Avenue, Durban, 4041, Südafrika

Amir H. Mohammadi

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YVI, VF-Methodik, Konzeptualisierung, Untersuchung; YVI-Visualisierung; VF Writing – Vorbereitung des Originalentwurfs; YVI-Software, Validierung; GGV, IAL Datenkuration; AHM, JM, MR Schnitt. Alle Autoren haben das Manuskript kritisch geprüft und genehmigt.

Korrespondenz mit Vadim Fetisov oder Yury V. Ilyushin.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Fetisov, V., Ilyushin, YV, Vasiliev, GG et al. Entwicklung des automatisierten Temperaturkontrollsystems der Hauptgasleitung. Sci Rep 13, 3092 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29570-4

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Eingegangen: 07. Juni 2022

Angenommen: 07. Februar 2023

Veröffentlicht: 22. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29570-4

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