Desarrollo del sistema automatizado de control de temperatura del gasoducto principal.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 3092 (2023) Citar este artículo

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Este artículo presenta los resultados de un experimento numérico y un análisis de campos de temperatura (enfriadores de gas) utilizando elementos refrigerantes en el gasoducto de estudio de caso. Un análisis de los campos de temperatura demostró varios principios para la formación de un campo de temperatura, lo que indica la necesidad de mantener una temperatura relativa para el bombeo de gas. La esencia del experimento fue instalar un número ilimitado de elementos de refrigeración en el gasoducto. El propósito de este estudio fue determinar a qué distancia es posible instalar elementos refrigerantes para el régimen óptimo de bombeo de gas, en cuanto a la síntesis de la ley de control y la determinación de la ubicación óptima y evaluación del error de control dependiendo de la ubicación del elementos de enfriamiento. La técnica desarrollada permite evaluar el error de regulación del sistema de control desarrollado.

En una economía en rápido crecimiento, la cuestión de proporcionar la cantidad necesaria de materias primas a los consumidores es grave. Una de las principales fuentes de materias primas son los hidrocarburos, el gas natural y el petróleo. Durante su procesamiento, aparecen diversos materiales y productos derivados del petróleo para proporcionar a la población del planeta los productos de producción necesarios. Con el desarrollo de las regiones del Extremo Norte (Rusia), surge la necesidad de buscar tecnologías para la extracción y transporte a largas distancias de materias primas de hidrocarburos en presencia de diversos compuestos químicos, como las parafinas. La extracción de este tipo de materias primas es una tarea bastante laboriosa. Otro problema es su posterior transporte. Las materias primas no se pueden procesar completamente in situ. Por lo tanto, el producto crudo ingresa al oleoducto del campo. La presencia de impurezas en el producto crudo tiene un impacto significativo en la durabilidad y resistencia al desgaste del transporte por tuberías.

También es importante señalar que las condiciones climáticas juegan un papel importante en el proceso de transporte en el extremo norte. En zonas donde la temperatura media anual puede oscilar entre -50 y + 40 grados centígrados, la tubería se ve afectada además por las propiedades físicas del metal, cuyo estiramiento y compresión diarios en las paredes de la tubería pueden provocar la deformación y destrucción de toda la tubería. .

A diferencia del petróleo, si la materia prima de hidrocarburos en cuestión es gas natural y la temperatura aumenta, el gas se vuelve viscoso, lo que dificulta su transporte a través del oleoducto.

Por un lado, para eliminar estos problemas, se ha desarrollado el calentamiento automático (para el petróleo) y el mantenimiento de una temperatura predeterminada (para el gas) en el oleoducto. Sin embargo, dicho calentamiento de la tubería es de naturaleza local. A menudo, se instala un elemento calefactor en una determinada parte de la tubería, calentándola a un valor alto. Y luego se aplica recalentamiento a larga distancia. Este método de calentar tuberías no es rentable porque consume mucha energía, lo que aumenta el coste del producto.

Por otro lado, una aplicación alternativa consiste en tender la tubería bajo tierra. Este método es más eficaz ya que el equilibrio de temperatura se mantiene durante un período más largo. Pero la colocación subterránea no siempre es posible debido a las áreas de permafrost, lo que provoca un mayor hundimiento del suelo. Desde hace mucho tiempo se conoce el método de tendido del cable calefactor y el método de medición del impacto térmico en la tubería.

El primer estudio en esta dirección comenzó con el trabajo del conocido científico en geología del petróleo Gubkin IM. En sus estudios describió métodos para influir en el yacimiento y el sistema de bomba-compresor para extraer petróleo extraviscoso del yacimiento. Basándose en su método, científicos de todo el mundo han descrito en sus artículos científicos métodos alternativos de impacto térmico en tuberías para mejorar las propiedades reológicas de las materias primas extraídas. El autor de "Métodos y algoritmos de cálculo (transporte de gas por ductos)", Sardanashvili SA, describió los métodos y algoritmos de cálculo de forma centrada en su aplicación práctica en el desarrollo y operación de sistemas informáticos para el control de despacho de transporte de gas natural, resolviendo problemas de diseño y reconstrucción de sistemas de transmisión de gas. Lurie MV et al., en un estudio titulado "Modelado del transporte de productos petrolíferos y gasoductos", examinaron los principales oleoductos y gasoductos y los métodos de influencia térmica sobre ellos1. Sin embargo, al analizar la literatura, no existen métodos para calcular el régimen térmico de los parques de tanques y las estaciones de bombeo.

En otros estudios realizados por Lanzano, Erickson y Nikolaev, los autores analizaron las infraestructuras de los oleoductos, presentaron sus métodos de cálculo en diversas condiciones de operación y fundamentaron las dependencias del cálculo hidráulico de los oleoductos que transportan petróleos de alta viscosidad con propiedades reológicas complejas2. 3,4. Además, Chizhevskaya et al. presentó un sistema de decisiones de gestión basado en el análisis del trabajo de los despachadores en las instalaciones de transporte de petróleo y gas. Los autores han desarrollado una nueva tecnología para monitorear la efectividad del control de despacho en el monitoreo de seguridad y soporte metodológico utilizando tecnologías de redes neuronales y aprendizaje automático en instalaciones de almacenamiento de petróleo y gas5. En otro estudio, Zolotov et al. determinó un factor de corrección para convertir la relación entre la resistencia del sensor y la concentración de gas. Desarrollaron un programa para trazar gráficos basados en parámetros leídos de sensores para una presentación conveniente de los datos, y luego desarrollaron un programa para recopilar y almacenar datos de sensores en un archivo6. Además, Wu et al.7 describieron pruebas de campo y presentaron simulaciones numéricas utilizando la teoría del haz de Timoshenko y la teoría de las ondas de tensión de explosión, que tienen en cuenta los efectos de corte. Además, los autores del artículo8,9,10 investigaron la deposición de asfaltenos en medios porosos y predijeron perfiles de producción basados en la incertidumbre, lo que mejoró la eficiencia de la recuperación de petróleo. Golik et al. presentó el modelo matemático del autor y la aprobación de la metodología para los cálculos de ingeniería térmica de oleoductos multicapa. Se modela una sección de un oleoducto que pasa en condiciones geocriológicas difíciles, se describe un método para calcular los procesos térmicos que ocurren en el sistema "tubería-suelo" y se describen los principales resultados obtenidos11. Los autores de estos trabajos12,13,14,15,16 mostraron la importancia del control de la temperatura del petróleo y del gas durante el transporte y almacenamiento. En17,18,19, los autores observaron que la composición actual de las materias primas también afecta el campo de la temperatura. Sin embargo, estos estudios fueron de carácter local en relación con un depósito en particular. La naturaleza sistemática del estudio se demostró por primera vez en la Tabla 1. Este trabajo muestra la posibilidad de aplicar la teoría de sistemas con parámetros distribuidos al análisis de sistemas multiparamétricos complejos.

Los artículos23,24 describen las tareas de garantizar el funcionamiento seguro de los oleoductos y gasoductos. En otros estudios realizados por académicos, analizaron la necesidad de desarrollar un sistema de control de campo térmico en diversas condiciones de operación y condiciones de operación de la tubería25,26,27,28,29,30,31,32,33. Así, en los trabajos34,35 los autores analizaron el problema existente de la seguridad de los sistemas de tuberías. El cual se basa en una combinación de la construcción de redes bayesianas y la teoría de la evidencia de Dempster-Scheifer, que es un método alternativo de evaluación de accidentes en tuberías troncales, y la estructura propuesta puede proporcionar un análisis más realista de las consecuencias de los accidentes, porque puede considerar la dependencia condicional en el proceso del accidente. En el artículo36, los autores intentan verificar si se puede utilizar el método de Análisis y Clasificación Discriminante (DAC) para lograr los objetivos antes mencionados y predecir el comportamiento futuro de las tuberías de la red. Como estudios de caso, los autores utilizaron tres redes de tuberías que transportaban diferentes tipos de fluidos (petróleo, gas y agua). Para cada red investigada, se utilizó el método DAC para clasificar las tuberías en dos grupos (fallidas/exitosas) en función de variables simples (características de la tubería/red) y variables de conexión adimensionales, y se analizaron varios escenarios. En37, los autores analizaron el problema de la operación segura de gasoductos bajo presión. Los resultados del trabajo mostraron que el escenario del accidente debe considerarse como una limitación para determinar las distancias de seguridad en las proximidades de los gasoductos y gasoductos. Los resultados se procesaron posteriormente para obtener diagramas funcionales para la evaluación rápida de accidentes. Los autores38 en su trabajo investigan cómo las interdependencias entre diferentes factores pueden afectar los resultados del análisis. Esta investigación tiene como objetivo ayudar a los propietarios de empresas de ductos de transporte y distribución en la gestión de riesgos y la toma de decisiones para considerar las consecuencias multivariadas que pueden resultar de fallas en los ductos. En 39, se presenta un enfoque probabilístico de la red de creencias bayesianas (BBN) para la evaluación del peligro de corrosión interna de oleoductos y gasoductos. El modelo BBN desarrollado puede identificar secciones vulnerables del oleoducto y clasificarlas en consecuencia para mejorar la eficiencia de la toma de decisiones informadas. En un estudio40, los autores desarrollaron modelos matemáticos que predicen la causa de la falla del oleoducto basándose en factores distintos de la corrosión. Se han desarrollado análisis de regresión y modelos de redes neuronales artificiales basándose en datos históricos de accidentes de oleoductos. Con estos modelos, los operadores pueden tomar decisiones basadas en predicciones de las causas esperadas de fallas y tomar las acciones necesarias para prevenir accidentes.

Sobre esto también hablan los trabajos41,42,43, cuyo estudio llevó a los autores de este artículo a realizar un análisis complejo y desarrollar un método numérico para calcular el campo de temperatura para un funcionamiento eficiente y seguro. Así, en los trabajos44,45 se describen investigaciones sobre el análisis del trabajo de los gasoductos mediante el método de estimación compleja difusa durante la construcción de dependencias matemáticas. Se reflejan en46,47. Los autores de los trabajos48,49 basándose en el análisis termohidráulico y la identificación de patrones en el funcionamiento de los gasoductos realizaron un análisis de la teoría de las nubes en la construcción de un modelo de gasoductos.

La Tabla 2 presenta el trabajo de los autores que estudiaron el problema del transporte de hidrocarburos utilizando el aparato de sistemas distribuidos.

Al redactar este artículo se han analizado los estudios relacionados con la operación de ductos marinos. En sus trabajos56,57,58 los autores ofrecen y muestran el modelo de operación de tuberías marinas, los riesgos que surgen a presión ultraalta y también las consecuencias ecológicas en caso de accidentes. Los trabajos32,59,60, que describen el seguimiento del funcionamiento de los gasoductos y oleoductos, están dedicados al problema ecológico. En los trabajos61,62,63 se presentan investigaciones que describen el funcionamiento de las redes de gas en situación de emergencia, se desarrolla la correlación de accidentes para evaluar fugas. Estas investigaciones son continuadas por los autores de64,65,66, quienes investigan métodos cualitativos y cuantitativos de evaluación de riesgos de la operación de gasoductos al cambiar sus modos de operación. Las investigaciones de las obras67,68 muestran el componente económico de los cálculos del funcionamiento del gasoducto, la ventaja del suministro de gas natural por gasoductos sobre el suministro de GNL, así como el cálculo de las fugas de gas en caso de accidente y la estimación de este valor, que finalmente influye en el precio del gas natural. . Los trabajos69,70,71 introducen al lector en el modelado de procesos transitorios en gasoductos naturales. Los autores de los trabajos presentaron simulación numérica y resultados de simulación en simuladores de software. Estos estudios son interesantes porque muestran al lector la comparación de resultados y su aplicación práctica en sistemas de tuberías reales. Estudios similares se reflejan en artículos72,73,74, en los que los autores presentaron métodos de mínimos cuadrados de elementos espectrales para ecuaciones diferenciales hiperbólicas no lineales en el estudio del flujo de gas a través de tuberías, así como la aparición de la fase dispersa en el flujo de gas. Los autores de 75, 76, 77 presentan a los lectores el método de mínimos cuadrados espectrales para ecuaciones bidimensionales de Maxwell y ecuaciones de Navier-Stokes e investigan el desarrollo de un sistema de monitoreo de tuberías subterráneas.

Los autores de Seung-Mok Shin et al.78 desarrollaron un sistema de monitoreo en tiempo real para detectar daños extraños en un gasoducto. Para ello se utilizó un método de transmisión de datos inalámbrico y los lugares de detección estaban limitados por las circunstancias y el coste de instalación de los sensores. Los autores desarrollaron un software de cálculo y monitorización mediante un algoritmo que utiliza la velocidad de propagación de ondas acústicas y un sistema de base de datos basado en comunicación inalámbrica y sistemas DSP. En los trabajos de Surana et al., y Cheng et al., 79,80, se desarrolló una formulación espaciotemporal de elementos finitos de ecuaciones unidimensionales inestables de Navier-Stokes para flujo compresible en un marco de referencia euleriano para dinámica de gases de alta velocidad para Garantizar la operación segura de los gasoductos para el transporte de gas natural. Los autores Yuhua et al., Francis et al., Girgin et al., analizaron el desempeño de las tuberías de transporte de fluidos al estimar las probabilidades de falla utilizando redes de creencias bayesianas y un árbol de falla difuso81,82,83. Al concluir la revisión de la literatura, analizamos los trabajos de los autores Guo et al., Han y Weng, Hossain y Muromachi84,85,86 quienes demuestran una evaluación integral de riesgos de tuberías troncales utilizando el modelo difuso de red de Petri, un método integrado basado en en la red bayesiana. En sus trabajos87,88 los autores demuestran el método de evaluación cuantitativa de riesgos, que se basa en la diferenciación de las secciones de la red del oleoducto y examinan la aparición de corrosión en las secciones de los gasoductos y oleoductos subterráneos durante el transporte de petróleo y gas.

Todos los trabajos examinados demostraron la importancia de desarrollar nuestro propio sistema para controlar el campo de temperatura del oleoducto con diferentes cambios de régimen y diferentes tipos de materia prima de hidrocarburos, tanto para petróleo crudo como para gas natural.

Es importante comprender que el campo de temperatura se propaga en la tubería a lo largo de toda su longitud, teniendo en cuenta el espesor de la tubería. Por lo tanto, en el modelo matemático es necesario considerar la distribución espacial a lo largo de toda la tubería, así como el efecto térmico sobre la misma.

En este estudio se propone utilizar elementos calefactores (calentadores) que realizan la función de un elemento calefactor continuo que forma un campo térmico en todos los puntos de la tubería. Sin embargo, esto no conduce al sobrecalentamiento de algunos tramos de la tubería, y se propone reemplazar estos elementos calefactores por otros más económicos y prácticos, como los de impulso y seccionales, que en última instancia tendrán un efecto económico y práctico. La instalación de dichos elementos calefactores ayudará a mantener una temperatura constante durante el transporte de petróleo y una temperatura constante durante el transporte de gas.

Por lo tanto, se genera un planteamiento del problema para el desarrollo de un sistema de control distribuido espacialmente para el campo de temperatura de un ducto que transporta materias primas de hidrocarburos, y con base en la serie de Fourier y la función de Green, se presenta una dependencia matemática.

El artículo continúa en la sección "El modelo matemático" con una breve revisión del modelo matemático, un ejemplo numérico de planteamiento de un problema con condiciones iniciales y de frontera. Además, del original se derivan dos modelos simplificados. En el apartado "Resolución numérica" se muestra la solución numérica del método de modelado de rendimiento y la formulación del sistema propuesto para la integración de estos modelos, junto con la malla a utilizar para la implementación informática en cada caso. La sección "Resultados" presenta los resultados del estudio y, finalmente, los hallazgos del estudio se presentan en la sección "Conclusiones".

Considere una tubería con un radio interior R y una longitud L hecha de un material caracterizado por la difusividad térmica del material a2. Dado que la materia prima en la tubería está en contacto con la pared interior de la tubería, transfiriéndole su calor, la temperatura de la pared de la tubería será igual a la temperatura de la materia prima. Por tanto, se puede considerar que el diámetro de la tubería tiende a cero, pero no es igual a cero. Así, la tubería se puede representar gráficamente en la Fig. 1.

Representación esquemática del oleoducto.

R es el radio interior de una tubería; \(\xi\) es el punto (coordenado a lo largo del eje X) de la ubicación del elemento calefactor;\(x\) es el punto (coordenado a lo largo del eje X) de la ubicación del sensor de temperatura; y L es la longitud de la tubería.

En modo estático, el gasoducto con refrigeradores de sección de impulsos no está conectado a la red eléctrica. En este modo, no se suministra corriente eléctrica a los refrigeradores y no se genera ningún campo de temperatura. Todos los elementos estructurales ubicados en la tubería metálica están en reposo a la temperatura del medio transportado. El resultado de comprimir gas en estaciones compresoras es un aumento de su temperatura en la salida de la estación compresora. El valor inicial de la temperatura del gas y los volúmenes de presión en la tubería determinan el valor de la temperatura del gas. Una temperatura demasiado alta del gas a la salida de la estación compresora puede tener consecuencias negativas: destrucción del revestimiento aislante de la tubería y también provocar altas tensiones en las paredes de la tubería. Sin embargo, una reducción excesiva de la presión del gas de proceso conduce a un mayor consumo de energía para la compresión del gas (debido al mayor consumo de gas).

En climas fríos, en zonas con suelo helado, son importantes medidas para enfriar el gas a temperaturas bajo cero. Esto es necesario para evitar la formación de tierra derretida alrededor de las paredes de la tubería, ya que esta penetración en el suelo puede provocar el desplazamiento de la tubería y provocar un accidente. Si el gas no se enfría, comenzará a expandirse y se volverá más viscoso. Se necesitará energía adicional para transportarlo. En modo dinámico, el gasoducto en el que están instalados los refrigeradores seccionales con refrigerante está conectado a la red eléctrica. En este modo, se aplica una corriente de pulso a los elementos de refrigeración X1, X2, X3…X8. Su temperatura disminuye. Con el tiempo, comienzan a reducir la temperatura de la sección de la tubería y de la tubería en su conjunto. El gas continúa siendo transportado sin energía adicional y no hay influencia del campo de temperatura en el suelo. En comparación con los estabilizadores de suelos que se utilizan hoy en día, se reduce el campo de formación de temperatura y los costes energéticos. Es importante tener en cuenta que el número y la duración de la instalación de dichos calentadores no están limitados.

Los elementos de refrigeración y los sensores se colocarán en serie para garantizar la eficiencia. Una vez diseñado el sistema, es evidente que tener tantos elementos refrigerantes no resulta práctico para mantener la temperatura. Por lo tanto, en este estudio obtendremos un método para determinar el número óptimo (más pequeño) de elementos de enfriamiento de gas que proporcionarán el mantenimiento de temperatura requerido. Esto se hará manteniendo T(x,t) dentro de Tzad. En este caso, el campo de temperatura inicial de la tubería φ(x), expresado como el impacto de entrada U en el punto x en el tiempo t, se describirá mediante la siguiente expresión:

donde \(\partial U\) es una acción de entrada U en el punto x; \(\partial t\) es tiempo; \(\varphi (x)\) es el campo de temperatura inicial de la tubería.

Podemos concluir que:

donde G son los valores discretos del equilibrio dimensional en el punto y, x, t.

La función resultante le permite determinar el valor del campo de temperatura en la tubería en un momento fijo en el tiempo sin considerar el diámetro de la tubería. Para tener en cuenta el diámetro, considere un modelo matemático de la siguiente forma:

donde T es la temperatura en el punto 0, l, r, en el momento t.

Aplicando transformaciones similares, obtenemos una fórmula para calcular la temperatura en un punto de la tubería:

donde n es el número del término de la serie de Fourier; l es la longitud de la varilla; Ya es hora; x es el punto (coordenada a lo largo del eje X) de la ubicación del sensor de temperatura; ξ es el punto (coordenada a lo largo del eje X) de ubicación del elemento de enfriamiento; τ es el momento de conexión de la fuente puntual; ya2 se le da el coeficiente de difusividad térmica del material del objeto de control.

Es fundamental comprender que el campo de temperatura formado no permanece constante en el tiempo. Para considerar las características dinámicas del punto medido, es necesario considerar el impulso formado previamente.

El pulso de cada elemento de refrigeración afectará a los sensores y elementos de refrigeración vecinos. El efecto del primer pulso de temperatura sobre los siguientes tres elementos de enfriamiento se expresará como:

Y la influencia del impulso especificado en los sensores se expresa como:

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

La dependencia describe la influencia del primer impacto en cada uno posterior, considerando el estado actual:

En la etapa inicial, la potencia máxima especificada enfría rápidamente un objeto homogéneo y la temperatura alcanza su valor máximo. Sin embargo, con el tiempo, la temperatura alcanza T = constante en t = τi. En este momento, se activa el regulador, que enciende el elemento de enfriamiento ξi y eleva la temperatura al modo establecido necesario para mantener la temperatura del gas natural. En este caso, la ubicación del elemento refrigerante corresponderá a las coordenadas del sensor ξi. Expresemos ξi en el instante t = τi.

O en una vista general:

Al considerar el factor de potencia del elemento de enfriamiento y expandirlo en una serie de Fourier, obtenemos:

donde \(n -\) números impares.

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

entonces:

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

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

Como resultado:

La precisión de la regulación estará determinada por el número de elementos de refrigeración ubicados en el objeto de control. Así, al establecer el máximo número posible de elementos refrigerantes, el sistema incluirá solo los necesarios. Una vez que el sistema entre en estado estable, no se necesitarán elementos de refrigeración que no estuvieran involucrados. Por lo tanto, el número de elementos restantes será el más pequeño, es decir, el óptimo.

Realicemos el modelado del sistema de control desarrollado para el gasoducto. Digamos que la longitud del tramo de tubería es de 10 m. El resultado de la simulación se presenta en la Tabla 3 y (campo complementario 1 de temperatura de la tubería (caso 3D)).

Como puede verse en los datos de la tabla, se observan picos sectoriales. Esto indica la posibilidad de apagar algunos elementos de refrigeración. Calcule el lugar y tiempo de atracción de los elementos refrigerantes. De manera similar, obtenemos una ecuación bidimensional.

De donde expresamos las coordenadas de la ubicación del elemento refrigerante incluido.

Realicemos un estudio experimental en las mismas condiciones. El resultado se presenta en forma de Tabla 4.

De los datos obtenidos se puede sacar la siguiente conclusión: mientras se mantenía la temperatura en la tubería a 25 grados en un tramo de 10 m de longitud, el sistema de control sólo activaba algunos calentadores. En el experimento en el que se instalaron cinco calentadores, sólo se utilizaron los refrigeradores números 2, 3 y 4. En el sistema donde se instalaron seis calentadores, solo se utilizaron los refrigeradores números 1, 8, 6 y 9. Así, se demostró experimentalmente la viabilidad económica de la técnica desarrollada (Programa Suplementario 2 42 secciones más frías).

La esencia del experimento fue instalar un número ilimitado de elementos de enfriamiento en el objeto en estudio, que también pueden desempeñar el papel de elementos de enfriamiento si se usan en un gasoducto bajo las condiciones de síntesis de la ley de control y determinación de la óptima. Ubicación de los elementos de refrigeración. Es posible construir un sistema si se eliminan los elementos no utilizados. El esquema de automatización construido con base en esta metodología debe cumplir con las características cualitativas y cuantitativas requeridas para los sistemas de control. Para comprobar la calidad de este sistema se han desarrollado varios métodos:

Técnica para encontrar la ubicación óptima de elementos de enfriamiento o enfriamiento por impulsos en objetos de control compuestos. Esta técnica nos permite determinar el paso de discretización óptimo para objetos de control compuestos y multicapa.

Evaluación del error de control en función de la ubicación del elemento calefactor o refrigerante mediante la técnica desarrollada, que permite evaluar el error de regulación del sistema de control desarrollado.

El objetivo del trabajo de investigación fue realizar una revisión generalizada de la literatura sobre el problema de la pérdida de temperatura del gas durante el transporte a larga distancia, la disponibilidad de un sistema de control para el enfriamiento por impulsos del flujo de gas natural mediante la instalación de sensores de enfriamiento en los gasoductos.

El análisis de los datos mostró que hasta la fecha no existe un método propuesto para calcular las pérdidas de calor y energía a lo largo del gasoducto, así como tecnologías que podrían aplicarse para mantener el régimen de temperatura del gas natural durante el transporte a larga distancia. Los autores desarrollaron un sistema de elementos de calentamiento y enfriamiento destinado a mejorar el transporte del medio gaseoso sin pérdida de temperatura del gas a lo largo del gasoducto para evitar la formación de hidratos, así como evitar la expansión del gas que complicaría su transporte. Los autores llevaron a cabo un análisis de los campos de temperatura dinámicos generados por los calentadores de sección de pulso. Presentaron una síntesis del sistema de control de temperatura del campo basándose en la función de Green de la pared de un calentador-enfriador de varias secciones, teniendo en cuenta la configuración espacial de la tubería. Presentaron modelos analíticos unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales de campo de temperatura controlable con elementos calefactores pulsados, que se distinguen por el uso de la función de Green para acelerar los procesos en comparación con los modelos de diferencias finitas. Este modelo se caracteriza por una estructura jerárquica, una elección razonable de cantidades de entrada, internas, medibles y controlables, lo que permite desarrollar un modelo matemático del proceso de calentamiento espacial controlado.

Este estudio presenta los resultados de un experimento numérico y un análisis de campos de temperatura (enfriadores de gas) utilizando elementos refrigerantes en el gasoducto de estudio de caso. Un análisis de los campos de temperatura demostró varios principios para la formación de un campo de temperatura, lo que indica la necesidad de mantener una temperatura relativa para el bombeo de gas. La esencia del experimento fue instalar un número ilimitado de elementos de refrigeración en el gasoducto. El propósito de este estudio fue determinar a qué distancia es posible instalar elementos refrigerantes para el régimen óptimo de bombeo de gas, en cuanto a la síntesis de la ley de control y la determinación de la ubicación óptima y evaluación del error de control dependiendo de la ubicación del elementos de enfriamiento. La técnica desarrollada permite evaluar el error de regulación del sistema de control desarrollado. La técnica desarrollada incluye la capacidad de estimar el error dado por las coordenadas de las ubicaciones de los elementos de enfriamiento y el hecho de que sus ubicaciones difieren. Los principales resultados del estudio incluyen los siguientes:

Se ha obtenido un modelo matemático de la tubería que permite determinar el campo de temperatura de la tubería en cualquier momento, considerando el estado que cambia dinámicamente.

Se ha obtenido una técnica para determinar la ubicación de instalación de elementos de refrigeración que permite calcular las ubicaciones de instalación de elementos de refrigeración, teniendo en cuenta el régimen de temperatura especificado.

Para mantener la temperatura establecida en el gasoducto a 25 grados en un tramo de 10 km, el sistema de control activó solo 4 de los 6 elementos de refrigeración. Por lo tanto, se demostró experimentalmente la viabilidad económica del método desarrollado para determinar la temperatura óptima para transportar gas natural a través del gasoducto principal.

Los resultados obtenidos fueron validados utilizando varios esquemas de tuberías. Para mejorar la calidad del funcionamiento de este sistema, sería útil determinar el tiempo de activación de los elementos refrigerantes. Esto reducirá significativamente el tiempo de sobrepaso del sistema de tuberías y ahorrará energía en el funcionamiento de la estación compresora. Sin embargo, este es el tema de futuras investigaciones.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y sus archivos de información complementaria. Solicitar más detalles al autor correspondiente.

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Descargar referencias

Esta investigación fue una iniciativa personal de los autores que participaron en los experimentos. Gracias a todos los participantes en la investigación.

Departamento de Ingeniería del Petróleo, Universidad de Minería de San Petersburgo, San Petersburgo, Rusia

Vadim Fetisov

Departamento de Análisis y Gestión de Sistemas, Universidad de Minería de San Petersburgo, San Petersburgo, Rusia

Yuri V. Ilyushin

Departamento de Construcción y Reparación de Gasoductos y Oleoductos e Instalaciones de Almacenamiento, Universidad Estatal Rusa de Petróleo y Gas Gubkin (Universidad Nacional de Investigación), Moscú, Rusia

Gennadii G. Vasiliev

Ígor A. Leónovich

Universidad de Leipzig, 04109, Leipzig, Alemania

Juan Muller

Universidad de Shiraz, Shiraz, Irán

Masoud Riazi

Disciplina de Ingeniería Química, Escuela de Ingeniería, Universidad de KwaZulu-Natal, Howard College Campus, King George V Avenue, Durban, 4041, Sudáfrica

Amir H. Mohammadi

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YVI, VF Metodología, Conceptualización, Investigación; Visualización YVI; Escritura VF: preparación del borrador original; Software YVI, Validación; GGV, curación de datos de IAL; AHM, JM, MR Edición. Todos los autores revisaron y aprobaron críticamente el manuscrito.

Correspondencia a Vadim Fetisov o Yury V. Ilyushin.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Fetisov, V., Ilyushin, YV, Vasiliev, GG et al. Desarrollo del sistema automatizado de control de temperatura del gasoducto principal. Informe científico 13, 3092 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29570-4

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Recibido: 07 de junio de 2022

Aceptado: 07 de febrero de 2023

Publicado: 22 de febrero de 2023

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

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