Температура играет важную роль в проекте нефтепровода. Ниже так называемой точки помутнения твердый парафин ускоряет от сырой нефти и начинает накапливаться вдоль стенной внутренней части канала. Восковые депозиты ограничивают нефтяной поток, увеличивая требования к питанию конвейера. При еще более низких температурах — ниже точки потока нефти — эти кристаллы становятся столь многочисленными, что, если позволено заморозить, смазывают, становится полутвердым.
В холодных климатах проводящие потери тепла через стену канала могут быть значительными. Чтобы сохранить нефть в ее благоприятном диапазоне температур, конвейеры включают некоторые меры по контролю температуры. Нагревание станций, помещенных с промежутками вдоль конвейера, помогает подогреть нефть. Изоляционный лайнер, покрывающий стенную внутреннюю часть канала, помогает задержать скорость охлаждения нефти.
Вязкое рассеяние обеспечивает дополнительный источник тепла. Как смежные пакеты нефтяного потока друг против друга, они несут энергетические потери, которые появляются в форме тепла. Нагревающийся эффект является небольшим, но достаточным к, по крайней мере, частично смещению проводящие потери тепла, которые происходят через изоляционный лайнер.
В определенной толщине изоляции вязкое рассеяние точно балансирует проводящую потерю тепла. Нефть остается при своей идеальной температуре в конвейерной длине, и потребность в нагревании станций уменьшается. С точки зрения проекта эта толщина изоляции оптимальна.
В этом примере вы моделируете изолированный сегмент нефтепровода. Вы затем запускаете скрипт оптимизации, чтобы определить оптимальную толщину изоляции. Этот пример основан на модели Simscape™ ssc_tl_oil_pipeline.
Физическая система в этом примере является сегментом нефтепровода. Изоляция выравнивает стенную внутреннюю часть канала, в то время как почва покрывает стенной внешний вид канала, задерживая проводящую потерю тепла. Предположение упрощения сделано этим, физическая система симметрична о центральной линии канала.
Поток через конвейерный сегмент принят полностью разработанный: скоростной профиль плавной нефти остается постоянным вдоль конвейерной длины. Кроме того, нефть принята ньютонова и сжимаемая: напряжение сдвига пропорционально деформации сдвига, и массовая плотность меняется и в зависимости от температуры и в зависимости от давления.
Нефть вводит конвейерный сегмент при фиксированной температуре, TUpstream, с фиксированной массовой скоростью потока жидкости, Vdot * rho0, где:
Vdot является объемным расходом нефти через канал.
rho0 является массовой плотностью нефти, вводящей конвейерный сегмент.
В конвейерном сегменте вязкое рассеяние нагревает плавную нефть, в то время как тепловая проводимость через стену канала охлаждает его. Баланс между этими двумя процессами управляет температурой нефти, выходящей из конвейерного сегмента.
Количество тепла, полученное через вязкое рассеяние, зависит частично от нефтяной вязкости и массовой скорости потока жидкости. Чем больше эти количества, тем больше вязкий приток теплоты — и более теплое, нефть имеет тенденцию добираться. Количество тепла, потерянное через тепловую проводимость, зависит частично от тепловых сопротивлений изоляции, стены канала и слоя почвы. Чем меньше тепловые сопротивления, тем больше проводящая потеря тепла — и вентилятор, нефть имеет тенденцию добираться.
Используя аналогию электрической схемы, объединенное тепловое сопротивление трех существенных слоев, расположенных последовательно, равняется сумме отдельных тепловых сопротивлений:
R, объединенный = стена R + R ins. + почва R
Принятие стены канала является тонким и ее материал хороший тепловой проводник, можно безопасно проигнорировать тепловое сопротивление стены канала. Объединенное тепловое сопротивление является затем просто суммой изоляции и вкладами почвы, R ins. и почва R.
Тепловое сопротивление изолирующего слоя прямо пропорционально к его толщине, (D2-D1)/2, и обратно пропорционально своей теплопроводности, kInsulant. Аналогично, тепловое сопротивление слоя почвы прямо пропорционально к его толщине, z, и обратно пропорционально своей теплопроводности, kSoil.
Данные показывают соответствующие размерности конвейерного сегмента. Имена переменных совпадают с заданными в модели. Внутренний диаметр изоляции, D1, является также гидравлическим диаметром конвейерного сегмента.
Модель Simscape ssc_tl_oil_pipeline представляет изолированный сегмент нефтепровода, проложила метрополитен под землей. Чтобы открыть эту модель, в командной строке MATLAB®, вводят ssc_tl_oil_pipeline. Данные показывают модель.
Блок Pipe (TL) представляет физическую систему в этом примере, т.е. сегмент нефтепровода. Порт A представляет свое входное отверстие и порт B его выход. Порт W представляет тепловую проводимость через стену канала. Блок составляет вязкое нагревание.
Блок Mass Flow Rate Source (TL) обеспечивает скорость потока жидкости через канал. От восходящего сегмента блокируют действия как температурный источник для входного отверстия канала, в то время как К нисходящему сегменту блокируют действия как температурный приемник при выходе канала.
Проводимость через изоляционный материал и Проводимость через блоки почвы представляют тепловую проводимость через слои изоляционного материала и почвы, соответственно. Эти блоки появляются в библиотеке Simscape Thermal как Проводящая Теплопередача. Блок подсистемы Почвы обеспечивает температурное граничное условие в поверхности почвы.
Блок Thermal Liquid Settings (TL) обеспечивает физические свойства нефти, выраженной как двухсторонние интерполяционные таблицы, содержащие зависимость температуры и давления свойств. Таблица суммирует эти блоки.
| Блок | Описание |
|---|---|
| Передайте (TL) по каналу | Сегмент Pipeline |
| Проводимость через изоляционный материал | Изоляционная тепловая проводимость |
| Проводимость через почву | Почва тепловая проводимость |
| Почва (Подсистема) | Температура почвы |
| От восходящего сегмента | Передайте входной приемник температуры по каналу |
| К нисходящему сегменту | Передайте приемник выходной температуры по каналу |
| Массовый источник скорости потока жидкости (TL) | Нефтяная массовая скорость потока жидкости |
| Тепловые жидкие настройки (TL) | Нефтяные термодинамические свойства |
Чтобы анализировать производительность сегмента нефтепровода, моделируйте модель. Осциллограф Сравнения строит восходящие и нисходящие температуры масла. Откройте этот осциллограф. Толщина изоляции около ее оптимального значения, приводящего только к небольшому изменению температуры по 1 000 метров длиной. На уровне ~0.020 K/km температура масла изменяет приблизительно 2 K по 100 километров длиной.
При помощи регистрации данных Simscape можно построить физические свойства нефти как функция времени симуляции. Такой график ясно показывает любую изменчивость в значении физического свойства. Одним примером является кинематическая вязкость нефти в конвейерном сегменте, представленном блоком Pipe (TL).
В командной строке MATLAB введите simlog.Pipe_TL.print.
В дереве данных кинематическая вязкость nu появляется под узлом pipe_model, который сам появляется под узлом simlog.Pipe_TL. Объектом журналирования для кинематической вязкости нефти в канале, затем, является simlog.Pipe_TL.pipe_model.nu.
В командной строке MATLAB введите simscape.logging.plot({simlog.Pipe_TL.pipe_model.nu}).
Как ожидалось кинематическая вязкость остается приблизительно постоянной в течение симуляции, отражая минимальные изменения температуры, которые происходят в нефти.
Для получения дополнительной информации о журналировании Simscape, займитесь Журналированием Данных моделирования.
Экспериментируйте с различными значениями для изоляции внутренний диаметр. Путем варьирования этого параметра вы смещаете баланс между вязким рассеянием, которое нагревает нефть и тепловую проводимость, которая охлаждает нефть.
Открытый Model Explorer.
В панели Model Hierarchy выберите Base Workspace.
В панели Contents кликните по значению параметра D1.
Введите 0.20.
Путем сокращения внутреннего диаметра изолирующего слоя к 0,20, вы увеличиваете толщину изоляции, замедляя потерю тепла через стену канала через тепловую проводимость. Запустите симуляцию. Затем откройте осциллограф Сравнения и автошкалу, чтобы просмотреть полный график.
Новый график показывает температуру масла при выходе канала (главная кривая), который значительно превышает это во входном отверстии канала (нижняя строка). Вязкое рассеяние теперь доминирует над тепловым энергетическим балансом в конвейерном сегменте. Новая толщина изоляции излагает проблему проектирования: в длинном конвейере 1.1 K/km нагревающийся уровень может повысить температуру масла существенно в приемном конце конвейера.
При графическом выводе кинематической вязкости, когда функция времени показывает, что ее изменчивость является теперь довольно значительной также. В командной строке MATLAB введите команду журналирования: simscape.logging.plot({simlog.Pipe_TL.pipe_model.nu}).
Попытайтесь увеличить внутренний диаметр изолирующего слоя, D1, к 0,55. Путем увеличения этого значения вы уменьшаете толщину изоляции, ускоряя потерю тепла через стену канала через тепловую проводимость. Затем запустите симуляцию. Откройте осциллограф Сравнения и автошкалу, чтобы просмотреть полный график.
Получившийся график показывает, что температура масла при выходе канала теперь значительно ниже, чем это во входном отверстии канала. Тепловая проводимость ясно доминирует над тепловым энергетическим балансом в конвейерном сегменте. Эта толщина изоляции также излагает вопросы проектирования: на уровне 0.25K/km нефть, текущая через длинный конвейер, остынет существенно.
Постройте кинематическую вязкость как функцию времени с помощью журналирования Simscape. Поскольку изменение температуры теперь более скромно, изменения в вязкости являются менее значительными.
Модель предоставляет скрипт оптимизации, который можно запустить, чтобы определить оптимальный внутренний диаметр изоляции канала, D1. Скрипт выполняет итерации симуляции модели в различных значениях D1, строя уровни вязкого потепления и проводящего охлаждения друг против друга. Точка пересечения между двумя кривыми идентифицирует оптимальную толщину изоляции для модели:
В окне модели дважды кликните Run optimization script.
В график, который открывается, визуально определите значение горизонтальной оси для точки пересечения между двумя кривыми.
Оптимальный внутренний диаметр изолирующего слоя составляет 0,37 м. Обновите параметр D1 к этому значению:
Открытый Model Explorer.
В панели Model Hierarchy нажмите Base Workspace.
В панели Contents кликните по значению D1.
Введите 0.37.
Теперь, запустите симуляцию. Откройте осциллограф Сравнения и автошкалу, чтобы просмотреть полный график. Перепад температур между входным отверстием и выходом незначителен.
