Документация

Нефтепроводы

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.

Моделирование факторов

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:

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:

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

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.

Запустите симуляцию

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.

Запустите скрипт оптимизации

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:

Оптимальный внутренний диаметр изолирующего слоя составляет 0,37 м. Обновите параметр D1 к этому значению:

Теперь, запустите симуляцию. Откройте осциллограф Сравнения и автошкалу, чтобы просмотреть полный график. Перепад температур между входным отверстием и выходом незначителен.