Développement du système de contrôle automatisé de la température du gazoduc principal

Oct 14, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3092 (2023) Citer cet article

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Cet article présente les résultats d'une expérience numérique et d'une analyse des champs de température (refroidisseurs de gaz) utilisant des éléments de refroidissement dans le cas d'étude du gazoduc. Une analyse des champs de température a démontré plusieurs principes pour la formation d'un champ de température, ce qui indique la nécessité de maintenir une température relative pour le pompage de gaz. L'essence de l'expérience était d'installer un nombre illimité d'éléments de refroidissement sur le gazoduc. Le but de cette étude était de déterminer à quelle distance il est possible d'installer des éléments de refroidissement pour le régime optimal de pompage de gaz, en ce qui concerne la synthèse de la loi de commande et la détermination de l'emplacement optimal et l'évaluation de l'erreur de contrôle en fonction de l'emplacement du éléments de refroidissement. La technique développée permet d'évaluer l'erreur de régulation du système de contrôle développé.

Dans une économie en croissance rapide, la question de fournir le nombre nécessaire de matières premières aux consommateurs est aiguë. L'une des principales sources de matières premières sont les hydrocarbures, le gaz naturel et le pétrole. Au cours de leur transformation, divers matériaux et produits pétroliers apparaissent pour fournir à la population de la planète les produits de production nécessaires. Avec le développement des régions de l'Extrême-Nord (Russie), il est nécessaire de rechercher des technologies pour l'extraction et le transport sur de longues distances de matières premières hydrocarbonées en présence de divers composés chimiques, tels que les paraffines. L'extraction de ces types de matières premières est une tâche plutôt laborieuse. Un autre problème est son transport ultérieur. Les matières premières ne peuvent pas être entièrement transformées sur place. Par conséquent, le produit brut entre dans le pipeline de champ. La présence d'impuretés dans le produit brut a un impact significatif sur la durabilité et la résistance à l'usure du transport par pipeline.

Il est également important de noter que les conditions météorologiques jouent un rôle important dans le processus de transport dans le Grand Nord. Dans les zones où la température annuelle moyenne peut varier de -50 à + 40 degrés Celsius, le pipeline est en outre affecté par les propriétés physiques du métal, dont l'étirement et la compression quotidiens sur les parois du tuyau peuvent entraîner la déformation et la destruction de l'ensemble du pipeline. .

Contrairement au pétrole, si la charge d'hydrocarbure en question est du gaz naturel et que la température augmente, le gaz devient visqueux, ce qui rend difficile son transport plus loin dans le pipeline.

D'une part, pour éliminer ces problèmes, le chauffage automatique (pour le pétrole) et le maintien d'une température prédéterminée (pour le gaz) sur le pipeline ont été développés. Cependant, un tel échauffement du pipeline est de nature locale. Souvent, un élément chauffant est installé dans une certaine partie du pipeline, le chauffant à une valeur élevée. Et puis le réchauffage est appliqué sur une longue distance. Cette méthode de chauffage des canalisations n'est pas rentable car elle consomme beaucoup d'énergie, ce qui fait grimper le coût du produit.

D'autre part, une application alternative consiste à poser le pipeline sous terre. Cette méthode est plus efficace puisque l'équilibre de température est maintenu plus longtemps. Mais la mise en œuvre de la pose souterraine n'est pas toujours possible en raison des zones de pergélisol, ce qui entraîne un affaissement supplémentaire du sol. Depuis longtemps, le procédé de pose du câble chauffant et le procédé de mesure de l'impact thermique sur la canalisation sont connus.

La première étude dans ce sens a commencé avec les travaux du célèbre spécialiste de la géologie pétrolière, Gubkin IM. Dans ses études, il a décrit des méthodes pour influencer le réservoir et le système pompe-compresseur pour extraire l'huile extra-visqueuse du réservoir. Sur la base de sa méthode, des scientifiques du monde entier ont décrit dans leurs articles scientifiques des méthodes alternatives d'impact thermique sur le pipeline pour améliorer les propriétés rhéologiques des matières premières extraites. L'auteur de "Méthodes de calcul et algorithmes (transport de gaz par pipeline)", Sardanashvili SA, a décrit les méthodes de calcul et les algorithmes sous une forme axée sur leur application pratique dans le développement et l'exploitation de systèmes informatiques pour le contrôle de la répartition du transport de gaz naturel, la résolution de problèmes de la conception et de la reconstruction des systèmes de transport de gaz. Lurie MV et al., dans une étude intitulée "Modélisation du transport des produits pétroliers et des gazoducs", ont examiné les principaux oléoducs et gazoducs et les méthodes d'influence thermique sur ceux-ci1. Cependant, lors de l'analyse de la littérature, il n'existe aucune méthode de calcul du régime thermique des parcs de stockage et des stations de pompage.

Dans d'autres études, menées par Lanzano, Erickson et Nikolaev, les auteurs ont analysé les infrastructures pipelinières, présenté leurs méthodes de calcul dans diverses conditions d'exploitation, et étayé les dépendances du calcul hydraulique des oléoducs transportant des huiles à haute viscosité aux propriétés rhéologiques complexes2, 3,4. De plus, Chizhevskaya et al. a présenté un système de décisions de gestion basé sur l'analyse du travail des répartiteurs dans les installations de transport de pétrole et de gaz. Les auteurs ont développé une nouvelle technologie pour surveiller l'efficacité du contrôle de la répartition dans la surveillance de la sécurité et le soutien méthodologique en utilisant les technologies de réseau neuronal et l'apprentissage automatique dans les installations de stockage de pétrole et de gaz5. Dans une autre étude, Zolotov et al. déterminé un facteur de correction pour convertir le rapport de la résistance du capteur à la concentration de gaz. Ils ont développé un programme pour tracer des graphiques basés sur des paramètres lus à partir de capteurs pour une présentation pratique des données, et plus tard, ils ont développé un programme pour collecter et stocker les données des capteurs dans un fichier6. De plus, Wu et al.7 ont décrit des essais sur le terrain et présenté des simulations numériques utilisant la théorie des faisceaux de Timoshenko et la théorie des ondes de contrainte d'explosion, qui prennent en compte les effets de cisaillement. De plus, les auteurs de l'article8,9,10 ont étudié le dépôt d'asphaltène dans les milieux poreux et ont prédit les profils de production en fonction de l'incertitude, ce qui a amélioré l'efficacité de la récupération du pétrole. Golik et al. présenté le modèle mathématique de l'auteur et l'approbation de la méthodologie pour les calculs d'ingénierie thermique des oléoducs multicouches. Une section d'oléoduc passant dans des conditions géocryologiques difficiles est modélisée, une méthode de calcul des processus thermiques intervenant dans le système "conduite-sol" est décrite et les principaux résultats obtenus sont décrits11. Les auteurs de ces travaux12,13,14,15,16 ont montré l'importance du contrôle de la température du pétrole et du gaz pendant le transport et le stockage. En17,18,19, les auteurs ont noté que la composition actuelle des matières premières affecte également le champ de température. Cependant, ces études étaient de nature locale par rapport à un gisement particulier. La nature systématique de l'étude a d'abord été démontrée dans le tableau 1. Ces travaux montrent la possibilité d'appliquer la théorie des systèmes à paramètres distribués à l'analyse de systèmes multi-paramètres complexes.

Les documents23,24 décrivent les tâches visant à garantir l'exploitation sûre des oléoducs et des gazoducs. Dans les autres études menées par des chercheurs, ils ont analysé la nécessité de développer un système de contrôle du champ thermique dans diverses conditions de fonctionnement et conditions de fonctionnement du pipeline25,26,27,28,29,30,31,32,33. Ainsi, dans des travaux34,35 les auteurs ont analysé le problème existant de la sécurité des systèmes de canalisations. Qui est basé sur une combinaison de la construction du réseau bayésien et de la théorie des preuves de Dempster-Scheifer, qui est une méthode alternative d'évaluation des accidents sur les conduites principales, et la structure proposée peut fournir une analyse plus réaliste des conséquences des accidents, car elle peut prendre en compte la dépendance conditionnelle dans le processus accidentel. Dans l'article36, les auteurs tentent de vérifier si la méthode peut être utilisée l'Analyse Discriminante et la Classification (DAC) pour atteindre les objectifs susmentionnés et pour prédire le comportement futur des canalisations du réseau. Comme études de cas, les auteurs ont utilisé trois réseaux de canalisations qui transportaient différents types de fluides (pétrole, gaz et eau). Pour chaque réseau étudié, la méthode DAC a été utilisée pour classer les canalisations en deux groupes (échec/réussite) sur la base de variables simples (caractéristiques canalisation/réseau) et de variables de connexion sans dimension, et plusieurs scénarios ont été analysés. Dans37, les auteurs ont analysé le problème de la sécurité d'exploitation des gazoducs sous pression. Les résultats des travaux ont montré que le scénario d'accident doit être considéré comme une contrainte pour déterminer les distances de sécurité à proximité des gazoducs et gazoducs. Les résultats ont ensuite été traités pour obtenir des diagrammes fonctionnels permettant une évaluation rapide des accidents. Les auteurs38 dans leur travail étudient comment les interdépendances entre différents facteurs peuvent affecter les résultats de l'analyse. Cette recherche vise à aider les propriétaires d'entreprises de transport et de distribution de pipelines dans la gestion des risques et la prise de décision à considérer les conséquences multivariées qui peuvent résulter de défaillances de pipelines. Dans39, une approche probabiliste du réseau de croyances bayésien (BBN) pour l'évaluation des risques de corrosion interne pour les oléoducs et les gazoducs est présentée. Le modèle BBN développé peut identifier les sections vulnérables du pipeline et les classer en conséquence pour améliorer l'efficacité de la prise de décision éclairée. Dans une étude40, les auteurs ont développé des modèles mathématiques qui prédisent la cause de la défaillance d'un oléoduc en fonction de facteurs autres que la corrosion. Une analyse de régression et des modèles de réseaux de neurones artificiels ont été développés sur la base de données historiques sur les accidents de pipeline. Grâce à ces modèles, les opérateurs peuvent prendre des décisions basées sur les prévisions des causes de défaillance attendues et prendre les mesures nécessaires pour prévenir les accidents.

Les travaux41,42,43 en parlent également, dont l'étude a poussé les auteurs de cet article à mener une analyse complexe et à développer une méthode numérique de calcul du champ de température pour un fonctionnement efficace et sûr. Ainsi dans les travaux44,45 sont décrites les études de l'analyse du travail des gazoducs à l'aide de la méthode de l'estimation floue complexe à la construction des dépendances mathématiques. Ils se reflètent dans46,47. Les auteurs de travaux48,49 sur la base de l'analyse thermohydraulique et de l'identification de modèles dans le travail des gazoducs ont mené une analyse de la théorie des nuages ​​​​dans la construction d'un modèle de gazoducs.

Le tableau 2 présente les travaux des auteurs qui ont étudié le problème du transport des hydrocarbures à l'aide de l'appareillage des systèmes distribués.

Lors de la rédaction de cet article, les études liées à l'exploitation des pipelines offshore ont été analysées. Dans des travaux56,57,58 les auteurs proposent et montrent le modèle d'exploitation des canalisations marines, les risques liés à l'ultra haute pression, ainsi que les conséquences écologiques lors d'accidents. Les ouvrages32,59,60, qui décrivent le suivi de l'exploitation des gazoducs et des oléoducs, sont consacrés à la problématique écologique. Dans les travaux61,62,63 des enquêtes décrivant le fonctionnement des réseaux de gaz en situation d'urgence sont présentées, la corrélation des accidents pour évaluer les fuites est développée. Ces recherches sont poursuivies par les auteurs de64,65,66, qui étudient les méthodes qualitatives et quantitatives d'évaluation des risques d'exploitation des gazoducs lors du changement de leurs modes de fonctionnement. Les enquêtes sur les travaux67,68 montrent la composante économique des calculs d'exploitation des gazoducs, l'avantage de l'approvisionnement en gaz naturel par les gazoducs sur l'approvisionnement en GNL, ainsi que le calcul des fuites de gaz lors d'accidents et l'estimation de cette valeur, qui finalement influence le prix du gaz naturel . Les travaux69,70,71 initient le lecteur à la modélisation des processus transitoires dans les gazoducs. Les auteurs des travaux ont présenté la simulation numérique et les résultats de simulation dans des simulateurs logiciels. Ces études sont intéressantes car elles montrent au lecteur la comparaison des résultats et leur application pratique sur des systèmes de canalisations réels. Des études similaires sont reflétées dans des articles72,73,74, dans lesquels les auteurs ont présenté des méthodes de moindres carrés d'éléments spectraux pour les équations différentielles hyperboliques non linéaires dans l'étude de l'écoulement de gaz à travers les pipelines, ainsi que l'apparition de la phase dispersée dans l'écoulement de gaz. Les auteurs de75,76,77 présentent aux lecteurs la méthode des moindres carrés spectraux pour les équations de Maxwell bidimensionnelles, les équations de Navier-Stokes, et recherchent le développement d'un système de surveillance de pipeline souterrain.

Les auteurs de Seung-Mok Shin et al.78, ont développé un système de surveillance en temps réel pour détecter les dommages externes sur un gazoduc. À cette fin, une méthode de transmission de données sans fil a été utilisée et les emplacements de détection étaient limités par les circonstances et le coût d'installation des capteurs. Les auteurs ont développé un logiciel de calcul et de surveillance utilisant un algorithme utilisant la vitesse de propagation des ondes acoustiques et un système de base de données basé sur la communication sans fil et les systèmes DSP. Dans les travaux de Surana et al., et Cheng et al., 79,80, une formulation d'éléments finis spatio-temporels d'équations de Navier – Stokes instationnaires unidimensionnelles pour un écoulement compressible dans un cadre de référence eulérien pour la dynamique des gaz à grande vitesse a été développée pour assurer l'exploitation sécuritaire des gazoducs pour le transport du gaz naturel. Les auteurs Yuhua et al., Francis et al., Girgin et al., ont analysé les performances des pipelines de transport de fluides dans l'estimation des probabilités de défaillance à l'aide de réseaux de croyance bayésiens et d'un arbre de défaillance flou81,82,83. À la fin de la revue de la littérature, nous avons analysé les travaux des auteurs Guo et al., Han et Weng, Hossain et Muromachi84,85,86 qui démontrent une évaluation complète des risques des canalisations principales à l'aide du modèle de réseau de Petri flou, une méthode intégrée basée sur sur le réseau bayésien. Dans les travaux87,88, les auteurs démontrent la méthode d'évaluation quantitative des risques, qui est basée sur la différence des sections de grille du pipeline et examinent l'apparition de la corrosion sur les sections des gazoducs et des oléoducs souterrains pendant le transport du pétrole et du gaz.

Tous les travaux examinés ont démontré l'importance de développer notre propre système de contrôle du champ de température du pipeline avec des changements de régime variables et différents types de charges d'hydrocarbures, à la fois pour le pétrole brut et le gaz naturel.

Il est important de comprendre que le champ de température se propage dans la canalisation sur toute sa longueur en tenant compte de l'épaisseur de la canalisation. Par conséquent, dans le modèle mathématique, il est nécessaire de prendre en compte la distribution spatiale le long de l'ensemble du pipeline ainsi que l'effet thermique sur celui-ci.

Dans cette étude, il est proposé d'utiliser des éléments chauffants (réchauffeurs) qui remplissent la fonction d'un élément chauffant continu qui forme un champ thermique en tous points du pipeline. Cependant, cela n'entraîne pas la surchauffe de certaines sections du pipeline, et il est proposé de remplacer ces éléments chauffants par des éléments plus économiques et pratiques, tels que des éléments à impulsion et sectionnels, qui auront finalement un effet économique et pratique. L'installation de tels éléments chauffants aidera à maintenir une température constante pendant le transport du pétrole et une température constante pendant le transport du gaz.

Par conséquent, un énoncé de problème pour le développement d'un système de contrôle spatialement distribué pour le champ de température d'un pipeline transportant des matières premières d'hydrocarbures est généré, et basé sur la série de Fourier et la fonction de Green, une dépendance mathématique est présentée.

L'article se poursuit dans la section "Le modèle mathématique" avec une brève revue du modèle mathématique, un exemple numérique d'un énoncé de problème avec des conditions initiales et aux limites. De plus, deux modèles simplifiés sont dérivés du modèle original. La section "Résolution numérique" montre la solution numérique de la méthode de modélisation des performances et la formulation du système proposée pour intégrer ces modèles, ainsi que le maillage à utiliser pour l'implémentation informatique dans chaque cas. La section "Résultats" présente les résultats de l'étude, et enfin, les résultats de l'étude sont présentés dans la section "Conclusions".

Considérons une canalisation de rayon intérieur R et de longueur L constituée d'un matériau caractérisé par la diffusivité thermique du matériau a2. Étant donné que la matière première dans le pipeline est en contact avec la paroi interne du pipeline, lui transférant sa chaleur, la température de la paroi du pipeline sera égale à la température de la matière première. Ainsi, le diamètre du pipeline peut être considéré comme tendant vers zéro, mais non égal à zéro. Ainsi, le pipeline peut être représenté graphiquement sur la Fig. 1.

Représentation schématique du pipeline.

R est le rayon intérieur d'un tuyau ; \(\xi\) est le point (coordonnée selon l'axe X) de l'emplacement de l'élément chauffant ;\(x\) est le point (coordonnée selon l'axe X) de l'emplacement du capteur de température ; et L est la longueur du pipeline.

En mode statique, le gazoduc avec refroidisseurs de section d'impulsion n'est pas connecté à une alimentation électrique. Dans ce mode, aucun courant électrique n'est fourni aux refroidisseurs et aucun champ de température n'est généré. Tous les éléments structuraux situés sur la conduite métallique sont au repos à la température du milieu transporté. Le résultat de la compression du gaz dans les stations de compression est une augmentation de sa température à la sortie de la station de compression. La valeur initiale de la température du gaz et les volumes de pression dans la conduite déterminent la valeur de la température du gaz. Une température de gaz trop élevée à la sortie de la station de compression peut entraîner des conséquences négatives : destruction du revêtement isolant de la canalisation et également entraîner des contraintes élevées dans la paroi de la canalisation. Cependant, une réduction excessive de la pression du gaz de procédé entraîne une augmentation de la consommation d'énergie pour la compression du gaz (en raison de l'augmentation de la consommation de gaz).

Dans les climats froids, dans les zones où le sol est gelé, les mesures pour refroidir le gaz à des températures inférieures à zéro sont importantes. Cela est nécessaire pour empêcher la formation de sols fondus autour des parois du pipeline, car cette pénétration du sol peut entraîner un déplacement du pipeline et provoquer un accident. Si le gaz n'est pas refroidi, il commencera à se dilater, il deviendra plus visqueux. De l'énergie supplémentaire sera nécessaire pour le transporter. En mode dynamique, le gazoduc sur lequel les refroidisseurs sectionnels avec le réfrigérant sont installés est connecté au réseau électrique. Dans ce mode, un courant pulsé est appliqué aux éléments de refroidissement X1,X2,X3…X8. Leur température diminue. Au fil du temps, ils commencent à réduire la température de la section de tuyau et du pipeline dans son ensemble. Le gaz continue à être transporté sans énergie supplémentaire et il n'y a pas d'influence du champ de température au sol. Par rapport aux stabilisateurs de sol utilisés aujourd'hui, le champ de formation de la température ainsi que les coûts énergétiques sont réduits. Il est important de noter que le nombre et la durée d'installation de tels appareils de chauffage ne sont pas limités.

Les éléments de refroidissement et les capteurs seront placés en série pour assurer l'efficacité. Une fois le système conçu, il est évident qu'avoir autant d'éléments de refroidissement n'est pas pratique pour maintenir la température. Ainsi, dans cette étude, nous obtiendrons une méthode pour déterminer le nombre optimal (le plus petit) d'éléments de refroidissement de gaz qui fourniront le maintien de température requis. Ceci sera fait en gardant T(x,t) dans Tzad. Dans ce cas, le champ de température initial du pipeline φ(x), exprimé comme l'impact d'entrée U au point x à l'instant t, sera décrit par l'expression suivante :

où \(\partial U\) est une action d'entrée U au point x ; \(\partial t\) est le temps ; \(\varphi (x)\) est le champ de température initial du pipeline.

Et:

Nous pouvons conclure que:

où G est les valeurs discrètes de l'équilibre dimensionnel au point y, x, t.

La fonction résultante vous permet de déterminer la valeur du champ de température dans le pipeline à un instant donné sans tenir compte du diamètre du pipeline. Pour tenir compte du diamètre, considérons un modèle mathématique de la forme suivante :

où T est la température au point 0, l, r, au temps t.

En appliquant des transformations similaires, nous obtenons une formule de calcul de la température en un point du pipeline :

où n est le numéro du terme de la série de Fourier ; l est la longueur de la tige ; t est le temps ; x est le point (coordonnée le long de l'axe X) de l'emplacement du capteur de température ; ξ est le point (coordonnée selon l'axe X) de l'emplacement de l'élément de refroidissement ; τ est le moment d'activation de la source ponctuelle ; et a2 est donné le coefficient de diffusivité thermique du matériau de l'objet témoin.

Il est essentiel de comprendre que le champ de température formé ne reste pas constant dans le temps. Pour considérer les caractéristiques dynamiques du point mesuré, il est nécessaire de considérer l'impulsion précédemment formée.

L'impulsion de chaque élément de refroidissement affectera les éléments de refroidissement et les capteurs voisins. L'effet de la première impulsion de température sur, disons, les trois éléments de refroidissement suivants sera exprimé comme suit :

Et l'influence de l'impulsion spécifiée sur les capteurs s'exprime par :

ou:

où \(j = 1,2,...d\).

La dépendance décrit l'influence du premier impact sur chacun des suivants, compte tenu de l'état actuel :

Au stade initial, la puissance maximale spécifiée refroidit rapidement l'objet homogène et la température est à sa valeur maximale. Cependant, avec le temps, la température atteint T = const à t = τi. A ce moment, le régulateur est activé, ce qui active l'élément de refroidissement ξi et élève la température au mode de consigne nécessaire pour maintenir la température du gaz naturel. Dans ce cas, l'emplacement de l'élément de refroidissement correspondra aux coordonnées du capteur ξi. Exprimons ξi au temps t = τi.

ou:

Ou dans une vue générale :

En considérant le facteur de puissance de l'élément de refroidissement et en l'étendant dans une série de Fourier, nous obtenons alors :

où \(n -\) nombres impairs.

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

alors:

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

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

Par conséquent:

La précision de la régulation sera déterminée par le nombre d'éléments de refroidissement situés sur l'objet de contrôle. Ainsi, en fixant le nombre maximum possible d'éléments de refroidissement, le système n'inclura que ceux qui sont nécessaires. Une fois que le système est passé à l'état stable, les éléments de refroidissement qui n'étaient pas impliqués ne seront plus nécessaires. Par conséquent, le nombre d'éléments restants sera le plus petit, c'est-à-dire optimal.

Effectuons la modélisation du système de contrôle développé pour le gazoduc de transport. Disons que la longueur de la section de canalisation est de 10 m. Le résultat de la simulation est présenté dans le tableau 3 et (supplémentaire 1 Champ de température du pipeline (cas 3D)).

Comme le montrent les données du tableau, des pics sectoriels sont observés. Cela indique la possibilité de désactiver certains éléments de refroidissement. Calculez le lieu et le temps d'attraction des éléments de refroidissement. De manière similaire, nous obtenons une équation à deux dimensions.

D'où nous exprimons les coordonnées de l'emplacement de l'élément de refroidissement inclus.

Menons une étude expérimentale dans les mêmes conditions. Le résultat est présenté sous la forme du tableau 4.

Sur la base des données obtenues, la conclusion suivante peut être tirée : tout en maintenant la température dans la canalisation à 25 degrés sur une section de 10 m de long, seuls certains réchauffeurs ont été activés par le système de contrôle. Dans l'expérience où cinq radiateurs ont été installés, seuls les refroidisseurs numéros 2, 3 et 4 ont été utilisés. Dans le système où six radiateurs ont été installés, seuls les refroidisseurs numéros 1, 8, 6 et 9 ont été utilisés. Ainsi, la faisabilité économique de la technique développée a été prouvée expérimentalement (Supplémentaire 2 Programme 42 sections de refroidisseur).

L'essence de l'expérience était d'installer un nombre illimité d'éléments de refroidissement sur l'objet à l'étude, qui peuvent également jouer le rôle d'éléments de refroidissement s'ils sont utilisés sur un gazoduc dans les conditions de synthèse de la loi de commande et de détermination de la valeur optimale emplacement des éléments de refroidissement. La construction d'un système est possible si les éléments inutilisés sont supprimés. Le schéma d'automatisation construit sur la base de cette méthodologie doit respecter les caractéristiques qualitatives et quantitatives requises pour les systèmes de contrôle. Pour vérifier la qualité de ce système, plusieurs méthodes ont été développées :

Technique pour trouver l'emplacement optimal du refroidissement par impulsion ou des éléments de refroidissement dans des objets de contrôle composites. Cette technique nous permet de déterminer le pas de discrétisation optimal pour les objets de contrôle composites et multicouches.

Évaluation de l'erreur de contrôle en fonction de l'emplacement de l'élément de chauffage ou de refroidissement à l'aide de la technique développée, ce qui permet d'évaluer l'erreur de régulation du système de contrôle développé.

Le but du travail de recherche était de réaliser une revue de littérature généralisée sur le problème de la perte de température des gaz lors du transport longue distance, la disponibilité d'un système de contrôle pour le refroidissement pulsé du débit de gaz naturel en installant des capteurs de refroidissement sur les gazoducs.

L'analyse des données a montré qu'à ce jour, il n'existe aucune méthode proposée pour calculer les pertes de chaleur et d'énergie sur la longueur du pipeline, ainsi que des technologies qui pourraient être appliquées pour maintenir le régime de température du gaz naturel pendant le transport sur de longues distances. Les auteurs ont développé un système d'éléments de chauffage et de refroidissement visant à améliorer le transport du milieu gazeux sans perte de température du gaz le long du pipeline pour empêcher la formation d'hydrates, ainsi que pour empêcher l'expansion du gaz qui compliquerait son transport. Les auteurs ont effectué une analyse des champs de température dynamiques générés par les réchauffeurs de section d'impulsion. Ils ont présenté une synthèse du système de contrôle du champ de température basé sur la fonction de Green de la paroi d'un réchauffeur-refroidisseur multi-sections, en tenant compte de la configuration spatiale de la conduite. Ils ont présenté des modèles analytiques unidimensionnels, bidimensionnels et tridimensionnels de champ de température contrôlable avec des éléments chauffants pulsés, qui se distinguent par l'utilisation de la fonction de Green afin d'accélérer les processus par rapport aux modèles aux différences finies. Ce modèle se caractérise par une structure hiérarchique, un choix raisonnable de grandeurs d'entrée, internes, mesurables et contrôlables, ce qui permet de développer un modèle mathématique du processus de chauffage spatial contrôlé.

Cette étude présente les résultats d'une expérience numérique et d'une analyse des champs de température (refroidisseurs de gaz) utilisant des éléments de refroidissement dans le cas d'étude du gazoduc. Une analyse des champs de température a démontré plusieurs principes pour la formation d'un champ de température, ce qui indique la nécessité de maintenir une température relative pour le pompage de gaz. L'essence de l'expérience était d'installer un nombre illimité d'éléments de refroidissement sur le gazoduc. Le but de cette étude était de déterminer à quelle distance il est possible d'installer des éléments de refroidissement pour le régime optimal de pompage de gaz, en ce qui concerne la synthèse de la loi de commande et la détermination de l'emplacement optimal et l'évaluation de l'erreur de contrôle en fonction de l'emplacement du éléments de refroidissement. La technique développée permet d'évaluer l'erreur de régulation du système de contrôle développé. La technique développée inclut la capacité d'estimer l'erreur donnée par les coordonnées des emplacements des éléments de refroidissement et le fait que leurs emplacements diffèrent. Les principaux résultats de l'étude comprennent comme suit:

Un modèle mathématique du pipeline a été obtenu, ce qui permet de déterminer le champ de température du tuyau à tout moment, compte tenu de l'état changeant dynamiquement.

Une technique a été obtenue pour déterminer l'emplacement d'installation des éléments de refroidissement qui permet de calculer les emplacements d'installation des éléments de refroidissement, en tenant compte du régime de température spécifié.

Pour maintenir la température de consigne dans le gazoduc à 25 degrés sur une section de 10 km, seuls 4 éléments de refroidissement sur 6 ont été activés par le système de contrôle. Par conséquent, la faisabilité économique de la méthode développée pour déterminer la température optimale pour le transport du gaz naturel à travers le pipeline principal a été prouvée expérimentalement.

Les résultats obtenus ont été validés à l'aide de différents schémas de tuyauterie. Pour améliorer la qualité du fonctionnement de ce système, il serait utile de déterminer le temps d'enclenchement des éléments de refroidissement. Cela réduira considérablement le temps de dépassement du système de canalisation et économisera de l'énergie lors du fonctionnement de la station de compression. Cependant, cela fait l'objet de recherches ultérieures.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié et ses fichiers d'informations supplémentaires. Demander plus de détails à l'auteur correspondant.

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Cette recherche était une initiative personnelle des auteurs qui ont participé aux expérimentations. Merci à tous les participants à la recherche.

Département de génie pétrolier, Université des mines de Saint-Pétersbourg, Saint-Pétersbourg, Russie

Vadim Fetisov

Département d'analyse et de gestion des systèmes, Université des mines de Saint-Pétersbourg, Saint-Pétersbourg, Russie

Yury V. Ilyushin

Département de la construction et de la réparation des gazoducs et des oléoducs et des installations de stockage, Université d'État russe du pétrole et du gaz de Gubkin (Université nationale de recherche), Moscou, Russie

Gennadi G. Vasiliev

Département de la construction et de la réparation des gazoducs et des oléoducs et des installations de stockage, Université d'État russe du pétrole et du gaz de Gubkin (Université nationale de recherche), Moscou, Russie

Igor A. Leonovitch

Université de Leipzig, 04109, Leipzig, Allemagne

Jean Muller

Université de Shiraz, Shiraz, Iran

Massoud Riazi

Discipline de génie chimique, École d'ingénierie, Université du KwaZulu-Natal, Howard College Campus, King George V Avenue, Durban, 4041, Afrique du Sud

Amir H.Mohammadi

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YVI, VF Méthodologie, Conceptualisation, Investigation ; Visualisation YVI ; VF Writing-Préparation du brouillon original ; Logiciel YVI, validation ; GGV, conservation des données IAL ; AHM, JM, MR Montage. Tous les auteurs ont revu et approuvé le manuscrit de manière critique.

Correspondance à Vadim Fetisov ou Yury V. Ilyushin.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Fetisov, V., Ilyushin, YV, Vasiliev, GG et al. Développement du système de contrôle automatisé de la température du gazoduc principal. Sci Rep 13, 3092 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29570-4

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Reçu : 07 juin 2022

Accepté : 07 février 2023

Publié: 22 février 2023

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

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