Разработка системы управления температурой нефтепродукта в процессе перекачки на дальние расстояния

Texto integral

Обоснование. В холодное время года при транспортировке нефтепродукта по трубопроводу на дальние расстояния следует контролировать его температуру и не допускать увеличения вязкости вследствие чрезмерного охлаждения. Для этой цели часто используются путевые подогреватели (ПП), расположенные на трассе трубопровода.

Цель — разработка системы управления температурой нефти, инвариантной к возмущающему воздействию в виде изменения температуры окружающей среды.

Методы. Недостатком подхода к поддержанию температуры нефтепродукта с помощью ПП в заданных технологических ограничениях является поддержание температуры в рабочем поле подогревателя на расчетном значении с учетом среднесуточной температуры окружающей среды для данного времени года. Такой подход не учитывает резких скачков температуры окружающей среды, в результате чего температура нефтепродукта может опуститься до критических значений. В работе для компенсации возмущающего воздействия предлагается реализовать компенсационный элемент, синтезированный на основе теории периодических структур [1–2].

Результаты. В ПП приходит остывшая на предыдущем участке до температуры T_нач нефть (рис. ١). За время прохождения через подогреватель (c t_нач до t_вых) нефтепродукт нагревается до температуры T_вых. Затем нефть транспортируется до следующего ПП на открытом воздухе и остывает до температуры T_кон. Изменение температуры окружающей среды T_ср является возмущающим воздействием для данной системы.

Математическая модель процесса нагрева нефтепродукта внутри ПП, описывающая изменение его температурного поля, может быть представлена в виде:

 $\begin{array}{l}b\frac{\partial \theta \left(x,t\right)}{\partial t}+bV\frac{\partial \theta \left(x,t\right)}{\partial x}+\theta \left(x,t\right)={\theta }_{\Pi }\left(x,t\right)\\ 0<x<l,t>\mathrm{0,}\end{array}$(1)

где b — коэффициент, определяемый теплофизическими и геометрическими параметрами нефтепродукта; l — длина участка нагреваемого трубопровода, V — скорость движения нефти, θ_П(x, t) — температурное поле внутри ПП [3].

 

Рис. 1. Технологическая схема нагрева нефтепродукта в путевых подогревателях и структурная схема САУ: Wпп — передаточная функция процесса нагрева нефти внутри ПП 1; Wтр — передаточная функция процесса остывания нефти между ПП 1 и ПП 2; Wкомп — передаточная функция компенсационного элемента; Tт — температура в топке; ΔTср — помеха в виде постоянно меняющейся температуры окружающей среды

 

При конвективном характере теплообмена модель (1) необходимо дополнить начальными и граничными (2)–(3).

${\theta }_{\Pi }\left(x\mathrm{,0}\right)={\theta }_0\left(x\right)\mathrm{,0}\le x\le l,$ (2)

$\theta \left(\mathrm{0,}t\right)={\theta }^0\left(t\right),t>0.$ (3)

Структурное представление объекта управления с распределенными параметрами (1)–(3) представлено на рис. 2 [3]. Данная структура описывает как процесс непрерывного нагрева нефтепродукта в ПП, так и процесс его остывания во время перекачки между соседними ПП. В первом случае в качестве входных воздействий можно рассматривать равномерную температуру в топке, во втором — температуру окружающей среды. На рис. 2 показаны полученные в результате моделирования в среде Matlab переходные характеристики нагрева и охлаждения нефтепродукта.

 

Рис. 2. Математическая модель объекта управления и результаты моделирования

 

Для построения компенсирующего устройства в работе применялся метод периодических структур [١, ٢].

В рамках работы был осуществлен выбор количества ячеек периодических структур и коэффициента усиления С. На рис. 3 показаны переходные характеристики, полученные в результате моделирования работы периодических структур с разным количеством ячеек при C = 0,7. По рис. 3 можно сделать вывод, что компенсационный элемент с двумя ячейками периодической структуры обладает хорошей точностью и минимальным перерегулированием.

 

Рис. 3. Результат моделирования компенсационного элемента

 

Выводы. В рамках работы предложена структура системы управления по возмущению, осуществлено моделирование ее отдельных частей: W_пп, W_тр, выбрана и промоделирована структура компенсатора W_комп. На следующем этапе работы планируется осуществить полное моделирование САУ.

Sobre autores

Самарский государственный технический университет

Autor responsável pela correspondência
Email: Ev9enEvgen1ch@yandex.ru

студент, группа 2-22ИАИТ-101М

Rússia, Самара

Самарский государственный технический университет

Email: mausmax@yandex.ru

студент, группа 2-22ИАИТ-101

Rússia, Самара

Bibliografia

Arquivos suplementares