CN111723498B - 一种基于微处理器的输油管道内层温度外推监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于输油管道监测领域，涉及一种基于微处理器的输油管道内层温度外推监测方法,其特征是输油管道内层温度检测系统包括温度传感器，微处理器和终端。温度传感器模块布置于石油管道外壁，实时测量管壁温度，微处理器分析温度处于稳态或非稳态的不同假设加载不同算法计算内层温度并与当前测量的温度实时比较，差异不大完成测量，将处理器评估的内层温度通过无线网络上传到终端，对输油管道内层温度进行实时监测。本专利公开的测量方法可针对现有石油管道的升级与更换，结合智能物联网技术在能源领域的推广，可在不破坏石油管体的前提下实现实时、准确、高效的管道温度测量管理。
Description
技术领域
本发明属于输油管道监测领域，涉及一种基于微处理器的输油管道内层温度外推监测方法。
背景技术
输油管道是现代工业中最重要的基础设施之一。在石油运输管线中，会因为各种原因导致管道发生故障，通常会根据温度，压力，管道变形等因素来确定现场管道的健康状况，常规的管道检查和维护依靠手动完成，低效又耗费财力物力，物联网架构的出现使得我们能够部署成本低廉的分布式无线传感器和微处理器，以进行实时数据采集，并且构成了“智能管道”，使得管道巡检更安全，更方便快捷。同时可以通过大数据技术根据流体温度等影响管道安全的因素实时监测管道并及时维护，确保管道安全运行。
在对输油管道内部流体温度的监测中，由于单个完整的管道没有开口，温度传感器无法通过侧面开口的窗口插入管道内部直接测量，只能获得完整管道的外壁温度，而且为了提高管道的机械强度，输油管道一般由多层材料组成，间接测量内层温度也很困难。
由于以上原因，很难测量管道内的流体温度。而确定封闭管道内部温度的一种可行方法就是解决热传导的逆问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以快速、可靠、实时维护输油管道运输安全的基于微处理器的输油管道内层温度外推监测方法。
为了实现上述任务，本发明的技术方案为，一种基于微处理器的输油管道内层温度外推监测方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)获取管体各层材料热参数，建立多层输油管道模型，依据管道模型做关于时间t的拉普拉斯变换，得到各层管道在s域内的温度分布；
(2)建立与多层输油管道同等厚度的单层管道在s域内的温度分布；
(3)拟合最优等效参数，在内层任意初始条件下对单层管道最外层的温度进行数值模拟，数值上可以得到等效的温度分布；
(4)依据温度分布模型进行拉普拉斯逆变换，实时地用单层管道进行数值分析，得到多层输油管道内流体温度。
所述的步骤(3)拟合最优等效参数，包括等效热扩散率、热传导系数、热交换系数和有效管径。
所述的步骤(3)拟合最优化参数是当管体各层材料未知时，在实际环境下布置相同材料的尺寸的试验管，基于实验数据获得上述最优化等效参数。
所述的步骤(4)实时地用单层管道进行数值分析，得到多层输油管道内流体温度，包括如下步骤：
(1)启动温度数据采集，获得平均温度；
(2)微处理器判断测量的温度为稳态温度或非稳态温度；
(3)如果温度是稳态的，通过稳态公式获得稳定的内层温度；
(4)如果温度是非稳态的,比较测量平均温度与计算理论值在一定时间内的累计差异变化；直到计算值和理论值相等，应用非稳态内外温度算法得到内层温度变化率，拟合内层温度。
所述的(3)步骤进一步包括在管道热扩散的数学模型下
其中，ρ--石油管道密度，g/cm3,C—石油管道比热容,J/(kg·K)
T—温度,℃
τ—时间，s
r—管道半径,cm
对于内部恒定温度下的热扩散，加载的稳态线性算法如下：
其中，λ--管道导热系数，W/(m·K)
h—管道换热系数，W/(m2·K)
t2—外壁温度，℃
t1—管道内部温度，℃
r2—管道外径，cm
r1—管道内径，cm
所述的(4)步骤进一步包括非稳态温度预测算法：建立单层等效热扩散模型，利用格林函数求解非稳态温度场的级数解析表达式。对于一维无限长圆柱管体，对应的格林函数G满足：
其中，δ表示Dirac-Delta函数,其余参数设置如4中的稳态参数设置。对于此一维无限长圆柱管体，管道内部直接与石油液体接触，内边界为第一类边界条件。管道外边界在做参数提取实验时曝露在空气中，外边界与空气对流换热，应为第三类边界条件。
利用已知的边界条件，得到输油管道外层的温度场表示如下:
其中
qn是特征方程的第n个正根
en(r)是等效单层管道物理模型的本征函数
H(t)是阶跃函数,p是下标，表示材料属性
上述两个积分都可以用级数解析式表示出来，最终的级数解析式都与内层温度有关，该解析式仅有简单的乘法和累加组成，可加载至单片机上完成计算。
本发明的优点是：本发明可应用于实际输油管道温度监测系统。温度传感器模块布置于石油管道外壁，实时测量管壁温度，微处理器分析温度处于稳态或非稳态的不同假设加载不同算法计算内层温度并与当前测量的温度实时比较，差异不大完成测量，将处理器评估的内层温度通过无线网络上传到终端，工作人员对输油管道内层温度进行实时监测。
附图说明
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式：
图1为基于微处理器的管道温度外推测量算法；
图2为温度监测系统现场布控图；
图3(a)内部温度从25度上升到45度时外部温度的热传导情况；
图3(b)内部温度从45度上升到65度。
图中，1-温度传感器，2-石油管道，3-连接线，4-微处理器，5-终端，6-长输油管道线上的温度传感器。
具体实施方式
如图1所示，一种用于多层输油管道内流体温度的测量方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)获取管体各层材料热参数，建立多层输油管道模型，依据管道模型做关于时间t的拉普拉斯变换，得到各层管道在s域内的温度分布；
(2)建立与多层输油管道同等厚度的单层管道在s域内的温度分布；
(3)拟合最优等效参数，在内层任意初始条件下对单层管道最外层的温度进行数值模拟，数值上可以得到等效的温度分布；
(4)依据温度分布模型进行拉普拉斯逆变换，实时地用单层管道进行数值分析，得到多层输油管道内流体温度。
所述的步骤(3)拟合最优等效参数，包括等效热扩散率、热传导系数、热交换系数和有效管径。
所述的步骤(3)拟合最优化参数是当管体各层材料未知时，在实际环境下布置相同材料的尺寸的试验管，基于实验数据获得上述最优化等效参数。
所述的步骤(4)实时地用单层管道进行数值分析，得到多层输油管道内流体温度，包括如下步骤：
(5)启动温度数据采集，获得平均温度；
(6)微处理器判断测量的温度为稳态温度或非稳态温度；
(7)如果温度是稳态的，通过稳态公式获得稳定的内层温度；
(8)如果温度是非稳态的,比较测量平均温度与计算理论值在一定时间内的累计差异变化；直到计算值和理论值相等，应用非稳态内外温度算法得到内层温度变化率，拟合内层温度。
所述的(7)步骤进一步包括在管道热扩散的数学模型下
其中，ρ--石油管道密度，g/cm3,C—石油管道比热容,J/(kg·K)
T—温度,℃
τ—时间，s
r—管道半径,cm
对于内部恒定温度下的热扩散，加载的稳态线性算法如下：
其中，λ--管道导热系数，W/(m·K)
h—管道换热系数，W/(m2·K)
t2—外壁温度，℃
t1—管道内部温度，℃
r2—管道外径，cm
r1—管道内径，cm
所述的(8)步骤进一步包括非稳态温度预测算法：建立单层等效热扩散模型，利用格林函数求解非稳态温度场的级数解析表达式。对于一维无限长圆柱管体，对应的格林函数G满足：
其中，δ表示Dirac-Delta函数,其余参数设置如4中的稳态参数设置。对于此一维无限长圆柱管体，管道内部直接与石油液体接触，内边界为第一类边界条件。管道外边界在做参数提取实验时曝露在空气中，外边界与空气对流换热，应为第三类边界条件。
利用已知的边界条件，得到输油管道外层的温度场表示如下:
其中
qn是特征方程的第n个正根
en(r)是等效单层管道物理模型的本征函数
H(t)是阶跃函数,p是下标，表示材料属性
上述两个积分都可以用级数解析式表示出来，最终的级数解析式都与内层温度有关，该解析式仅有简单的乘法和累加组成，可加载至单片机上完成计算。
如图2所示，本发明的实现原理如下：在输油管道2管壁固定点处安装温度传感器模块1，温度传感器通过有线3方式连接微处理器4，微处理器4与终端5进行无线通信。
通过终端界面5启动温度数据采集装置，每组温度传感器1获得绕着管道周向分布的多个传感器的平均温度，根据温度特征初步判断温度属于稳态或者非稳态。如果温度变化为稳态情况，根据稳态线性算法计算内部温度。如果属于非稳态情况，微处理器4加载非稳态假设下的温度外推算法，实时计算理论值；微处理器4比较测量平均温度与计算理论值在一定时间内的累计差异变化直到两者相等，微处理器4将通过内推算法拟合的内层温度上传到终端5显示。
通过终端界面5查看当前的石油管道的动态温度，对管道进行安全监测。
由流程图可知，在实施前应当对管道进行有限元分析并通过实验数据提取有效参数。图3展示了利用嵌入式系统的外部温度数据，预测随时间变化恒定上升速率的流体温度的两组测试结果。图3(a)内部温度从25度上升到45度时外部温度的热传导情况，图3(b)内部温度从45度上升到65度。插图显示了实验过程中的内部实际温度变化，可以看出内部流体温度的趋势与实验数据基本一致。图3(b)出现较大差异是因为油管长度有限，加热器温度控制不当，现场油管运输中不会出现这种情况。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (3)
1.一种基于微处理器的输油管道内层温度外推监测方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)获取管体各层材料热参数，依据管体各层材料热参数建立多层输油管道模型，依据管道模型做关于时间t的拉普拉斯变换，得到各层管道在s域内的温度分布；
(2)建立与多层输油管道同等厚度的单层管道在s域内的温度分布；
(3)拟合最优等效参数，在内层任意初始条件下对单层管道最外层的温度进行数值模拟，数值上可以得到等效的温度分布；
(4)依据温度分布模型进行拉普拉斯逆变换，实时地用单层管道进行数值分析，得到多层输油管道内流体温度；
所述的步骤(4)实时地用单层管道进行数值分析，得到多层输油管道内流体温度，包括如下步骤：
(4.1)启动温度数据采集，获得平均温度；
(4.2)微处理器判断测量的温度为稳态温度或非稳态温度；
(4.3)如果温度是稳态的，通过稳态公式获得稳定的内层温度；
(4.4)如果温度是非稳态的,比较测量平均温度与计算理论值在一定时间内的累计差异变化；直到计算值和理论值相等，应用非稳态内外温度算法得到内层温度变化率，拟合内层温度；
所述的步骤(3)进一步包括在管道热扩散的数学模型下
其中，ρ--石油管道密度，g/cm3,C—石油管道比热容,J/(kg·K)
T—温度,℃
τ—时间，s
r—管道半径,cm
对于内部恒定温度下的热扩散，加载的稳态线性算法如下：
其中，λ--管道导热系数，W/(m·K)
h—管道换热系数，W/(m2·K)
t2—外壁温度，℃
t1—管道内部温度，℃
r2—管道外径，cm
r1—管道内径，cm；
所述的步骤(4.4)进一步包括非稳态温度预测算法：建立单层等效热扩散模型，利用格林函数求解非稳态温度场的级数解析表达式；对于一维无限长圆柱管体，对应的格林函数G满足：
其中，δ表示Dirac-Delta函数,其余参数设置如步骤(4.3)稳态公式中的稳态参数设置；对于此一维无限长圆柱管体，管道内部直接与石油液体接触，内边界为第一类边界条件；管道外边界在做参数提取实验时曝露在空气中，外边界与空气对流换热，应为第三类边界条件；
利用已知的边界条件，得到输油管道外层的温度场表示如下:
其中
qn是特征方程的第n个正根
en(r)是等效单层管道物理模型的本征函数
H(t)是阶跃函数,p是下标，表示材料属性
上述两个积分都可以用级数解析式表示出来，最终的级数解析式都与内层温度有关，该解析式仅有简单的乘法和累加组成，可加载至单片机上完成计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于微处理器的输油管道内层温度外推监测方法，其特征是：所述的步骤(3)拟合最优等效参数，包括等效热扩散率、热传导系数、热交换系数和有效管径。
3.根据权利要求1所述的一种基于微处理器的输油管道内层温度外推监测方法，其特征是：所述的步骤(3)拟合最优化参数是当管体各层材料未知时，在实际环境下布置相同材料的尺寸的试验管，基于实验数据获得上述最优化等效参数。
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| 吴国忠,曲洪权,庞丽萍,陈彦君.埋地输油管道非稳态热力计算数值求解方法.油气田地面工程.2001,(06),全文. * |
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