CN112709882B - 极地油气管道电伴热自适应系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极地油气管道电伴热自适应系统控制方法，包括管道温度分区，对整个管道的温度进行测量，依据温度的不同将管道分为高温区Ⅰ、中温区Ⅱ和低温区Ⅲ。在油气管道上采用恒功率为22W/m的电伴热带进行缠绕，在高温区Ⅰ、中温区Ⅱ和低温区Ⅲ上分别缠绕第一层电伴热带；中温区Ⅱ和低温区Ⅲ上分别缠绕第二层电伴热带；最后在低温区Ⅲ上缠绕第三层电伴热带。本发明所述的一种极地油气管道电伴热自适应系统控制方法，根据管道各区域温度的不同对整段管道进行分区，实现多区域的平衡、提高温度控制效果、克服电伴热控制器控制形式单一缺点、减少能源消耗目的，达到更好的节能效果。

Description

极地油气管道电伴热自适应系统控制方法

技术领域

本发明涉及管道电伴热系统控制方法，尤其涉及北极极寒环境下管道分区电伴热自适应控制方法。

背景技术

北极油气管道在运输过程中需要保证一定的工作温度，我国的管道油气运输所要求的工作温度是-20～+5℃。然而，对于北极地区而言，外界温度常年处于低温环境，位于北极圈的油气工厂更是达到-52℃外界环境。因此，在铺设油气管道时，除了要注意其安全性外，最重要的是其保温性，电伴热系统由于其发热均匀，温度准确，启动快速，可实现远控及遥控，使用寿命长，可靠性高，运行成本低等优点，成为北极极寒地区管道保温的最佳举措之一。由于北极地区各区域气候条件不同，油气管道在安装完毕后，受风向的影响，迎风面和背风面，以及有风区域和无风区域，温度的差别很大。然而，现阶段应用于北极地区的电伴热系统，往往对于北极地区的气候变化应对不佳。由于需要顾及到整段管道的保温问题，在安装电伴热带时往往以整段管道中温度最低的部分作为标准对整段管道进行铺设。因此，在使用电伴热带系统时，会导致部分区域的温度偏高，造成资源的浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种可以提高控制精度、降低电力成本、简化操作过程的极地油气管道电伴热自适应系统控制方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的极地油气管道电伴热自适应系统控制，包括以下步骤：

步骤一、对室外作业环境下的极地地区的管道测温并对油气管道进行区域划分，具体过程如下：

第一步、确定对油气管道进行区域划分用的温度值，方法为：北极地区最低气温达-52℃，将-52℃定为t3；中国进行油气运输的油气管道要求的工作温度是-20～+5℃，取中间值-10℃定为t0；t0和t3之间均等划分成三份，得到t1为-38℃，t2为-24℃；

第二步、收集整理北极地区的气候变化信息，在气候处于最恶劣的时间点利用热成像仪对油气管道的温度进行多次测量，在多次测量结果中选取处于不同温度区域的各段管道的最低温度；

第三步、计算待安装在油气管道上的电伴热带的功率，方法为：

Q_V＝2·k·π·ΔT/{(1/λ)ln(D₂/D₁)+2/(D₂·a)}

式中:Q_V—单位热量损失，单位W/m、λ—保温层导热系数，单位W/m·℃、D₂—绝热层外径，单位mm；D₁—绝热层内径，单位mm、k—安全系数,取值为1.2；ΔT—温差，单位℃,取值为14℃、a—绝热层外表面向周围环境的放热系数，单位W/m²·℃，取值为42.84、D₁＝700mm、D₂＝820mm，保温层导热系数λ＝0.0325W/m·℃；

管道单位热量损失Q_V＝21.431W/m，由于电伴热的功率要略大于管道损失的功率，因此取电伴热带的功率P＝22W/m；

第四步、依据各段油气管道的最低温度将油气管道分成三个区域，处于t1～t0温度区域的管道段归类到高温区Ⅰ；处于t1～t2温度区域的管道段归类到中温区Ⅱ；处于t2～t3温度区域的管道段归类到低温区Ⅲ；

步骤二、在油气管道的高温区Ⅰ、中温区Ⅱ、低温区Ⅲ分别安装高温区温度传感器pt1、中温区温度传感器pt2、低温区温度传感器pt3；所述的高温区温度传感器pt1、中温区温度传感器pt2、低温区温度传感器pt3分别与控制器相连以将高温区、中温区和低温区测量得到的温度信息传入控制器；

步骤三、在油气管道上采用恒功率为22W/m的电伴热带进行缠绕，具体布置方法为：在高温区Ⅰ、中温区Ⅱ和低温区Ⅲ上分别缠绕第一层电伴热带c1且高温区Ⅰ、中温区Ⅱ和低温区Ⅲ的第一层电伴热带c1分别具有电源开关，然后在中温区Ⅱ和低温区Ⅲ上分别缠绕第二层电伴热带c2且中温区Ⅱ和低温区Ⅲ的第二层电伴热带c2分别具有电源开关；最后在低温区Ⅲ上缠绕第三层电伴热带c3；

步骤四、通过控制器采集高温区温度传感器pt1、中温区温度传感器pt2、低温区温度传感器pt3输出的高温区温度T1、中温区温度T2以及低温区温度T3；由分区的依据可知，在没有引入电伴热进行温度调节时，一定存在：T3＜T2＜T1；

步骤五、调控油气管道温度，具体步骤为：

第一步，第一层电伴热带c1、第二层电伴热带c2以及第三层电伴热带c3的电源开关都处于断开状态；

第二步，控制器采集T1、T2和T3的值，并进行如下判断：如果T3<t2，则控制器向第三层电伴热带c3的电源开关输出控制信号打开低温区Ⅲ的电伴热带c3的电源开关，然后转到下一步；否则T3≥t2，则直接转到下一步；

第三步，对T3和T2进行判断，如果T3<T2<t1，则控制器分别向中温区Ⅱ和低温区Ⅲ的第二层电伴热带c2的电源开关输出打开控制信号，然后转到下一步；如果T3<t1且T2≥t1，则控制器向低温区Ⅲ的第二层电伴热带c2的电源开关输出打开控制信号，然后转到下一步；否则T2>T3≥t1，则直接转到下一步；

第四步，对T3、T2和T1进行判断，如果T3<T2<T1<t0，则控制器向高温区Ⅰ、中温区Ⅱ以及低温区Ⅲ的第一层电伴热带c1的电源开关分别输出打开控制信号，然后转到下一步；如果T3<T2<t0且T1≥t0，则控制器向中温区Ⅱ和低温区Ⅲ的第一电伴热带c1的的电源开关分别输出打开控制信号，然后转到下一步；如果T3<t0且T1>T2≥t0，则控制器向低温区Ⅲ的第一电伴热带c1的电源开关输出打开控制信号，然后转到下一步；否则T1>T2>T3≥t0，则直接转到下一步；

第五步，将T1、T2和T3与需求工作温度t0比较，如果T1、T2和T3都达到所需的工作温度，则控制器向各个电伴热带的电源开关输出信号关闭所有已经打开的电伴热带的电源开关，没有打开过的电伴热带的电源开关维持断开状态；然后重复第二步-第五步。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：在管道安装完毕后，依据不同区域的气候条件，对整段管道的温度进行测量，根据管道各区域温度的不同对整段管道进行分区，在铺设电伴热带时对不同区段的管道针对性地铺设一层或多层电伴热带，可以实现多区域的平衡；能够针对不同区域的管道同时进行监测，保证了对主要区域管道温度的实时调节。通过对运输管道所处环境温度进行统计和分析，对管道电热拌缠绕布置方法进行改进，可根据管道不同区域的环境温度，自动控制电伴热带工作状态实现控制自适应性，实现在极低环境中管道内部油气温度多区域平衡，提高温度控制的效果。克服了电伴热控制器控制形式单一的缺点，达到减少能源消耗的目的。

附图说明

图1是管道温度分布区域图；

图2-1是整段管道上电伴热带c1的分布图；

图2-2是中温区Ⅱ和低温区Ⅲ管道上电伴热带c2的分布图；

图2-3是低温区Ⅲ管道上电伴热带c3的分布图；

图2-4是整段管道上电伴热带c1、c2和c3总的分布图；

图3是自适应模型可视化控制简图；

图4是控制器具体控制形式流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如附图所示，本发明的极地油气管道电伴热自适应系统控制方法，包括以下步骤：

步骤一、对室外作业环境下的极地地区的管道测温并对油气管道进行区域划分，具体过程如下：

第一步、确定对油气管道进行区域划分用的温度值，方法为：查阅文献可知，北极地区最低气温可达-52℃，将-52℃定为t3；中国进行油气运输的油气管道要求的工作温度是-20～+5℃，取中间值-10℃定为t0；t0和t3之间均等划分成三份，得到t1为-38℃，t2为-24℃。

第二步、收集整理北极地区的气候变化信息，在气候处于最恶劣的时间点利用热成像仪对油气管道的温度进行多次测量，在多次测量结果中选取处于不同温度区域的各段管道的最低温度。

第三步、计算待安装在油气管道上的电伴热带的功率，方法为：

根据《石油化工装置工艺管道安装设计手册》(第五版，主编“张德姜王怀义丘平”)(中国石化出版社，2014：995)中，第一篇设计与计算，公式:

Q_V＝2·k·π·ΔT/{(1/λ)ln(D₂/D₁)+2/(D₂·a)}

式中:Q_V—单位热量损失，单位W/m；λ—保温层导热系数，单位W/m·℃；D₂—绝热层外径，单位mm；D₁—绝热层内径，单位mm，单位；k—安全系数,取值为1.2；ΔT—温差，单位℃(其中ΔT＝t0-t1＝t1-t2＝t2-t3＝14℃)；a—绝热层外表面向周围环境的放热系数，单位W/m²·℃，取值为42.84。

由于我国油气管道常用公称直径为200mm～1000mm，取其中间的一个值700mm作为计算计算初始值，即D₁＝700mm。根据工作温度-10℃的要求，选取厚度为60mm的柔性泡沫橡塑作为保温层的材料，故可知绝热层外径D₂＝820mm以及保温层导热系数

λ＝0.0325W/m·℃。

综上计算可得，管道单位热量损失Q_V＝21.431W/m。由于电伴热的功率要略大于管道损失的功率，因此取电伴热带的功率P＝22W/m。

第四步、如图1所示，依据各段油气管道的最低温度将油气管道分成三个区域，处于t1～t0温度区域的管道段归类到高温区Ⅰ；处于t1～t2温度区域的管道段归类到中温区Ⅱ；处于t2～t3温度区域的管道段归类到低温区Ⅲ。

步骤二、在油气管道的高温区Ⅰ、中温区Ⅱ、低温区Ⅲ分别安装高温区温度传感器pt1、中温区温度传感器pt2、低温区温度传感器pt3。所述的高温区温度传感器pt1、中温区温度传感器pt2、低温区温度传感器pt3分别与控制器相连以将高温区、中温区和低温区测量得到的温度信息传入控制器。

步骤三、在油气管道上采用恒功率为22W/m的电伴热带进行缠绕，具体布置方法为：如图2所示，在高温区Ⅰ、中温区Ⅱ和低温区Ⅲ上分别缠绕第一层电伴热带c1且高温区Ⅰ、中温区Ⅱ和低温区Ⅲ的第一层电伴热带c1分别具有电源开关，然后在中温区Ⅱ和低温区Ⅲ上分别缠绕第二层电伴热带c2且中温区Ⅱ和低温区Ⅲ的第二层电伴热带c2分别具有电源开关；最后在低温区Ⅲ上缠绕第三层电伴热带c3。

步骤四、通过控制器采集高温区温度传感器pt1、中温区温度传感器pt2、低温区温度传感器pt3输出的高温区温度T1、中温区温度T2以及低温区温度T3。由分区的依据可知，低温区Ⅲ的温度低于中温区Ⅱ的温度，中温区Ⅱ的温度低于高温区Ⅰ的温度，即在没有引入电伴热进行温度调节时，一定存在：T3＜T2＜T1。

步骤五、如图4所示，调控油气管道温度，具体步骤为：

第一步，第一层电伴热带c1、第二层电伴热带c2以及第三层电伴热带c3的电源开关都处于断开状态。

第二步，控制器采集T1、T2和T3的值，并进行如下判断：如果T3<t2，则控制器向第三层电伴热带c3的电源开关输出控制信号打开低温区Ⅲ的电伴热带c3的电源开关，然后转到下一步；否则T3≥t2，则直接转到下一步。

第三步，对T3和T2进行判断，如果T3<T2<t1，则控制器分别向中温区Ⅱ和低温区Ⅲ的第二层电伴热带c2的电源开关输出打开控制信号，然后转到下一步；如果T3<t1且T2≥t1，则控制器向低温区Ⅲ的第二层电伴热带c2的电源开关输出打开控制信号，然后转到下一步；否则T2>T3≥t1，则直接转到下一步。

第四步，对T3、T2和T1进行判断，如果T3<T2<T1<t0，则控制器向高温区Ⅰ、中温区Ⅱ以及低温区Ⅲ的第一层电伴热带c1的电源开关分别输出打开控制信号，然后转到下一步；如果T3<T2<t0且T1≥t0，则控制器向中温区Ⅱ和低温区Ⅲ的第一电伴热带c1的电源开关分别输出打开控制信号，然后转到下一步；如果T3<t0且T1>T2≥t0，则控制器向低温区Ⅲ的第一电伴热带c1的电源开关输出打开控制信号，然后转到下一步；否则T1>T2>T3≥t0，则直接转到下一步。

第五步，将T1、T2和T3与需求工作温度t0比较，如果T1、T2和T3都达到所需的工作温度，则控制器向各个电伴热带的电源开关输出信号关闭所有已经打开的电伴热带的电源开关，没有打开过的电伴热带的电源开关维持断开状态；然后重复第二步-第五步。

Claims (1)

1.极地油气管道电伴热自适应系统控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、对室外作业环境下的极地地区的管道测温并对油气管道进行区域划分，具体过程如下：

第一步、确定对油气管道进行区域划分用的温度值，方法为：北极地区最低气温达-52℃，将-52℃定为t3；中国进行油气运输的油气管道要求的工作温度是-20～+5℃，取中间值-10℃定为t0；t0和t3之间均等划分成三份，得到t1为-38℃，t2为-24℃；

第二步、收集整理北极地区的气候变化信息，在气候处于最恶劣的时间点利用热成像仪对油气管道的温度进行多次测量，在多次测量结果中选取处于不同温度区域的各段管道的最低温度；

第三步、计算待安装在油气管道上的电伴热带的功率，方法为：

Q_V＝2·k·π·ΔT/{(1/λ)ln(D₂/D₁)+2/(D₂·a)}

式中:Q_V—单位热量损失,单位W/m、λ—保温层导热系数，单位W/m·℃、D₂—绝热层外径，单位mm；D₁—绝热层内径， 单位mm、k—安全系数,取值为1.2；ΔT—温差， 单位℃,取值为14℃、a—绝热层外表面向周围环境的放热系数，单位W/m²·℃，取值为42.84、D₁＝700mm、D₂＝820mm，保温层导热系数λ＝0.0325W/m·℃；

管道单位热量损失Q_V＝21.431W/m，由于电伴热的功率要略大于管道损失的功率，因此取电伴热带的功率P＝22W/m；

第四步、依据各段油气管道的最低温度将油气管道分成三个区域，处于t1～t0温度区域的管道段归类到高温区Ⅰ；处于t1～t2温度区域的管道段归类到中温区Ⅱ；处于t2～t3温度区域的管道段归类到低温区Ⅲ；

步骤二、在油气管道的高温区Ⅰ、中温区Ⅱ、低温区Ⅲ分别安装高温区温度传感器pt1、中温区温度传感器pt2、低温区温度传感器pt3；所述的高温区温度传感器pt1、中温区温度传感器pt2、低温区温度传感器pt3分别与控制器相连以将高温区Ⅰ、中温区Ⅱ和低温区Ⅲ测量得到的温度信息传入控制器；

步骤三、在油气管道上采用恒功率为22W/m的电伴热带进行缠绕，具体布置方法为：在高温区Ⅰ、中温区Ⅱ和低温区Ⅲ上分别缠绕第一层电伴热带c1且高温区Ⅰ、中温区Ⅱ和低温区Ⅲ的第一层电伴热带c1分别具有电源开关，然后在中温区Ⅱ和低温区Ⅲ上分别缠绕第二层电伴热带c2且中温区Ⅱ和低温区Ⅲ的第二层电伴热带c2分别具有电源开关；最后在低温区Ⅲ上缠绕第三层电伴热带c3；

步骤四、通过控制器采集高温区温度传感器pt1、中温区温度传感器pt2、低温区温度传感器pt3输出的高温区温度T1、中温区温度T2以及低温区温度T3；由分区的依据可知，在没有引入电伴热进行温度调节时，一定存在：T3＜T2＜T1；

步骤五、调控油气管道温度，具体步骤为：

第一步，第一层电伴热带c1、第二层电伴热带c2以及第三层电伴热带c3的电源开关都处于断开状态；

第二步，控制器采集T1、T2和T3的值，并进行如下判断：如果T3<t2，则控制器向第三层电伴热带c3的电源开关输出控制信号打开低温区Ⅲ的电伴热带c3的电源开关，然后转到下一步；否则T3≥t2，则直接转到下一步；

第三步，对T3和T2进行判断，如果T3<T2<t1，则控制器分别向中温区Ⅱ和低温区Ⅲ的第二层电伴热带c2的电源开关输出打开控制信号，然后转到下一步；如果T3<t1且T2≥t1，则控制器向低温区Ⅲ的第二层电伴热带c2的电源开关输出打开控制信号，然后转到下一步；否则T2>T3≥t1，则直接转到下一步；

第四步，对T3、T2和T1进行判断，如果T3<T2<T1<t0，则控制器向高温区Ⅰ、中温区Ⅱ以及低温区Ⅲ的第一层电伴热带c1的电源开关分别输出打开控制信号，然后转到下一步；如果T3<T2<t0且T1≥t0，则控制器向中温区Ⅱ和低温区Ⅲ的第一电伴热带c1的的电源开关分别输出打开控制信号，然后转到下一步；如果T3<t0且T1>T2≥t0，则控制器向低温区Ⅲ的第一电伴热带c1的电源开关输出打开控制信号，然后转到下一步；否则T1>T2>T3≥t0，则直接转到下一步；

第五步，将T1、T2和T3与需求工作温度t0比较，如果T1、T2和T3都达到所需的工作温度，则控制器向各个电伴热带的电源开关输出信号关闭所有已经打开的电伴热带的电源开关，没有打开过的电伴热带的电源开关维持断开状态；然后重复第二步-第五步。

Images