BR102012002618A2 - Sistema de detecção e localização de vazamento em dutos utilizando inteligência distribuída interconectada por link de fibra óptica - Google Patents

Abstract

SISTEMA DE DETECÇÃO E LOCALIZAÇÃO DE VAZAMENTOS EM DUTOS UTILIZANDO INTELIGÊNCIA DISTRIBUÍDA INTERCONECTADA POR LINK DE FIBRA ÓPTICA. Refere-se o presente invento a um sistema de detecção e localização de vazamentos prestando-se à aplicação em dutos de transporte de fluidos líquidos, gasosos ou multifásticos, utilizando inteligência distribuída interconectada por link de fibra óptica, cujo sistema é dotado de Sensores acústicos inteligentes e dedicados com capacidade de comunicação por fibra óptica (1); Módulo de alimentação dos sensores com painel solar (opcional); Fibra óptica dedicada para o Sistema de Detecção de Vazamentos (5); Unidade Central de Processamento - MPU (2); Computador dedicado ao sistema de detecção de vazamentos (3); e, Software de Gerenciamento e Interface de Usuário.

Description

SISTEMA DE DETECÇÃO E LOCALIZAÇÃO DE VAZAMENTOS EM DUTOS UTILIZANDO INTELIGÊNCIA DISTRIBUÍDA INTERCONECTADA POR LINK DE FIBRA ÓPTICA Campo da invenção

A patente diz respeito a um sistema de detecção e

localização de vazamentos prestando-se à aplicação em dutos de transporte de fluidos líquidos, gasosos ou multifásicos, utilizando inteligência distribuída interconectada por link de fibra óptica.

Estado da técnica São conhecidas inúmeras tecnologias propostas para

detecção e localização de vazamentos em dutos de transporte de fluidos líquidos, gasosos ou multifásicos.

Neste sentido, são encontrados vários documentos de patentes, dentre os quais citamos o W02005/015326, US 15 2007/206521, US 5,272,646, RU2190152, JP05-157668, TW407189, US 5,416,724, US 5,623,421, US 5,625,150, US 5,675,506 e US 6,567,795 BRPI0705710-5, US2009220190 e BRPI1002159-0, que fazem parte do estado geral da técnica, cujos documentos, em síntese, revelam o uso da tecnologia acústica e da tecnologia de 20 balanço de massa em diversos tipos de arranjos para detecção, localização e quantificação de vazamentos em dutos.

O sistema ora reivindicado foi desenvolvido com base na já consolidada tecnologia acústica aplicada nos sistemas já solicitados nas patentes PI0705710-5 e PU002159-0 do mesmo inventor e depositante, tendo como principal vantagem a substancial redução de custo, propiciada pela redistribuição do processamento o que dispensa o uso de itens de hardware custosos.

Através do aumento da inteligência dos sensores acústicos (inteligência distribuída) é permitida a utilização de somente 1 hardware de processamento avançado e com isso a diminuição substancial dos custos.

Embora o documento de patente US2009220190 revela o

uso de fibra óptica em sua arquitetura, cabe ressaltar que a fibra é utilizada como elemento sensor, o que não é o caso da patente ora reivindicada, que utiliza a fibra óptica apenas para comunicação de dados provenientes dos sensores inteligentes.

Portanto, a principal novidade do invento ora proposto

está no arranjo do sistema. O arranjo proposto demanda uma comunicação de dados com taxas mais elevadas e com baixa latência, o que é plenamente atendido com o emprego de links de fibras ópticas dedicados, atualmente com custos bastante acessíveis.

A distribuição da “inteligência” ou processamento propicia uma redução substancial na quantidade de hardware requerida por aplicação, trazendo inúmeras vantagens e possibilitando aplicações antes inviáveis economicamente.

Objetivo do invento

O sistema de detecção e localização de vazamentos aplicado em dutos de transporte de fluidos líquidos, gasosos ou multifásicos, tem por objetivo utilizar a inteligência distribuída permitindo a utilização de somente 1 hardware de processamento avançado e com isso a diminuição substancial dos custos.

Vantagens do invento - permite a rápida detecção e a correta localização de

vazamentos prestando-se à aplicação em dutos de transporte de fluidos líquidos, gasosos ou multifásicos de acordo com os requisitos normativos governamentais;

- substancial redução de custo, propiciada pela redistribuição do processamento o que dispensa o uso de itens de

hardware custosos;

- assegura a proteção de instalações e do meio ambiente;

e,

- baixos custos de implementação;

- a tecnologia Acústica do invento combina características

de funcionamento muito favoráveis à detecção de vazamentos como, alta sensibilidade, resposta rápida, boa exatidão de localização, associadas a uma boa confiabilidade de operação com muito baixa taxa de falsos alarmes.

- facilidade de instalação, operação, manutenção, entre

outros.

Breve descrição das figuras

A figura 1 ilustra o fluxograma do sistema.

A figura 2 ilustra os perfis de pressão numa linha hipotética, antes do vazamento (t=0) e depois do vazamento estabelecido (t=°°), assim como a propagação das frentes de onda após a ocorrência de um vazamento.

A figura 3 ilustra a arquitetura geral do sistema.

A figura 4 ilustra os sensores providos de invólucros.

A figura 5 ilustra a Unidade Central de Processamento

MPU.

A figura 6 ilustra determinação da localização do

vazamento.

A figura 7 traz exemplo de ruído de fundo decorrentes da operação normal do duto.

A figura 8 traz exemplo de sinais característicos originados por vazamentos.

Descrição detalhada da invenção

A tecnologia empregada no presente invento baseia-se Na detecção dos transientes hidráulicos produzidos no momento do surgimento do vazamento, que se propagam em forma de frentes de onda através do próprio escoamento atingindo longas distâncias. Para melhor compreensão, através da figura 2 é possível observar 5 os perfis de pressão numa linha hipotética, antes do vazamento (t=0) e depois do vazamento estabelecido (t=00), assim como a propagação das frentes de onda após a ocorrência de um vazamento.

A detecção desses sinais é feita com uso de sensores 10 especiais (1), instalados em pontos estratégicos ao longo do duto (D), que agem como sensores acústicos ou sônicos. Os sinais dos sensores pré-processados (1) são transmitidos a uma central (2) por meio de uma fibra óptica dedicada (5), onde são processados e analisados utilizando-se sofisticadas técnicas de reconhecimento, 15 inclusive com uso de redes neurais e inteligência artificial. Em caso de ocorrência de vazamento, após a sua validação, um alarme será anunciado na tela de operação indicando a sua correta localização, conforme pode ser observado através do fluxograma ilustrado na figura 3.

O monitoramento é feito através de uma Unidade Central

de Processamento - MPU (2) que é interligada via rede a um computador do tipo PC (Estação Central de Monitoramento - CMS) (3), onde rodam um software dedicado desenvolvido pela requerente o invento em questão e um sistema supervisório que serve como Interface Homem Máquina (IHM). Esta interface permite a operação de todo o sistema, bem como a entrada de parâmetros, 5 configurações, etc. As informações e funções da IHM podem ser replicadas para outras localidades via comunicação OPC, podendo também ser facilmente integrada com o SCADA da planta.

Além da integração com o SCADA o sistema também pode trabalhar de forma integrada a softwares de balanço de massa

compondo a parcela acústica de um sistema integrado de detecção, localização e quantificação de vazamentos do mesmo depositante, previsto na Pl 1002159-0.

As funções realizadas pelo software do sistema são demonstradas no fluxograma da figura 1.

Em sua configuração típica o sistema é composto de:

Sensores acústicos inteligentes e dedicados com capacidade de comunicação por fibra óptica (1);

Módulo de alimentação dos sensores com painel

solar (opcional);

· Fibra óptica dedicada para o Sistema de Detecção

de Vazamentos (5);

Unidade Central de Processamento - MPU (2); Computador dedicado ao sistema de detecção de vazamentos (3); e,

Software de Gerenciamento e Interfaces de

Usuário.

Sensores Acústicos Remotos

Os sensores acústicos (1) são os elementos responsáveis pela leitura dos sinais dinâmicos. São instalados em diferentes pontos ao longo do duto (D)1 em quantidades e distâncias que variam de acordo com as características e configuração de cada 10 duto, requerimentos de sensibilidade, precisão de localização, fontes de ruídos, etc. Sempre que possível, nas extremidades do duto são empregados pares de sensores (1), separados por uma distância adequada. A instalação de sensores (1) redundantes facilita a identificação de ruídos e interferências oriundas de regiões externas 15 ao trecho protegido, sendo aproveitada como um eficiente filtro para evitar alarmes indevidos. Na operação em pares, mesmo em caso de falha de um dos sensores, o sistema ainda continua detectando vazamentos. Os sensores quando em pares devem estar posicionados a no mínimo 60 metros de distância (entre o par).

O tamanho dos trechos (distância entre pontos de

medição) pode variar desde alguns metros a até 40km dependendo das características da aplicação. Os sensores (1) são providos de invólucros adequados para proteção mecânica, e sua conexão ao processo é feita através de flanges de 2”, conforme pode ser observado na figura 4. Os invólucros possuem entrada para alimentação elétrica e para 5 conexão da fibra óptica (5). A conexão dos sensores (1) à fibra óptica (5) é feita tipicamente através de conectores tipo SC. A instalação das tomadas para os sensores pode ser feita com a linha em operação, com uso de “Hot Tapping Machines”, não requerendo a parada do duto. Desta forma, eliminam-se as perdas de produção 10 durante esta fase, reduzindo em muito os custos de instalação.

No sistema os sensores (1) possuem um maior grau de inteligência, isto é, pré-processamento e possibilidade de comunicação por fibra óptica (5) o que possibilita que múltiplos sensores (1) sejam conectados a somente uma unidade central de processamento (2).

Unidade Central de Processamento (Main Processing Unit-MPU)

A Unidade Central de Processamento (2), denominada MPU (Main Processing Unit) é responsável pela aquisição e processamento dos sinais dos sensores (1) e é instalada na sala de controle, próximo à Estação Central de Monitoramento (CMS). A MPU (2) monitora continuamente os sinais coletados de todos os sensores acústicos (1) e ao mesmo tempo executa um complexo processamento destes sinais, transferindo os resultados à CMS, que emitirá o devido alarme em caso de vazamento.

Além das portas utilizadas para comunicação com a rede 5 de sensores (1), o processador central possui também uma porta de serviço para fins de testes, verificações, diagnósticos, e outras funções. A unidade também dispõe de um display LCD e teclado que são úteis para visualização de status de sensores, leituras de variáveis e outras informações úteis para manutenção do sistema.

A figura 5 mostra o aspecto externo da Unidade Central -

MPU.

Processamento de Sinais na MPU

Para a correta identificação e detecção dos sinais de vazamento distinguindo-os dos muitos ruídos e interferências 15 normalmente presentes no sinal, são empregadas sofisticadas técnicas de filtragem e processamento. Como exemplo de técnicas podem ser mencionados filtros analógicos _e digitais implementados em hardware e software como, filtros de média móvel, correlativos, de ganho adaptativo, passa alta, passa baixa, passa banda, filtros de 20 seqüência de fase, algoritmos baseados em redes neurais artificiais (ANN), FFT1 algoritmos de detecção multicamadas, etc. É importante notar que não apenas vazamentos podem produzir transientes hidráulicos e ondas subsônicas, mas estes também podem ser originárias de eventos como partidas e parada de bombas, manobra de válvulas, conexão a tanques, e outros eventos 5 operacionais. O sistema objeto da invenção é capaz de identificar a origem e as características desses sinais e classificá-los adequadamente, assegurando a detecção de vazamentos e evitando a geração de falsos alarmes.

Importantes ferramentas para auxiliar nestas tarefas são as Redes Neurais Artificiais (ANN) empregadas no invento que são treinadas para reconhecer os padrões de vazamentos e sinais característicos de cada aplicação, para juntamente com os demais algoritmos assegurar a confiabilidade do sistema.

As figuras 7 e 8 trazem, respectivamente, exemplos de ruídos de fundo decorrentes da operação normal do duto, e de sinais característicos originados por vazamentos.

Estação Central de Monitoramento - CMS A Estação Central de Monitoramento do Sistema - CMS (3) é baseada num computador tipo PC dedicado ao sistema de detecção de vazamentos, equipado com um software de gerenciamento desenvolvido pela requerente do privilégio em questão e um supervisório que atua como interface homem máquina oferecendo funções de configuração, telas de operação amigáveis, etc. Todas as configurações de parâmetros e condições de operação são feitas através da CMS, que também disponibiliza relatórios, históricos de ocorrências, e muitas outras informações.

A tela de operação normalmente é baseada num mapa

da região com o traçado do duto, destacando-se os pontos de monitoramento e outros detalhes que facilitam a operação do sistema. Esta tela é elaborada de acordo com as preferências do cliente.

A comunicação com os processadores locais é feita via

rede ethernet ,interface RS-232, ou ainda de outras formas.

O sistema de detecção e vazamentos de dutos objeto da patente também pode ser facilmente integrado com o SCADA (4) da planta via OPC, possibilitando o acesso às informações a partir de qualquer estação de trabalho, conforme pode ser observado na figura 3.

Sensibilidade de detecção

Sob o âmbito da Tecnologia Acústica, a sensibilidade de detecção do sistema significa o menor tamanho de vazamento (tamanho de orifício) que pode ser detectado numa dada condição de operação. A sensibilidade de detecção é dependente de diversos fatores e condições, sendo particular para cada instalação e para cada trecho do duto. Como exemplo de fatores e características que podem influenciar a máxima sensibilidade na qual o sistema pode operar de forma confiável, podem ser citados o comprimento e diâmetro do duto, natureza do fluido transportado, pressão de 5 operação, regime de bombeio, arranjo geral do duto, presença de válvulas, separadores, ruídos e interferências operacionais, posicionamento dos sensores acústicos, configuração e ajustes do sistema, dentre outros.

A Tecnologia Acústica desenvolvida no invento apresenta sensibilidade e desempenho superiores às demais tecnologias disponíveis no mercado atualmente, sendo a única capaz de detectar vazamentos mesmo com a linha bloqueada (sem fluxo), bastando que a linha esteja pressurizada.

Tempo de detecção A Tecnologia Acústica do invento é também a que

apresenta a detecção mais rápida de vazamentos, se comparada às demais tecnologias disponíveis no mercado atualmente. Embora as resposta sejam sempre rápida, na ordem de segundos, o tempo necessário para a detecção de um vazamento e a geração do 20 conseqüente alarme pelo invento ora proposto depende de alguns fatores, principalmente da velocidade de propagação do som no fluído específico e das distâncias entre o ponto do vazamento e os sensores. Outros fatores, como o tempo de comunicação e processamento dos sinais, também afetam o tempo de detecção, porém com influências pouco significativas.

Cálculo da localização do vazamento A localização do ponto de vazamento é determinada a

partir dos tempos de chegada dos transientes de pressão em cada sensor acústico. O processador central (MPU) registra os tempos exatos em que os sinais foram detectados em cada sensor, possibilitando a determinação da posição exata onde ocorreu o vazamento.

Simplificadamente, sendo conhecidos a velocidade de propagação e o comprimento do trecho, o processador efetua o cálculo da localização do vazamento a partir dos tempos de chegada do sinal em cada sensor, conforme ilustra a figura a 6, pela fórmula xv = f onde X: localização do vazamento; L:

comprimento do trecho; T1 e T2: tempos de chegada do sinal nos sensores S1 e S2; v: velocidade de propagação no fluído; e vf: velocidade de fluxo.

Claims (13)

1. Sistema de detecção e localização de vazamentos em dutos, caracterizado por utilizar a inteligência distribuída interconectada por link de fibra óptica permitindo que múltiplos sensores (1) sejam conectados a somente uma única unidade central de processamento (2), cujo sistema é dotado de Sensores acústicos inteligentes e dedicados com capacidade de comunicação por fibra óptica (1); Módulo de alimentação dos sensores; Fibra óptica dedicada para o Sistema de Detecção de Vazamentos (5); Unidade Central de Processamento - MPU (2); Computador dedicado ao sistema de detecção de vazamentos (3); e, Software de Gerenciamento e Interfaces de Usuário.

2. Sistema de detecção e localização de vazamentos em dutos, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelos sensores (1) serem providos de invólucros para proteção mecânica, e sua conexão ao processo é feita através de flanges de 2”, possuindo entrada para alimentação elétrica e para conexão da fibra óptica (5).

3. Sistema de detecção e localização de vazamentos em dutos, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pela conexão dos sensores à fibra óptica (5) ser feita através de conectores do tipo SC.

4.Sistema de detecção e localização de vazamentos em dutos, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pela instalação das tomadas para os sensores (1) poder ser feita com a linha em operação, com uso de “Hot Tapping Machines”.

5.Sistema de detecção e localização de vazamentos em dutos, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelos sensores acústicos (1) serem instalados em diferentes pontos ao longo do duto (D), em quantidades e distâncias que variam de acordo com as características e configuração de cada duto.

6 .Sistema de detecção e localização de vazamentos em dutos, de acordo com reivindicação 1, caracterizado por serem empregados pares de sensores (1) nas extremidades do duto, separados por uma distância que devem estar posicionados a no mínimo 60 metros de distância (entre o par).

7. Sistema de detecção e localização de vazamentos em dutos, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pela distância entre os pontos de medição poder variar desde alguns metros a até 40km dependendo das características da aplicação.

8.Sistema de detecção e localização de vazamentos em dutos, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela instalação de sensores redundantes no sistema serem um eficiente filtro para evitar alarmes indevidos.

9.Sistema de detecção e localização de vazamentos em dutos, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela operação em pares de sensores (1) continuar detectando vazamentos mesmo em caso de falha de um dos sensores.

10. Sistema de detecção e localização de vazamentos em dutos, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela MPU (2) monitorar continuamente os sinais coletados de todos os sensores acústicos (1) e ao mesmo tempo executar um complexo processamento destes sinais, transferindo os resultados à CMS (3), que emitirá o devido alarme em caso de vazamento.

11.Sistema de detecção e localização de vazamentos em dutos, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo processador central MPU (2) efetuar o cálculo da localização do vazamento a partir dos tempos de chegada do sinal em cada sensor, pela fórmula xv =f(L,tl,t2,v,vfi, onde X: localização do vazamento; L: comprimento do trecho; T1 e T2: tempos de chegada do sinal nos sensores S1 e S2; v: velocidade de propagação no fluído; e vf. velocidade de fluxo.

12. Sistema de detecção e localização de vazamentos em dutos, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela comunicação com os processadores locais é feita via rede ethernet e/ou interface RS-232.

13. Sistema de detecção e localização de vazamentos em dutos, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo sistema de detecção e vazamentos ser facilmente integrado com o SCADA (4) da planta via OPC.