DE2434872B2 - Verfahren zum Erfassen eines Lecks in einer Pipeline - Google Patents
Verfahren zum Erfassen eines Lecks in einer PipelineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines Lecks in einem Abschnitt einer Pipeline zum
Flüssigkeitstransport, welche durch Schieber in Abschnitte unterteilt ist, die an den Enden jedes
Abschnittes angeordnet sind, wobei die Flüssigkeit im Abschnitt durch eine in einer Umgehungsleitung für
einen der Schieber angeordnete Pumpe auf einem konstanten Druck gehalten wird.
Der Transport von gewissen Flüssigkeiten, wie Heizöle, erfolgt heute zunehmend mittels Pipelines, die
eine Länge von bis zu 10 km haben können. Dabei tritt
das Problem auf, Leckverluste längs der Pipeline rechtzeitig festzustellen. Um bei einem Bruch einer
solchen Pipeline infolge eines Unfalls, z. B. bei einem Erdbeben, ein gänzliches Auslaufen der Flüssigkeit zu
verhindern, werden die Pipelines in der Regel durch Abteilventile in einzelne Abschnitte aufgeteilt, eine
Maßnahme, die sich auch bei Betriebsunterbrechungen als vorteilhaft erweist.
In der US-Patentschrift 37 02 074 wird bereits ein Verfahren zum Feststellen von Pipelinelecks beschrieben,
das auf dem Prinzip beruht, daß bei unterschiedlichen Flüssigkeitsdrücken unterschiedlich große Leckverluste
auftreten. Gemessen wird dabei unter verschiedenen Drücken der Unterschied zwischen der in die
Pipeline eingegebenen und aus dieser austretenden Flüssigkeitsmenge. Wenn jedoch eine nur geringe
Temperaturänderung längs der für Heizöltransportzwecke zu beheizenden Pipeline eintritt, erfährt die in
der Pipeline befindliche Flüssigkeit eine so große Volumenänderung, daß die Abweichung zwischen ein-
und ausfließender Flüssigkeit infolge von Leckverlusten nicht mehr bestimmbar ist. Andererseits ist es praktisch
unmöglich, längs einer beheizten Pipeline eine gleichmäßige konstante Temperatur aufrechtzuerhalten, so
ίο daß der erwähnte, den Meßwert verfälschende Effekt
aus der Volumenänderung kaum über eine für die bekannte Messung erforderlich lange Zeitdauer ausgeschaltet
werden kann. Bei dem Verfahren nach der US-Patentschrift muß nämlich erst eine gewisse Zeit bis
zur Vornahme der Messung verstreichen, damit sich nach einer Erhöhung oder Erniedrigung des Druckes
wieder ein gleichförmiger Druck längs der Pipeline einstellt. Wegen des somit nicht vermeidbaren Meßfehlers
können mit dem bekannten Verfahren nur größere, jedoch keine geringen Leckverluste eindeutig ermittelt
werden, und es wird dieser Nachteil noch dadurch verstärkt, daß wegen der ein- und austrittsseitigen
Messung großer Flüssigkeitsmengen kleinere Leckverluste meßtechnisch praktisch nicht mehr ermittelt
werden können.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten
Gattung dahingehend zu verbessern, daß sich mit ihm auch geringe Leckverluste bei hoher Genauigkeit
eindeutig feststellen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Flüssigkeit durch eine sich entlang der Länge
'des Abschnittes erstreckende Heizeinrichtung auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird, ein aus Abkühlen
und Erwärmen des Abschnittes bestehender Zyklus ein oder mehrere Male durchgeführt wird, so daß die
Flüssigkeit bei Abkühlen durch die Umgehungsleitung zum Abschnitt und bei Erwärmen aus dem Abschnitt
fließt, die Menge an in und aus dem Abschnitt fließender Flüssigkeit mittels eines in der Umgehungsleitung
vorgesehenen Durchflußmengenmessers gemessen wird, und die Leckmenge aus dem Abschnitt basierend
auf der Gesamtsumme der so gemessenen Beträge von in und aus dem Abschnitt fließender Flüssigkeit erfaßt
wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß durch die Heizeinrichtung eine
Wärmemenge Q in den Abschnitt so eingegeben wird, daß der folgende Ausdruck so nahe wie möglich bei Null
so gehalten wird:
Ql'« - (Θο-0a)
worin Q = Wärmemenge pro Längeneinheit der Pipeline, α = Wärmeverlust pro Längeneinheit der
Pipeline und Temperatureinheit, 0o = Temperatur der Flüssigkeit in der Pipeline und 0a = Umgebungstemperatur
bedeutet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
bo erläutert. Es zeigen
F i g. 1 und 2 schematische Ansichten von mit Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ausgestatteten Pipelines.
In F i g. 1 ist eine Pipeline 1 an beiden Enden mit je
b5 einem Abteilventil 2 bzw. 3 versehen. Angenommen, die
Abteilventile seien geschlossen, so daß der Flüssigkeitstransport unterbrochen ist, so befindet sich ein
Abschnitt 1' zwischen den Abteilventilen 2 und 3. Bei
einer langen Pipeline können mindestens drei Abteilventile vorgesehen sein, um mindestens zwei Abschnitte
.'u bilden.
Zur Verkürzung der Erläuterung ist in der Zeichnung ein Beispiel mit nur einem Abschnitt dargesle ilt.
Die Bezugszahl 4 bezeichnet einen S;>sichertank für
die Flüssigkeit an der Zuführseite, 5 eine Förderpumpe und 6 einen Aufnahmebehälter. 8 bezeichnet ein
Drosselventil und die 7 einen Durchflußmesser zum
Messen der Durchflußmenge an Flüssigkeit in oder aus dem AbschniJt Γ. Das Abteil ventil 2 ist parallel zu den
Leitungen 10 und 9 und dem Durchflußmesser 7 angeordnet. Ebenso ist die Förderpumpe 5 parallel zur
Leitung 10 und dem Drosselventil 8 angeordnet Die mit der Pipeline 1 in Reihe liegende Pumpe 5 und das Ventil
2 sind parallel zum Durchflußmesser 7, der Leitung 9 und zum Drosselventil 8 angeschlossen, wie in F i g. 1
gezeigt ist.
Wenn dem Abschnitt 1' mittels der Förderpumpe in einem bestimmten Druckbereich an ihrer Austrittsseite
Flüssigkeit zugeführt werden soll, läuft die Flüssigkeit durch die Leitung 10 und das offene Drosselventil 8 von
der Pumpe S, wie mit einem Pfeil gezeigt ist, im Kreis, sofern die Flüssigkeitstemperatur im Abschnitt konstant
und kein Leck vorhanden ist. Wenn die Temperatur der Flüssigkeit im Abschnitt 1' sinkt, wird Flüssigkeit durch
den Durchflußmesser in einem Umfang zugeführt, der der Verringerung des Flüssigkeitsvolumens aufgrund
des Temperaturabfalls entspricht. Wenn die Flüssigkeitstemperatur anwächst, fließt die Flüssigkeit in
umgekehrter Richtung. Die zwei Pfeile bezeichnen dieses Verhältnis an der Einrichtung 7. Das Drosselventil
8 ist so eingestellt, daß der Druck im Abschnitt Γ einen konstanten Wert annehmen kann. Es ist jedoch
kein sehr genauer konstanter Druck erforderlich. Auf diese Weise wird der Druck innerhalb des Abschnittes Γ
mit dem Druck der Pumpe 5 ausgeglichen und ungeachtet der Flüssigkeitstemperatur in einem konstanten
Bereich gehalten.
Die Flüssigkeit wird jedoch dem Abschnitt 1', selbst bei Vorliegen eines Flüssigkeitsleckverlustes, im Abschnitt
Γ durch die Pumpe 5 in einer der Leckmenge entsprechenden Menge zugeführt, bis das System einen
Zustand annimmt, wie er oben beschrieben wurde. Es ist dabei unmöglich, das Leck durch den Druckabfall im
Abschnitt gemäß den herkömmlichen bekannten Verfahren zu ermitteln. Bei der vorliegenden Erfindung
wird die Menge an Flüssigkeit, welche zum oder vom Abschnitt geleitet wird, mittels des Durchflußmessers 7
gemessen, um das Leck zu erfassen. Darüber hinaus ist es möglich, einen Leckalarm zu geben, wenn ein zum
oder vom Abschnitt 1' zu bringender Flüssigkeitsbetrag einen bestimmten Betrag über- oder unterschreitet, der
der Temperaturänderung der Flüssigkeit bei dem konstanten Druck entspricht.
In F i g. 1 wird die Förderpumpe 5 verwendet, um die Flüssigkeit dem Abschnitt Γ zuzuführen. Es reicht
jedoch eine Pumpenkapazität für den genannten Zweck aus, die ein Hundertstel oder einige Hundertstel
derjenigen der Förderpumpe 5 ausmacht, auch wenn der Änderungsbetrag der Flüssigkeitstemperatur oder
das Auffinden eines Lecks in Betracht gezogen wird.
Daher wird in F i g. 2 eine Hilfspumpe mit kleiner Kapazität für diesen Zweck verwendet, ohne daß die
Förderpumpe 5 benützt wird. Bei den in der F i g. 2 benutzten Bezugszahlen haben diese die gleiche
Bedeutung wie in F i g. 1. In F i g. 2 führt die Hilfspumpe 11 dem Abschnitt Γ die Flüssigkeit unter Druck zu. Die
Bezugszahl 13 bezeichnet ein Drosselventil. In diesem
Fall läuft die Flüssigkeit nur durch die Hilfspumpe 11, die Leitung 12 und das Drosselventil 13 um, wenn kein
Flüssigkeitsleck im Abschnitt Γ auftritt und die Flüssigkeitatemperatur konstant gehalten wird. Wenn
jedoch ein Flüssigkeitsleck auftritt oder eine Änderung der Flüssigkeitstemperatur vorliegt, so fließt die
Flüssigkeit durch den Durchflußmesser 7, und es ist möglich, einen Druck im Abschnitt Γ einzustellen und
ι υ aus den gleichen Gründen, wie in Verbindung mit F i g. 1
gezeigt, ein Leck im Abschnitt zu finden.
Im folgenden wird ein Verfahren zum Erfassen eines Lecks an einem Abschnitt der abgeteilten, erwärmten
Pipeline in großer Entfernung mit hoher Genauigkeit erläutert. In diesem Fall sind eine Heizquelle 14 und eine
Heizeinrichtung 15 in Betrieb. Bei diesem Verfahren ist eine elektrische Heizung die bevorzugte Heizquelle.
Die verwendeten Symbole haben die folgenden Bedeutungen:
y(°C-') = Ausdehnungskoeffizient der Flüssig
keit
V(m3) = Flüssigkeitsvolumen im abgetrennten Abschnitt bei einer Temperatur
0o°C
-5 zl/(m3/h) = Leckmenge
-5 zl/(m3/h) = Leckmenge
Δ Vi (m3) = Abnahme des Flüssigkeitsvolumens
bei Abkühlung der Pipeline um ΔΘ
Δ Vj (m3) = Zunahme des Flüssigkeitsvolumens
in der Pipeline bei Beheizung mit Q (Strömungsrichtung zur Pipeline
wird mit »plus« bezeichnet)
C(watt/m) = zugeführte Wärmemenge pro m Pipeline
«(watt/m°C) = Wärmeverlust pro m Pipelinelänge
und 0C
K(h) = Temperaturzeitkonstante der Pipeli
ne
0(0C) = Temperatur der Pipelineflüssigkeit
0a(°C) = Umgebungstemperatur der Pipeline
und
0o(°C) = Temperatur der Pipelineflüssigkeit
zum Zeitpunkt f(h) =0
Weil Vi = Vj^9, beträgt die Menge an Flüssigkeit
d Vi/df, die durch den Abschnitt der Pipeline durch den
Durchflußmesser gebracht wird:
dt
dt
B ist allgemein durch folgenden Ausdruck gegeben:
H-B11=- (1-6-"*)
beim Abkühlen, d. h.Q = 0,wirdd V,/di aus (2) und (3)
UV1 Vy[B0-Hj _,,»
df
Beim Erwärmen ist d V2Jd t
dt
Wenn Δ1 in Formeln (4) und (5) hinzugefügt wird, sind die Beträge der durch den Durchflußnesser 7
hindurchgehenden Flüssigkeit, d. h. Si und 52 und deren
Summe Sdurch folgende Gleichungen gegeben:
Al,
10
(6)
Die Summierung der beiden Volumenströme S\ und 52 erfolgt, um eine höhere Genauigkeit bei der
Bestimmung der Leckmenge an Flüssigkeit aus der Pipeline zu erzielen. Wie aus Gleichung (6) zu ersehen
ist, verdoppelt sich die Leckmenge durch Summierung der Volumenströme Si und S2 aus den beiden
unterschiedlichen Zuständen — Kühlen und Heizen —, während der Wert in der Klammer von Gleichung (6)
dazu neigt, durch die Summierung abzunehmen, wenn Q nicht eingeregelt wird, wie bereits erwähnt wurde.
Dieses wird durch Betrachtung der Strömungsrichtung der Flüssigkeit durch den Durchflußmesser besser
verständlich. Beim Abkühlen neigt die Flüssigkeit im Abschnitt dazu, sich zusammenzuziehen. Daher muß
eine gewisse Flüssigkeitsmenge nachgefüllt werden, um den Abschnitt auf einem konstanten Druck zu halten. Im
Gegensatz dazu neigt die Flüssigkeit im Abschnitt bei Erwärmung zur Expansion, d. h., es wird Flüssigkeit aus
dem Abschnitt ausgestoßen, um den konstanten Druck aufrechtzuerhalten. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird das Ein- oder das Ausströmen von Flüssigkeit in den bzw. aus dem Abschnitt durch den Durchflußmesser
angezeigt. So wird die Strömungsrichtung im Durchflußmesser umgekehrt, wenn der Kühlvorgang in einen
Heizvorgang geändert wird, und umgekehrt. Jedoch erfolgt der Fluß der Leckmenge vom Durchflußmesser
her gesehen immer in einer Richtung, ungeachtet dessen, ob der Abschnitt gekühlt oder beheizt wird. Dies
führt dazu, daß der gesamte Volumenstrom S einen größeren, ein Leck anzeigenden Anteil aufweist.
Werden die folgenden Zahlenwerte, die in einer Pipeline für Heizöl mit einem Durchmesser von 300 mm
und einer Länge von 10 km üblich sind (Einheiten sind oben angegeben), in die Formeln (4') und (5') eingesetzt,
so ergibt sich zum Zeitpunkt /=0
Ι0~
= 730;,!/= 10· ΙΟ"3;
Ql a = 50/0,63 = 80; K = 70,5; Wn = 50 und (-)„ = 15.
S, = 263 l/h, S2 = -316 l/h (7)
und beträgt die Summe S
S = S,+S2 = -53 l/h.
(8)
Wenn ein Leck an Flüssigkeit in der Pipeline zwischen den Abteilventilen 2 und 3 erfaßt werden soll, werden
die Ventile 2 und 3 geschlossen und wird auch die Beheizung unterbrochen. Die Durchflußmenge wird am
Durchflußmesser 7 unmittelbar (bei i=0) abgelesen und ein Wert Si= 263 l/h bestimmt. Die Zeit zum Ablesen
reicht mit 10 Minuten aus. Weil die Temperaturzeitkonstante
der Pipeline 70,5 h beträgt, erfährt die Pipeline keine wesentliche Temperaturänderung (diese beträgt
nur etwa 0,20C). Die Temperatur kann daher bei t =0 als
im wesentlichen 500C angesehen werden.
Dann wird mit dem Beheizen begonnen und der Durchflußmesser 7 abgelesen. Die Ablesung ergibt S2 =
— 316 l/h. Die Zeit zum Ablesen reicht mit 10 Minuten ebenfalls aus. Dabei ist es natürlich möglich, die
Strömungsrichtung zu erkennen. Die Gesamtsumme S als Ergebnis der zwei vorhergehenden Messungen
beträgt:
S= 263-316 53 l/h
Wenn andererseits Sbei ΔΙ=0 als S0 bezeichnet und
i=0 in die Formeln (4) und (5) eingesetzt wird, so ergibt sich:
55
60
Die Leckmenge Al — 10 l/h für Si oder S2 ist sehr
klein, doch macht 2 Al = 20 l/h 40% von S = -53 l/h aus. Die Erfassung des Lecks kann daher mit hoher
Genauigkeit erfolgen.
Im folgenden wird eine ins einzelne gehende b5
Erläuterung vorgenommen.
Es wird angenommen, daß die Pipeline konstant ungefähr bei Θο = 500C betrieben wird.
S0 = -73 l/h.
Da der Unterschied zwischen S und S0 2 Al = 20 l/h
beträgt, ist es aufgrund des vorliegenden Verfahrens möglich, Al auch bis zu viel kleineren Werten herunter
zu erfassen.
Wie oben erläutert wurde, beträgt die gesamte notwendige Zeit 20 Minuten und selbst 1 Stunde kann
noch zugelassen werden, während es gemäß dem ■herkömmlichen Verfahren notwendig ist, mit der
Messung zu warten, bis sich die Temperatur der Pipeline der Umgebungstemperatur nähert. Um einen Leckverlust
zd/mit derselben Genauigkeit zu messen, entspricht die notwendige Wartezeit in diesem Fall der Zeit, die bis
zur Erreichung des Wertes des ersten Ausdrucks der rechten Seite in Formel (4') verstreicht. Die Hälfte von
73 l/h beträgt 36 l/h. Dieses bedeutet t= 135 h, d. h., es müssen mehr als 5 Tage abgewartet werden. Dieses
verringert die Betriebszeit der Pipelin, und wenn tatsächlich während der Wartezeit ein Leck auftritt
besteht große Gefahr.
Ferner kann der Ausdruck
50 in der Formel (5') auf -»· 0 gebracht werden, um die
Erfassung von Al zu erleichtern. Hierfür ist es notwendig, Q zu regeln. Das heißt, die Wärmeabgabe
der Heizeinrichtung wird so gesteuert, daß sie dem Wärmeverlust der Pipeline äquivalent ist. Diese
Steuerung der Wärmeabgabe der Heizeinrichtung kann durch Ein- und Ausschalten der Wärmeenergie durchgeführt
werden. In diesem Fall ist Al gegenüber dem Meßfehler von S2 genügend groß.
Bei der beheizten Pipeline wird die Auslegung sehi häufig unter der folgenden Bedingung durchgeführt:
0.
Wenn in diesem Fall das Verfahren nach der Forme (6) verwendet wird, ist es im allgemeinen nicht
notwendig, die Wärmezufuhr einzustellen.
Bei der vorhergehenden Llrlätuerung ist ein elektrisches
Widerstandsheizgerät dargestellt, jedoch kann Θ,,,, wie es unten angegeben ist, im Fall einer anderen
Heizquelle ungefähr als Heizqucllentemperatur in die Formel (3) eingesetzt werden:
„ .. Q
Wie oben erläutert wurde, kann ein Leckverlust von 10 l/h z.B. bei einer gegebenen Durchflußmenge von
JOO in Vh durch die Pipeline bei einer Betriebsunterbrechung
von nur ungefähr 20 Minuten ermittelt werden. Selbst wenn ein mehrmaliges zyklisches Abkühlen und
Erwärmen für eine genaue Messung erforderlich sein sollte, beträgt die notwendige Zeit nur ungefähr
I Stunde.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Verfahren zum Erfassen eines Lecks in einem Abschnitt einer Pipeline zum Flüssigkeitstransport,
welche durch Schieber in Abschnitte unterteilt ist, die an den Enden jedes Abschnittes angeordnet sind,
wobei die Flüssigkeit im Abschnitt durch eine in einer Umgehungsleitung für einen der Schieber
angeordnete Pumpe auf einem konstanten Druck gehalten wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Flüssigkeit durch eine sich entlang der Länge des Abschnittes erstreckende Heizeinrichtung auf
einer erhöhten Temperatur gehalten wird, ein aus Abkühlen und Erwärmen des Abschnittes bestehender
Zyklus ein oder mehrere Male durchgeführt wird, so daß die Flüssigkeit bei Abkühlen durch die
Umgehungsleitung zum Abschnitt und bei Erwärmen aus dem Abschnitt fließt, die Menge an in und
aus dem Abschnitt fließender Flüssigkeit mittels eines in der Umgehungsleitung vorgesehenen
Durchflußmengenmessers gemessen wird, und die Leckmenge aus dem Abschnitt basierend auf der
Gesamtsumme der so gemessenen Beträge von in und aus dem Abschnitt fließender Flüssigkeit erfaßt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß durch die Heizeinrichtung eine Wärmemenge Q in den Abschnitt so eingegeben
wird, daß der folgende Ausdruck so nahe wie möglich bei Null gehalten wird:
Q/<x - (0o-0a)
worin Q = Wärmemenge pro Längeneinheit der Pipeline,« = Wärmeverlust pro Längeneinheit der
Pipeline und Temperatureinheit, Θο = Temperatur der Flüssigkeit in der Pipeline und 0a = Umgebungstemperatur
bedeutet.
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