DE2434872C3

DE2434872C3 - Verfahren zum Erfassen eines Lecks in einer Pipeline

Info

Publication number: DE2434872C3
Application number: DE742434872A
Authority: DE
Inventors: Masao Yokohama Kanagawa Ando (Japan)
Original assignee: Chisso Corp
Current assignee: JNC Corp
Priority date: 1973-07-19
Filing date: 1974-07-19
Publication date: 1979-03-08
Also published as: CA1016016A; DE2434872B2; AU7130274A; FR2238114B1; DE2434872A1; FR2238114A1; US3978709A; GB1447833A; IT1029562B

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 Ii 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 meßiechnisch 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

jo 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

j-i 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

4") 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

><> gehalten wird:

worin Q = Wärmemenge pro Längeneinheit der Pipeline, λ = Wärmeverlust pro Längeneinheit der Pipeline und Temperatureinheit, 0o = Temperatur der Flüssigkeit in der Pipeline und 0,, = Umgebungstemperatur bedeutet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 schematische Ansichten von mit Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestatteten Pipelines.

In F i g. I ist eine Pipeline 1 an beiden Enden mit je 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 Abteilvenlile vorgesehen sein, um mindestens zwei Abschnitte zu bilden.

Zur Verkürzung der Erläuterung ist in der Zeichnung ein Beispiel mit nur einem Abschnitt darges'.eilt.

Die Bezugszahl 4 bezeichnet einen Speichertank für die Flüssigkeit an der Zuführseite, 5 eine Förderpumpe und 6 einen Aufnahmebehälter. 8 bezeichnet ein Drosselventil und die 7 einen Durchflußmesser 7um Messen der Durchflußmenge an Flüssigkeit in oder aus dem Abschritt 1'. Das Abteilventil 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 Γ 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 5, 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 Γ 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 1' mit dem Druck der Pumpe 5 ausgeglichen und ungeachtet der Flüssigkeitstemperatur in einem konstanten Bereich gehalten.

Die Flüssigkeit wird jedoch dem Abschnitt Γ, 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 Γ 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 Fig. 1. In Fig. 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 Flüssigkeitstemperatur 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

κι 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

ι "j 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:

-" yCC-') = Ausdehnungskoeffizient der Flüssig

keit

V(m³) = Flüssigkeitsvolumen im abgetrennten Abschnitt bei einer Temperatur Θο° C
^2l zW(mVh) = Leckmenge

Δ V) (m³) = Abnahme des Flüssigkeitsvolumens

bei Abkühlung der Pipeline um ΔΘ Δ Vi (m³) = Zunahme des Flüssigkeitsvolumens

in der Pipeline bei Beheizung mit Q ^i(l (Strömungsrichtung zur Pipeline

wird mit »plus« bezeichnet)
(p(watt/m) = zugeführte Wärmemenge pro m

Pipeline

«(watt/m°C) = Wärmeverlust pro m Pipelinelung^. ^r> und°C

K (h) = Temperaturzeitkonstante der Pipeli

ne

Q(⁰C) = Temperatur der Pipelineflüssigkeit

0,, (°C) = Umgebungstemperatur der Pipeline

und

Q₀(⁰C) = Temperatur der Pipelineflüssigkeit

zum Zeilpunkt i(h) =0

Weil Vi = V_;zi0, beträgt die Menge an Flüssigkeit Γ) d Vydf, die durch den Abschnitt der Pipeline durch den Durchflußmesser gebracht wird:

dl·,
d/

de

<-) ist allgemein durch folgenden Ausdruck gegeben: (-) - H₁₁ = - (1 -e""*) + (C-A,-r->„) c"¹¹* (3)

bcimAbkühlcn.d. h.Q = 0. wirdd V₁ /dl aus(2)und(3)

dl·,
dt

V-,((-)_n - HJ

Beim Erwärmen ist d ΙΛ/d/

dl, I - Γ Q 1 ,

dl k [ \ "J

Wenn ΔΙ in Formeln (4) und (5) hinzugefügt wird, sind die Beträge der durch den Duichflußmesser 7

hindurchgehenden Flüssigkeit, d. h. S, und 5> und deren Summe 5durch folgende Gleichungen gegeben:

1 ■■{'-).. - HJ

II.

14·)

N = N₁

N,= ^ I - ^ +2IW₁

Die Summierung der beiden Volumenströme S\ und 5: 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 S? aus den beiden unterschiedlichen Zuständen — Kühlen und Heizen —, während der Wert in der Klammer von Gleichung (6) da iu neigt, durch die Summierung abzunehmen, wenn Q nich· 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 f = 0

;· = 0.7- 10 ^Λ: V = 730: I/ = K)- 10 ^l:
Q ti = 50 0.63 = 80: K = 70.5: H₁₁ = 50 und H₁₁ = 1 5. S₁ = 263 I/h. S₂ = -316 Lh (7)

und beträgt die Summe S

S = N₁ +S₂ = -53 I/h. (8)

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 Erläuterung vorgenommen.

Es wird angenommen, daß die Pipeline konstant ungefähr bei θο = 50° C bet rieben wird.

Wenn ein Leck an Flüssigkeit in der Pipeline /wischer den '.bieilvemiien 2 und 3 erfaßt werden soll, werde: die Ventile 2 und 3 geser.l.sscn und wird auch die Beheizung unterbrochen. Die Durchflußmenge wird air ". Durchflußmesscr 7 unmittelbar (bei i = 0) abgelesen unc c;n Wert .V, = ?63 I/h bestimmt. Die Zeit /um Ablesen reicht mit 10 Minuten aus. Weil die Temperaturzeitkonslanto der Pipeline 70,5 h beträgt, erfährt die Pipeline keine wesentliche T«.niperatuiänderung (diese beträgt in nur etwa 0,2°C). Die Temperatur kann daher bei ' = 0 als im wesentlichen 50 C angesehen werden.

Dann wird mit dem Beheizen begonnen und der Durchflußmcsscr 7 abgelesen. Die Ablesung ergibt S.. = -316 l/h. Die Zeit zum Ablesen reicht mit 10 Minuten ebenfalls aus. Dabei ist es natürlich möglich, die Ströinimgsrichtung zu erkennen. Die Gesamtsumme .S als Ergebnis der zwei vorhergehenden Messungen beträgt:

S= 263-316 = -53 l/h

Wenn andererseits Sbei Al = 0 als So bezeichnet und i=0 in die Formeln (4) und (5) eingesetzt wird, so ergibt sich:

,, N₁₁= -73 l/h. (9)

Da der Unterschied zwischen S und So 2 Al = 20 l/h beträgt, ist es aufgrund des vorliegenden Verfahrens möglich. Al auch bis zu viel kleineren Werten herunter

in 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

j-, Messung zu warten, bis sich die Temperatur der Pipeline der Umgebungstemperatur nähen. Um einen Leckverlust /4/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 r=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

[- f + (θο-θ,)]

in der Formel (5') auf — 0 gebracht werden, um die Erfassung von AI 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 sehr häufig unter der folgenden Bedingung durchgeführt:

0.

Wenn in diesem Fall das Verfahren nach der Formel (6) verwendet wird, ist es im allgemeinen nicht notwendig, die Wärmezufuhr einzustellen.

Bei der vorhergehenden Erläuterung ist ein elektrisches Widcrstandsheizgerat dargestellt, jedoch kann Θ,,,, wie es unten angegeben isl, im Fall einer anderen Heizquelle ungefähr als Heizquellentemperatur in die Formel (3) eingesetzt werden:

Wie oben erläutert wurde, kann ein Leckverlust von 10 l/h z.B. bei einer gegebenen Durchflußmenge von 300 mVh 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 1 Stunde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

909 610/210

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erfassen eines Lecks in einem Abschnitt einer Pipeline zum Flüssigikeitstransport. 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:

QI(K - (θο-θ..,)

worin Q = Wärmemenge pru Längeneinheit der Pipeline, ot = Wärmeverlust pro Längeneinheit der Pipeline und Temperatureinheit, O₀ = Temperatur der Flüssigkeit in der Pipeline und 0., = Umgebungstemperatur bedeutet.