DE4128750A1 - Verfahren zur ortung eines lecks in einem fluid-rohrleitungsnetz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortung eines Lecks in einem Fluid-Rohrleitungsnetz, in dem ein Leck zu einem geschätzten Leckent­ stehungszeitpunkt festgestellt wurde. Das Verfahren ist insbesondere für Gasnetze und Mineralölpipelines geeignet.

Fernleitungen und Transportnetze für Fluide, d. h. für Flüssigkeiten und Gase, bedürfen einer Überwachung auf Undichtheiten, um die Umwelt vor den austretenden Stoffen zu schützen und die Kosten für die Leckver­ luste zu reduzieren.

Zur Lecküberwachung bzw. Leckerkennung werden eine Reihe von Verfahren eingesetzt. So werden als Detektoren z. B. rohrbegleitende Kabel und Schläuche zum Detektieren austretender Stoffe verwendet. Das Leck kann auch durch Schallanalyse, d. h. durch die Auswertung der bei Lecks ent­ stehenden Geräusche festgestellt werden.

Bei einem weiteren Verfahren werden zur Leckerkennung Mengen- bzw. Durchflußmeßwerte des Netzes ausgewertet, d. h. man stellt ein Leck dadurch fest, daß in der Mengen- oder Volumenbilanz etwas fehlt. In ähnlicher Weise werden auch Druckabsenkungen ausgewertet.

Aus der DE-B-26 03 715 ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei dem die ermittelten Druck- und Durchflußmeßwerte durch Kreuzkorrela­ tion ausgewertet werden. Dabei werden die Volumenströme am Anfang und Ende des Rohres gemessen und diese beiden Werte miteinander verglichen. Dabei wird jedoch nicht die zeitliche Änderung des Volumens im Rohr berücksichtigt.

Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen ein sog. Molch mit Detekto­ ren durch das Rohrleitungsnetz wandert bzw. bewegt wird. Es besteht auch die Möglichkeit, ein Leck dadurch zu erkennen, daß im vermuteten Bereich Ventile bzw. Schieber zugefahren bzw. "abgeschiebert" werden, und dann diesen Bereich unter Druck zu setzen, wobei ein Leck vorhanden ist, wenn der Druck abnimmt.

Bei den während des kontinuierlichen Betriebs der Anlagen mit Hilfe von Datenverarbeitungsanlagen arbeitenden Überwachungsverfahren (ohne Molch, ohne Abschiebern) können im stationären Betrieb bei Flüssigkei­ ten Undichtheiten mit einer Genauigkeit erkannt werden, die in erster Linie von der Qualität der Meßgeber abhängig sind. Im allgemeinen sind diese Verfahren jedoch im dynamischen Betrieb (z. B. beim Hochfahren von Pumpensätzen, vor allem in Gasnetzen) kaum anwendbar.

Zur Beseitigung dieses Problems hat Siebert in einer Dissertation zum Thema "Untersuchung verschiedener Methoden zur Lecküberwachung bei Pipelines" PDV-Berichte KfK-PDV 206, Prozeßlenkung mit DV-Anlagen, September 1981, Karlsruhe, vorgeschlagen, eine sog. "erweiterte Volumen­ bilanzierung" durchzuführen. Diese beruht darauf, daß, genau wie bei der bisher üblichen Mengen- oder Volumenbilanzierung, kontinuierlich alle zu- und abströmenden Mengen in dem überwachten Abschnitt gemessen und verarbeitet werden.

Parallel hierzu wird, aufgrund von gemessenen Drücken und mit Hilfe eines dynamischen theoretischen Modells eine Echtzeitsimulation der Pipeline durchgeführt.

Bei diesem dynamischen Modell wird das Rohr in mehrere Abschnitte einge­ teilt, und zwar in solche, in denen die Geschwindigkeit des Fluids als konstant betrachtet wird, und in solche, in denen der Druck als konstant betrachtet wird. Durch Simulation werden dann u. a. bestimmt: das Druckprofil, das Temperaturprofil und das Produktprofil. Bei dem Produktprofil, auch Batch-Tracking genannt, wird berücksichtigt, daß z. B. verschiedene Gase oder allgemein Fluide unterschiedlicher Gas- oder Fluidqualität durch das Rohrleitungsnetz strömen können.

Mit Hilfe dieser Informationen kann das sog. Line-packing, d. h. die zeitliche Änderung des Volumens bzw. der in dem Rohrleitungsnetz befind­ lichen Menge berechnet werden. Dieser Wert dient zur Korrektur der Volumenbilanz, so daß die Leckerkennung damit auch bei instationären Zuständen arbeiten kann.

Neben der reinen Lecküberwachung, die als Ergebnis nur die Information liefert, daß ein Leck aufgetreten ist und welche Größe das Leck etwa hat, ist es natürlich auch erforderlich, das Leck zu orten, damit die­ ses umgehend beseitigt werden kann.

Hierzu wird von G. Lappus, K.-H. Schminke in dem Artikel "Modellba­ sierte Lecküberwachung eines Sauerstoff-Gasversorgungsnetzes", gwf-Gas/Erd­ gas 132 (1991), Nr. 4, S. 177-184, eine Teilnetzbilanzierung vorge­ schlagen, die jedoch nur eine relativ schlechte Ortsauflösung, d. h. Bestimmung des Leckorts liefert.

Von H. Siebert und Th. Klaiber wird in den Artikel "Erprobung einer Methode zur Lecküberwachung an einer Benzinpipeline", Regelungstech­ nische Praxis 22 (1980) H. 7, S. 232-237, vorgeschlagen, Meßwertände­ rungen an den Enden einer Pipeline auszuwerten. Dieses Verfahren zeigt jedoch in der praktischen Anwendung eine zu große Empfindlichkeit.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Lecks in einem Fluid-Rohrleitungsnetz möglichst einfach, sicher und schnell geortet werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß für alle Rohrsegmente auf zwei verschiedene Arten Druckprofile ermittelt werden, daß die beiden Druck­ profile für alle Zeitschritte vom geschätzten Leckentstehungs-Zeitpunkt bis zum Leckdetektionszeitpunkt miteinander verglichen werden und daß das Minimum der Vergleichswerte ermittelt wird, welches den Leckort sowie den tatsächlichen Leckentstehungszeitpunkt ergibt.

Dabei wird das Druckprofil durch Simulation anhand von Druckmessungen (p-basierte Simulation) und durch Simulation anhand von Fluß- bzw. Mengenmessungen (Q-basierte Simulation) bestimmt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Differen­ zen zwischen an zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, sowohl der an­ hand der p-basierten Simulation als auch der anhand der Q-basierten Simulation ermittelten Druckwerte, über alle Rohrsegmente gebildet. Die Differenzen zwischen den Differenzen der anhand p-basierten Simula­ tion ermittelten Druckwerte und den Differenzen der anhand der Q-basier­ ten Simulation ermittelten Druckwerte werden ermittelt und das Minimum dieser Differenzen für alle Rohrsegmente und für alle Zeitschritte vom geschätzten Leckentstehungszeitpunkt bis zum Leckdetektionszeitpunkt wird ermittelt, wobei dieses Minimum den Leckort sowie den tatsächli­ chen Leckentstehungszeitpunkt ergibt.

Damit ist es möglich, einfach, schnell und relativ genau den Leckort zu bestimmen.

Eine weitere Möglichkeit zur Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei dem Fluid-Rohrleitungsnetz, bei dem an einer Reihe von Stellen gemessene Druckwerte des Netzes vorliegen, ein Leck zuerst an einer Stelle des Netzes simuliert wird, anhand des simulierten Lecks theore­ tische Druckwerte an der Reihe von Stellen berechnet und mit den gemes­ senen Werten zur Bestimmung von Abweichungen verglichen wird, ein Leck an einer weiteren Stelle des Netzes simuliert wird und anhand des simu­ lierten Lecks theoretische Druckwerte an der Reihe von Stellen berech­ net und mit den gemessenen Werten zur Bestimmung von Abweichungen ver­ glichen wird, wobei dieser Vorgang so lange fortgesetzt wird, bis die Abweichungen minimal sind, wodurch sich der Leckort ergibt.

Vorzugsweise wird dieses Verfahren dann angewandt, wenn mit dem o.g. Verfahren aufgrund einer geringen Ortsauflösung kein absolutes Minimum festgestellt werden kann.

Dabei wird unter globalem Minimum das Minimum bei allen Rohrsegmenten und über alle Zeitschritte hin verstanden. Dieses globale Minimum muß einen hinreichend großen Absolutbetrag haben, sich also deutlich von den anderen Minima absetzen.

Damit wird ein besonders gründliches Verfahren geschaffen, das eine sichere und sehr genaue Ortung des Lecks ermöglicht. Ausführungsbei­ spiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gasnetzes;

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Steuerungsprozesses eines Gasnetzes;

Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der beiden Simulationen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und

Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Steuerungsprozeß eines Fluid-Rohrlei­ tungsnetzes ist mit 1 ein schematisches Gas-Pipelinenetz mit Druckmeß­ stellen (p-Meßstellen), Mengen- bzw. Durchflußmeßstellen (Q-Meßstellen) Ein- und Ausspeisepunkten sowie Kompressoren und Ventilen bezeichnet. Die dabei verwendeten Symbole sind in einer Legende erläutert.

Die Topologie des Gasnetzes (Lage und physikalische Parameter des Rohr­ leitungsnetzes), alle Einspeise- und Ausspeisemengen sowie die Drücke entlang des Rohrleitungsnetzes werden in bekannter Weise einem Prozeß­ rechnersystem 2 eingegeben, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Dabei werden in bekannter Weise alle für die erweiterte Volumenbilanzierung erforderlichen Daten, wie Druck- und Mengen- bzw. Durchflußmessungen sowie Gasqualitätsdaten im Meßwerterfassungstakt zyklisch, z. B. alle fünf Minuten, eingegeben. Alternativ dazu können für eine Off-line-Simu­ lation oder zur Validierung des Systems auch Daten über einen Datenträ­ ger eingegeben werden.

Diese Meßdaten werden in einer Vorbereitungsstufe 3 einer umfassenden Überprüfung auf Plausibilität und Störungsfreiheit unterzogen, bevor sie einer Simulationsstufe 4 zugeführt werden.

Die Meßdaten können dabei mit irgendeinem bekannten Simulationsverfah­ ren simuliert werden. Voraussetzung ist lediglich, daß das Simulations­ verfahren eine hinreichend gute Ortsauflösung ermöglicht.

Aus den im Netz ermittelten Meßdaten wird für jeden Meßzyklus, wie es in der o.g. Dissertation von Siebert beschrieben ist, die erweiterte Volumenbilanz im Verfahrensschritt Bilanzierung 5 erstellt, d. h. es werden die Summe aller Einspeisungen und Ausspeisungen sowie die durch die Simulation ermittelten Werte berücksichtigt. Wie bereits oben be­ schrieben, werden bei der Simulation u. a. das Druckprofil, das Tempera­ turprofil und das Produktprofil ermittelt.

Die Bilanz wird dann in einem Schritt 6 bewertet. Wird bei dieser erwei­ terten Volumenbilanzierung während einer vorbestimmten Zeitdauer eine vorbestimmte Schwelle unterschritten, so wird ein Leckalarm ausgelöst, d. h. ein Leck erkannt. Die Zeit zwischen Leckentstehung und Leckdetek­ tion bzw. Leckerkennung ist in erster Näherung abhängig von der Leck­ größe.

So beträgt aufgrund von Erfahrungswerten z. B. bei einem Verhältnis der Leckgröße bezogen auf die aktuelle Einspeisemenge von 3%, was als unte­ re Detektionsgrenze angesehen wird, die Leckdetektionszeit maximal 60 Minuten, während bei einem Verhältnis Leckgröße zu Einspeisungsmenge von 10% die Leckdetektionszeit maximal 10 Minuten beträgt.

Mit dieser erweiterten Volumenbilanzierung können damit das Auftreten eines Lecks sowie die Leckgröße und damit der Entstehungszeitpunkt des Lecks relativ gut bestimmt werden (vgl. Schritt 6 in Fig. 2).

Für eine Simulation des oben beschriebenen dynamischen Modells ist ein Satz von Informationen, d. h. nur die Drücke p_i oder nur die Flüsse bzw. Mengen Q_i an den jeweiligen Meßstellen ausreichend. Werden sowohl die Drücke p_i als auch die Flüsse bzw. Mengen Q_i als Eingangsdaten für die Simulation verwendet, so ist das dynamische Modell überbestimmt, was bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch bewußt anderweitig ge­ nutzt wird.

Der Ablauf der Netzsimulation wird nun anhand von Fig. 3 näher beschrie­ ben.

Aus den im Netz ermittelten Meßdaten wird für jeden Meßzyklus in einem Simulationslauf u. a. ein Druckprofil für das gesamte Netz berechnet, wobei die Ortsauflösung, d. h. der mittlere Abstand zwischen den zu simulierenden Punkten, der Rechnung durch einen Parameter vorgegeben werden kann.

Dabei wird das Druckprofil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf zwei verschiedene Arten berechnet. Zum einen wird in einem ersten Simu­ lationslauf das Druckprofil anhand der im Netz ermittelten Druckmeßwer­ te, d. h. p-basiert berechnet.

In einem zweiten Simulationslauf wird dann das Druckprofil anhand der im Netz ermittelten Mengen- bzw. Flußmeßwerte, d. h. Q-basiert berech­ net. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird damit, im Vergleich zum Stand der Technik ein zusätzlicher Simulationlauf durchgeführt.

Nach Abschluß des zweiten Simulationslaufs wird in bekannter Weise die Gesamt- bzw. Tellnetz-Volumenbilanzierung vorgenommen. Falls in der Volumenbilanzierung eine Fehlmenge oberhalb einer vorbestimmten Schwelle entdeckt wird, liegt ein Leck vor und es wird das in Fig. 4 dargestellte Verfahren zur Leckortung gem. Schritt 7 in Fig. 2 durchge­ führt.

Aus der Größe des festgestellten Lecks läßt sich der geschätzte Leckent­ stehungszeitpunkt ableiten, so daß die Rechnung nur für alle Zeitpunkte zwischen Leckentstehung und Leckdetektion durchgeführt werden muß.

Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, werden zuerst für alle Rohrsegmente die folgenden drei Differenzen gebildet,

dp(p) = p(p,t) - p(p,t-1) (1),
dp(Q) = p(Q,t) - p(Q,t-1) (2),
dpdiff = dp(p) - dp(Q) (3).

Wie aus Gleichung (1) zu entnehmen ist, werden zuerst die Differenzen dp(p) zwischen den an zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t-1 und t eines Zeitschritts durch p-basierte Simulation ermittelten Druckwer­ ten p(p) gebildet. Danach werden gem. Gleichung (2) die Differenzen dp(Q) zwischen den an zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t-1 und t durch Q-basierte Simulation ermittelten Druckwerten p(Q) gebildet. Diese beiden Differenzen dp(p) und dp(Q) werden dann für alle Rohrseg­ mente zur Bildung der Differenzen dpdiff voneinander abgezogen.

Dabei macht man sich die Tatsache zunutze, daß ein Leck sich primär durch einen charakteristischen Druckabfall im betreffenden Rohrsegment bemerkbar macht, also durch eine entsprechende Beeinflussung der Druck­ meßwerte, und erst sekundär durch die verursachte Fehlmenge, also durch eine entsprechende Beeinflussung der Flußmeßwerte.

Dieser Vorgang wird dann noch für alle Zeitschritte vom geschätzten Leckentstehungszeitpunkt bis zum Leckdetektionszeitpunkt durchgeführt. Dabei ist der aufgrund von Erfahrungswerten, wie oben beschrieben wur­ de, geschätzte Leckentstehungszeitpunkt so gewählt, daß er auf jeden Fall vor dem tatsächlichen Leckentstehungszeitpunkt liegt.

Das globale Minimum aller dpdiff-Werte liefert den Leckort. Dieses Minimum tritt außerdem genau zum Zeitpunkt der Leckentstehung auf, womit das Leck zeitlich und räumlich bestimmt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gastransportnetze einsetzbar, sofern an allen Ein- und Ausspeisungs­ punkten die Durchflußmengen gemessen und möglichst viele Druckmessungen in nicht allzu großen Abständen voneinander durchgeführt werden. In diesen Fällen liefert das erfindungsgemäße Verfahren den Leckort in kurzer Zeit, mit ziemlich hoher Genauigkeit.

Es ist auch möglich, anstelle von Meßwerten Schätzwerte anzugeben, wobei allerdings die Qualität der Leckortung von der Güte der Ersatzwer­ te abhängt.

Wie bereits oben ausgeführt wurde, muß das globale Minimum einen hinrei­ hend großen Absolutbetrag haben, sich also deutlich von den anderen Minima absetzen.

Wenn viele Minima, die alle negative Werte haben, einen ähnlich großen Absolutbetrag haben, so gibt es kein globales Minimum.

Legt man z. B. an alle Minima eine Skala an und liegt dann im oberen Drittel nur ein Minimum, so ist dieses das globale Minimum. Liegen dagegen mehrere Minima im oberen Drittel, so gibt es kein globales Minimum und es handelt sich nur um lokale Minima, an deren Stelle dann das erfindungsgemäße Verfahren zur Leckortung durch Lecksimulation verwendet wird, wie es im nachfolgenden weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben wird.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird in bekannter Weise ein Leck festgestellt und werden an einer Reihe von Stellen des Netzes Druckwer­ te gemessen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Leckort dadurch bestimmt, daß ein Leck an einer Stelle des Netzes simuliert wird. An­ hand des simulierten Lecks werden nun theoretische Druckwerte an der Reihe von Stellen berechnet und mit den gemessenen Werten zur Bestim­ mung von Abweichungen verglichen. Danach wird ein Leck an einer weite­ ren Stelle des Netzes simuliert und anhand des weiteren simulierten Lecks werden nun theoretische Druckwerte an der Reihe von Stellen be­ rechnet und mit den gemessenen Werten zur Bestimmung von Abweichungen verglichen. Dieser Vorgang wird so lange fortgesetzt, bis die Abweichun­ gen minimal sind, wodurch sich der Leckort ergibt.

Eine Variation dieses Verfahrens besteht darin, daß nach einem Zufalls­ verfahren, z. B. nach dein Monte-Carlo-Verfahren Lecks an verschiedenen Stellen des Netzes simuliert und die Stelle mit den minimalsten Abwei­ chungen zwischen theoretisch berechneten und gemessenen Druckwerten bestimmt wird, wodurch sich der Leckort ergibt.

Das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich durch Kombination mit dem eingangs beschriebenen Ausführungsbei­ spiel der Erfindung besonders vorteilhaft verbessern. Dabei liefert das eingangs beschriebene Verfahren eine relativ kleine Anzahl lokaler Minima im oben beschriebenen Sinne. Wird nun an diesen Stellen gezielt eine Lecksimulation durchgeführt, so wird damit eine erhebliche Be­ schleunigung der Ermittlung des Leckorts erzielt.

Damit ist die Erfindung in der Lage, den Leckort sehr genau zu bestim­ men.

Claims (8)

1. Verfahren zur Ortung eines Lecks in einem Fluid-Rohrleitungsnetz, in dem ein Leck zu einem geschätzten Leckentstehungszeitpunkt festgestellt wurde, dadurch gekennzeichnet,
daß für alle Rohrsegmente auf zwei verschiedene Arten Druckprofile ermittelt werden,
daß die beiden Druckprofile für alle Zeitschritte vom geschätzten Leck­ entstehungszeitpunkt bis zum Leckdetektionszeitpunkt miteinander ver­ glichen werden und daß das Minimum der Vergleichswerte ermittelt wird und den Leckort sowie den tatsächlichen Leckentstehungszeitpunkt ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckprofil sowohl durch Simulation anhand von Druckmessungen (p-basierte Simulation) als auch durch Simulation anhand von Fluß- bzw. Mengenmessungen (Q-basierte Simulation) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Differenzen zwischen an zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, sowohl der anhand der p-basierten Simulation als auch anhand der Q-basierten Simulation ermittelten Druckwerte, über alle Rohrsegmente gebildet werden,
die Differenzen zwischen den Differenzen der anhand der p-basierten Simulation ermittelten Druckwerte und den Differenzen der anhand der Q-basierten Simulation ermittelten Druckwerte ermittelt werden,
das Minimum dieser Differenzen für alle Rohrsegmente und für alle Zeit­ schritte vom geschätzten Leckentstehungszeitpunkt bis zum Leckdetek­ tionszeitpunkt ermittelt wird und dieses Minimum den Leckort sowie den tatsächlichen Leckentstehungszeitpunkt ergibt.

4. Verfahren zur Ortung eines Lecks in einem Fluid-Rohrleitungsnetz, in dem ein Leck zu einem geschätzten Leckentstehungszeitpunkt festgestellt wurde und bei dem an einer Reihe von Stellen gemessene Druckwerte des Netzes vorliegen, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Leck zuerst an einer Stelle des Netzes simuliert wird,
daß anhand des simulierten Lecks theoretische Druckwerte an der Reihe von Stellen berechnet und mit den gemessenen Werten zur Bestimmung von Abweichungen verglichen werden,
daß ein Leck an einer weiteren Stelle des Netzes simuliert wird und anhand des weiteren simulierten Lecks theoretische Druckwerte an der Reihe von Stellen berechnet und mit den gemessenen Werten zur Bestim­ mung von Abweichungen verglichen werden,
daß dieser Vorgang so lange fortgesetzt wird, bis die Abweichungen mini­ mal sind,
wodurch sich der Leckort ergibt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Zufallsverfahren Lecks an verschiedenen Stellen des Netzes simuliert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß dann, wenn kein globales Minimum mit hinreichendem Absolutbetrag festgestellt wird, an den Stellen der lokalen Minima mit hinreichenden Absolutbetrag Lecks simuliert werden,
daß anhand der simulierten Lecks theoretische Druckwerte an der Reihe von Stellen ermittelt und mit den gemessenen Werten zur Bestimmung von Abweichungen verglichen werden,
und der Ort der minimalsten Abweichungen ermittelt wird, wodurch sich der Leckort ergibt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein globales Minimum mit hinreichendem Absolutbetrag nur dann ange­ nommen wird, wenn dieses deutlich größer ist als die anderen lokalen Minima.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Minimum mit hinreichendem Absolutbetrag nur dann angenommen wird, wenn dieses im oberen Drittel aller Minima liegt.