DE19542890C1 - Fluid leakage detection method for pipeline - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf Leckerkennungsverfahren für Rohrleitungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to leak detection methods for Pipes according to the preamble of claim 1.
Bei unterirdisch verlaufenden Rohrleitungen stellt Korro sion ein besonderes Problem dar, da sie unter normalen Be dingungen nicht sichtbar ist. Durch Korrosionsschutzmaß nahmen wird die Lebensdauer der Rohrleitungen zwar verlän gert, mit zunehmendem Alter treten jedoch immer häufiger Schäden auf, die durch Korrosion verursacht werden. Dabei können Leckagen entstehen. Diese sind von außen meistens nicht sichtbar und können bei gefährlichen, in den Rohr leitungen geführten Stoffen zu Umweltschäden führen. Daher müssen unterirdisch verlegte Rohrleitungen mit umweltge fährdenden Stoffen mit Lecküberwachungssystemen ausge rüstet werden.For underground pipelines, Korro sion poses a special problem, since under normal conditions conditions is not visible. Through corrosion protection measure the service life of the pipelines will be extended t, but occur with increasing age with increasing frequency Damage caused by corrosion. Here leaks can occur. These are mostly from the outside not visible and can be dangerous in the pipe conducted substances lead to environmental damage. Therefore pipelines installed underground with environmentally hazardous substances with leak monitoring systems be prepared.
Bei solchen Lecküberwachungssystemen sind zwei Zielsetzun gen zu unterscheiden: Es soll zum einen festgestellt wer den, ob ein Leck vorhanden ist, um die defekte Rohrleitung möglichst schnell nach dem Auftreten eines Schadens durch Flüssigkeitsaustritt - idealerweise noch davor - außer Be trieb zu setzen. Darüber hinaus soll auch festgestellt werden, an welcher Stelle das Leck aufgetreten ist, um beispielsweise gezielt aufgraben und den Schaden somit möglichst wirtschaftlich beheben zu können.Such leak monitoring systems have two objectives to distinguish between: On the one hand, it should be determined who whether there is a leak around the defective pipe as soon as possible after the occurrence of damage Liquid leakage - ideally before that - except Be urged to sit. It is also said to be noted at what point the leak occurred to For example, deliberately dig up and damage to be able to fix it as economically as possible.
Es sind mehrere Leckerkennungsverfahren bekannt, die nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien arbeiten. Da bei sind die aus der Sicht der Betreiber der Rohrleitungen relevanten Bewertungskriterien die erreichbare Genauigkeit bezüglich der Ortung und der kleinsten erkennbaren Leck rate, der Zeitaufwand zur Durchführung des Verfahrens, die Durchführbarkeit des Verfahrens bei laufendem Betrieb, der Installationsaufwand und die Installationskosten.There are several known leak detection methods that follow work on different physical principles. There are from the perspective of the operators of the pipelines relevant assessment criteria the achievable accuracy in terms of location and the smallest detectable leak rate, the time required to carry out the process, the Feasibility of the procedure during operation, the Installation effort and installation costs.
Klassische Verfahren basieren auf Druckproben. Hierbei wird ein dicht abgeschlossener Rohrabschnitt auf ein be stimmtes Druckniveau gebracht und anschließend der Druck abfall über die Zeit gemessen. Ist ein Leck vorhanden, so entspannt sich die Flüssigkeit, und man kann aus der Ge schwindigkeit des Druckabfalls auf den Leckvolumenstrom schließen. Tauscht dabei die Flüssigkeit Wärme mit der Um gebung aus, so entsteht ein zusätzlicher Druckabfall bzw. -anstieg aufgrund der thermischen Ausdehnung der Flüssig keit und der Rohrwand. Um aus einem gemessenen Druckver lauf den Leckvolumenstrom ermitteln zu können, muß ein Einfluß durch thermische Ausdehnung auf den Druckverlauf verhindert werden. Dazu existieren verschiedene Verfah rensvarianten, die mit Hilfe der direkten Messung (Druck- Temperatur-Verfahren), der indirekten Messung (Druck- Schallgeschwindigkeit-Verfahren) oder durch wiederholte Messung in kurzen Abständen und bei unterschiedlichen Druckniveaus (Druck-Sprung-Verfahren) den Temperaturein fluß weitgehend ausschalten. Vorteil dieses auf Druckpro ben beruhenden Verfahrens ist die hohe Genauigkeit. Nach teile des Verfahrens sind, daß keine Leckortung möglich ist, eine lange Versuchdauer beim D-T-Verfahren nötig ist und keine Überwachung im laufenden Betrieb erfolgen kann.Classic methods are based on pressure tests. Here is a tightly sealed pipe section on a be brought the right pressure level and then the pressure waste measured over time. If there is a leak, so the liquid relaxes and you can get out of the ge speed of the pressure drop on the leakage volume flow conclude. The liquid exchanges heat with the um output, an additional pressure drop or -increase due to the thermal expansion of the liquid speed and the pipe wall. In order to measure from a measured pressure must be able to determine the leak volume flow Influence of thermal expansion on the pressure curve be prevented. There are various procedures for this variants that can be measured using direct measurement (pressure Temperature method), indirect measurement (pressure Speed of sound procedure) or by repeated Measurement at short intervals and at different Pressure levels (pressure-jump method) the temperature largely turn off the river. Advantage of this on print pro ben based method is high accuracy. After parts of the process are that no leak detection is possible is a long trial period with the D-T method is necessary and no monitoring can take place during operation.
Bei einem anderen Verfahren wird die Differenz zwischen dem eintretenden und dem austretenden Volumenstrom gemes sen. Bei diesem Fördermengenvergleich ist eine Überwachung im laufenden Betrieb möglich, jedoch keine Leckortung. Ferner kann mit diesem Verfahren nur eine geringe Genauig keit erzielt werden, und es ist nur bei stationären Zu ständen einsetzbar.Another method is the difference between the entering and exiting volume flow measured sen. There is monitoring in this comparison of production volumes possible during operation, but no leak detection. Furthermore, this method can only be used to a low degree of accuracy be achieved, and it is only with stationary closed stands can be used.
Beim Druckänderungsverfahren wird der Druck an mehreren Stellen der Rohrleitung laufend gemessen. Weicht er um ein gewisses Maß von den stationären Werten ab, so ist eine Leckage angezeigt. Fördert man nach dem Auftreten des Lecks bis zum Erreichen des stationären Zustandes weiter, so kann man den Leckort näherungsweise berechnen. Vor teile sind dabei, daß eine Überwachung im laufenden Be trieb und näherungsweise eine Leckortung möglich sind. Nachteile des Verfahrens sind außer einer geringen Ge nauigkeit, daß es nur bei konstanten Volumenströmen ein setzbar ist, eine größere Anzahl von Meßstellen notwendig ist und eine unvertretbar große Auslaufmenge zur Feststel lung des Leckortes in Kauf genommen werden muß.In the pressure change process, the pressure on several Locations of the pipeline continuously measured. He soaks around a certain measure of the stationary values, is one Leakage displayed. Do you promote after the appearance of the Leaks continue until steady state is reached, so you can roughly calculate the leak location. Before parts are that a monitoring in the current loading driven and approximate leak detection are possible. Disadvantages of the method are, besides a low Ge accuracy that it is only at constant volume flows a larger number of measuring points is necessary is and an unacceptably large amount to be discontinued the leakage must be accepted.
Beim Durchflußänderungsverfahren werden Volumenstromände rungen am Anfang und am Ende der Rohrleitung laufend ge messen. Zeigt eines der Meßgeräte eine Änderung gegenüber dem stationären Wert an, so ist eine Leckage angezeigt. Die Vorteile und Nachteile dieses Verfahrens sind die gleichen wie bei dem Druckänderungsverfahren. The flow change method uses volume flow changes at the beginning and end of the pipeline measure up. If one of the measuring devices shows a change the steady-state value, a leak is indicated. The advantages and disadvantages of this method are same as the pressure change method.
Ferner werden akustische Methoden zur Leckerkennung ange wendet, da kleine Leckagen Geräusche im Ultraschallbereich erzeugen. Hierzu zählen der Einsatz von mit Hydrophonen ausgestatteten Molchen oder die Aufnahme der durch die Leckagen erzeugten Geräusche mit zwei Sensoren am Anfang und am Ende des überwachten Rohrabschnitts und an schließende Korrelationsanalyse der aufgenommenen Signale oder manuelles "Abhorchen" der Rohrleitung von einem aus gebildeten Fachmann. Der Einsatz von Molchen bietet poten tiell die größten Chancen, eine Leckage zu orten, da Molche mit vielen Einrichtungen ausgerüstet werden können, die eine innere Inspektion der Leitung ermöglichen. Ihr Einsatz ist allerdings nur auf molchbare Leitungen und nur auf Betriebspausen beschränkt. Über praktische Erfahrungen und Einsatzgrenzen akustischer, eine Korrelationsanalyse einschließender Verfahren bei der Beförderung von Mineral öl in Pipelines ist wenig bekannt. Der prinzipielle Vor teil der akustischen Verfahren liegt sicherlich in der Or tungsmöglichkeit von kleinen Leckagen. Manuelles "Abhor chen" ist jedoch bei Mineralölpipelines indiskutabel.Acoustic methods for leak detection are also given turns, since small leaks make noise in the ultrasonic range produce. These include the use of hydrophones equipped newts or the inclusion of the Leakage generated noise with two sensors at the beginning and at the end of the monitored pipe section and on concluding correlation analysis of the recorded signals or manually "listening" to the pipeline from one educated professional. The use of newts offers potential The greatest chances of locating a leak are there Newts can be equipped with many facilities which allow an internal inspection of the line. your However, use is only on piggable lines and only limited to breaks. About practical experience and application limits acoustic, a correlation analysis including procedures for the transportation of mineral Little is known about oil in pipelines. The principle before part of the acoustic process is certainly in the Or possibility of small leaks. Manual "Abhor chen "is however out of the question for mineral oil pipelines.
Ferner sind auch Verfahren bekannt, die auf den mit der Rohrleitung mitverlegten Sensorkabeln basieren. Eine nach trägliche Ausrüstung vorhandener Rohrleitungen mit solchen Überwachungssystemen scheidet jedoch wegen zu hoher Kosten aus.Furthermore, methods are known which are based on the Pipeline with installed sensor cables. One after endowing existing pipelines with such Surveillance systems, however, are different due to their high costs out.
Aus DE 38 10 998 C2 und US 5 375 455 ist für die Leckbe stimmungen in Rohrleitungen ein rein stationärer Ansatz zugrunde gelegt, der per Definitionen erfordert, daß im Fluid keine Schwingungen auftreten. Aus JP 59-6500 in Pa tent Abstracts of Japan M-292 April 25, 1984 Vol. 8/No. 90 ist ein mathematisches Modell bekannt, das Volumenstrom messungen erfordert. In der Auswertung wird nicht die in den Schwingungen enthaltene Information verwendet, sondern eine Abfrage von logischen Bedingungen, die den berechne ten und den gemessenen Zustand direkt vergleichen. Die Ab tastzeit der Meßwerte liegt zwischen 1 und 10 Sekunden.From DE 38 10 998 C2 and US 5 375 455 is for the Leckbe moods in pipes a purely stationary approach which, by definition, requires that in No vibrations occur in fluid. From JP 59-6500 in Pa tent Abstracts of Japan M-292 April 25, 1984 Vol. 8 / No. 90 is a mathematical model known, the volume flow measurements required. The evaluation does not include the in information contained in the vibrations, but a query of logical conditions that calculate the and compare the measured state directly. The Ab The sampling time of the measured values is between 1 and 10 seconds.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leckerken nungsverfahren für Rohrleitungen, insbesondere für Mine ralölpipelines, zur Verfügung zu stellen, das unter gerin gem gerätetechnischen Aufwand ermöglicht, sowohl bei Be triebspausen als auch bei laufendem Betrieb während dyna mischer Übergangszustände des Fluidvolumenstroms in extrem kurzer Zeit ein Leck zu detektieren.The invention has for its object a treat Processes for piping, especially for mines ralölpipelines, to provide that under gerin according to technical equipment, both at Be breaks in operation as well as during operation during dyna mixer transition states of the fluid volume flow in extreme to detect a leak in a short time.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 4 gelöst.This object is achieved by the method according to claim 1 and the method according to claim 4 solved.
Die Verfahren beruhen auf der Erzeugung von Druckwellen in dem zu untersuchenden, aus Rohrleitung und Fluid bestehen den Rohrsystem und anschließender mathematischer Auswer tung der gemessenen Druckverläufe derart, daß sowohl der Leckvolumenstrom als auch der Leckort ermittelt werden können. Darüber hinaus kann indirekt die Temperatur des Fluids ermittelt und einem anderen Verfahren zur Verfügung gestellt werden. Bekanntlich ist der E-Modul des Fluids abhängig von Temperatur und Dichte des Fluids.The methods are based on the generation of pressure waves in the one to be examined consists of pipeline and fluid the pipe system and subsequent mathematical evaluation tion of the measured pressure curves such that both the Leakage volume flow and the location of the leak can be determined can. In addition, the temperature of the Fluids determined and another method available be put. It is known that the elastic modulus of the fluid depending on the temperature and density of the fluid.
Bei dem ersten Verfahren wird im Fluid eine Druckänderung erzeugt und der zeitliche Verlauf der Druckänderung an ei nem ersten Ort der Rohrleitung gemessen, wodurch ein cha rakteristisches Druckänderungssignal erhalten wird. Ferner wird der zeitliche Verlauf des Druckänderungssignals an zwei weiteren Orten gemessen, die in derselben Richtung weiter entfernt vom Ort der Erzeugung der Druckänderung liegen als der erste. Das Verfahren ermöglicht eine Detek tion eines Lecks, das zwischen den beiden äußeren Orten liegt. Dementsprechend müssen diese so gewählt werden, daß sie den zu untersuchenden Rohrleitungsabschnitt begrenzen.In the first method, there is a change in pressure in the fluid generated and the time course of the pressure change on egg measured in the first location of the pipeline, creating a cha characteristic pressure change signal is obtained. Further the time course of the pressure change signal is displayed two other locations measured in the same direction further away from the place where the pressure change was generated lie as the first. The method enables detection tion of a leak that occurs between the two outer locations lies. Accordingly, these must be chosen so that they limit the pipeline section to be examined.
Mittels eines mathematisch-physikalischen Simulations modells des Rohrsystems wird auf der Grundlage eines Systems an sich bekannter zeitabhängiger Differentialglei chungen (Pipelinetechnik, W. Krass, A. Kittel, A. Uhde, Verlag TÜV Rheinland GmbH, Köln 1979, Kap. 4.3, S. 196), in denen die Leckrate und der Leckort unbekannte Parameter sind, und der gemessenen Druckverläufe am ersten und am dritten Ort der zeitliche Verlauf der Druckänderung am zweiten Ort mit einem Digitalrechner berechnet, wobei die am ersten und am dritten Ort gemessenen Druckverläufe als Randbedingungen in das Differentialgleichungssystem ein gehen.Using a mathematical-physical simulation Model of the pipe system is based on a Systems known per se time-dependent differential equation (pipeline technology, W. Krass, A. Kittel, A. Uhde, Verlag TÜV Rheinland GmbH, Cologne 1979, chap. 4.3, p. 196), in which the leak rate and the leak location unknown parameters are, and the measured pressure curves on the first and on third place the time course of the pressure change on second location calculated with a digital computer, the pressure curves measured at the first and third locations as Boundary conditions in the differential equation system go.
Der gemessene und der berechnete Druckverlauf am zweiten Ort werden verglichen, und bei einer Abweichung dieser Druckverläufe voneinander, die größer als eine vor gegebene Toleranzschwelle ist, werden die Werte der Para meter Leckrate und Leckort in dem Simulationsmodell so lange variiert, bis eine minimale Abweichung der gemesse nen und berechneten Druckverläufe voneinander vorliegt. Die Para meterwerte für die Leckrate und den Leckort, bei denen die Abweichung minimal ist, werden als die gesuchten tatsäch lichen Werte angenommen.The measured and the calculated pressure curve on second location are compared, and if there is a deviation these pressure gradients from each other are greater than one before is the given tolerance threshold, the values of the para meter leak rate and location in the simulation model varies long until a minimal deviation of the measured NEN and calculated pressure curves from each other is available. The Para Meter values for the leak rate and the leak location at which the Deviation is minimal as the actual searched values assumed.
Eine Ausgestaltung dieses ersten erfindungsgemäßen Verfah rens ermöglicht es, im laufenden Betrieb während insta tionärer Betriebszustände, wie z. B. bei Betätigung der Armaturen und bei allen Regelungsvorgängen, eine Überwa chung eines Rohrsystems vorzunehmen. Die gemessenen sowie die berechneten zeitbezogenen Druckwerte werden laufend in einen Ringspeicher des Digitalrechners geschrieben. Weicht der am zweiten Ort gemessene Druckverlauf um eine Tole ranzschwelle von dem berechneten Druckverlauf ab, wird der sogenannte Identifikator gestartet, d. h. aus den im Ring speicher vorhandenen Vergangenheitsdaten werden die Leck rate und der Leckort nach dem im weiteren noch genauer be schriebenen Identifikationsverfahren bestimmt. Gleichzei tig kann ein Alarm ausgelöst werden.An embodiment of this first method according to the invention rens makes it possible to operate during insta tional operating conditions, such as. B. when pressing the Faucets and in all control processes, a moni pipe system. The measured as well the calculated time-related pressure values are continuously in written a ring memory of the digital computer. Gives way the pressure curve measured by a tole at the second location ranzschwelle from the calculated pressure curve, the so-called identifier started, d. H. from those in the ring The existing historical data will be the leak rate and the location of the leak after that in more detail written identification procedure determined. Simultaneously an alarm can be triggered.
Mit dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren können transi ente Vorgänge, die bei jedem An- und Abfahren der Anlage, jeder Änderung des Volumenstroms durch Reglereinrichtungen und bei jeder Betätigung der Absperrarmaturen entstehen, überwacht werden. Hierin besteht ein entscheidender Vor teil gegenüber den beschriebenen Verfahren, die versagen, wenn ein Leitungsbruch aufgrund von transienten Vorgängen auftritt. Wie die Erfahrung zeigt, sind Rohrleitungen wäh rend solcher Vorgänge am stärksten gefährdet, da während dieser die größten Belastungen auftreten.With the first method according to the invention, transi processes that occur every time the system is started up and shut down, every change in the volume flow through controller devices and arise with every actuation of the shut-off valves, be monitored. This is a crucial step part of the described methods that fail if a wire break due to transient processes occurs. As experience shows, pipelines are tough Most vulnerable to such events since during this the greatest loads occur.
Bei dem zweiten Verfahren wird ein Abschnitt der zu unter suchenden Rohrleitung entweder an einem Ende oder an bei den Enden dicht verschlossen. Im letzteren Fall kann der Rohrabschnitt auch in Einwärtsrichtung, d. h. in den zu untersuchenden Rohrabschnitt hinein geöffnet sein. Am er sten Ende des Abschnitts wird eine Druckänderung des Fluids zur Ausbildung einer gedämpften Schwingung der Fluidsäule erzeugt. Ist der Abschnitt nur am zweiten Ende dicht abgeschlossen, wird der am Ort der Erzeugung gemes sene Druckverlauf als Randbedingung der Simulation be nutzt. An einem zweiten Ort erfolgt eine Messung des Druckverlaufs zeitgleich mit der Druckänderung. Ist der Abschnitt auch am Ort der Erzeugung nach außen dicht ver schlossen, so ist es möglich, auf die Druckmessung am zweiten Ort zu verzichten und den Druckverlauf an einem Ort nach Reflexion der Druckwelle am Ort der Erzeugung zur Berechnung der gesuchten Parameter (Leckrate, Leckort) zu verwenden. In diesem Fall werden die Randbedingungen durch die Abschlußbedingungen an den Rohrabschnittsenden vorge geben.In the second method, a section of the sub- searching pipe either at one end or at the ends tightly closed. In the latter case, the Pipe section also in the inward direction, d. H. in the too investigating pipe section to be open. On he At the end of the section, a change in pressure of the Fluids to form a damped vibration of the Fluid column generated. The section is only at the second end tightly sealed, it is measured at the point of production pressure curve as a boundary condition of the simulation uses. At a second location, the Pressure history at the same time as the pressure change. Is the Section also ver tight at the place of production closed, so it is possible to on the pressure measurement on to dispense with the second place and the pressure curve at one Place after reflection of the pressure wave at the place of generation Calculation of the searched parameters (leak rate, leak location) use. In this case, the boundary conditions are followed by the termination conditions at the pipe section ends pre give.
Der Druckverlauf wird mittels eines mathematisch physikalischen Simulationsmodells des jeweiligen Rohrsy stems auf der Grundlage eines Systems an sich bekannter zeitabhängiger Differentialgleichungen (Pipelinetechnik, W. Krass, A. Kittel, A. Uhde, Verlag TÜV Rheinland GmbH, Köln 1979, Kap. 4.3, S. 196) berechnet, in denen die Leck rate und der Leckort unbekannte Parameter sind. Dabei wer den die gemessenen Werte der erzeugten Druckänderung als Randbedingung in das Differentialgleichungssystem einge geben. Der berechnete und der entsprechende zu Vergleichs zwecken gemessene Druckverlauf werden verglichen, und bei einer Abweichung dieser Druckverläufe voneinander, die größer als eine vorgegebene Toleranzschwelle ist, werden die Werte der Parameter Leckrate und Leckort in dem Simu lationsmodell solange variiert, bis eine minimale Abwei chung der gemessenen und berechneten Druckverläufe vonein ander vorliegt. Die zur minimalen Abweichung gehörenden Parameterwerte für die Leckrate und den Leckort werden als die gesuchten tatsächlichen Werte angenommen.The pressure curve is mathematical using a physical simulation model of the respective pipe system stems based on a system known per se time-dependent differential equations (pipeline technology, W. Krass, A. Kittel, A. Uhde, Verlag TÜV Rheinland GmbH, Cologne 1979, chap. 4.3, p. 196) calculated in which the leak rate and the leak location are unknown parameters. Here who the measured values of the pressure change generated as Boundary condition in the differential equation system give. The calculated and the corresponding for comparison Pressure curve measured for the purpose are compared, and at a deviation of these pressure profiles from each other, the is greater than a predetermined tolerance threshold the values of the parameters leak rate and leak location in the simu tion model varies until a minimal deviation of the measured and calculated pressure profiles other is present. The ones belonging to the minimum deviation Parameter values for the leak rate and the leak location are as the actual values sought are assumed.
Wird zur Ermittlung einer Randbedingung die erzeugte Druckänderung gemessen, liegt der Meßort nahe dem Ort der Erzeugung der Druckänderung. Der Meßort des zweiten Druck verlaufs muß sich weiter entfernt vom ersten Meßort, z. B. nahe dem anderen Ende des Abschnitt, befinden.Is the generated one to determine a boundary condition Measured pressure change, the measuring location is close to the location of the Generation of the pressure change. The location of the second pressure course must be further away from the first location, z. B. near the other end of the section.
Ein Vergleich der berechneten und der entsprechenden ge messenen Druckverläufe kann bei beiden Verfahren über ein zahlenmäßiges Kriterium der Übereinstimmung, welches eine mittlere Abweichung der berechneten und der gemessenen Druckwerte festlegt, vorgenommen werden. Das Kriterium kann z. B. die Gauß′sche Fehlerquadratsumme sein.A comparison of the calculated and the corresponding ge Measured pressure profiles can be used in both methods numerical criterion of agreement, which one mean deviation of the calculated and the measured Specifies pressure values. The criterion can e.g. B. be the Gaussian squared sum.
Die erfindungsgemäßen Verfahren zeichnen sich dadurch aus, daß die gesamte zur Verfügung stehende à-priori-Informa tion über physikalisches Verfahren des Systems zur Auswer tung herangezogen wird. Diese à-priori-Information ist in der Struktur des Modells und in seinen Parametern enthal ten. Darüber hinaus fließen in die Auswertung zusätzliche Informationen ein, die bei einem System nur während dyna mischer Übergangszustände auftreten.The processes according to the invention are characterized in that that all available a priori informa tion on physical process of the system for evaluation tion is used. This a priori information is in the structure of the model and its parameters In addition, additional data flow into the evaluation Information that is only available in a system during dyna mixer transition states occur.
Ein weiterer Vorteil der Verfahren ist, daß die Änderungen des physikalischen Systemverhaltens, die durch ein Leck hervorgerufen werden, sehr schnell, nämlich mit Schallge schwindigkeit, zu den Meßstellen gelangen. Dadurch sind extrem kurze Versuchszeiten möglich, bei denen die Tempe ratur während der Messung mit Sicherheit als konstant be trachtet werden kann.Another advantage of the procedure is that the changes of physical system behavior caused by a leak are caused very quickly, namely with Schallge speed, get to the measuring points. Thereby extremely short test times possible, during which the tempe temperature during the measurement with certainty as constant can be sought.
Das Simulationsmodell wird durch die mathematische Be schreibung der physikalischen Vorgänge in dem Fluid und der dieses umschließenden Rohrleitung mit Hilfe eines Systems von Differentialgleichungen gebildet. Die Para meter des Differentialgleichungssystems beschreiben im wesentlichen die Eigenschaften des Fluids, wie Dichte, Viskosität, Elastizität und Kriechverhalten, und der Rohr leitung, wie Rohrleitungsgeometrie, Kriechverhalten, Elastizität und Rohrzustand. Die zu identifizierenden Größen Leckrate und Leckort werden ebenfalls als Parameter des Differentialgleichungssystems betrachtet und gehen als zunächst unbekannte Größen in das Modell ein. Neben den Parametern des Differentialgleichungssystems muß für eine wirklichkeitsgetreue Simulation auch der Anfangszustand des simulierten Objekts bekannt sein.The simulation model is based on the mathematical Be description of the physical processes in the fluid and of the surrounding pipeline with the help of a System formed by differential equations. The Para Describe meters of the differential equation system in essentially the properties of the fluid, such as density, Viscosity, elasticity and creep behavior, and the pipe pipe, such as pipe geometry, creep behavior, Elasticity and pipe condition. The ones to be identified Sizes leak rate and leak location are also parameters of the differential equation system and go as initially unknown sizes in the model. In addition to the Parameters of the system of differential equations must be for a realistic simulation also the initial state of the the simulated object.
Durch numerisches Lösen des Differentialgleichungssystems im Zeitbereich können die zeitlichen Verläufe von Druck und Volumenstrom an allen Stellen der Leitung und bei allen Betriebszuständen berechnet werden. Die Berechnungen werden auf einem Digitalrechner durchgeführt, wobei das Simulationsmodell eine in einer Programmiersprache kodier te Sammlung der Differentialgleichungen mit zugehörigen Lösungsalgorithmen ist.By numerically solving the system of differential equations in the time domain, the time courses of pressure and volume flow at all points of the line and at all operating states can be calculated. The calculations are carried out on a digital computer, the Simulation model encoding in a programming language te collection of differential equations with related ones Solution algorithms is.
Für dynamische Systeme gilt unter Einschränkungen, auf die hier nicht näher eingegangen wird:For dynamic systems, restrictions apply to is not discussed in more detail here:
- 1. Kennt man alle Parameter, den Anfangszustand und alle Eingangsfunktionen, so kann man die Ausgangsfunktionen (Zustandsgrößen) durch Simulation berechnen.1. Knowing all parameters, the initial state and all Input functions, so you can see the output functions Calculate (state variables) by simulation.
- 2. Kennt man den Anfangszustand sowie die Ein- und Aus gangsfunktionen, so kann man die Parameter durch Iden tifikation bestimmen.2. Do you know the initial state and the on and off gear functions, so the parameters can be identified Determine tification.
Als Beispiel für ein System ohne Dynamik sei eine Feder gegeben, die durch eine Kraft F (Eingangsgröße) um eine Strecke Δx (Ausgangsgröße) gedehnt wird, wobei als Para meter die Federkonstante c der Feder eingeht. Gemäß Fall 1 kann die AusgangsgrößeA spring is an example of a system without dynamics given by a force F (input variable) by one Distance Δx (output variable) is stretched, using Para meter the spring constant c of the spring is received. According to case 1 can be the output size
Δx = - ΔF/cΔx = - ΔF / c
berechnet werden. Gemäß Fall 2 kann der Parameterbe calculated. According to case 2, the parameter
c = - ΔF/Δxc = - ΔF / Δx
berechnet werden.be calculated.
Komplizierte Systeme mit vielen Zustandsgrößen und mit zeitabhängigen Komponenten werden durch umfangreiche Dif ferentialgleichungssysteme beschrieben. Die Zustandsgrößen sind dann Zeitfunktionen und werden durch Integration des Differentialgleichungssystems berechnet. Entsprechend kom plizierter sind auch die Identifikationsverfahren, die aus mehreren Zeitfunktionen mehrere Parameter bestimmen, wobei jedoch das grobe Prinzip gleich bleibt. Die erfindungsge mäßen Verfahren beruhen auf der Identifikation der Para meter.Complicated systems with many state variables and with time-dependent components are supported by extensive dif systems of differential equations are described. The state variables are then time functions and are integrated by integrating the Differential equation system calculated. Correspondingly com The identification procedures that result from are also more complicated multiple time functions determine multiple parameters, where however the rough principle remains the same. The fiction The procedure is based on the identification of the para meter.
Der Druckverlauf kann sehr genau simuliert werden, sofern das Dämpfungsverhalten des Systems hinreichend genau be kannt ist. Zur Bestimmung der Dämpfungsparameter des Simu lationsmodells kann eine Kalibriermessung an einem leck freien Rohrsystem durchgeführt werden, wobei die Dämp fungsparameter analog zu den Parametern Leckrate und Leck ort bestimmt werden.The pressure curve can be simulated very precisely, if the damping behavior of the system be sufficiently accurate is known. To determine the damping parameters of the Simu lation model can be a calibration measurement on a leak free pipe system are carried out, the damper tion parameters analogous to the parameters leak rate and leak be determined.
Als Ergebnis der Simulation bei bekanntem Dämpfungsverhal ten erhält man zeitliche Verläufe der Druckänderung an in teressierenden Stellen, also auch an dem Ort, an dem der Druckverlauf gemessen worden ist. Der gemessene und der aus der Simulation erhaltene Druckverlauf stimmen inner halb eines gewissen Fehlerbereichs überein, wenn kein Leck vorliegt. Die beiden Verläufe weichen jedoch auf charakte ristische Weise bei Vorhandensein eines Lecks voneinander ab. Aus der Abweichung lassen sich sowohl die Leckrate als auch der Leckort ermitteln, indem die Parameter Leckrate und Leckort in dem Simulationsmodell so lange variiert werden, bis eine minimale Abweichung des gemessenen und des simulierten Druckverlaufs voneinander erreicht ist. Die gesuchten Werte der Leckrate und des Leckorts sind dann identifiziert.As a result of the simulation with a known damping behavior ten one obtains chronological courses of the pressure change on in interested places, i.e. also at the place where the Pressure curve has been measured. The measured and the Pressure curve obtained from the simulation is correct within a certain range of error if there is no leak is present. The two courses, however, give way to character Ristic manner in the presence of a leak from one another from. From the deviation, both the leak rate and also determine the leak location by using the parameters leak rate and leak location in the simulation model varied so long until a minimal deviation of the measured and of the simulated pressure curve is reached from each other. The sought values of the leak rate and the leak location are then identified.
Die Einflüsse der Steuerorgane werden dadurch berücksich tigt, daß ihr hydraulisches Verhalten in Form von Ventil kennlinien in das Simulationsmodell eingearbeitet und die momentane Stellung der Ventile mittels Stellungsgebern mitgemessen wird. Die gemessenen Ventilstellungen sind zu sätzliche Eingangsfunktionen des Simulators.The influences of the tax bodies are taken into account that their hydraulic behavior takes the form of a valve characteristics are incorporated into the simulation model and the Current position of the valves using position transmitters is also measured. The measured valve positions are closed additional input functions of the simulator.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des zweiten Verfahrens ist in Unteranspruch 9 angegeben.A device for performing the second method is specified in sub-claim 9.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an hand von Zeichnungen näher erläutert.An embodiment of the invention is described below hand explained in more detail by drawings.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung einer Vorrichtung zur Durch führung des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens, das sich zur Durchführung während Betriebspausen des Rohrsystems eignet. Fig. 1 shows an arrangement of a device for imple mentation of the second method according to the invention, which is suitable for implementation during breaks in operation of the pipe system.
Fig. 2 zeigt Druckverläufe, die sich bei der Schwingung einer eingeschlossenen Fluidsäule in Abhängigkeit verschiedener Leckorte ergeben. FIG. 2 shows pressure profiles which result from the oscillation of an enclosed fluid column as a function of different leak locations.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung weist eine Rohrleitung 2 auf, die an einem ersten Ende durch ein dicht schließen des Ventil 4 abgeschlossen und an dem anderen Ende durch eine Rückschlagklappe 6 begrenzt ist, die nur einen Fluid strom in die Rohrleitung 2 hinein zuläßt. Die Rohrleitung 2 weist ein Leck 8 auf. Auf der Eingangsseite der Rohrlei tung 2 sind hintereinander in abnehmender Entfernung zu der Rückschlagklappe 6 ein Tank 10 für das Fluid, ein Ven til 12 und, als Einrichtung zur Erzeugung einer Druckände rung, eine Pumpe 14 angeordnet, die über eine Zufuhrlei tung 16 miteinander und mit der Rückschlagklappe 6 verbun den sind. Innerhalb der Rohrleitung 2 werden nahe der Rückschlagklappe 6 und nahe des dicht schließenden Ventils 4 durch Drucksensoren (nicht gezeigt) Druckwerte P1 und P2 gemessen und über Leitungen 18, 20 an einen Analog-Digi tal-Wandler gegeben, der mit einer Auswerteeinrichtung 24 (z. B. PC, Workstation) verbunden ist.The device shown in Fig. 1 has a pipeline 2 , which is closed at a first end by a tight closing of the valve 4 and is limited at the other end by a non-return valve 6 , which only allows fluid flow into the pipeline 2 . The pipe 2 has a leak 8 . On the input side of the Rohrlei device 2 , a tank 10 for the fluid, a Ven valve 12 and, as a device for generating a pressure change, a pump 14 are arranged one behind the other in decreasing distance to the check valve 6 , the device via a feed line 16 and are connected to the non-return valve 6 . Within the pipeline 2 near the non-return valve 6 and near the tightly closing valve 4 by pressure sensors (not shown) pressure values P1 and P2 are measured and given via lines 18 , 20 to an analog-digital tal converter, which with an evaluation device 24 (z B. PC, workstation) is connected.
Bei dem Leckerkennungsverfahren unter Verwendung dieser Vorrichtung stellen die Druckwerte P1, die aus der Messung der von der Pumpe erzeugten Druckänderung stammen, die Eingangsfunktion und die gemessenen Druckwerte P2 die Aus gangsfunktion dar. Die Systemparameter sind neben den Fluid- und Rohrleitungsdaten, die als bekannt vorausge setzt werden, die Leckrate QL und der von der Rückschlag klappe 6 aus gemessene Leckort x.In the leak detection method using this device, the pressure values P1, which originate from the measurement of the pressure change generated by the pump, represent the input function and the measured pressure values P2 represent the output function. The system parameters are, in addition to the fluid and pipeline data, which are known as pre-known are set, the leak rate Q L and the flap 6 measured from the non-return valve 6 .
Das Verfahren läuft folgendermaßen ab. Das in dem Tank 10 enthaltene Fluid strömt bei geöffnetem Ventil 12 und ein geschalteter Pumpe 16 durch die Rückschlagklappe 6 in die Rohrleitung 2, wobei die Pumpe einen Druckanstieg erzeugt. Der Druck P1 an der Meßstelle nahe der Rückschlagklappe 6 steigt dabei kontinuierlich an, und der zeitliche Verlauf des Anstiegs (Druckflanke) bildet eine Druckwellenfront, die am Leitungsende reflektiert wird und bis zur Rück schlagklappe 6 zurückwandert. Dort wird sie wiederum re flektiert, so daß eine Schwingung entsteht. Die Pumpe 14 hat jetzt keinen Einfluß mehr, da der Druck hinter der Rückschlagklappe zu jedem Zeitpunkt größer oder gleich dem Druck vor der Rückschlagklappe ist. Bei realen Systemen treten Verluste auf, so daß die Schwingung der zwischen der Rückschlagklappe 6 und dem Ventil 4 eingeschlossenen Fluidsäule im Lauf der Zeit abklingt. Dieser Ablauf kann sehr genau simuliert werden, sofern das Dämpfungsverhalten des Systems hinreichend genau bekannt ist. Als Ergebnis der Simulation erhält man zeitliche Verläufe des Drucks an interessierenden Stellen. The procedure is as follows. When the valve 12 is open and the pump 16 is switched on, the fluid contained in the tank 10 flows through the non-return flap 6 into the pipeline 2 , the pump generating an increase in pressure. The pressure P1 at the measuring point near the check valve 6 rises continuously, and the time course of the rise (pressure edge) forms a pressure wave front, which is reflected at the end of the line and migrates back to the check valve 6 . There it is again reflected, so that an oscillation arises. The pump 14 no longer has any influence since the pressure behind the non-return valve is at all times greater than or equal to the pressure in front of the non-return valve. Losses occur in real systems, so that the vibration of the fluid column enclosed between the non-return valve 6 and the valve 4 subsides over time. This process can be simulated very precisely, provided the damping behavior of the system is known with sufficient accuracy. As a result of the simulation, pressure curves over time at points of interest are obtained.
Als Beispiel eines Druckverlaufes ist in Fig. 2 der Druck verlauf unmittelbar hinter der Rückschlagklappe 6 darge stellt, und zwar für die drei Fälle, daß kein Leck vorhan den ist (Kurve 26), daß ein Leck in der Mitte der Rohrlei tung vorhanden ist (Kurve 28) und daß ein Leck am Ende der Rohrleitung vorhanden ist (Kurve 30). In diesem Beispiel ist keine Dämpfung außer der Dämpfung durch die Leckage berücksichtigt. Der Druckverlauf stellt eine Schwingung dar, deren Schwingungsperiode durch die Zeitspanne A gege ben ist. Der Druckanstieg während der Zeitspanne B wird durch die Pumpe 14 erzeugt.As an example of a pressure curve in Fig. 2, the pressure curve is immediately behind the check valve 6 Darge, for the three cases that there is no leak (curve 26 ), that there is a leak in the middle of the pipeline ( Curve 28 ) and that there is a leak at the end of the pipeline (curve 30 ). In this example, no damping other than damping due to leakage is taken into account. The pressure curve represents an oscillation, the oscillation period of which is given by the time period A. The pressure increase during period B is generated by the pump 14 .
Im Idealfall müssen, wenn kein Leck vorliegt, der gemes sene und der berechnete Druckverlauf an allen Stellen ge nau übereinstimmen. Tritt in der Leitung eine Leckage auf, so wird der Druckverlauf an allen Stellen der Rohrleitung 2 vom Druckverlauf ohne Leckage abweichen.Ideally, if there is no leak, the measured and calculated pressure curve should match exactly at all points. If there is a leak in the line, the pressure curve at all points of the pipeline 2 will deviate from the pressure curve without leakage.
Die Aufgabe des Identifikationsverfahrens ist in diesem Ausführungsbeispiel, die Parameter "Leckrate QL" und "Leckort x", derart zu verändern, daß die gemessenen und die berechneten Verläufe des Drucks P2 wieder übereinstim men. Hierzu wird z. B. die Gauß′sche Fehlerquadratsumme als zahlenmäßiges Kriterium der Übereinstimmung verwendet. Da sowohl unterschiedliche Leckraten als auch unterschiedli che Leckorte eindeutig unterscheidbare Verzerrungen der Druckverläufe bewirken, hat die Fehlerfunktion, zumindest in der Nähe der richtigen Lösung in der QL,x-Ebene ein ausgeprägtes Minimum. Damit ist die Lösung, d. h. das Wer tepaar (QL,x), in dem die Fehlerfunktion ein Minimum hat, auffindbar. Diese Lösung gibt die tatsächlichen Werte der Leckrate und des Leckortes an.The task of the identification method in this exemplary embodiment is to change the parameters "leak rate Q L " and "leak location x" in such a way that the measured and the calculated curves of the pressure P2 match again. For this, z. B. uses the Gaussian squared sum as a numerical criterion of agreement. Since both different leak rates and different leak locations cause clearly distinguishable distortions in the pressure profiles, the error function has a pronounced minimum, at least in the vicinity of the correct solution in the Q L , x plane. The solution, ie the pair of values (Q L , x) in which the error function has a minimum, can thus be found. This solution gives the actual values of the leak rate and the leak location.
Claims (8)
- - im Fluid wird eine Druckänderung erzeugt;
- - der zeitliche Verlauf der Druckänderung wird an einem ersten Ort der Rohrleitung gemessen;
- - der zeitliche Verlauf der Druckänderung wird an einem zweiten Ort gemessen, der in derselben Richtung wei ter entfernt vom Ort der Erzeugung der Druckänderung liegt als der erste;
- - der zeitliche Verlauf der Druckänderung wird an einem dritten Ort gemessen, der in derselben Richtung wei ter entfernt vom Ort der Erzeugung der Druckänderung liegt als der zweite;
- - mittels eines mathematisch-physikalischen Simulations modells des Systems aus Rohrleitung und Fluid wird auf der Grundlage eines Systems an sich bekannter zeitabhängiger Differentialgleichungen, in denen die Leckrate und der Leckort unbekannte Parameter sind, und des gemessenen Druckverlaufs am ersten und am dritten Ort der zeit liche Verlauf der Druckänderung am zweiten Ort mit einem Digitalrechner berechnet, wobei der am ersten und am dritten Ort gemessene Druckverlauf in Form von Randbedingungen in das Differentialgleichungssystem eingegeben wird;
- - der gemessene und der berechnete Druckverlauf am zwei ten Ort werden verglichen;
- - bei einer Abweichung dieser Druckverläufe voneinander, die größer als eine vorgegebene Tolleranzschwelle ist, werden die Werte der Parameter Leckrate und Leckort in dem Simulationsmodell so lange variiert, bis eine minimale Abweichung der gemessenen und be rechneten Druckverläufe voneinander vorliegt;
- - und die zur minimalen Abweichung gehörenden Parameter werte für die Leckrate und den Leckort werden als die gesuchten tatsächlichen Werte angenommen.
- - A pressure change is generated in the fluid;
- - The time course of the pressure change is measured at a first location of the pipeline;
- - The time course of the pressure change is measured at a second location, which is further away in the same direction from the location of the generation of the pressure change as the first;
- - The time course of the pressure change is measured at a third location, which is further away in the same direction from the location of the generation of the pressure change as the second;
- - By means of a mathematical-physical simulation model of the system of pipeline and fluid is based on a system of known time-dependent differential equations, in which the leak rate and the leak location are unknown parameters, and the measured pressure curve at the first and third place of the temporal The course of the pressure change at the second location is calculated using a digital computer, the pressure course measured at the first and the third location being input into the differential equation system in the form of boundary conditions;
- - The measured and calculated pressure curve at the second location are compared;
- - In the event of a deviation of these pressure profiles from one another, which is greater than a predetermined tolerance tolerance threshold, the values of the parameters leak rate and leak location in the simulation model are varied until there is a minimal difference between the measured and calculated pressure profiles;
- - and the parameter values for the leak rate and the leak location belonging to the minimum deviation are assumed to be the actual values sought.
- - an einem ersten Ende eines Abschnitts der zu untersu chenden Rohrleitung wird eine Druckänderung des Fluids zur Ausbildung einer Druckflanke erzeugt;
- - der Abschnitt wird am zweiten Ende dicht verschlossen, so daß eine gedämpfte Schwingung der Fluidsäule ent steht;
- - die erzeugte Druckänderung wird an einem ersten Ort in dem Abschnitt gemessen;
- - der Druckverlauf wird nach der Reflexion der Druck wellenfront am zweiten Ende an dem ersten Ort (bei dicht abgeschlossenem ersten Ende) oder an einem zweiten Ort des Abschnitts gemessen;
- - für denselben Ort, an dem der Druckverlauf gemessen wird, wird der Druckverlauf berechnet mittels eines mathematisch-physikalischen Simulationsmodells des Systems aus Rohrleitungsabschnitt und Fluid auf der Grundlage eines Systems an sich bekannter zeitabhän giger Differentialgleichungen, in denen die Leckrate und der Leckort unbekannte Parameter sind, und der am ersten Ort gemessenen erzeugten Druckänderung, wobei diese als Randbedingung in das Differentialgleichungs system eingegeben wird;
- - der berechnete und der entsprechende gemessene Druck verlauf werden verglichen;
- - bei einer Abweichung dieser Druckverläufe voneinan der, die größer als eine vorgegebene Toleranzschwelle ist, werden die Werte der Parameter Leckrate und Leckort in dem Simulationsmodell so lange variiert, bis eine minimale Abweichung der gemessenen und be rechneten Druckverläufe voneinander vorliegt;
- - und die zur minimalen Abweichung gehörenden Parameter werte für die Leckrate und den Leckort werden als die gesuchten tatsächlichen Werte angenommen.
- - At a first end of a section of the pipeline to be examined, a pressure change of the fluid is generated to form a pressure flank;
- - The section is sealed at the second end, so that a damped vibration of the fluid column is ent;
- - The pressure change generated is measured at a first location in the section;
- - The pressure curve is measured after reflection of the pressure wavefront at the second end at the first location (with the first end sealed) or at a second location of the section;
- - For the same location at which the pressure curve is measured, the pressure curve is calculated using a mathematical-physical simulation model of the system consisting of the pipe section and fluid, based on a system of time-dependent differential equations known per se, in which the leak rate and the leak location are unknown parameters , and the generated pressure change measured at the first location, this being entered as a boundary condition in the differential equation system;
- - The calculated and the corresponding measured pressure curve are compared;
- - In the event of a deviation of these pressure curves from one another, which is greater than a predetermined tolerance threshold, the values of the parameters leak rate and leak location in the simulation model are varied until there is a minimal deviation of the measured and calculated pressure curves from one another;
- - and the parameter values for the leak rate and the leak location belonging to the minimum deviation are assumed to be the actual values sought.
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