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EP0898112B1 - Rohrleitungssystem zur gesteuerten Verteilung eines strömenden Mediums sowie Verfahren zum Betrieb eines solchen Rohrleitungssystems - Google Patents

Rohrleitungssystem zur gesteuerten Verteilung eines strömenden Mediums sowie Verfahren zum Betrieb eines solchen Rohrleitungssystems Download PDF

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Publication number
EP0898112B1
EP0898112B1 EP97810570A EP97810570A EP0898112B1 EP 0898112 B1 EP0898112 B1 EP 0898112B1 EP 97810570 A EP97810570 A EP 97810570A EP 97810570 A EP97810570 A EP 97810570A EP 0898112 B1 EP0898112 B1 EP 0898112B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
pressure measuring
branch lines
measuring device
measuring devices
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP97810570A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0898112A1 (de
Inventor
Stephan Dr. Hepner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Schweiz AG
Priority to DE59710962T priority Critical patent/DE59710962D1/de
Priority to EP97810570A priority patent/EP0898112B1/de
Priority to US09/133,668 priority patent/US6021677A/en
Priority to JP10228868A priority patent/JPH11132400A/ja
Priority to CN98118369A priority patent/CN1084863C/zh
Publication of EP0898112A1 publication Critical patent/EP0898112A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0898112B1 publication Critical patent/EP0898112B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D1/00—Pipe-line systems
    • F17D1/02—Pipe-line systems for gases or vapours
    • F17D1/04—Pipe-line systems for gases or vapours for distribution of gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D3/00—Arrangements for supervising or controlling working operations
    • F17D3/18—Arrangements for supervising or controlling working operations for measuring the quantity of conveyed product

Definitions

  • the present invention relates to a piping system for Distribution of a flowing medium, comprising a main line, which at a branch point into a plurality branched from branch lines in each of the branch lines a variable throttle, with which the mass flow is adjustable in each of the branch lines, as well as for each Throttle point a first pressure measuring device with which the pressure drop of the flowing medium at the respective Throttle point is measured.
  • the invention further relates to a method for operation of such a piping system.
  • a compressible or incompressible Medium e.g. cooling water, steam, oil or the like
  • the supply system used for this typically exists from a network of pipelines, which itself characterized by branching points (nodes) at which a main line (a main flow of the medium) into two or more branch lines (branch streams) which branch to individual consumers or groups of consumers.
  • branching points nodes
  • branch streams branch lines
  • a control valve is arranged in the branch line whose stroke is set so that the desired one Mass flow flows through the valve.
  • a piping system as it is in Fig. 1 is shown.
  • a main line 11 branches at a branch point 12 in (for example) three branch lines 13, 14 and 15.
  • a valve V1 or V2 or V3 provided, by means of which the mass flow can be set (controlled) by the respective branch line can.
  • h h (K V ).
  • K V ⁇ (dm / dt) [T M / (P M - ⁇ p)] 1 ⁇ 2 [1 / Ap] 1 ⁇ 2 .
  • ⁇ the mass flow dm / dt
  • the pressure p M the temperature T M at the branch point 12 or in the main line 11, and the pressure drop ⁇ p at the valve.
  • the quantity K V can be determined on the basis of the measured quantities T M , p M and ⁇ p according to equation (2).
  • the valve lift can be calculated from the specified valve characteristic K V (h). A comparable determination can also be carried out for incompressible media.
  • valve stroke The most important variable for the calculation of the valve stroke is the pressure drop measured at valves V1, .., V3. If if this measurement becomes faulty, this leads to an unacceptable one Failure of the supply system (and in the case of one Gas turbine for a quick shutdown) or even (e.g. in Case of a cooling water system) to a security risk. It is therefore desirable in many cases, the measurement of the Pressure drop across valves V1, .., V3 redundant, making an error in a single measurement of the pressure drop ⁇ p not the continuous, safe operation of the system touched or impaired (availability requirement or Availability Requirement AR).
  • the purpose of a redundancy concept is twofold: (1) The occurrence of a measurement error should be recognized and the faulty one Measuring device or the faulty measuring channel should be identified. (2) The (not) usable measurement values are to be replaced by redundantly determined measured values.
  • Reported errors (Notified Failure NF): This type of error includes all errors that are reported to the control system by the sender or another I / O device using a bad data quality (BDQ) signal. Based on the BDQ signal, the control system knows which ⁇ p measurement is faulty. This typically happens when a measuring line is interrupted or an error occurs in a component in the measuring chain.
  • BDQ bad data quality
  • the redundant measurement of the pressure drop can be carried out according to FIG. 2 with double redundancy.
  • double redundancy is already per valve in addition to that existing pressure measuring device PM1, .., PM3 each one second pressure measuring device PM4, .., PM6 arranged in parallel. If one of the two pressure measurements (per valve) is faulty, can be switched to the other pressure measurement. This is only possible for reported errors where the incorrect measurement can be detected by the BDQ signal can.
  • a drift of the measurement can be doubled Redundancy cannot be mastered because only two are independent Measurements per valve cannot be decided which of the two measurements is disturbed (or drifts).
  • the redundant measurement can be used to overcome this problem 3 with a triple redundancy be performed.
  • pro Valve next to the existing pressure measuring device PM1, .., PM3 each have a second pressure measuring device PM4, .., PM6 and a third pressure measuring device PM7, .., PM9 arranged in parallel.
  • the 2-out-of-3 choice principle is used. The 2-out-of-3 choice principle assumes that if 2 out of 3 Measuring channels deliver the same measured values, these measuring channels work correctly while the third measuring channel is faulty is.
  • the task is the beginning of a piping system mentioned type in that to achieve redundancy in the pressure measurement at least between two of the branch lines in the direction of flow behind the throttling points second pressure measuring device for measuring the differential pressure is arranged between the respective branch lines.
  • second pressure measuring device By adding the second pressure measuring device in the specified Way is used for measuring the pressure drop to the Throttling points of the two affected branch lines one double redundancy achieved.
  • the three pressure measuring devices measure the differences between a total of three pressures (the Pressure in the main line and the pressures in the two Branch lines behind the throttling points), each of the three pressures each from two pressure measuring devices as a reference value is taken.
  • any pressure reading for a branch line can therefore be divided into two Determine wise (double redundant): First as direct Measured value of the associated first pressure measuring device, and others from the sum of the measured values of the other two pressure measuring devices.
  • the invention allows three Pressure measuring devices for two branch lines one double Realize redundancy while using the scheme from Fig. 2 four pressure measuring devices would be necessary.
  • the dual redundancy is to be implemented for all branch lines according to a first preferred embodiment the invention between each branch line and each another branch line a second pressure measuring device to measure the differential pressure between the respective Branch lines arranged.
  • n branch lines With n branch lines, n-1 Pressure measuring devices required.
  • each branch line and two additional branches each have a second one Pressure measuring device for measuring the differential pressure between the respective branch lines is arranged.
  • the method according to the invention for operating the pipeline system is characterized in that for each pair of Branch lines the associated first pressure measuring devices and that arranged between the pair of branch lines second pressure measuring device each grouped together be, with the proper functioning of the Pressure measuring devices for each group of pressure measuring devices the sum of the pressure readings is zero, and that if one of the first pressure measuring devices within a group fails, the associated pressure reading from the Pressure measurement values of the other two pressure measuring devices of the Group is determined.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that every first pressure measuring device each in two groups of pressure measuring devices is represented, and that the pressure readings from the first Pressure measuring device to be treated as faulty if those from the other two pressure gauges each of the the two groups determined associated pressure measurements with each other, but not with those from the first pressure measuring device pressure readings match.
  • the pipeline system 10 comprises a main line 11, which is at the branch point 12 in the three branch lines 13, 14 and 15 branches.
  • a controllable throttle valve V1, V2 and V3 built-in.
  • the pressure drop (pressure loss) at the valves V1, V2, V3 is initially directly through a parallel to the valve arranged first pressure measuring device PM1 or PM2 or PM3 measured. For this - as shown in the figures - on both Sides of the valve from the branch piping to the pressure measuring devices.
  • FIG. 4 in the example of FIG. 4 there are three second pressure measuring devices PM10, PM11 and PM12, which are each arranged behind the valves V1, V2 and V3 between the branch lines and the pressure difference between each Measure two of the branch lines 13, 14 and 15.
  • the pressure measuring devices PM1, PM2 and PM3 thus measure the pressure drop ⁇ p1, ⁇ p2 and ⁇ p3 at the valves V1, V2 and V2.
  • the pressure measuring devices PM10, PM11 and PM12 measure the differential pressures ⁇ p10, ⁇ p11 and ⁇ p12 between the branch line pairs 13/14, 13/15 and 14/15.
  • ⁇ pj is the violation of the condition ci by a matrix element "1" is displayed in the jth column and the ith row. Conditions that are not violated are indicated accordingly a matrix element "0" is displayed.
  • the Measurement of ⁇ p1 incorrect, the conditions according to the table c1 and c3 violated (matrix elements are "1").
  • the Conditions c2 and c4 are not affected by this error (Matrix elements are "0").
  • the three branch lines are sufficient 3 additional pressure measuring devices PM10, PM11 and PM12 from to get largely the same redundancy as one 3. Additional branch lines are added, two additional pressure measuring devices per additional branch line needed between the additional Branch line and any two other branch lines arranged become. The maximum savings on pressure measuring devices compared to the arrangement of Fig. 3 results in the case of three branch lines.

Landscapes

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  • Pipeline Systems (AREA)
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rohrleitungssystem zur Verteilung eines strömenden Mediums, umfassend eine Hauptleitung, welche sich an einem Verzweigungspunkt in eine Mehrzahl von Zweigleitungen verzweigt, in jeder der Zweigleitungen eine veränderbare Drosselstelle, mit welcher der Massenstrom in jeder der Zweigleitungen einstellbar ist, sowie zu jeder Drosselstelle eine erste Druckmesseinrichtung, mit welcher der Druckabfall des strömenden Mediums an der jeweiligen Drosselstelle gemessen wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Rohrleitungssystems.
STAND DER TECHNIK
In der Kraftwerkstechnik oder auch anderen Anwendungsgebieten besteht häufig die Aufgabe, eine Vielzahl von Verbrauchern mit einem Massenstrom eines kompressiblen oder inkompressiblen Mediums (z.B. Kühlwasser, Dampf, Oel oder dgl.) zu versorgen. Das dazu verwendet Versorgungssystem besteht typischerweise aus einem Netz von Rohrleitungen, welches sich durch Verzweigungspunkte (Knotenpunkte) auszeichnet, an denen sich eine Hauptleitung (ein Hauptstrom des Mediums) in zwei oder mehr Zweigleitungen (Zweigströme) verzweigt, welche zu den einzelnen Verbrauchern oder Gruppen von Verbrauchern führen. In vielen Fällen ist es dabei notwendig, dass der Massenstrom in jeder einzelnen Zweigleitung gemäss den Anforderungen des oder der Verbraucher(s) gesteuert wird. Dazu kann beispielsweise in der Zweigleitung ein Steuerventil angeordnet sein, dessen Hub so eingestellt ist, dass der gewünschte Massenstrom durch das Ventil hindurchströmt.
Eine einfacher Art und Weise, den Massenstrom des Mediums durch ein Steuerventil zu steuern, besteht darin, den Ventilhub zu berechnen, der zur Verwirklichung des vorgegebenen Massenstroms benötigt wird. Die Berechnung des Ventilhubes basiert typischerweise auf dem am Steuerventil gemessenen Druckverlust (Druckabfall), der Charakteristik des Ventils und den Eigenschaften des Mediums. Im einfachsten Fall ergibt sich dann (z.B. für das Brennstoffversorgungssystem einer industriellen Gasturbine) ein Rohrleitungssystem, wie es in Fig. 1 wiedergegeben ist. Im Rohrleitungssystem 10 der Fig. 1 verzweigt sich eine Hauptleitung 11 an einem Verzweigungspunkt 12 in (beispielsweise) drei Zweigleitungen 13, 14 und 15. In jeder der Zweigleitungen 13, 14, 15 ist ein Ventil V1 bzw. V2 bzw. V3 vorgesehen, mittels dessen der Massenfluss durch die jeweilige Zweigleitung eingestellt (gesteuert) werden kann. Parallel zum Ventil V1, V2, V3 ist jeweils eine Druckmesseinrichtung PM1 bzw. PM2 bzw. PM3 angeordnet, die den Druckabfall am Ventil misst.
Wird der Ventilhub der Ventile V1,..,V3 mit h bezeichnet, so ist h einen Funktion der Ventilcharakteristik KV, nämlich (1)   h=h(KV).
Für ein kompressibles Medium (z.B. das Brenngas für die Gasturbine) ergibt sich die Grösse KV für unterkritische Strömungsverhältnisse zu (2)   KV=α(dm/dt) [TM/(pM-Δp)]½ [1/Δp]½, mit der Konstante α, dem Massenstrom dm/dt, dem Druck pM und der Temperatur TM am Verzweigungspunkt 12 bzw. in der Hauptleitung 11, und dem Druckabfall Δp am Ventil. Für einen vorgegebenen Massenstrom dm/dt lässt sich die Grösse KV aufgrund der gemessenen Grössen TM, pM und Δp nach Gleichung (2) bestimmen. Aus der vorgegebenen Ventilcharakteristik KV(h) kann daraus der Ventilhub berechnet werden. Eine vergleichbare Bestimmung kann auch für inkompressible Medien durchgeführt werden.
Die wichtigste Grösse für die Berechnung des Ventilhubes ist der an den Ventilen V1,..,V3 gemessene Druckabfall. Wenn diese Messung fehlerhaft wird, führt dies zu einem nicht akzeptierbaren Ausfall des Versorgungssystem (und im Fall einer Gasturbine zu einer Schnellabschaltung) oder sogar (z.B. im Fall eines Kühlwassersystems) zu einem Sicherheitsrisiko. Es ist daher in vielen Fällen wünschenswert, die Messung des Druckabfalls an den Ventilen V1,..,V3 redundant auszuführen, so dass ein Fehler bei einer einzelnen Messung des Druckabfalls Δp den fortlaufenden, sicheren Betrieb der Anlage nicht berührt oder beeinträchtigt (Verfügbarkeits-Erfordernis bzw. Availability Requirement AR).
Der Zweck eines Redundanz-Konzeptes ist ein zweifacher: (1) Das Auftreten eines Messfehlers soll erkannt und die fehlerhafte Messeinrichtung bzw. der fehlerhafte Messkanal sollen identifiziert werden. (2) Die (nicht) brauchbaren Messwerte sollen durch redundant ermittelte Messwerte ersetzt werden.
Es sind dabei zwei grundsätzliche Fehlerarten zu berücksichtigen:
Gemeldete Fehler (Notified Failure NF): Diese Fehlerart umfasst alle Fehler, die vom Sender oder einer anderen I/O-Einrichtung durch ein Bad-Data-Quality(BDQ)-Signal an das Steuerungssystem gemeldet werden. Aufgrund des BDQ-Signals weiss das Steuerungssystem, welche Δp-Messung fehlerhaft ist. Dies passiert typischerweise, wenn eine Messleitung unterbrochen ist oder ein Fehler in einer Komponente in der Messkette auftritt.
Drift in der Messung: Diese Fehlerart beschreibt die schleichende Verschlechterung des Messignals, so dass die übertragene Information nicht länger eine gültige Messung des Druckabfalls ist. Sie kann nicht detektiert werden und wird dementsprechend auch nicht an das Steuerungssystem gemeldet. Es müssen daher andere Wege beschritten werden, um diese Fehlerart zu handhaben.
Die redundante Messung des Druckabfalls kann gemäss Fig. 2 mit einer zweifachen Redundanz durchgeführt werden. Im Fall der zweifachen Redundanz ist pro Ventil neben der bereits vorhandenen Druckmesseinrichtung PM1,..,PM3 jeweils eine zweite Druckmesseinrichtung PM4,..,PM6 parallel angeordnet. Ist eine der beiden Druckmessungen (pro Ventil) fehlerhaft, kann auf die andere Druckmessung umgeschaltet werden. Dies ist jedoch nur möglich für gemeldete Fehler, bei denen die fehlerhafte Messung durch das BDQ-Signal detektiert werden kann. Eine Drift der Messung dagegen kann durch die zweifache Redundanz nicht beherrscht werden, weil bei nur zwei unabhängigen Messungen pro Ventil nicht entschieden werden kann, welche der beiden Messungen gestört ist (bzw. driftet).
Zur Ueberwindung dieses Problems kann die redundante Messung des Druckabfalls gemäss Fig. 3 mit einer dreifachen Redundanz durchgeführt werden. Im Fall der dreifachen Redundanz ist pro Ventil neben der bereits vorhandenen Druckmesseinrichtung PM1,..,PM3 jeweils eine zweite Druckmesseinrichtung PM4,..,PM6 und eine dritte Druckmesseinrichtung PM7,..,PM9 parallel angeordnet. Zur Bestimmung der fehlerhaften Messung bei einer Drift wird das 2-aus-3-Wahl-Prinzip angewendet. Beim 2-aus-3-Wahl-Prinzip wird angenommen, dass, wenn 2 von 3 Messkanälen dieselben Messwerte liefern, diese Messkanäle fehlerfrei arbeiten, während der dritte Messkanal fehlerbehaftet ist.
Sowohl bei der in Fig. 2 dargestellten zweifachen Redundanz als auch insbesondere bei der in Fig. 3 dargestellten dreifachen Redundanz ergibt sich der Nachteil, dass sehr viele unabhängige Druckmesseinrichtungen PM1,..,PM6 bzw. PM1,..,PM9 eingesetzt werden müssen, was insbesondere bei der dreifachen Redundanz mit 3 Druckmesseinrichtungen pro Zweigleitung zu einem erheblichen Aufwand führt.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Rohrleitungssystem der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine erhöhte Fehlertoleranz bei vergleichsweise geringem Zusatzaufwand bei der Messwerterfassung erreicht wird.
Die Aufgabe wird bei einem Rohrleitungssystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zum Erreichen einer Redundanz in der Druckmessung zumindest zwischen zwei der Zweigleitungen in Strömungsrichtung hinter den Drosselstellen eine zweite Druckmesseinrichtung zur Messung des Differenzdruckes zwischen den jeweiligen Zweigleitungen angeordnet ist. Durch das Hinzufügen der zweiten Druckmesseinrichtung in der angegebenen Weise wird für die Messung des Druckabfalls an den Drosselstellen der beiden betroffenen Zweigleitungen eine zweifache Redundanz erreicht. Die drei Druckmesseinrichtungen messen die Differenzen zwischen insgesamt drei Drücken (dem Druck in der Hauptleitung und den Drücken in den beiden Zweigleitungen hinter den Drosselstellen), wobei jeder der drei Drücke jeweils von zwei Druckmesseinrichtungen als Referenzwert genommen wird. Bei einer fehlerfreien Messung sind daher die drei Messwerte der drei Druckmesseinrichtungen linear abhängig: die Summe der Messwerte muss (bei richtiger Wahl der Vorzeichen) gleich Null sein. Jeder Druckmesswert für eine Zweigleitung lässt sich daher auf zwei verschiedene Weisen (zweifach redundant) ermitteln: Einmal als direkter Messwert der zugehörigen ersten Druckmesseinrichtung, und zum anderen aus der Summe der Messwerte der beiden anderen Druckmesseinrichtungen. Durch die Erfindung lässt sich so mit drei Druckmesseinrichtungen für zwei Zweigleitungen eine zweifache Redundanz verwirklichen, während bei Anwendung des Schemas aus Fig. 2 vier Druckmesseinrichtungen nötig wären.
Soll die zweifache Redundanz für alle Zweigleitungen verwirklicht werden, ist gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwischen jeder Zweigleitung und je einer anderen Zweigleitung eine zweite Druckmesseinrichtung zur Messung des Differenzdruckes zwischen den jeweiligen Zweigleitungen angeordnet. Bei n Zweigleitungen werden so n-1 Druckmesseinrichtungen benötigt.
Noch deutlicher wird die Einsparung, wenn mit dem Prinzip der Erfindung die dreifache Redundanz erzielt werden soll. Gemäss einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass zwischen jeder Zweigleitung und je zwei weiteren Zweigleitungen jeweils eine zweite Druckmesseinrichtung zur Messung des Differenzdruckes zwischen den jeweiligen Zweigleitungen angeordnet ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb des Rohrleitungssystems zeichnet sich dadurch aus, dass für jedes Paar von Zweigleitungen die zugehörigen ersten Druckmesseinrichtungen und die zwischen dem Paar von Zweigleitungen angeordnete zweite Druckmesseinrichtung jeweils zu einer Gruppe zusammengefasst werden, wobei bei ordnungsgemässer Funktion der Druckmesseinrichtungen für jede Gruppe von Druckmesseinrichtungen die Summe der Druckmesswerte gleich Null ist, und dass, wenn innerhalb einer Gruppe eine der ersten Druckmesseinrichtungen ausfällt, der zugehörige Druckmesswert aus den Druckmesswerten der beiden anderen Druckmesseinrichtungen der Gruppe bestimmt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass jede erste Druckmesseinrichtung jeweils in zwei Gruppen von Druckmesseinrichungen vertreten ist, und dass die Druckmesswerte aus der ersten Druckmesseinrichtung als fehlerhaft behandelt werden, wenn die aus den beiden anderen Druckmesseinrichtungen jeder der beiden Gruppen bestimmten zugehörigen Druckmesswerte untereinander, jedoch nicht mit den von der ersten Druckmesseinrichtung abgegebenen Druckmesswerten übereinstimmen.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigen
Fig. 1
ein Rohrleitungssystem mit drei Zweigleitungen nach dem Stand der Technik mit einer Druckmesseinrichtung pro Drosselstelle (Ventil);
Fig. 2
das System aus Fig. 1 mit zwei Druckmesseinrichtungen pro Drosselstelle (Ventil) zum Erreichen einer zweifachen Redundanz;
Fig. 3
das System aus Fig. 1 mit drei Druckmesseinrichtungen pro Drosselstelle (Ventil) zum Erreichen einer dreifachen Redundanz; und
Fig. 4
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches ein Rohrleitungssystem gemäss Fig. 1 zugrunde legt und im Unterschied zu Fig. 3 die dreifache Redundanz durch (wenige) zusätzliche Druckmesseinrichtungen zwischen den Zweigleitungen erreicht.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 4 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Rohrleitungssystems wiedergegeben, welches bei einer Hauptleitung und drei Zweigleitungen die dreifache Redundanz mit nur drei zusätzlichen Druckmesseinrichtungen ermöglicht. Das Rohrleitungssystem 10 umfasst eine Hauptleitung 11, welche sich am Verzweigungspunkt 12 in die drei Zweigleitungen 13, 14 und 15 verzweigt. In jeder der Zweigleitungen ist als steuerbare Drosselstelle ein Ventil V1, V2 und V3 eingebaut. Der Druckabfall (Druckverlust) an den Ventilen V1, V2, V3 wird zunächst direkt durch eine parallel zum Ventil angeordnete erste Druckmesseinrichtung PM1 bzw. PM2 bzw. PM3 gemessen. Dazu können - wie in den Figuren gezeigt - auf beiden Seiten des Ventils von der Zweigleitung Rohrleitungen zu den Druckmesseinrichtungen geführt werden. Es ist aber auch genauso gut denkbar, Druckaufnehmer direkt an den Zweigleitungen vor und hinter dem Ventil anzuordnen und Signalleitungen von den Druckaufnehmern zu der eigentlichen Druckmesseinrichtung zu führen. Insoweit ist das System aus Fig. 4 direkt vergleichbar mit dem System aus Fig. 1.
Im Unterschied zu Fig. 1 (und auch Fig. 3) sind im Beispiel der Fig. 4 drei zweite Druckmesseinrichtungen PM10, PM11 und PM12 vorhanden, die jeweils hinter den Ventilen V1, V2 und V3 zwischen den Zweigleitungen angeordnet sind und die Druckdifferenz zwischen jeweils zwei der Zweigleitungen 13, 14 und 15 messen. Die Druckmesseinrichtungen PM1, PM2 und PM3 messen also den Druckabfall Δp1, Δp2 und Δp3 an den Ventilen V1, V2 und V2. Die Druckmesseinrichtungen PM10, PM11 und PM12 messen die Differenzdrücke Δp10, Δp11 und Δp12 zwischen den Zweigleitungspaaren 13/14, 13/15 und 14/15. Da der Druck vor den Ventilen V1, V2 und V3 in allen Zweigleitungen gleich sein muss, sind die Differenzdrücke nicht linear unabhängig, sondern müssen (entsprechend der Maschen- und Knotenregel bei elektrischen Netzwerken) den folgenden Gleichungen genügen: (3)   c1 = Δp1 + Δp10 - Δp2 = 0 (4)   c2 = Δp2 + Δp12 - Δp3 = 0 (5)   c3 = Δp3 - Δp11 - Δp1 = 0 (6)   c4 = Δp11 - Δp10 - Δp12 = 0
Diese Gleichungen definieren Bedingungen (constraints c1 bis c4), aus denen die redundanten Druckinformationen abgeleitet werden können. So kann z.B. die Druckdifferenz (der Druckabfall) Δp1 am Ventil V1 in der Zweigleitung 13 auf drei verschiedene Weisen unabhängig voneinander bestimmt werden, nämlich (i) direkt durch die Druckmesseinrichtung PM1, (ii) indirekt durch die Druckmesseinrichtungen PM2 und PM10 mit Hilfe der Gleichung (3), und (iii) indirekt durch die Druckmesseinrichtungen PM3 und PM11 mit Hilfe der Gleichung (5). Entsprechendes gilt für die Druckabfälle an den anderen Ventilen V2 und V3.
Solange die Druckmesseinrichtungen und die zugehörigen Kanäle ordnungsgemäss arbeiten, sind die Gleichungen (3) bis (6) und die damit verbundenen Bedingungen erfüllt, d.h., c1=c2=c3=c4=0. Sobald eine Druckmessung fehlerhaft ist, sind ein oder mehrere der constraints c1 bis c4 ≠ 0 und die damit verbundenen Bedingungen verletzt. Ist beispielsweise die Druckmessung von Δp1 fehlerhaft, gilt c1 ≠ 0 und c3 ≠ 0. Man kann für die verschiedenen Fälle, in denen eine fehlerhafte Druckmessungen zur Verletzung bestimmter Bedingungen führt, die folgende systematische logische Tabelle aufstellen:
Bedingung Δp1 Δp2 Δp3 Δp10 Δp11 Δp12
c1 = Δp1 + Δp10 - Δp2 = 0 1 1 0 1 0 0
c2 = Δp2 + Δp12 - Δp3 = 0 0 1 1 0 0 1
c3 = Δp3 - Δp11 - Δp1 = 0 1 0 1 0 1 0
c4 = Δp11 - Δp10 - Δp12 = 0 0 0 0 1 1 1
Jede der Bedingungen ci, i = 1,..,4 definiert eine Zeile einer Matrix und jede Druckmessung Δpj, j = 1,..,3,10,..,12 definiert eine Spalte der Matrix. Für eine fehlerhafte Druckmessung Δpj ist die Verletzung der Bedingung ci durch ein Matrixelement "1" in der j-ten Spalte und der i-ten Zeile angezeigt. Nicht verletzte Bedingungen werden entsprechend durch ein Matrixelement "0" angezeigt. Ist wie im o.g. Beispiel die Messung von Δp1 fehlerhaft, werden nach der Tabelle die Bedingungen c1 und c3 verletzt (Matrixelemente sind "1"). Die Bedingungen c2 und c4 sind von diesem Fehler nicht betroffen (Matrixelemente sind "0").
Die angegebene Tabelle erlaubt es umgekehrt, aus den verletzten Bedingungen auf die fehlerhafte Druckmessung zu schliessen. Die fehlerhafte Messung kann dann durch Auflösung der betroffenen Gleichungen aus den anderen Druckmessungen abgeleitet werden.
Beispiel:
Bei den Messungen stellt sich heraus, dass die Bedingungen c2 und c3 nicht erfüllt sind (c2 ≠ 0; c3 ≠ 0). Aus der obigen Tabelle kann abgeleitet werden, dass die Druckmessung von Δp3 fehlerhaft ist (Matrixwert "1" in der zu Δp3 gehörenden Spalte). Der fehlende Messwert für Δp3 kann nun über Gleichung (4) aus den Messungen von Δp2 und Δp12, oder über Gleichung (5) aus den Messungen von Δp1 und Δp11 abgeleitet werden.
Die erläuterte Vorgehensweise ist dann anwendbar, wenn nur eine der Druckmessungen fehlerhaft ist. Anders liegt der Fall, wenn mehrere (zwei oder mehr) Druckmessungen gleichzeitig fehlerhaft sind. Die Zuordnung - wie sie oben in Form der Tabelle aufgestellt worden ist - ist dann nicht länger eindeutig. Es kann zwar (aufgrund einer Verletzung der Bedingungen c1 bis c4) festgestellt werden, dass fehlerhafte Druckmessungen vorliegen, es ist jedoch nicht eindeutig bestimmbar, welche der Druckmessungen fehlerhaft sind.
Beispiel:
Wenn die Bedingungen c1, c2 und c3 verletzt sind (c1 ≠ 0; c2 ≠ 0; c3 ≠ 0), können die Messungen von Δp1 und Δp2, oder die Messungen von Δp2 und Δp3, oder die Messungen von Δp1 und Δp3, oder die Messungen von Δp1, Δp2 und Δp3 fehlerhaft sein. Sind nur zwei Messungen fehlerhaft und können beispielsweise die Messungen für Δp1 und Δp3 durch ein entsprechendes BDQ-Signal als fehlerhaft identifiziert werden, kann Δp1 durch Auflösung von Gleichung (3) aus Δp10 und Δp2, bzw. Δp3 durch Auflösung von Gleichung (4) aus Δp2 und Δp12 berechnet werden.
Sind gleichzeitig 3 Messungen fehlerhaft, können die fehlerhaften Messungen an den Ventilen V1, V2 und V3 nur dann rekonstruiert werden, wenn wenigstens eine der Messungen Δp1, Δp2 und Δp3 fehlerfrei ist.
Beispiel:
Sind die Druckmessungen von Δp1, Δp2 und Δp10 fehlerhaft, können Δp1 unter Verwendung der Gleichung (5) aus Δp3 und Δp11, und Δp2 unter Verwendung von Gleichung (4) aus Δp3 und Δp12 berechnet werden.
Nur wenn Δp1, Δp2 und Δp3 gleichzeitig fehlerhaft sind, können diese Werte nicht aus den anderen Messwerten berechnet werden, weil das Gleichungssystem (3) bis (6) in diesem Fall singulär ist. Dies entspricht dem (physikalischen) Umstand, dass die Differenzdrücke zwischen den Zweigleitungen 13, 14, 15 für sich genommen keinerlei Informationen über die Druckabfälle an den Ventilen V1, V2 und V3 enthalten.
Insgesamt ermöglicht ein System nach Fig. 4 folgende Korrekturen:
  • (a) die Detektion und Identifizierung der fehlerhaften Druckmessung und die Ableitung des richtigen Messwertes, wenn eine einzelne Druckmessung durch eine Drift fehlerhaft wird;
  • (b) die Detektion der fehlerhaften Druckmessungen und die Ableitung der richtigen Messwerte nach einer Identifikation der fehlerhaften Messungen z.B. durch ein BDQ-Signal, wenn zwei beliebige Messungen gleichzeitig fehlerhaft sind; und
  • (c) die Detektion der fehlerhaften Druckmessungen und die Ableitung der richtigen Messwerte nach einer Identifikation der fehlerhaften Messungen z.B. durch ein BDQ-Signal, wenn drei beliebige Messungen gleichzeitig fehlerhaft sind; ausgeschlossen ist dabei der Sonderfall, dass alle drei Druckmessungen an den Ventilen gleichzeitig fehlerhaft sind.
    • Im oben besprochenen Beispiel der drei Zweigleitungen reichen 3 zusätzliche Druckmesseinrichtungen PM10, PM11 und PM12 aus, um weitgehend dieselbe Redundanz zu erhalten wie bei einem System gemäss Fig. 3. Kommen weitere Zweigleitungen hinzu, werden pro zusätzlicher Zweigleitung zwei zusätzliche Druckmesseinrichtungen benötigt, die zwischen der zusätzlichen Zweigleitung und zwei beliebigen anderen Zweigleitungen angeordnet werden. Die maximale Einsparung an Druckmesseinrichtungen gegenüber der Anordnung aus Fig. 3 ergibt sich dabei im Falle von drei Zweigleitungen.
    BEZEICHNUNGSLISTE
    10
    Rohrleitungssystem
    11
    Hauptleitung
    12
    Verzweigungspunkt
    13,14,15
    Zweigleitung
    PM1,..,PM12
    Druckmesseinrichtung
    V1,V2,V3
    Ventil

    Claims (7)

    1. Rohrleitungssystem (10) zur gesteuerten Verteilung eines strömenden Mediums, umfassend eine Hauptleitung (11), welche sich an einem Verzweigungspunkt (12) in eine Mehrzahl von Zweigleitungen (13, 14, 15) verzweigt, in jeder der Zweigleitungen eine veränderbare Drosselstelle (V1, V2, V3), mit welcher der Massenstrom in jeder der Zweigleitungen (13, 14, 15) einstellbar ist, sowie zu jeder Drosselstelle (V1, V2, V3) eine erste Druckmesseinrichtung (PM1, PM2, PM3), mit welcher der Druckabfall des strömenden Mediums an der jeweiligen Drosselstelle (V1, V2, V3) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erreichen einer Redundanz in der Druckmessung zumindest zwischen zwei der Zweigleitungen (13, 14 bzw. 13, 15 bzw. 14, 15) in Strömungsrichtung hinter den Drosselstellen (V1, V2 bzw. V1, V3 bzw. V2, V3) eine zweite Druckmesseinrichtung (PM10 bzw. PM11 bzw. PM12) zur Messung des Differenzdruckes zwischen den jeweiligen Zweigleitungen (13, 14 bzw. 13, 15 bzw. 14, 15) angeordnet ist.
    2. Rohrleitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeder Zweigleitung (13, 14, 15) und je einer anderen Zweigleitung (14 bzw. 13 bzw. 14) eine zweite Druckmesseinrichtung (PM10 bzw. PM12) zur Messung des Differenzdruckes zwischen den jeweiligen Zweigleitungen (13, 14 bzw. 14, 13 bzw. 15, 14) angeordnet ist.
    3. Rohrleitungssystem nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeder Zweigleitung (13, 14, 15) und je zwei weiteren Zweigleitungen (14, 15 bzw. 13, 15 bzw. 13, 14) jeweils eine zweite Druckmesseinrichtung (PM10, PM11 bzw. PM10, PM12 bzw. PM11, PM12) zur Messung des Differenzdruckes zwischen den jeweiligen Zweigleitungen (13, 14, 15) angeordnet ist.
    4. Rohrleitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstellen als Ventile (V1, V2, V3) ausgebildet sind.
    5. Rohrleitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass drei Zweigleitungen (13, 14, 15) verwendet werden.
    6. Verfahren zum Betrieb eines Rohrleitungssystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Paar von Zweigleitungen (13, 14 bzw. 14, 15 bzw. 13, 15) die zugehörigen ersten Druckmesseinrichtungen (PM1, PM2 bzw. PM2, PM3 bzw. PM1, PM3) und die zwischen dem Paar von Zweigleitungen angeordnete zweite Druckmesseinrichtung (PM10 bzw. PM12 bzw. PM11) jeweils zu einer Gruppe zusammengefasst werden, wobei bei ordnungsgemässer Funktion der Druckmesseinrichtungen für jede Gruppe von Druckmesseinrichtungen die Summe der Druckmesswerte gleich Null ist, und dass, wenn innerhalb einer Gruppe eine der ersten Druckmesseinrichtungen (PM1 oder PM2 bzw. PM2 oder PM3 bzw. PM1 oder PM3) ausfällt, der zugehörige Druckmesswert aus den Druckmesswerten der beiden anderen Druckmesseinrichtungen der Gruppe bestimmt wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede erste Druckmesseinrichtung (PM1, PM2, PM3) jeweils in zwei Gruppen von Druckmesseinrichtungen vertreten ist, und dass die Druckmesswerte aus der ersten Druckmesseinrichtung als fehlerhaft behandelt werden, wenn die aus den beiden anderen Druckmesseinrichtungen jeder der beiden Gruppen bestimmten zugehörigen Druckmesswerte untereinander, jedoch nicht mit den von der ersten Druckmesseinrichtung abgegebenen Druckmesswerten übereinstimmen.
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