Modelação de redes de gás com vista à deteção e localização de fugas
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Data
2017-03-20
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Resumo
As condutas são parte integrante das infraestruturas da sociedade atual e são usadas, na indústria de gás natural, para o seu transporte e armazenamento. Uma das problemáticas do uso das condutas é a deteção da ocorrência de fugas. Apesar dos numerosos estudos desenvolvidos, nesta área, persistem ainda questões em aberto e é impreterível atingir resultados equiparáveis aos das redes líquidas, nomeadamente no que respeita à monitorização e ao controlo. A investigação, neste campo, revela-se aliciante, uma vez que não existe, na indústria do gás, um método eficiente de deteção de fugas e se pretende evitar eventuais danos ambientais e para a saúde. A dinâmica do gás, numa conduta, é descrita por um sistema de equações às derivadas parciais e através de modelos de funções de transferência, baseados na solução desse sistema. Usando uma analogia elétrica, a conduta é representada por um quadripolo, tendo por base as medições de pressão/caudal, nas extremidades; é representada também a juncão de condutas, com a obtenção de valores intermédios de pressão/caudal. A obtenção destes perfis de pressão/caudal, ao longo da conduta, apresenta-se como uma mais-valia dado o reduzido número de sensores de caudal existentes nas redes e o elevado custo que acarreta a sua implementação. Consideram-se simplificações dos modelos propostos, que são avaliadas com um caso de estudo composto por dados reais e simulados. Estas simplificações mostram-se precisas e com redução dos custos computacionais, tornando esta técnica economicamente viável. Tendo por base a mesma analogia elétrica, é modelada uma fuga, ao longo de uma conduta com e sem sensores de pressão/caudal. Nesta tese, é proposto um detetor/localizador de fugas, numa conduta de gás natural selada, que visa a inovação e a economia. Assim, através dos modelos supracitados, comparam-se perfis padrão de pressão/caudal e perfis operacionais e a fuga é detetada quando as diferenças entre os perfis ultrapassam os limites estabelecidos. Este detetor mostra-se eficaz, inclusive para fugas inferiores a 1% do caudal médio da conduta e na presença de um elevado nível de ruído nos dados medidos, para além de apontar a localização da fuga e estimar a sua dimensão.
Pipeline technology is essential to a modern society infrastructure, and is used to transport and store gas in natural gas industry. One of the key issues faced in pipeline industry is leakage detection. Despite numerous studies in the area, there are still many open questions to be addressed in order to achieve equivalent performance to the one existent in the liquid pipelines, namely in management and control. This area of interest is motivating since there is no efficient method used in the industry and it is crucial to prevent leakage, and therefore avoid potential significant environmental and health consequences. The gas dynamics in the pipeline is described by a system of partial differential equations and transfer functions models are derived from the system solution representation. Using an electrical analogy, the pipeline is represented by a quadripole, depending on the pressure/mass flow at the both ends of the pipeline; also a pipeline junction and intermediate pressure/mass flow values can then be assessed. Thus pressure/mass flow profiles along the pipeline can be determined allowing this methodology to overcome the scarceness of flow measurements and their expensive implementation. The proposed models are simplified and assessed using a case study which is a mix of real and simulated data. This shows important benefits in terms of accuracy and reduction cost of computation, making this methodology to be economically viable. The models for leakage detection purpose are also built based on the same concept, using in some cases pressure/mass flow sensors along the pipeline. In this dissertation an original cost-effective leakage detection method for a closed pipeline is proposed. Using the mentioned models, the operational pressure/mass flow profiles are compared with pre-established profile and a leakage is detected once the difference between those two profiles exceeds the threshold boundaries. This leakage detector can identify leakages of less than 1% even when the measured data has a high level of noise. Furthermore, a way to locate the leakage and estimate its dimension is proposed.
Pipeline technology is essential to a modern society infrastructure, and is used to transport and store gas in natural gas industry. One of the key issues faced in pipeline industry is leakage detection. Despite numerous studies in the area, there are still many open questions to be addressed in order to achieve equivalent performance to the one existent in the liquid pipelines, namely in management and control. This area of interest is motivating since there is no efficient method used in the industry and it is crucial to prevent leakage, and therefore avoid potential significant environmental and health consequences. The gas dynamics in the pipeline is described by a system of partial differential equations and transfer functions models are derived from the system solution representation. Using an electrical analogy, the pipeline is represented by a quadripole, depending on the pressure/mass flow at the both ends of the pipeline; also a pipeline junction and intermediate pressure/mass flow values can then be assessed. Thus pressure/mass flow profiles along the pipeline can be determined allowing this methodology to overcome the scarceness of flow measurements and their expensive implementation. The proposed models are simplified and assessed using a case study which is a mix of real and simulated data. This shows important benefits in terms of accuracy and reduction cost of computation, making this methodology to be economically viable. The models for leakage detection purpose are also built based on the same concept, using in some cases pressure/mass flow sensors along the pipeline. In this dissertation an original cost-effective leakage detection method for a closed pipeline is proposed. Using the mentioned models, the operational pressure/mass flow profiles are compared with pre-established profile and a leakage is detected once the difference between those two profiles exceeds the threshold boundaries. This leakage detector can identify leakages of less than 1% even when the measured data has a high level of noise. Furthermore, a way to locate the leakage and estimate its dimension is proposed.
Descrição
Tese de Doutoramento em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores
Palavras-chave
Condutas , Modelos dinâmicos , Modelação , Redes de gás natural , Modelos quadripolos , Deteção/localização de fugas