Bei modernen Anlagen und Apparaten treten überwachungstechnische Aspekte mehr und mehr in den Vordergrund. Das Ziel ist nicht mehr nur die Entwicklung funktionierender und zuverlässig arbeitender Systeme, sondern immer häufiger auch die Implementierung einer raschen und verlässlichen Fehlererkennung und Auswertung. Nur dadurch ist gewährleistet mögliche Verluste im Fehlerfall – durch zu langen Funktionsausfall oder etwaige Folgeschäden – gering zu halten.
Als Beispiel genügt bereits ein kurzer Blick auf die Veränderungen in der Kraftfahrzeugtechnik. Immer komplexere Aggregate und Fahrzeugsysteme erfordern eine genauso komplexe Überwachung. Beschränken sich in älteren Fahrzeugen Warnsysteme meist nur auf Öltemperatur und -druck, so finden sich bei modernen Kraftfahrzeugen eine Vielzahl von Warn- und Fehleranzeigen. Aufgetretene Fehler werden gar zusammen mit verschiedenen Parametern wie Geschwindigkeit und Drehzahl in einem Fehlerspeicher abgelegt und können zur Analyse mit Computern (Bild 1.1) ausgelesen werden. Bei schwerwiegenden Fehlern im Fahrbetrieb aktiviert eine Steuereinheit ein so genanntes Notlaufprogramm und schützt den Motor so vor Beschädigung.
Bild 1.1: Kraftfahrzeug-Diagnosegerät KTS650 (Bosch)
[Bild 1.1 in Downloaddatei enthalten]
Besonders wichtig ist eine automatisierte Fehlererkennung bei Systemen, die weitgehend autark – also ohne bedienendes Personal vor Ort – arbeiten. Solche Systeme können weit abgelegen sein und von einer Zentralen Schaltwarte kontrolliert und gesteuert werden. Im Fehle rfall ist hier ein schnelles Eingreifen – gegebenenfalls über Fernleittechnik – entscheidend, um größere Schäden zu verhindern.
Solch ein weitgehend autark arbeitendes System stellt auch eine Pipeline dar (Bild 1.2). Hier werden über weite Strecken – häufig gar über hunderte von Kilometern hinweg in abgelegenen Gebieten – verschiedenste Stoffe transportiert.
Solche Pipelinesysteme sind heute aus Industrie und Wirtschaft kaum noch wegzudenken. Bei abgelegenen Rohstoffförderanlagen bieten Pipelines eine Möglichkeit des günstigen Transports zu Verlade- oder Verarbeitungsstätten. In großflächigen und trockenen Gebieten dienen sie zum Trinkwassertransport von Entsalzungsanlagen oder abgelegenen Brunnen hin zu Zwischenspeichern; sogar unter Wasser in Meeren und Ozeanen werden Pipelines eingesetzt. Hier transportieren sie Erdgas oder Rohöl von Offshore-Förderanlagen zum Festland.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Strömungslehre
2.1 Grundbegriffe der Strömungslehre
2.1.1 Stromlinienmodell
2.1.2 Kontinuität
2.2 Reibungsfreie (ideale) Fluide
2.2.1 Bernoulli-Gleichung
2.3 Reibungsbehaftete Strömungen
2.3.1 Innere Reibung und Viskosität
2.3.2 Reynolds-Zahl
2.3.3 Geschwindigkeitsprofile von Rohrströmungen
3 Mathematisch-physikalisches Modell
3.1 Erhaltungssätze
3.1.1 Impulserhaltung
3.1.2 Masseerhaltung
3.1.3 Energieerhaltung
3.2 Anwendung der Erhaltungssätze auf Rohrströmung
3.3 Modellgleichungen
3.3.1 Herleitung aus den Erhaltungssätzen
3.3.2 Analyse der Modellgleichungen
3.4 Numerische Lösung
3.4.1 Anwendung des Charakteristikenverfahrens
3.4.2 Bestimmtheitsgebiete und Randbedingungen
3.4.3 Lösungsalgorithmus für MATLAB
3.4.4 Beispiel einer Modellpipeline
3.5 Parameterschätzung des Reibungsbeiwertes
3.6 Simulation des leckfreien Pipeline-Betriebs
4 Leckage-Fall
4.1 Leckmodell
4.2 Leckerkennung und Leckflussschätzung
4.2.1 Dynamische Massenbilanz
4.2.2 Kreuzkorrelationsverfahren
4.2.3 Modifiziertes Kreuzkorrelationsverfahren
4.3 Leckortung
4.4 Simulation
4.4.1 Leckmodell
4.4.2 Leckerkennung und Leckflussschätzung
4.4.3 Leckortung
5 Zusammenfassung
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die Diplomarbeit verfolgt das Ziel, ein mathematisches Modell für eine Rohrleitung zu entwickeln, um mittels numerischer Simulation den Normalbetrieb zu analysieren und ein effektives System zur automatisierten Erkennung und Lokalisierung von Leckagen zu entwerfen.
- Mathematische Modellbildung der Strömungsvorgänge in Rohrleitungen basierend auf Erhaltungssätzen.
- Numerische Lösung der Modellgleichungen durch das Charakteristikenverfahren in MATLAB.
- Implementierung einer Online-Parameterschätzung zur Kalibrierung des Rohrreibungsbeiwertes.
- Entwicklung von Verfahren zur Leckerkennung (Dynamische Massenbilanz, Kreuzkorrelationsverfahren) und Leckortung.
- Validierung des Modells und der Diagnosealgorithmen durch Simulationen verschiedener Leckageszenarien.
Auszug aus dem Buch
3.4.4 Beispiel einer Modellpipeline
Die bisher erarbeiteten Zusammenhänge dienen in diesem Abschnitt dazu, eine Pipeline zu simulieren und die Ergebnisse grafisch darzustellen. Die gewählten Pipeline-Parameter sind in Tabelle 3.1 zusammengefasst:
Der Reibungsbeiwert λx,0 wurde für den Anfangsdurchfluss qx,0 iterativ berechnet. Für darauf folgende Zeitschritte wurden jeweils aus den Anfangs- und Enddurchflüssen zwei Werte für λ ermittelt und gemittelt. Die Rohrrauhigkeit kR, von der der Reibungsbeiwert abhängt, ist ein Schätzwert für ein gebrauchtes Stahlrohr [16].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die steigende Bedeutung der automatisierten Überwachung von technischen Anlagen und führt die Pipeline als spezielles Anwendungsbeispiel ein.
2 Strömungslehre: Vermittelt physikalische Grundlagen wie das Stromlinienmodell, Bernoulligleichung, innere Reibung und Viskosität für die Rohrströmungsanalyse.
3 Mathematisch-physikalisches Modell: Herleitung der Erhaltungssätze und Modellgleichungen für Rohrströmungen sowie deren numerische Lösung mittels MATLAB und Implementierung der Parameterschätzung.
4 Leckage-Fall: Untersuchung der Auswirkungen von Leckagen, Entwicklung von Diagnoseverfahren zur Leckerkennung mittels Korrelationsverfahren und zur Leckortung im Störfall.
5 Zusammenfassung: Fasst die wissenschaftlichen Ergebnisse zusammen und gibt Ausblicke auf potenzielle Erweiterungen der Arbeit.
Schlüsselwörter
Pipeline, Modellbildung, Leckerkennung, Leckortung, Strömungslehre, Charakteristikenverfahren, MATLAB, Parameterschätzung, Massenbilanz, Kreuzkorrelationsverfahren, Rohrströmung, Numerische Simulation, Fehlerdiagnose, Viskosität, Reibungsbeiwert.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der mathematischen Modellierung von Pipelines zur Strömungsanalyse und dem Entwurf von Algorithmen zur automatisierten Leckageüberwachung.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die theoretische Strömungsmechanik, die numerische Modellierung von transienten Strömungsprozessen sowie Methoden der Fehlerdiagnose in autarken Systemen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die Entwicklung eines Pipeline-Beobachters, der Lecks schnell und zuverlässig erkennt und ortet, ohne dass zusätzliches Personal vor Ort erforderlich ist.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt primär das Charakteristikenverfahren zur numerischen Lösung der partiellen Differenzialgleichungen der Rohrströmung sowie Verfahren zur Parameterschätzung mittels kleinster Fehlerquadrate.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden die physikalischen Grundlagen der Strömungslehre, die Herleitung der Erhaltungssätze für das Modell, die numerische Implementierung in MATLAB und schließlich der Entwurf des Leckmodells mit seinen Erkennungsalgorithmen behandelt.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit ist charakterisiert durch Begriffe wie Pipeline-Überwachung, Leckmodell, Parameterschätzung, numerische Strömungssimulation und Kreuzkorrelation.
Wie wird der Reibungsbeiwert im leckfreien Betrieb optimiert?
Der Reibungsbeiwert wird durch einen laufenden Vergleich zwischen den gemessenen Druckwerten und den Modellberechnungen über eine Methode der kleinsten Fehlerquadrate online kalibriert.
Welche Bedeutung hat das modifizierte Kreuzkorrelationsverfahren für die Leckerkennung?
Das modifizierte Kreuzkorrelationsverfahren unterdrückt Störgrößen effektiver als die einfache dynamische Massenbilanz und reagiert sensitiver auf auftretende Leckagen, was die Güte der Fehlerdiagnose steigert.
- Quote paper
- Tom Berger (Author), Michael Weis (Author), 2003, Modellbildung und Simulation einer Pipeline und Entwurf einer Lecküberwachung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/21359
