Wykrywanie nieszczelności rurociągów za pomocą czujników przemysłowych dla zrównoważonej produkcji

Rurociągi są najbardziej efektywną metodą przesyłania płynów takich jak ropa, woda i gaz ziemny na duże odległości.

Nieszczelność rurociągu może mieć dewastujący wpływ na wydajność przemysłową, środowisko i reputację firmy. Regularna kontrola rurociągów zapewnia bezpieczeństwo i ochronę zasobów oraz pozwala uniknąć strat ekonomicznych. Istnieje więc potrzeba inwestowania w systemy wykrywania nieszczelności. Systemy takie wiążą się z kosztownymi inwestycjami, a wymagania eksploatacyjne dyktują wybór najbardziej opłacalnej techniki. W tym artykule omówiono wykrywanie przecieków w rurociągach przy użyciu kombinacji czujników piezoelektrycznych, czujników przepływu i czujników ciśnienia przymocowanych do rury.
Rysunek 1 ilustruje korzyści płynące z wykrywania nieszczelności

Rysunek 1: Korzyści z wykrywania nieszczelności

System wykrywania nieszczelności i jego budowa

Nieszczelność powoduje, że instalacja rurociągowa odbiega od swoich standardowych schematów działania. To oparte na rozwiązaniach komputerowych podejście do wykrywania nieszczelności naśladuje wykwalifikowanego i doświadczonego operatora ludzkiego, który może zidentyfikować nieszczelność na podstawie danych uzyskanych z kilku czujników wbudowanych w instalację. Operator może zauważyć wiele zależności pomiędzy odczytami czujników podczas pracy.

Rysunek 2: System wykrywania nieszczelności i jego struktura

Wiele dowodów

System wykrywania nieszczelności posiada wiele algorytmów obliczeniowych, czyli markerów, które mają naśladować podejście operatora. Każdy marker w sposób unikalny rejestruje zachowanie instalacji, wyprowadzając pojedynczą wartość (na próbkę pomiarową), która odzwierciedla stan instalacji. Markery te utrzymują zmienność wartości na niskim poziomie podczas standardowych (szczelnych) operacji instalacyjnych. Jednak w przypadku nieszczelności nastąpi zauważalny wzrost wartości wyjściowej.

Na Rysunku 2 przedstawiono strukturę systemu. Koncepcja ta ma zastosowanie do różnych zestawów sygnałów wejściowych. W instalacji, na której przeprowadzono testy systemu, występowały następujące wejścia.

• Ciśnienie płynu dielektrycznego
• Wartość prądu elektrycznego
• Ciśnienie gazu w zbiornikach wyrównawczych (dwa czujniki, jeden na zbiornik)
• Temperatura powierzchni zewnętrznej rury (dwa czujniki),
• Temperatura podłoża
• Znacznik czasowy próbki pomiarowej

Wszystkie czujniki co minutę dokonywały swoich indywidualnych, właściwych pomiarów.

Wstępne przetwarzanie

Dane pomiarowe muszą przejść przez etap wstępnego przetwarzania, zanim będą gotowe do wykorzystania jako wartości markerów. Ten etap wstępnego przetwarzania danych ma dwa cele:

• Wykrycie działania pompy ciśnieniowej i zaworu nadmiarowego
• Wykrycie wszelkich anomalnych zmian w prądzie elektrycznym i temperaturze rur

Konieczne jest wykrywanie pracy pomp i zaworów, ponieważ wprowadzają one znaczne zniekształcenia w pomiarach ciśnienia. Niektóre markery muszą być zaopatrzone w kompensację takich zniekształceń przed odbiorem danych. Ewentualnie system musi informować markery, że ciśnienie może wpływać na konkretną próbkę. Eksploatacja pomp wykorzystuje pierwsze (kompensacyjne) podejście, a eksploatacja zaworów — drugie. Traktowanie tych operacji jest inne, gdyż operacje pompowe są znacznie łatwiejsze do wykrycia i rozgraniczenia, gdyż wprowadzają znacznie większe zniekształcenia. I odwrotnie: jeden marker używa operacji pompowania, aby wskazać stan instalacji. W tym celu wykrywanie pomp markerowych oferuje wymagane dane wejściowe.

Istotne jest wykrycie nietypowych zmian temperatury rury i prądu elektrycznego, ponieważ moduł decyzyjny otrzymuje te informacje i może w konsekwencji zmienić (na ogół obniżyć) pewność co do nieszczelności. Innymi słowy, detektor będzie przykładał wysokie wartości markerów do anormalnych warunków zewnętrznych i „zlekceważy” wyciek płynu.

Markery

System wykorzystuje markery oparte na sieciach neuronowych. Znaczniki te działają w oparciu o założenie, że przy braku nieszczelności możliwe jest obliczenie przybliżonej wartości wybranej wielkości mierzalnej xk dla określonej chwili czasowej t. Wartość ta xk(t) jest nazwana na podstawie wszystkich wielkości mierzalnych, do których dostęp ma system: aktualnych, przeszłych i przyszłych (z wyłączeniem samego xk(t)). Inaczej ujmując: x =[x1, x2, ., xN] to zbiór wszystkich dostępnych sygnałów, przez zbiór wszystkich dostępnych sygnałów z wyłączeniem xk. Zakładamy istnienie funkcji f o postaci.
x_k (t)≈f(x(t-∞),….<x(t-1),(x_k ) ̂(t),x(t+1),….,x(t+∞))

Ponieważ nie jest możliwe uzyskanie próbek z przedziałów czasowych od - do +, zamiast tego używamy funkcji g o postaci:

x_k (t)≈g(x(t-a),….<x(t-1),(x_k ) ̂(t),x(t+1),….,x(t+b))

W tym przypadku sieć neuronowa aproksymuje funkcję g. Zaletą tego rozwiązania jest to, że postać analityczna g może pozostać nieznana. W uzyskaniu skutecznej aproksymacji pomaga procedura uczenia się oparta na danych historycznych. Kolejną zaletą jest możliwość ponownego dostrojenia funkcji do zmieniającego się stanu instalacji poprzez okresowe wykonywanie procedur uczenia się.

Metody wykrywania nieszczelności w rurociągu

Rysunek 3: System wykrywania nieszczelności rurociągu

Do wykrywania wycieków wody można użyć czujników wibracji, natężenia przepływu i ciśnienia. Czujniki te gromadzą dane poprzez wykrywanie drgań przepływającej wody, natężenia przepływu i ciśnienia. Kontroler odbiera te zgromadzone dane, które następnie system przesyła do chmury. Model oparty na sztucznej sieci neuronowej analizuje zapisane dane. Wyniki analizy ANN mogą pomóc w stworzeniu minimalistycznej aplikacji do wykrywania nieszczelności. Schemat blokowy na Rysunku 4 przedstawia przegląd:

Rysunek 4: Przegląd procesu wykrywania nieszczelności

Dyskusja

Rozpatrywane są dwa rodzaje danych o przepływie wody: dane o przepływie dla systemu rurowego wolnego od nieszczelności oraz dane o nieszczelności. Miara dystrybucji danych jest w litrach na minutę (l/min). System rurociągów bez nieszczelności umożliwia niezakłócony przepływ wody i generuje więcej danych o natężeniu przepływu niż system z nieszczelnościami. Brak nieszczelności umożliwia niezakłócony przepływ wody bez zakłóceń wynikających ze zmian prędkości przepływu (V). W przypadku nieszczelności woda wypływałaby z rury, wpływając na prędkość przepływu. Przepływ wody jest wolniejszy, jeśli w rurociągu jest nieszczelność. Definicja natężenia przepływu (Q) to objętość (v) płynu przepływającego w pewnym miejscu przez pewien obszar w czasie (t). Wartość natężenia przepływu (Q) maleje, gdy zmniejsza się prędkość wody. 𝑄 = 𝑣 𝑡

Drgania

Dane dotyczące wibracji z systemów rurociągów z nieszczelnościami i tych bez nieszczelności wykazują istotne różnice. W wyniku nieszczelności powstają ogromne ilości danych o drganiach. Rura generuje siłę, która powoduje niekontrolowany przepływ wody na zewnątrz rury, generując ogromne ilości danych. W rurociągach bez nieszczelności występują drgania. Są one jednak pomijalne w porównaniu z odczytem drgań w systemie rurociągów z nieszczelnościami.

Ciśnienie

Dane dotyczące ciśnienia odczytane z systemu rurociągów z nieszczelnością są niższe niż dane dotyczące ciśnienia w systemach rurociągów bez nieszczelności. Niższy odczyt wynika z obniżonego ciśnienia w systemie rurociągów spowodowanego nieszczelnością.

Wypływ cieczy

Różnica w objętości przepływu wody przez rurociąg powoduje różne wyniki wyjściowe cieczy gradientowej. Wynik dla braku nieszczelności w systemie rurociągów ma wyższą wartość niż wyniki dla zdarzeń związanych z nieszczelnościami w systemie rurociągów. Nieszczelność powoduje, że woda wypływa na zewnątrz, powodując utratę objętości wody wewnątrz rurociągu.

Farnell współpracuje z wieloma różnymi dostawcami obsługującymi szeroką gamę czujników przemysłowych oraz komponenty złączy czujników , portfolio produktów i rozwiązań, takich jak czujniki prądu, czujniki środowiskowe, czujniki przepływu, czujniki światła, czujniki magnetyczne, czujniki poziomu cieczy, czujniki ruchu i czujniki położenia, czujniki cząstek, przetworniki czujników ciśnienia, czujniki temperatury, czujniki ultradźwiękowe, oraz czujniki drgań i wstrząsów. Farnell świadczy usługi w zakresie wykonawstwa, rozwoju i projektowania.