تشخیص میزان نشتی و مکان آن در خطوط انتقال گاز با روش های تخمین

در دنیای امروز ایران از جایگاه فراوان انرژی برخوردار است. نفت خام و گاز طبیعی ( محصولات و فرآورده های آن) برای انتقال به واحدهای بهره برداری نیازمند استفاده از خطوط لوله هستند. در طراحی سیستم خط لوله موارد مختلفی باید لحاظ شود. آنچه مسئله طراحی را دشوار می سازد مشکلاتی است که خطوط انتقال با آن مواجه هستند. پدیده نشتی از مهمترین مشکلات خط لوله است. به علت گستردگی سیستم خط لوله و عوامل متعددی که سبب ایجاد نشت در خط لوله می شوند، نظارت بر سیستم خط لوله و نشت یابی اهمیت پیدا می کند. بدین منظور سیستم ها و روش های نشت یاب متنوعی ارائه شده است. این روش ها انواع مختلفی دارند و هر یک مزایا و معایب خاص خود را دارند. در بین این روش ها، روشی که به صورت پیوسته خط لوله را پایش کند و هزینه کمتری داشته باشد و همچنین از صحت و دقت بالایی برخوردار باشد اهمیت پیدا می کند. روش های نرم افزاری (پایش محاسباتی) در این بین از جایگاه ویژه ای برخوردارند. این روش ها با استفاده از اندازه گیری های فشار، دبی، دما و ... میزان نشت و مکان آن را بطور همزمان تخمین می زنند. از جمله روش های نرم افزاری می توان به آنالیز نقطه فشار، موازنه جرمی یا حجمی، مدل سیستم پویا اشاره کرد. در بین این روش ها، روش های بر مبنای مدل از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این پایان نامه با استفاده از مدل سازی سیستم خط لوله مکان و میزان نشت شناسایی می شوند. بدین منظور با استفاده از معادلات دینامیک سیالات و ترمودینامیک، خط لوله و سیال درون آن مدل سازی می شود. با استفاده از معادلات پیوستگی و مومنتوم (تکانه) جریان در خط لوله مدل می شود و می توان فشار و دبی را که تابعی از مکان و زمان هستند محاسبه کرد. معادله پیوستگی برای مبنای قانون بقای جرم است و بیان می کند جرم وارد شده به حجم کنترلی با جرم خارج شده از آن برابر است. اساس معادله پیوستگی برمبنای تئوری انتقال رینولدز است. در معادله مومنتوم از معادلات ناویه-استوکس در راستای یک بعد استفاده می شود. با استفاده از این معادلات مدلی برای سیستم خط لوله تعریف می شود. حال فرم بسته ای برای محاسبه فشار و دبی در طول خط بدست می آید. معادلات سیستم خط لوله از نوع هیپربولیکی مشتق جزئی مرتبه اول غیر خطی هستند. برای حل این دسته از معادلات از روش های عددی استفاده می شود. در اینجا از روش خطوط مشخصه استفاده می شود. ایده روش خطوط مشخصه بر این مبناست که معادلات مشتق جزئی را بر روی یکسری خطوط، که خطوط مشخصه نامیده می شوند به معادلات دیفرانسیل کامل تبدیل می کند. حال معادلات دیفرانسیل کامل با استفاده از روش های موجود در ریاضیات حل می شوند. در واقع با استفاده از این روش می توان فشار و دبی را در هر مکان از لوله و هر زمان دلخواه محاسبه کرد. حال مدلی برای سیستم خط لوله دارای نشتی ارائه می شود. با استفاده از تکنیک گسسته در مکان خط لوله به چندین بخش با طول یکسات تقسیم می شود. برای هر بخش از لوله معادلات مناسب نوشته شده و با استفاده از تکنیک خطوط مشخصه بازنویسی می شود. در نهایت با فرض ثابت بودن میزان نشتی مدل فضای حالت سیستم خط لوله دارای نشتی ارائه می شود. این مدل تنها برای خط لوله دارای یک نشتی صادق است. در این مدل نشتی واقعی با دو نشتی ساختگی در مکان های مشخص مدل می شود. از ایده برابری سیستم ها رابطه ای برای میزان و مکان نشتی واقعی با میزان و مکان نشتی های ساختگی بدست می آید. در این روش تنها کافی است میزان نشتی های ساختگی تخمین زده شود. برای تخمین میزان نشتی های ساختگی نیازمند استفاده از روش های تخمین هستیم. بدین منظور از روش های بر مبنای خانواده فیلترهای کالمن استفاده می شود. به علت غیر خطی بودن مدل فضای حالت سیستم خط لوله دارای نشتی نیازمند استفاده از فیلتر کالمن توسعه یافته هستیم. از آنجا که میزان نشتی های ساختگی باید تخمین زده شود نیازمند استفاده از فیلتر کالمن حالت افزوده هستیم. در واقع با استفاده از ترکیب این دو نوع فیلتر میزان نشتی های ساختگی تخمین زده می شود. در این روش برای برقراری شرط رویت پذیری نیازمند استفاده از سنسورهای فشار هستیم. در این روش از چهار سنسور فشار استفاده می شود. برای آن که کارایی الگوریتم بررسی شود به داده های خط لوله نیازمندیم. با استفاده از نرم افزار الگا و pvtsim خط لوله و سیال درون آن با پارامترهای مشخص مدل می شود. با ایجاد نشتی در خط لوله و استفاده از چهار سنسور فشار توانمندی الگوریتم بررسی می شود. نتایج شبیه سازی ها نشان می دهد aekf در تخمین میزان نشت و مکان آن از دقت بالایی برخوردار است. خطا در این روش نسبت به روش های فیلتری مشابه کمتر است. همچنین در این روش میزان نشتی قابل شناسایی نیز افزایش پیدا کرده است.