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 Themenschwerpunkte
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Modellierung und Simulation einer Pipeline sowie dem Entwurf einer Lecküberwachung. Ziel ist es, ein mathematisch-physikalisches Modell der Pipeline zu entwickeln, welches die Strömungsverhältnisse und den Transport von Stoffen in der Pipeline beschreibt. Darüber hinaus soll ein System zur Erkennung und Ortung von Lecks in der Pipeline entworfen werden.
- Entwicklung eines mathematisch-physikalischen Modells der Pipeline
- Anwendung der Erhaltungssätze zur Herleitung der Modellgleichungen
- Numerische Lösung der Modellgleichungen mittels des Charakteristikenverfahrens
- Entwurf eines Lecksystems basierend auf der dynamischen Massenbilanz und Kreuzkorrelationsverfahren
- Simulation des Pipeline-Betriebs und der Lecküberwachung
Zusammenfassung der Kapitel
Das erste Kapitel der Diplomarbeit bietet eine Einleitung in das Thema der Lecküberwachung in Pipelines. Es werden die Bedeutung und die Herausforderungen bei der Überwachung solcher Systeme sowie die Folgen von Lecks für die Umwelt und die Wirtschaft beleuchtet.
Kapitel 2 behandelt die Grundlagen der Strömungslehre, die für die Modellierung der Pipeline von Bedeutung sind. Es werden grundlegende Begriffe wie Stromlinienmodell, Kontinuität, Bernoulli-Gleichung, innere Reibung, Viskosität und Reynolds-Zahl erläutert.
Kapitel 3 widmet sich dem mathematisch-physikalischen Modell der Pipeline. Es werden die Erhaltungssätze der Impulserhaltung, der Masseerhaltung und der Energieerhaltung eingeführt und auf die Rohrströmung angewendet. Die resultierenden Modellgleichungen werden hergeleitet und analysiert. Die numerische Lösung der Modellgleichungen erfolgt mittels des Charakteristikenverfahrens. Es wird ein Beispiel einer Modellpipeline vorgestellt und die Parameterschätzung des Reibungsbeiwertes behandelt. Schließlich wird die Simulation des leckfreien Pipeline-Betriebs durchgeführt.
Kapitel 4 behandelt den Fall einer Leckage in der Pipeline. Ein Leckmodell wird vorgestellt, gefolgt von der Beschreibung der Leckerkennung und Leckflussschätzung. Es werden verschiedene Methoden, wie die dynamische Massenbilanz und das Kreuzkorrelationsverfahren, vorgestellt und analysiert. Die Leckortung wird ebenfalls behandelt. Abschließend wird die Simulation des Leckfalls mit den entwickelten Methoden durchgeführt.
Schlüsselwörter
Die wichtigsten Schlüsselwörter dieser Diplomarbeit sind: Pipeline, Lecküberwachung, Strömungslehre, Erhaltungssätze, Modellbildung, Simulation, Leckerkennung, Leckortung, Charakteristikenverfahren, Kreuzkorrelationsverfahren, dynamische Massenbilanz.
- 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
