Projekt 18169/01

Modellbasierte Lecküberwachung von Pipelines

Projektträger

MAGNUMAutomatisierungstechnik GmbH
Bunsenstr. 22
64293 Darmstadt
Telefon: 06151/802-500

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Lecküberwachungssystem LEO-Pipeâ wurde von der Firma MAGNUM als innovatives, umweltschützendes Produkt zur modellbasierten Leckerkennung und -ortung an Pipelines entwickelt. Das System wird unter anderem an vier Pipelines in Deutschland und Österreich eingesetzt. In einem Projekt des Bundesumweltministeriums und des Umweltbundesamtes zur Verbesserung des Umweltschutzes in der russischen Föderation wurde die Funktionsweise und der praktische Nutzen der Lecküberwachung an einer ausgewählten Pipeline in der Region St. Petersburg für ein halbes Jahr demonstriert.
Im vorliegenden Projekt wurde das Lecküberwachungssystem unter Nutzung der rapide angewachsenen Rechnerleistungen weiter entwickelt und an die in Russland und den Nachbarstaaten gegebenen Bedingungen angepasst. Es waren methodische Weiterentwicklungen vorzunehmen und leistungsfähigere mathematisch-physikalischer Pipeline-Modellen als Grundlage des Leckerkennungs- und Leckortungsverfahrens zu entwickeln. Ziel war, auch für längere Leitungsabschnitte ein Pipeline-Modell ohne Vernachlässigungen in Echtzeit auf den Rechner simulieren zu können. Zu berücksichtigen waren die vorhandene Sensorik und Messtechnik, die extremen klimatischen Verhältnisse, eine Druckerhöhung durch Pumpenzwischenstationen im überwachten Abschnitt und der Einfluss fließverändernder DRA-Additive. Das verbesserte Verfahren sollte in einer Modellanwendung einer russischen Pipeline eingesetzt und hinsichtlich der praktischen Einsatzfähigkeit überprüft werden. Die Weiterentwicklung von LEO-Pipe® war als ein wesentlicher Schritt zur Vermeidung langer Reaktionszeiten im Fall einer Pipeline-Leckage konzipiert. Die damit verbundenen ökologischen, toxischen und sicherheitsgefährdenden Auswirkungen nach Freisetzung von chemischen / petrochemischen Stoffen können durch den Einsatz eines Leckerfassungs- und Ortungssystems wie LEO-Pipe® verringert werden. Zudem erlauben Simulationsberechnungen Bedienpersonal, Anlagenbetreiber und Katastrophenschutz, präventive Konzepte zu erstellen und geeignete Maßnahmen zu trainieren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt wurde in vier Arbeitspakete unterteilt. Das erste Arbeitsgebiet umfasste die Entwicklung einer flexiblen Bedienoberfläche, um die erforderliche Akzeptanz durch das eingesetzte Kontrollpersonal zu erzielen.Der zweite und dritte Arbeitskomplex beschäftigte sich mit verschiedenen theoretischen Aspekten und der mathematischen Methodik der Lecküberwachung. Die Ergebnisse aus diesem umfangreichen und komplexen Forschungsbereich mussten zu einem praktisch einsetzbaren Verfahren zusammengeführt werden.
In dem abschließenden Arbeitspaket wurde das System als funktionsfähige Demonstrationsanlage in St. Petersburg aufgebaut und betrieben. Ein Schwerpunkt bildete die Integration der Lecküberwachung in das Leitsystem mit den installierten Sensoren. Da an den untersuchten Pipelines oftmals keine kalibrierten oder ausreichend genauen Messwerte verfügbar waren, wurden Verfahren entwickelt, die Redundanz mehrerer Messsignale zur Kompensation dieser Defizite zu nutzen. Über Massenbilanzgleichungen wurden die Messwerte mehrere Sensoren miteinander in Beziehung gebracht und für verschiedene Förderraten und Medien individuelle Korrekturkennlinien adaptiv ermittelt.


Ergebnisse und Diskussion

Bisher wird an russischen Pipelines relativ wenig für die Leckage-Überwachung getan. Deshalb kommt es durch Havarien sehr häufig zu schwerwiegenden Folgen für die Natur. Dabei entstehen neben den Umweltbelastungen auch erhebliche Aufwände für die Beseitigung der Schäden - wenn dies überhaupt möglich ist. Im Rahmen der Pilotanwendung wurde an einer Pipeline in St. Petersburg die Leistungsfähigkeit einer modernen Lecküberwachung demonstriert und diese zusammen mit den russischen Betreibern einem breiten Interessentenkreis vorgeführt. Insbesondere durch die Anpassungen des Systems auf die speziellen Anforderungen und Bedürfnisse des Pipelinebetreibers konnte eine hohe Akzeptanz erreicht werden. Im Projekt konnten entscheidende technische Verbesserungen des Leckerkennungs- und Ortungsverfahrens erreicht werden. Durch die Erweiterung des strömungsmechanischen Simulationsmodells und der Beschreibung der Transportvorgänge unter Berücksichtigung thermischer Effekte und den Verzicht auf bisher aus Rechenzeitgründen noch erforderlichen Vernachlässigungen bei den Berechnungen konnte die Leistungsfähigkeit erheblich gesteigert werden. Das Verfahren bietet die Möglichkeit, auch während instationärer Betriebszustände und damit in den eigentlich kritischen Phasen Leckagen zu erkennen. Die Reaktionszeiten sind wesentlich kürzer als bei klassischen Bilanzverfahren. Durch die genauere und dynamische Beschreibung der Strömungsvorgänge in den Pipelines können Alarmschwellen empfindlicher eingestellt werden, ohne die Gefahr von Fehlalarmen zu steigern. Eine optimale Leckerkennung wird durch das exakte Simulationsmodell in Verbindung mit einer genauen Parametrierung von Pipeline und transportiertem Medium erreicht.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Während des Projekts fand auf dem Gelände des Tanklagers der Firma Petersburgtransnefteprodukt in St. Petersburg eine Demonstration des Lecküberwachungssystems statt. Neben Vertretern der Öl- und Gasindustrie nahmen auch Umweltpolitiker an dieser Veranstaltung teil. Das Programm beinhaltete neben einführenden Vorträgen in die Technik, wirtschaftliche Nutzung und Vorteile für den Umweltschutz, auch eine Live-Vorführung realer Leckversuche. In mehreren Versuchen wurden dazu an verschieden Orten der Pipeline Leckagen erzeugt, die von dem System alle schnell und sicher erkannt wurden.Verbreitung: Vortrag Lecküberwachung einer Produkten-Pipeline in der Region St. Petersburg auf der Internationalen Konferenz Informationsunterstützung bei UVP als Instrument der sozial-ökologischen Abschätzung der Planung der Wirtschaftstätigkeiten in Volgograd, Russland am 29./30.05.2002Vortrag Practical Use of Cybernetics in Environmental Protection auf der 14. International Conference on Systems Research, Informatics and Cybernetics in Baden-Baden am 29.07.-03.08.2002Im Rahmen dieser Präsentation wurden die Arbeiten vom International Institute for Advanced Studies in Systems Research and Cybernetics mit einem Innovation Award ausgezeichnet.


Fazit

Das Projekt wurde erfolgreich durchgeführt und die Einsatzfähigkeit der Lecküberwachung unter realen Bedingungen demonstriert. Die in LEO-Pipeâ realisierte modellbasierte Lecküberwachung stellt heute den Stand des derzeit technisch Machbaren dar. Sie bietet gegenüber den bei bestehenden Altanlagen in der Regel verwendeten Bilanzverfahren die Möglichkeit, auch während instationärer Betriebszustände - und damit in den eigentlich kritischen Phasen - Leckagen zu erkennen. Außerdem sind die Reaktionszeiten wesentlich kürzer als bei klassischen Bilanzverfahren. Durch die genauere und dynamische Beschreibung der Strömungsvorgänge in den Pipelines können die Alarmschwellen empfindlicher eingestellt werden, ohne die Gefahr von Fehlalarmen zu erhöhen.