Pipeline Simulator [ˈpīp-ˌlīnˈsimuˌlā-tor]

… Anwendungssoftware zur Abbildung oder Voraussage der hydraulischen Vorgänge in einem Netzwerk aus Pipelines und geregelten Vorrichtungen  (Schieber, Verdichter / Pumpen), über das Fluide von den Einspeisequellen zu den Lieferstellen transportiert oder verteilt werden…

Simulation in Echtzeit

Operating a pipeline system safely and efficiently requires the control room personnel to have full information of the system’s current and near-future hydraulics (e.g. pressures and flows).

Real-time (or on-line) simulation (or model) provides this information. It alerts unacceptable or even dangerous operating conditions, such as an imminent supply shortage or a pipeline leak, and it can even reveal measuring faults. A special task of real-time simulation is leak detection and location.

Real-time simulation typically includes “what-if”-simulation to predict the consequences of an intended control action.

In a pipeline system, measurement devices are installed at certain locations only, and only certain hydraulic parameters are metered. Hence, the first and most important task of real-time simulation consists in computing the complete current system state (all hydraulic values for all locations) - given the hydraulic model of the pipeline system and the incomplete set of measurements. Modern real-time simulators (SIMONE) use state estimation technology. This is a filtering algorithm resulting in a hydraulic state closely matching the measurements within the meter accuracies, if possible. This also yields arbitrary derived hydraulic quantities such as line pack or flow speed. By applying the calculated flow speeds, the propagation of changes in fluid composition and parameters are tracked from the supply points, where the fluid enters the pipeline system, to the system’s exits, taking into account the fluid blending that may occur en route. Similarly, real-time simulation keeps track of pipeline inspection or cleaning gauges (PIG) being pushed by the flowing gas through the pipelines. Look-ahead simulation periodically assesses near-future system states based on nominations or predictions of the system’s entries and exits. It mainly provides the system’s survival time, i.e. how long the hydraulic parameters will remain acceptable.

Leckerkennung und -ortung

Ein Gasleck kann wirtschaftliche Verluste, Umweltschäden, oder gar Personenschäden zur Folge haben. Die Gründe für Gasleckagen sind vielfältig: Eingriffe durch Dritte, Bodenbewegungen, Korrosion, oder nicht fachgerechte Durchführung von Arbeiten.

Zur möglichst schnellen Erkennung eines Gaslecks gibt es externe und interne Verfahren. Externe Verfahren nutzen zusätzliche Vorrichtungen um das austretende Gas zu „riechen“ oder die durch ein Leck verursachte Geräuschentwicklung zu „hören“. Interne Methoden beruhen auf den Betriebsmessungen von Gasfluss und Druck.

Das herausragende interne Verfahren in der Praxis ist die auf der prozessbegleitenden Simulation basierende Leckerkennung. Damit werden auch kleine Lecks selbst während instationärem Netzbetrieb erkannt. Dieses Verfahren berechnet die Leck-bedingte Fehlmenge als Differenz aus der erwarteten Änderung des Leitungsinhalts, die sich aus der Bilanz der gemessenen Eingangs- und Ausgangsflüsse ergibt, und der beobachteten Änderung, abgeleitet aus Drücken und anderen Parametern. Ist die Fehlmenge nicht mehr durch Messungenauigkeiten erklärbar, gibt die Software den Leckalarm aus und meldet die geschätzte Leckgröße. Die Ortung des Lecks erfolgt danach durch Auswertung einer Reihe von Simulationsrechnungen, in denen das beobachtete Druckprofil mit den für hypothetische Leckorte simulierten Druckprofilen verglichen wird.

Fakturierung der gelieferten Energie

Gaskunden zahlen typischerweise für die bezogene Energie (kWh), also für das Produkt aus der gemessenen Bezugsmenge und dem anstehenden Brennwert. Brennwert-Messungen sind jedoch aufwändig (Messung mit einem Prozesschromatographen).

Die Brennwert-Rekonstruktion ist eine Simulationsanwendung, die die gemessenen Brennwerte im Rohrleitungssystem von den Einspeisungen bis zu den Lieferorten verfolgt. Somit macht das Rechenverfahren die Installation teurer Messinstrumente an den Ausspeisepunkten überflüssig.  

Brennwert-Rekonstruktionssysteme simulieren den Netzzustand über den gegebenen Abrechnungszeitraum. Die Software ermittelt die Fließgeschwindigkeiten in den Leitungsabschnitten. Die Gasfronten, die den jeweiligen Ort einer Gasbeschaffenheitsänderung anzeigen, werden dann mit den berechneten Geschwindigkeiten von den Einspeisestellen bis hin zu den Lieferorten bewegt.

Offline Simulation

Eine Offline Simulation beruht auf Vorgaben des Anwenders, im Gegensatz zur Online Simulation, die im Wesentlichen auf Messungen aus dem Prozess basiert.

Offline Simulationen können stationäre Fließszenarien betreffen, bei denen der hydraulische Zustand zeitlich konstant bleibt, oder transiente (dynamische) Szenarien, deren Werte sich in der Zeit verändern. Die stationäre Analyse wird häufig für die Langzeit- oder Ausbauplanung sowie zur Kapazitätsbestimmung genutzt. Transiente Szenarien kommen eher zur Analyse kurzfristiger Betriebssituationen oder -ereignisse zum Einsatz.

Konfiguration des hydraulischen Modells

Ein hydraulisches Modell besteht aus den zwei Teilen "Netz" und "Szenario".  

Ein Netz definiert die statischen Eigenschaften der Objekte des Rohrleitungssystems (z. B. Rohre, Regler, Verdichterstationen) mit ihren Namen, Parametern und topologischen Beziehungen.  

Ein Szenario beschreibt die spezifischen Setzungen für die zu simulierende Situation im vorgegebenen Netz. Es besteht aus den Anfangsbedingungen, den Randbedingungen und den Steueranweisungen.  

Anfangsbedingungen betreffen transiente Simulationen, da sie den hydraulischen Zustand zum Startzeitpunkt der Simulation festlegen. Die Randbedingungen definieren die Parameter an den Netzrändern (i.w. Einspeise- und Liefermengen). Steueranweisungen beschreiben i.w. den Betrieb geregelter Elemente (z.B. Schieberstellungen, Sollwerte von Reglern und Verdichtern).

Schnittstellen

Ein Pipeline-Simulator muss mit der Außenwelt kommunizieren und Daten austauschen können.

Der Aufbau und die Pflege des Netzmodells, die Definition und Ausführung der Simulationsszenarien und die Analyse der Simulationsergebnisse erfordern eine zugeschnittene Benutzeroberfläche. Stand der Technik in der Simulationstechnologie sind grafische Benutzerschnittstellen (GUI) mit objektorientierter Navigation in einem topologischen Weltbild des Pipelinesystems.

Anwendungslösungen binden häufig einen Pipelinesimulator ein um bestimmte Flussszenarien zu berechnen. Dazu muss der Simulator über eine Anwendungs-Programm-Schnittstelle (API) verfügen, die es der Anwendungslösung erlaubt Eingabedaten zum Simulator zu schicken, eine Simulationsrechnung zu starten, Ausgabedaten vom Simulator zu erhalten und sogar den Simulator genau wie ein interaktiver Anwender „fernzusteuern“.