Le condutture sono il metodo più efficace per trasferire fluidi come petrolio, acqua e gas naturale su lunghe distanze.

Le perdite nelle condutture possono danneggiare la produttività industriale, l'ambiente e la reputazione dell’azienda. Un'ispezione regolare delle condutture garantisce la sicurezza e la protezione delle risorse ed evita perdite economiche. È quindi necessario investire in sistemi di rilevamento delle perdite. Tali sistemi comportano investimenti costosi e le esigenze operative impongono la scelta della tecnica più conveniente. Questo articolo parla del rilevamento delle perdite nelle condutture utilizzando una combinazione di sensori piezoelettrici, sensori di portata e sensori di pressione collegati a un tubo.
La Figura 1 illustra i vantaggi del rilevamento delle perdite.

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Figura 1: Vantaggi del rilevamento delle perdite

Sistema di rilevamento delle perdite e relativa struttura

Una perdita fa sì che un impianto di condutture si discosti dai suoi schemi operativi standard. Questo approccio di rilevamento delle perdite basato sul computer imita un operatore umano qualificato ed esperto che può identificare una perdita con i dati acquisiti da alcuni sensori incorporati nell'impianto. L'operatore umano può notare molteplici relazioni tra le letture dei sensori durante il lavoro.

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Figura 2: Struttura del sistema di rilevamento delle perdite

Prove multiple

Il sistema di rilevamento delle perdite dispone di numerosi algoritmi di calcolo, o marcatori, per imitare l'approccio dell'operatore umano. Ogni marcatore cattura in modo univoco il comportamento dell'impianto emettendo un singolo valore (per ogni campione di misurazione) che riflette le condizioni dell'impianto. Questi marcatori mantengono bassa la variazione di questo valore durante le operazioni di installazione standard (senza perdite). Tuttavia, in caso di perdite, il valore di uscita aumenterà sensibilmente.

La Figura 2 mostra la struttura del sistema. Questo concetto si applica a diverse serie di segnali di ingresso. Nell'impianto su cui il sistema è stato testato erano presenti i seguenti input.

  • Pressione del fluido dielettrico
  • Valore di corrente elettrica
  • Pressione del gas nei serbatoi di equalizzazione (due sensori, uno per serbatoio)
  • Temperatura superficiale esterna del tubo (due sensori),
  • Temperatura del suolo
  • Timestamp del campione di misurazione

Tutti i sensori hanno fornito le rispettive misurazioni individuali ogni minuto.

Pre-elaborazione

I dati di misurazione devono passare attraverso una fase di pre-elaborazione prima di essere pronti per essere utilizzati come valori dei marcatori. Questa fase di pre-elaborazione ha due obiettivi:

  • Rilevare le operazioni della pompa di pressurizzazione e della valvola di sicurezza.
  • Rilevare eventuali variazioni anomale della corrente elettrica e delle temperature delle tubature.

È necessario rilevare le operazioni di pompe e valvole perché introducono notevoli distorsioni nelle misurazioni della pressione. Alcuni marcatori devono compensare tali distorsioni prima di ricevere i dati. In alternativa, il sistema deve informare i marcatori che la pressione può influenzare un campione specifico. Le operazioni della pompa utilizzano il primo approccio (di compensazione), mentre le operazioni della valvola utilizzano il secondo. Il trattamento di queste operazioni è diverso: le operazioni della pompa sono molto più facili da individuare e delimitare perché introducono distorsioni molto più significative. Al contrario, un marcatore utilizza le operazioni della pompa per indicare lo stato dell'installazione. A questo scopo, il rilevamento della pompa del marcatore offre i dati di input necessari.

È fondamentale rilevare le variazioni anomale della temperatura e della corrente elettrica del tubo, poiché il modulo decisionale riceve queste informazioni e può di conseguenza modificare la sicurezza (generalmente più bassa) che vi sia una perdita. In altre parole, il rilevatore attribuirà valori elevati dei marcatori a condizioni esterne anomale e ignorerà una perdita di fluido.

Marcatori

Il sistema utilizza marcatori basati su reti neurali. Questi marcatori partono dal presupposto che, in assenza di perdite, è possibile calcolare il valore approssimativo di una grandezza misurabile selezionata xk per lo specifico istante di tempo t. Questo valore xk(t) è denominato in base a tutte le grandezze misurabili a cui il sistema accede: attuali, passate e future (escluso xk(t) stesso). In altre parole, x =[x1, x2, ., xN] è l'insieme di tutti i segnali disponibili, per l'insieme di tutti i segnali disponibili escluso xk. Assumiamo l'esistenza di una funzione f della forma.
x_k (t)≈f(x(t-∞),....<x(t-1),(x_k ) ̂(t),x(t+1),....,x(t+∞))

Poiché non è possibile ottenere campioni da istanti di tempo che vanno da - a +, utilizziamo una funzione g della forma:

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

La rete neurale, in questo caso, approssima la funzione g. Il vantaggio di questa soluzione è che la forma analitica di g può rimanere sconosciuta. Una procedura di apprendimento basata sui dati storici aiuta a ottenere un'approssimazione corretta. Un altro vantaggio è che puoi riadattare la funzione alle condizioni mutevoli dell'impianto eseguendo periodicamente delle procedure di apprendimento.

Metodi per il rilevamento delle perdite nelle tubature

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Figura 3: Sistema di rilevamento delle perdite nelle tubature

Puoi utilizzare sensori di vibrazione, portata e pressione per rilevare le perdite d'acqua. Questi sensori raccolgono dati rilevando le vibrazioni, la portata e la pressione dell'acqua che scorre. Un controller riceve questi dati raccolti che il sistema carica successivamente sul cloud. Un modello basato su una rete neurale artificiale analizza i dati memorizzati. I risultati dell'analisi ANN possono aiutare a creare un'applicazione minimalista per rilevare le perdite. Il diagramma di flusso della Figura 4 ne fornisce una panoramica:

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Figura 4: Una panoramica del processo di rilevamento delle perdite

Discussione

Vengono presi in considerazione due tipi di dati sulla portata d'acqua: quelli relativi a un sistema di tubature privo di perdite e quelli relativi a un evento di perdita. La misura della distribuzione dei dati è in litri al minuto (L/min). Il sistema di tubature senza perdite permette all'acqua di scorrere senza problemi e genera più dati di portata rispetto al sistema con perdite. L'assenza di perdite permette all'acqua di scorrere senza interferenze da parte di variazioni della velocità del flusso (V). In caso di perdite, l'acqua uscirebbe dal tubo, influenzando la velocità del flusso. Il flusso dell'acqua è più lento se c'è una perdita nella conduttura. La definizione di portata (Q) è il volume (v) di fluido che passa da una certa posizione attraverso un'area durante un periodo di tempo (t). Il valore della portata (Q) diminuisce se la velocità dell'acqua diminuisce. 𝑄 = 𝑣 𝑡

Vibrazione

I dati sulle vibrazioni dei sistemi di tubature con perdite e di quelli senza perdite presentano differenze significative. Le perdite producono grandi quantità di dati sulle vibrazioni. Il tubo produce una forza che provoca un flusso incontrollato di acqua all'esterno del tubo, generando una grande quantità di dati. Nelle tubature senza perdite, si verificano vibrazioni. Tuttavia, sono trascurabili se paragonate alla lettura delle vibrazioni del sistema di tubature con perdite.

Pressione

La lettura dei dati di pressione del sistema di tubature con una perdita è inferiore a quella dei dati di pressione dei sistemi di tubature senza perdite. La lettura più bassa è dovuta alla diminuzione della pressione nel sistema di tubature a causa di una perdita.

Uscita di liquido

La differenza nel volume del flusso d'acqua che attraversa la conduttura determina risultati diversi in termini di gradiente di uscita del liquido. L'uscita in assenza di perdite nel sistema di tubature è più ripida rispetto ai risultati di eventi di perdita nel sistema di tubature. Una perdita fa fluire l'acqua all'esterno, causando una perdita di volume dell'acqua all'interno della conduttura.

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