Sistemas de diagnóstico para ductos -DX) · Proteger nuestra gran red de ductos. Códigos de color...

Sistemas de diagnóstico para ductos(-DX)

Dra. Lizeth Torres

[email protected]://www.lizeth-torres.info/

mailto:[email protected]

http://www.lizeth-torres.info/

Motivos para hacer investigación científica

¿Cómo elegir un tema de investigación? - Factible

- Interesante- Novedoso- Ético- Relevante

¿Cómo elegir un tema de investigación?

¿Por qué es importante?

¿Por qué es importante?

LUGAR: Central de almacenamiento de PEMEX de San Juan Ixhuatepec, en Tlalnepantla.

FECHA: 19/11/1984

MOTIVO: explosión desatada por una fuga de LPG en la tubería de 20 cm de que corría en el parque.

CONSECUENCIAS: 600 personas calcinadas, dos mil 500 heridos y ¿? desaparecidos.

http://www.excelsior.com.mx/2011/11/19/comunidad/785425

http://www.excelsior.com.mx/2011/11/19/comunidad/785425

663 M Personas que viven sin acceso a agua potable

6 hrs women and girls spend 6 hours each

day collecting

water

:90 Cada 90 segundos muere un niño de una enfermedad relacionada con el agua

1 M Personas muertas por agua, saneamiento y enfermedades relacionadas con la higiene cada año

3rd Principal causa de muerte infantil es la diarrea,la mayoría de los cuales está relacionada con elagua

https://water.org/our-impact/water-crisis/

El indicador de estrés hídrico mide la proporción del consumo de agua con respecto al total de recursos renovables.

http://apps1.semarnat.gob.mx/dgeia/informe_12eng/06_agua/cap6_2.html

Non-revenue water: Consumo de agua sin ingresos

Consumo autorizado no facturado Las pérdidas aparentes (robo de agua y imprecisiones de medición) Las pérdidas reales (de las redes de transmisión, instalaciones de almacenamiento, redes de

distribución o conexiones de servicio)

México cuenta con un total de 12,678 km de ductos los cuales se desglosanpor el producto que transportan de la siguiente forma:

9,037 km que transportan gas natural;

1,815 km que transportan gas licuado del petróleo;

1,294 km de petroquímicos básicos;

490 km de petroquímicos secundarios y 40 km que transportan agua.

http://www.gas.pemex.com.mx/PGPB/Conozca+Pemex+Gas/Infraestructura/

Beneficios de contar con un DX en México: Proteger nuestra gran red de ductos

http://www.gas.pemex.com.mx/PGPB/Conozca+Pemex+Gas/Infraestructura/

Códigos de color verde para petróleo, rojo para el gasy azul para productos como la gasolina, el propano yel etileno.

Mapa de las tuberías en México

http://www.geografiainfo.es/tuberias/mapa_tuberias_mexico.html

http://www.geografiainfo.es/tuberias/mapa_tuberias_mexico.html

¿Qué tipo de eventos no deseados (fallas o daños) se busca diagnosticar en un tubería?

Sensores averiados

Fugas

Bloqueos

Corrosión Actuadores dañados

Tomas clandestinas

¿Cuáles son los eventos no deseados que más daño causan a la población civil y al medio ambiente?

Gráfica de incidentes - EUA - 1/1/2010 - 3/29/2013http://www.nolngexports.org/the-risks/http://fracdallas.org/docs/pipelines.html

En EUA: ¡FUGAS!

http://www.nolngexports.org/the-risks/

http://fracdallas.org/docs/pipelines.html

¿Cuáles son los eventos no deseados que más daño causan a la población civil y al medio ambiente?

En México: Deslaves y ¡TOMAS CLANDESTINAS!

¿Cómo evaluar el desempeño de un ∑DX?

o Sensibilidad

o Fiabilidad

o Precisión

o Robustez

Detectar una falla

Determinar el tipo de

falla

Localizar y reconstruir

la falla

Predecir una falla

Clasificación de DX para ductos

Métodos off-line

Medición de la onda de

presión

Pruebas de termografía

infrarroja

Detectores de emisión

acústica

Métodos on-line

Fibra ópticaMétodos basados en un modelo

del fluido en el ducto y en el monitoreo de flujo y presión

Métodos off-line

Medición de la onda de

presión

Pruebas de termografía

infrarroja

Detectores de emisión

acústica

Métodos on-line

Fibra ópticaMétodos basados en un modelo

del fluido en el ducto y en el monitoreo de flujo y presión

Clasificación de DX para ductos

Formular modelo

Calibrar modelos

Validar modelo

Diseñar ∑DXEjecutar ∑DXAlmacenar registros históricos

Sistema de pronóstico

(∑PX)

Estimación de parámetros

Tiempo de vida útilProbabilidad de fallaPrescripción y programación de mantenimiento

Control tolerante a

fallas

Diseño y ejecución de un DX basado en un modelo del

fluido en el ducto y en el monitoreo de flujo y presión

Formular modelo

Calibrar modelos

Validar modelo



(∑PX)

Identificación de parámetros


Control tolerante a

fallas



DX-On-Line-II-UNAM para un ducto

FTI PTI FTI PTI1 1 2 2Flujos/presiones en los extremos

Basados en mediciones de flujo y presión

Aguas arriba Aguas abajo

Nota: No suficiente p/ localización de

una fuga o la detección de otras fallas

como bloqueos, fallas en sensores,

etc.

Fuga 1

Fuga 2

Necesitamos de más

información o de un modelo

Formular modelo

Calibrar modelos

Validar modelo



(∑PX)



Control tolerante a

fallas



2 2

( , ) ( , )( , ) ( , ) 0

2

( , ) ( , )( ) ( ) ( ) 0

r

r

L L L

r r

Q z t H z t fgA Q z t Q z t

t z DA

H z t b Q z t bz z u t t Q t

t gA z gA

Momentum Equation

Continuity Equation

b: velocidad del sonido [m/s]g: aceleración gravitacional [m/s2]Ar: área de sección transversal [m

2]f: factor de fricción: diámetro interno de la tubería [m]

0 0( ,0) ( ), ( ,0) ( )H z H z Q z Q z

(0, ) ( ), ( , ) ( )

0, ( ), , ( )

in out

in out

H t H t H L t H t

Q t Q t Q L t Q t

DX-On-Line-II-UNAM: Basado en un modelo

1 1 1 2

2

2 1 2

2 2 2 2

| | ( )2

(

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

| | ( )2

)

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

rin

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r f

t t t t t

t t t

t

f gAQ Q Q H H

A z

bH Q Q

gA z

f gAQ Q Q H H

A Lt t t t

z

1z

2z

3z

Nz

1Nz

L

1

1

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( ) ( ) ( )( , )

i i i

i i

i i i

i i

H t H t H tH z t

z z z

Q t Q t Q tQ z t

z z z

1z

2z

1 1 1 2

2

2 1 2 2

2 2 2 2

( ) ( ) ( ) (| | ( )2

( )

|

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( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ((2

)| )

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t t t t t

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f gAQ Q Q H H

A z

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t t t t t

bH Q Q H

gA z

f gAQ Q Q H H

A L z

1 1 1 2

2

2 1 2 1 2

2 2 2

1

1

3

2

3 2 3 3

2

3 3

2

3

3

2

3

2

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

| |

( )

( )2

( )

| | ( )2

( )

| | (2

( ) ( )

rin

r

f

r

r

r

f

r

r

r

f gAQ Q Q H H

A z

bH Q Q H

gA z

f gAQ Q Q H H

A z

bH Q Q H

gA z

f gAQ

t t t t t

t t t t

t t t t t

t t t t

t tQ Q HA z

t

( )) ( )out

Ht t

1z

2z

3z

Nz

1Nz

L

1

1

( ) ( ) ( )( , )

( ) ( ) ( )( , )

i i i

i i

i i i

i i

H t H t H tH z t

z z z

Q t Q t Q tQ z t

z z z

3z

2z

1z1

z2

z

Formular modelo

Calibrar modelos

Validar modelo



(∑PX)



Control tolerante a

fallas



Calibración del modelo: Estimación de los parámetros

Técnica utilizada: Técnica de estimación de parámetros basada en observadores de estado.

b: velocidad del sonido [m/s]f: factor de fricción: diámetro interno de la tubería [m]: Rugosidad [mm]: Viscosidad [m2/s]

Observador de estados

Modelo+Término de corrección

ˆ ˆ ˆ( ) ( , ) ( ( ) ( ( )))x t f x t K y t h x t

( ) ( , )x t f x t

ˆ ˆ ˆ, ,eq

f b L

( ), ( )in out

H t H t

( ),Q ( )in out

H t t

( ), ( )in out

Q t H t

( ),Q ( )in out

Q t t

( ), ( )in out

H t H t

( ),Q ( )in out

H t t

( ), ( )in out

Q t H t

( ),Q ( )in out

Q t t


2 2

2

2 2

( , ) ( , ) ( , )| ( , ) | ( , )sign( ( , )) 0

Q z t Q z t Q z tQ z t Q z t Q z t b

t t z

( ) ( ) ( ) 0x t cx t kx t

2( ) 2 ( ) ( ) 0

n nx t x t x t

0 0( ) ( ( )) ( ) ( ( )) 0x t F x t x t G x t

Sistema masa resorte amortiguador

Oscilador armónico amortiguado – Forma canónica

Sistema de Liénard


1 2: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ( ))x t x t x t x t F x t

0 0( ) ( ( )) ( ) ( ( )) 0x t F x t x t G x t

1 2 1 2( ( ) ( )) ( ( ) ( ))t t x t x t

0

0

( ( )) ( )

x

F x t F d

1 2 1

2 0 1 1

( ) ( ) ( ( ))

( ) ( ( )), ( ) ( )

t t F t

t G t y t t

2

2

2

( , )( , ) ( , ) | ( , ) |

2

( , ) ( , )

a

b a al

l l l

r

b a

l l

Q z t fQ z t Q z t Q z t

t A

Q z t Q z tb

t z


2

2

2

( , )( , ) ( , ) | ( , ) |

2

( , ) ( , )

a

b a al

l l l

r

b a

l l


t A

Q z t Q z tb

t z

1

2 1

2

2 1

2

( , )( , ) ( , )

( , ) ( , )1

z tz t z t

t

z t z t

t z

0

2 2

| | 1, , r

r r

f Q gA

gA gA b

Ecuaciones del

telegrafista

( , )( , ) | ( , ) | ( , )

2

( , ) ( , )

a

b a a

r

b

r


t A

Q z t H z tgA

t z


ˆ ˆ,eq

f L

2

a b a a

in in in in

in outb

in r

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r

Q t Q t Q t Q t

H t H tQ t

L

f

A

gA

ˆa a

in inK Q t Q t

( ), ( )in out

H t H t( )

inQ t

DX-On-Line-II-UNAM: Basado en un modelo

Formular modelo

Calibrar modelos

Validar modelo



(∑PX)



Control tolerante a

fallas



Para sistemas no lineales la observabilidad puede depender de las entradas.

Es difícil encontrar dichas entradas de manera analítica.

Una manera de hacerlo es heurísticamente.

Generación de señales auxiliares para la estimación de

parámetros.

Algoritmo de optimización para encontrar una secuencia de entrada óptima que asegure la observabilidad de un sistema no lineal.

Una entrada que asegure que todos los eingenvalores del gramian de observabilidad sean > 0

¿Qué es el gramian de observabilidad?Es una medida de la energía visible en la señal de salida de un sistema.La observabilidad del sistema puede caracterizarse a través del gramian.

2

0 0

0

: ( , )N

T

l

E y x N N x

Generación de señales auxiliares para la estimación de

parámetros.

Formular modelo

Calibrar modelos

Validar modelo



(∑PX)



Control tolerante a

fallas



Fallas consideradas: Fallas en los sensores de flujo aguas arriba,

aguas abajo, fallas en los sensores de presión aguas arriba, aguas

abajo y fugas.

Técnica utilizada: Generación de residuos. Matriz de residuos.

( ) ( ) ( )m

r t y t y t Modelo( )y t( )u t

( )m

y t 0 condición normal( )

0 condición anormalr t

Selección de fallas a determinar

1 in outr Q Q

'1 1 2

4 1 12| |

in in in in

a a ar Q Q Q H r c

L L

1

3| |

out out out in out

ar Q Q Q H H

L

1

2| |

in in in in out

ar Q Q Q H H

L

'1 1 2

5 1 22| |

out out out out

a a ar Q Q Q H r c

L L

0

'

1

T

in out

t

r Q Q dt 𝑆1 ∆𝑄𝑖𝑛

𝑆2 ∆𝑄𝑜𝑢𝑡 𝑆3 ∆𝐻𝑖𝑛𝑆1 ∆𝐻𝑜𝑢𝑡 𝑆1 ∆𝑄𝑓

𝑟1

𝑟2

𝑟3

𝑟4

𝑟5

0

𝑆1 ∆𝑄𝑖𝑛: Falla en el sensor de flujo 𝑄𝑖𝑛

𝑆1 ∆𝑄𝑜𝑢𝑡 : Falla en el sensor de flujo 𝑄𝑜𝑢𝑡

𝑆1 ∆𝐻𝑖𝑛: Falla en el sensor de flujo 𝐻𝑖𝑛

𝑆1 ∆𝐻𝑜𝑢𝑡: Falla en el sensor de flujo 𝐻𝑜𝑢𝑡

𝑆1 ∆𝑄𝑓: Fuga

1 Fuga 1 Fuga (utilizando sólo sensores de flujo) Fugas secuenciales Fugas simultaneas (Sólo en Simulación) Fallas en sensores de presión y flujo 1 Fuga en una tubería con un ramal

Localización y reconstrucción de las fallas

Formular modelo

Calibrar modelos

Validar modelo



(∑PX)



Control tolerante a

fallas



DX-1Fuga-II-UNAM

ˆ ,f f

z

1 1 1 2

2

2 1 2 2

2 2 2 2

ˆ ˆ ˆ ˆ| | ( )2

ˆ ˆˆ ˆ( )

ˆ ˆ ˆ ˆ| | ( )2

ˆ 0

0ˆ

rin

r f

f

r f

rout

r f

f

f

f gAQ Q Q H H

A z

bH Q Q H

gA z

f gAQ Q Q H H

A L z

z

ˆ

ˆ

aa

inin

a aout out

Q tQ tK

Q t Q t

( ), ( )in out

H t H t ( ), ( )in out

Q t Q t

¿Qué nos falta por hacer?

Localización de fugas en redes de ductos Localización de diferentes fallas en redes de ductos Fugas simultaneas (¡Qué funcione!) Sistemas de pronóstico para ductos Sistema de diagnóstico para redes de ductos Control tolerante a fallas para evitar pérdidas en redes de ductos Desarrollar ∑DX basados en un parche de monitoreo

¿Qué nos falta por hacer?

Gracias por su atención

Dra. Lizeth Torres

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