Flow Modelling and Control in Pipeline Systems - A Formal Systematic Approach -
ÒÑÓÐ 7 ´ÎÔĶÁ2021-4-3 10:21
Sina Razvarz
Departamento de Control Automatico
CINVESTAV-IPN (National Polytechnic
Institute)
Mexico City, Mexico
Alexander Gegov
School of Computing
University of Portsmouth
Portsmouth, UK
Raheleh Jafari
School of design
University of Leeds
Leeds, UK
ISSN 2198-4182 ISSN 2198-4190 (electronic)
Studies in Systems, Decision and Control
ISBN 978-3-030-59245-5 ISBN 978-3-030-59246-2 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-030-59246-2
© Springer Nature Switzerland AG 2021
1 The Importance of Pipeline Transportation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Material of Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.1 Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 Stress Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.3 Manufacture and Fabrication. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.4 Inspection and Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 Implications for Pipeline Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Evolution of Pipeline Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 Evolution of Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6.1 Types of Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.7 Design and Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.7.1 Components. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.7.2 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.7.3 Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.7.4 Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.8 Pipeline Milestones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 A Review on Different Pipeline Defect Detection Techniques . . . . . . 25
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Non-destructive Testing Techniques for Flaw Identification
in Pipelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 Acoustic Wave Reflectometry and Roving-Mass Technique . . . . . 26
3 Modelling of Pipeline Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2 Lagrangian and Eulerian Specification of the Flow Field. . . . . . . . 60
3.2.1 Lagrangian Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.2 Eulerian Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.3 Modeling of Liquid Flow in the Pipeline . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.4 Momentum Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.5 Continuity Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4 Theory and Applications of Fuzzy Logic Controller
for Flowing Fluids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1 Mathematical Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2 Fuzzy Logic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.1 Example 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.2 Example 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.3 Example 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.4 Example 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5 Basic Concepts of Neural Networks and Deep Learning
and Their Applications for Pipeline Damage Detection . . . . . . . . . . . 101
5.1 Different Types of Threats Occurring in Pipeline Systems . . . . . . . 101
5.2 Neural Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.3 Memory Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.4 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4.1 Example 0.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4.2 Example 0.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6 Leakage Modelling for Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.2 Leak Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7 Blockage Detection in Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.2 Blockage Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.3 Observer Design by Using the Extended Kalman Filter . . . . . . . . 152
7.3.1 Observer Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.4 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
8 Leakage Detection in Pipeline Based on Second Order Extended
Kalman Filter Observer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.2 Pipeline Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
8.3 Observer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.3.1 Nonlinear State Space Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.3.2 System Approximation by Taylor Expansion . . . . . . . . . . 166
8.3.3 Second Order Extended Kalman Filter Recursions . . . . . . 167
8.4 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
8.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
9 Control of Flow Rate in Heavy-Oil Pipelines Using PD and PID
Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
9.2 Materials and Methods for Modelling of the System . . . . . . . . . . . 176
9.2.1 Modelling of the Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
9.2.2 Modelling of the Actuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
9.2.3 Modelling of the Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
9.3 The Tuning Method Based on PD and PID Controller . . . . . . . . . 181
9.3.1 PD Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
9.3.2 PID Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
9.4 Numerical Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
9.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
