COMPARAÇÃO DOS ALGORITMOS DE FILTROS DE PARTÍCULAS SIR E ASIR NA DETECÇÃO ...

97 Pages·2015·2.05 MB·Portuguese

COMPARAÇÃO DOS ALGORITMOS DE FILTROS DE PARTÍCULAS SIR E ASIR NA
DETECÇÃO DE FECHAMENTO DE VÁLVULAS EM GASODUTOS

Mabel Angélica Ramos Lucumi

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
graduação em Engenharia Mecânica, COPPE, da
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte
dos requisitos necessários à obtenção do título de
Mestre em Engenharia Mecânica.
Orientador: Helcio Rangel Barreto Orlande

Rio de Janeiro
Maio de 2015
COMPARAÇÃO DOS ALGORITMOS DE FILTROS DE PARTÍCULAS SIR E ASIR NA
DETECÇÃO DE FECHAMENTO DE VÁLVULAS EM GASODUTOS

Mabel Angélica Ramos Lucumi

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ
COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM
ENGENHARIA MECÂNICA.

Examinada por:

________________________________________________
Prof. Helcio Rangel Barreto Orlande, Ph.D.

________________________________________________
Prof. Marcelo José Colaço, D.Sc.

________________________________________________
Prof. Nilson Costa Roberty, D.Sc.

________________________________________________
Prof. Rodrigo Otavio de Castro Guedes, Ph.D.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
MAIO DE 2015
iii

Lucumi, Mabel Angélica Ramos
Comparação dos Algoritmos de Filtros de Partículas SIR e ASIR na
Detecção de Fechamento de Válvulas em Gasodutos/Mabel Angélica
Ramos Lucumi. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2015.
XVII, 80 p.: il.; 29,7cm.
Orientadores: Helcio Rangel Barreto Orlande
Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia
Mecânica, 2015.
Referências Bibliográficas: p. 78-80.
1. Problemas Inversos. 2. Filtros de Partículas. 3. Escoamento
compressível. 4. Fechamento de válvulas. 5. ASIR. 6. SIR. 7. Gasoduto.
8. WAF-TVD. I. Orlande, Helcio Rangel Barreto II. Universidade
Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Mecânica.
III. Titulo.
iv

“Porque al final, nadie nos quita lo bailao”.
Adagio popular
v

AGRADECIMENTOS

A minha família, Mercedes, Dagoberto, Daguito, Olver, Magnolia, Enith, Jenny, Charles,
Jarold, Eunice, Diana e Ingrid; que sempre me apoiaram em todos os meus objetivos, não
importa onde eu esteja.
Ao professor Helcio pela orientação e ajuda para que esse trabalho se concretizasse.
Aos doutores, Leonardo, Bernard e Ítalo, pelo apoio, paciência e conselhos na programação
neste trabalho.
Aos meus amigos que foram como uma família para mim neste país: Karen, Jorge, Joanna,
Sarita, Cristina e Waldemar.
Aos colegas da universidade pela amizade e as tardes de conversas em portunhol com ou sem
café: Bruna, Bruno, Diana, Diego, Evanise, Gino, Inoussa, José Mir, Júlio, Luciana, Luiz,
Martim, Maycon, Milena, Mohsen, Paula, Rafael, e Vera.
O suporte da Universidade Federal do Rio de Janeiro/COPPE e da CAPES para realizar esta
pesquisa.
vi

Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M. Sc.)

COMPARAÇÃO DOS ALGORITMOS DE FILTROS DE PARTÍCULAS SIR E ASIR NA
DETECÇÃO DE FECHAMENTO DE VÁLVULAS EM GASODUTOS

Mabel Angélica Ramos Lucumi

Maio/ 2015

Orientador: Helcio Rangel Barreto Orlande

Programa: Engenharia Mecânica

O fechamento indevido e inesperado das válvulas é uma das falhas mais frequentes
nas malhas de gasodutos, que geram interrupções no fornecimento do gás natural. Para
detectar o fechamento das válvulas em gasodutos usando a metodologia de problema inverso,
se implementou o algoritmo ASIR do filtro de partículas ao problema de estimativa de estados
resolvido anteriormente no grupo de pesquisa do LTTC através do algoritmo SIR de filtro de
partículas. Ao executar os mencionados algoritmos com diferentes quantidades de partículas,
em casos de gasodutos com uma e três válvulas, mostrou-se uma boa estimativa do
fechamento das válvulas. Entretanto, com o algoritmo SIR foi necessário maior quantidade de
partículas a fim de obter a mesma precisão do que com o algoritmo ASIR. Medidas simuladas
de pressão, vazão e temperatura em diferentes pontos do duto foram usadas na análise inversa
através do filtro de partículas.
vii

Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements
for the degree of Master of Science (M.Sc.)

COMPARISON OF PARTICLES FILTERS ALGORITHMS, SIR AND ASIR, FOR THE
CLOSED VALVES DETECTION IN A GAS PIPELINE

Mabel Angélica Ramos Lucumi

May/2015

Advisor: Helcio Rangel Barreto Orlande

Department: Mechanical Engineering.

The inappropriate and unexpected closure of valves in gas-duct networks is the most
frequent failure that causes interruptions in the delivery of natural gas. Aiming at the detection
of the valve closure in gas-ducts as an inverse problem, the ASIR algorithm of the particle
filter was implemented in this work, for the same problem previously solve by the research
group of LTTC with the SIR algorithm. Accurate estimations were obtained with these
algorithms for cases involving one and three valves, for different numbers of particles. On the
other hand, the SIR algorithm required larger numbers of particles in order to achieve the
same accuracy as the ASIR filter. Simulated measurements of pressure, flow rate and
temperature at different points along the duct were used in the inverse analysis.
viii

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 1
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................. 3
2.1 ESCOAMENTO DO GÁS NUM GASODUTO .................................................................. 3
2.2 PROBLEMAS INVERSOS .................................................................................................. 4
3 PROBLEMA DIRETO ......................................................................................................... 8
3.1 FRACIONAMENTO DE SISTEMAS DE EQUAÇÕES DIFERENCIAIS PARCIAIS ... 10
3.2 VOLUMES FINITOS ........................................................................................................ 11
3.2.2 Esquema TVD ................................................................................................................ 14
3.2.3 Método de solução ......................................................................................................... 14
3.2.4 Solução para o Problema de Riemann ......................................................................... 16
3.2.5 Volumes fictícios ............................................................................................................ 19
3.3 CRITÉRIO DE ESTABILIDADE...................................................................................... 20
3.4 MODELAGEM DA VÁLVULA DE BLOQUEIO ........................................................... 20
4 FILTRO DE PARTÍCULAS .............................................................................................. 23
4.1 MODELO DE MEDIÇÃO. ................................................................................................ 29
4.2 MODELO DINÂMICO DE EVOLUÇÃO ........................................................................ 29
5 RESULTADOS E CONCLUSÕES .................................................................................... 31
5.1 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA ........................................................................................ 31
5.2 IDENTIFICAÇÃO DE FECHAMENTO DA VÁLVULA................................................ 33
5.3 MODELO COM 1 VÁLVULA E 2 ESTAÇÕES DE MEDIÇÃO .................................... 35
ix

5.3.1 Estimativa da abertura da válvula. .............................................................................. 35
5.3.2 Estimativa das variáveis de estado nos pontos de medidas. ...................................... 38
5.3.3 Estimativa das variáveis de estado ao longo do trecho de 1 válvula. ........................ 47
5.4 MODELO COM 3 VÁLVULAS E 2 ESTAÇÕES DE MEDIÇÃO .................................. 52
5.4.1 Fechamento da válvula 1. .............................................................................................. 52
5.4.2 Fechamento da válvula 2. .............................................................................................. 58
5.4.3 Fechamento da válvula 3. .............................................................................................. 64
5.5 MODELO COM 3 VÁLVULAS E 3 ESTAÇÕES DE MEDIÇÃO .................................. 71
6 CONCLUSÕES E SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS .................................. 77
7 REFERÊNCIAS .................................................................................................................. 78
x

LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1– Descrição do volume de controle diferencial .......................................................... 8
Figura 3.2 – Discretização em volumes finitos para um caso unidimensional......................... 13
Figura 3.3 – Condições iniciais do Problema de Riemann. ...................................................... 17
Figura 3.4 – Algoritmo HLLC para solução do Problema de Riemann. .................................. 17
Figura 3.5 – Volumes finitos e fictícios. .................................................................................. 19
Figura 3.6 – Válvula de bloqueio na discretização. .................................................................. 22
Figura 4.1 – Esquema de previsão e atualização de dados. ...................................................... 25
Figura 4.2 – Esquema geral dos filtros de partículas para problema inverso ........................... 26
Figura 4.3 – Reamostragem do algoritmo SIR ......................................................................... 27
Figura 5.1 – Trecho do Gasoduto GASBEL com 1 válvulas de bloqueio ............................... 32
Figura 5.2 – Trecho do Gasoduto GASBEL com 3 válvulas de bloqueio ............................... 32
Figura 5.3 – Trecho com 3 válvulas de bloqueio e 2 estações de medição .............................. 32
Figura 5.4 – Trecho com 3 válvulas de bloqueio e 3 estações de medição .............................. 32
Figura 5.5 – Estimativa de abertura de 1 válvula usando SIR com 100 partículas. ................. 36
Figura 5.6 – Estimativa de abertura de 1 válvula usando SIR com 200 partículas. ................. 36
Figura 5.7 – Estimativa de abertura de 1 válvula usando SIR com 500 partículas. ................. 37
Figura 5.8 – Estimativa de abertura de 1 válvula usando SIR com 1000 partículas. ............... 37
Figura 5.9 – Estimativa de abertura de 1 válvula usando ASIR com 100 partículas. .............. 37
Figura 5.10 – Estimativa de abertura de 1 válvula usando ASIR com 200 partículas. ............ 38
Figura 5.11 – Estimativa de abertura de 1 válvula usando ASIR com 500 partículas. ............ 38
Figura 5.12 – Pressão na 1ª estação para trecho de 1 válvula usando ASIR. ........................... 39
Figura 5.13 – Pressão na 2ª estação para trecho de 1 válvula usando ASIR. ........................... 40
Figura 5.14 – Velocidade na 1ª estação para trecho de 1 válvula usando ASIR. ..................... 41
Figura 5.15 – Velocidade na 2ª estação para trecho de 1 válvula usando ASIR. ..................... 42
Figura 5.16 – Temperatura na 1ª estação para trecho de 1 válvula usando ASIR. ................... 43