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Reinigen ohne Durchfluss-Senkung

Der neue ROSEN EcoSpeed Service ermöglicht Betreibern von Pipelines die Arbeiten vor der Inspektion, Kosten und Zeitaufwand drastisch zu senken.

Manche Reinigungsarbeiten von Gaspipelines erfordern gemäßigtere Fließgeschwindigkeiten als die üblichen 8 m/s, um einen sicheren Molchdurchlauf und annehmbare Reinigungsleistungen zu erzielen. Betreiber stehen dann vor einer schwierigen Entscheidung: Entweder sie senken den Durchfluss während der Reinigungsdurchläufe, was mit einer Senkung der Produktionsleistung gleichzusetzen ist. Oder sie halten die Produktion aufrecht und erhöhen möglicherweise die Risiken, die mit dem Antrieb von Reinigungsmolchen bei hohen Geschwindigkeiten verbunden sind, ganz abgesehen von der geringeren Reinigungswirkung. Keine der beiden Optionen ist jedoch für den effizienten und wirtschaftlichen Pipeline- Betrieb gangbar. Der Markt fordert also, dass gleichzeitig eine verlässliche Minderung der Molch-Geschwindigkeit und eine Beibehaltung der hohen Fließgeschwindigkeiten möglich ist.

ROSEN bietet eine vollmechanische Pipeline- Reinigungs- und Messlösung an, die auf alle Gas-Pipelines mit einem Durchmesser über 16 Zoll und einer Mindestfließgeschwindigkeit von 4,88 m/s anwendbar ist. Der ROSEN EcoSpeed Service-Molch kann mit verschiedenen Bürsten, Magneten, Mess- platten, Molchscheiben, Tracking-Equipment und Pipeline-Datenloggern für ein unmittelbares Reinigungs-Feedback ausgestattet werden. Foto: ROSEN Technology and Research Center GmbH

Vor diesem Hintergrund hat ROSEN nun eine neue Lösung für Hochdruck- Gaspipelines auf den Markt gebracht. Der ROSEN Cleaning EcoSpeed Service soll Betriebssicherheit und optimale Reinigungsleistung ohne Kompromisse bei den Gasdrücken ermöglichen. Der Service-Molch verfügt über eine mechanische Technologie zur Geschwindigkeitssenkung, die durch Differentialdruck betrieben wird. Diese Technologie ist nach Angaben des Unternehmens sehr anpas- sungsfähig an einzelne Hochdruck-Gasnetze mit einem Pipeline-Durchmesser von 16 Zoll und mehr.

„Die Pipeline kann den Betrieb ohne Einschränkungen oder Stillstandzeiten fortsetzen und so ihr komplettes Durchflusspotential nutzen“, so Michael Bruns, Projektmanager Pipeline-Molchung bei Rosen. Der Mechanismus zur Geschwindigkeitssenkung passt seine individuelle Bypass-Position entsprechend dem Differentialdruck und der Fließgeschwindigkeit an. Unterschiedliche Federn und eine Hydraulikfederung nehmen die kinetische Energie und Differentialdruckspitzen auf. Das gewährleistet eine gleichmäßige Molchgeschwindigkeit entlang eines vorbestimmten Differentialdruckbereiches für den ROSEN EcoSpeed Service.

Bypass

Bei der Betrachtung eines Pipeline-Systems muss das Antriebsmittel – idealerweise das Medium selbst – ausreichend Druck hinter dem Molch ausüben, um den Strömungsverlust über die gesamte Länge der Pipeline zu überwinden. Darüber hinaus muss der Molch die Reibung zwischen den verschiedenen Elementen (Dichtungsscheiben, Lenkscheiben, Bürsten, etc.) und der Pipeline-Wand überwinden. Diese Reibungskräfte, die immer gegen die Fließrichtung arbeiten, verursachen einen Druckabfall zwischen dem vorderen und hinteren Ende des Molches. Durch diesen Differentialdruck kann ein Teil des Volumenstroms durch den Molchkörper gelenkt werden und vorne austreten, vorausgesetzt es besteht eine Öffnung. Somit bestimmt das Verhältnis zwischen der Bypass-Öffnung und dem Differentialdruck den Durchsatz des Mediums durch den Molchkörper.

Dieses Differentialdruck- Verhältnis verändert sich während der Durchfahrt jedoch abhängig von den Betriebsbedingungen. Beim Anlauf muss der Molch eine Haftreibung bzw. Haftungskraft überwinden. Ähnliche Kräfte können auftreten, wenn der Molch auf der Durchfahrt auf Einschränkungen des Innendurchmessers oder Schmutzansammlungen trifft. Während des „normalen“ Reinigungsbetriebes ist ein moderater Differentialdruckbereich um den Molch herum zu erwarten. Der Bypass-Fluss durch den Molch passt sich an diese Bedingungen an und schwankt abhängig vom Differentialdruck. Je geringer die Reibung, desto niedriger der Differentialdruck und somit der resultierende Bypass-Fluss. Unter optimalen Betriebsbedingungen sind Reibung und Schwerkraft (wenn der Molch durch einen Abschnitt mit einem Anstieg läuft) die einzigen Kräfte, die dem Antriebsmedium zusätzlichen Widerstand bieten. Der Differentialdruck erzeugt einen relativen Fluss, der durch den Molch läuft. Der Mechanismus des ROSEN EcoSpeed Service- Molches zur Geschwindigkeitssenkung repliziert genau dieses Phänomen, um eine konstante Molchgeschwindigkeit sicherzustellen – unabhängig vom Strömungsverhalten in der Pipeline.

Die Entwicklungsphase: Windkanal für Flüssigkeiten

Der ROSEN Cleaning EcoSpeed Service erlaubt Reinigungsarbeiten bei einer optimalen Molchgeschwindigkeit von 3–5 m/s. Foto: ROSEN Technology and Research Center GmbH

Rosen hatte in der Entwicklungsphase der Lösung eine Studie durchgeführt, um die erforderlichen Bypass- Steuerungsanforderungen für den Molch einschätzen zu können. Dabei wurden die Strömungseigenschaften unter Betriebsbedingungen bewertet. Die Analysen der Druck- und Kraftverteilung sowie die Untersuchung der Geschwindigkeiten um den Bypass-Strom herum wurden mit der Methode der numerischen Strömungsberechnung (englisch computational fluid dynamics – CFD) mithilfe von SolidWorks und der ANSYS-Simulationssoftware durchgeführt.

Die CFD ist eine Unterart der Strömungsmechanik, die gewisse Algorithmen beziehungsweise andere numerische Formeln nutzt, um Probleme bei der Strömung von Flüssigkeiten zu analysieren und zu lösen.

Anstatt ein physisches Objekt zu nutzen, wird das betreffende Volumen in viele kleine Zellen fraktioniert und einzeln durch die berechnete Gleichung zusammengezählt. Diese Ergebnisse wurden genutzt, um eine direkte Verbindung zwischen dem Differentialdruckverhalten des Molches selbst und der Pipeline, die er durchfahren soll, herzustellen. Die Modellierung der Bypass-Strömung wurde während des Pipeline-Betriebes durchgeführt. Zur Verifizierung der Simulationen wurde ein maßstabsgetreuer Prototyp später auf der Strömungsprüfanlage einer unabhängigen Stelle in San Antonio (Texas, USA) getestet. Der Ventilmechanismus des Molches wurde dazu an einem Stutzen befestigt. Die Prüfung erfolgte in einem Hochdruck- Kreislauf, in dem Erdgas in Leitungsqualität als Medium diente. Gaszusammensetzung und -bedingungen wurden über den gesamten Prüfzeitraum überwacht. Zahlreiche Messeinheiten und -sonden hinter, vor und um das Prüfmuster herum wurden kontinuierlich auf Druck-, Strömungs- und Temperaturänderungen überwacht. Hochgeschwindigkeitstransmitter und Transmitter für niedrige Geschwindigkeiten wurden eingesetzt, um den Differentialdruck entlang des Prüfaufbaus zu messen.

Die Strömungsgeschwindigkeit durch den Prüfabschnitt wurde mittels Turbinenradzähler gemessen, welcher der Prüfstrecke nachgeschaltet war. Der Turbinenradzähler berichtete den tatsächlichen Volumenstrom des Gases. Temperatur und Druck wurden am Standort des Radzählers gemessen, sodass sich die Gaseigenschaften berechnen ließen. Die Genauigkeit des Turbinenradzählers lag bei 0,5 Prozent. Während des Prüfvorgangs wurde der Volumenstrom schrittweise erhöht und dann wieder gesenkt, um Betriebs-Strömungseigenschaften nachzubilden.

Beispiel einer Reinigungsfahrt für eine 36“ Pipeline von 138,85 km Länge.

„Um das gesamte Differentialdruckverhalten bestimmen zu können, war es entscheidend, auch verschiedene Szenarien während der Strömungsprüfung zu simulieren, die den Medienfluss während einer Pipeline-Reinigung eventuell beeinträchtigen“, so Daniel Schneke, Projektmanager Pipeline-Molchung. Szenarien wie Anfahren des Molches, Durchfahren einer Engstelle sowie Schmutzansammlungen wurden simuliert, indem die Strömungsbedingungen gemäß den Referenzwerten, die bei tatsächlichen Pipeline-Reinigungsarbeiten gemessen worden waren, angepasst wurden.

Der variable Bypass-Mechanismus des ROSEN EcoSpeed Service-Molches passt sich diesen Bedingungen an und steuert den Bypass-Volumenstrom entsprechend. „Durch eine intelligente Kombination aus aerodynamisch geformter Ventilkonstruktion und mehreren Federmechanismen kann das geförderte Gas den Molch mit optimaler Strömungsgeschwindigkeit passieren, wenn ein gegebener Differentialdruckbereich während der Fahrt erreicht wird. So wird der Molch auf die ideale Geschwindigkeit heruntergebremst, um optimale Pipeline-Sauberkeit zu erzielen“, sagt Schneke. Sobald der Differentialdruck des Molches aufgrund großer Mengen von Schmutz oder anderer Hindernisse steigt, schränkt der Mechanismus den Bypass ein. So kann der Molch Schmutz durch die Leitung drücken und seine Fahrgeschwindigkeit permanent beibehalten.

Ein eingeschränktes Bypass-Strömungsvolumen durch den Molchkörper (etwa 5 Prozent in der Spülstellung) hilft dem Molch in Bewegung zu bleiben, auch wenn er auf größere Mengen Ablagerungen trifft. Passagen, die den Differentialdruck erhöhen, führen zu einer vorübergehenden Beschleunigung des ROSEN EcoSpeed Service Molches, aber sobald sich der Differentialdruck stabilisiert, verlangsamt sich der Molch wieder auf seine optimale Geschwindigkeit. Anhand der Ergebnisse und Messungen der Prototypen-Tests hat Rosen die CFD-Simulationen angepasst und so den tatsächlichen variablen Bypass-Mechanismus verbessert.

Kontakt: ROSEN Technology and Research Center GmbH, 49811 Lingen (Ems), Tel. +49 591-9136-0, rosen-lingen@rosen-group.com