Um simulador de dutos ultraespecializado
Os simuladores de processos generalistas simplificam geralmente os dutos além do razoável, o que é uma das razões pelas quais os simuladores de dutos têm uma vantagem estratégica significativa sobre eles. Como a simulação é personalizada para dutos, são incluídos recursos específicos relevantes para um duto real, como um modelo térmico totalmente transiente que captura a física da temperatura e do calor.
A implementação cuidadosa de recursos como esse torna uma simulação confiável, válida e precisa para os operadores de dutos. Aqui, examinamos os componentes principais que compõem uma simulação eficaz de dutos, explorando alguns dos aspectos especializados, como malha espacial adaptável e nós móveis para rastreamento de composição.
Abordaremos:
- As três abordagens comuns empregadas para o solucionador numérico em um simulador de dutos
- Espaçamento de nós e malha espacial adaptável
- Considerando os componentes principais
As três abordagens de um simulador de dutos
Um simulador físico usa um solucionador para abordar a tarefa de encontrar uma solução para as equações numericamente. Abordagens relativamente famosas para solucionadores de Navier-Stokes incluem Galerkin e métodos de elementos finitos.
Quase todos os simuladores comerciais de dutos usam uma das três principais abordagens para seu solucionador. Embora, na prática, um usuário típico de software de simulação de dutos não considere o método usado para resolver suas equações, é importante considerar cuidadosamente a abordagem para determinados estudos, como a análise de picos de pressão (surge analysis). Cada abordagem traz seu próprio conjunto de vantagens e desvantagens.
As três abordagens usadas para o solucionador de um simulador de dutos são:
- Um método de diferença finita explícito de vento ascendente
- O método das características
- O esquema box, uma abordagem de diferença finita implícita - usada pelo Atmos Simulation (SIM) Suite
Um estudo da década de 1980 comparou essas abordagens. Simulando um duto de gás, concluiu-se que todas as três eram precisas, mas o esquema de caixa é geralmente o mais rápido para alcançar uma determinada precisão.1
Figura 1: As vantagens e desvantagens das três abordagens geralmente escolhidas para o solucionador de um simulador de dutos
Isso significa que é improvável que o comprimento de cada trecho de duto em nossa rede se divida exatamente nesse espaçamento de nó predeterminado. Isso também significa que, se variarmos a etapa de tempo, precisaremos variar o espaçamento dos nós de acordo. Se a interpolação for usada para contornar esse problema, perderemos a principal vantagem desse método: a propriedade de evitar a dispersão.
Por que o esquema de caixa é geralmente a melhor abordagem
Há várias vantagens oferecidas pelo esquema de caixa, e é por isso que ele é um dos favoritos entre os simuladores de dutos atualmente. Ele é estável em passos de tempo mais longos e suporta espaçamento de nó adaptável, o que significa que ele resolve as equações mais rapidamente na prática.
Além disso, ele tem um parâmetro que pode ser ajustado para ajustar a dispersão numérica, permitindo que o usuário priorize a precisão ou a estabilidade conforme necessário. Como a abordagem do esquema de caixa é mais complexa do que as outras duas, sua implementação é um pouco mais avançada. Entretanto, uma vez ajustada e configurada, ela é incrivelmente flexível e não precisa ser modificada quando um desenvolvedor estende o simulador para adicionar novos recursos.
Malha espacial adaptável
Um simulador de dutos robusto é projetado e codificado para superar uma série de desafios, geralmente relacionados a como manter a estabilidade numérica ao resolver as equações desafiadoras que regem o fluxo de líquidos e gases. Um deles surge na forma como um simulador divide um duto em nós: a malha espacial, discretizando um duto contínuo em muitos segmentos pequenos.
O Atmos SIM usa uma malha espacial adaptável, permitindo que o usuário decida a precisão da simulação desejada e calcule o espaçamento dos nós automaticamente, mantendo a velocidade de computação. Isso permite que o usuário observe uma seção do duto quando algo interessante estiver acontecendo nas proximidades de apenas algumas centenas de metros.
Um espaçamento de nó mais curto é usado automaticamente nas seções do duto onde as condições são estáveis. Quando ocorrem efeitos transitórios, um espaçamento de nó mais fino é aplicado às seções afetadas de um duto. Isso aumenta a precisão da simulação quando e onde for necessário - uma ocorrência frequente durante as operações de rotina de alguns dutos.
Há muito tempo, uma malha espacial adaptável é um recurso dos simuladores de dutos e reservatórios para resolver equações diferenciais parciais (PDEs) em duas ou três dimensões. Esses algoritmos são úteis em todos os cenários e se tornaram um componente integral dos poderosos simuladores de dutos atuais.
Um dos principais benefícios que observamos com o uso de uma malha espacial adaptável é que o usuário do Atmos SIM não precisa ajustar a malha espacial manualmente, o que antes era um exercício tedioso. Esse poderoso recurso oferece uma experiência plug-and-play perfeita, dando ao usuário a confiança de que sua simulação permanecerá precisa e robusta. Ele permite que os usuários ocupados se concentrem em responder às perguntas que são importantes e interessantes para eles com o clique de um botão. A malha espacial adaptável do Atmos SIM pode lidar com muitos cenários avançados, incorporando uma ampla gama de recursos inovadores.
Nós móveis
O Atmos SIM também usa nós móveis para lidar com lotes de dutos ou frentes de composição. Isso significa que ele é capaz de:
- Manter a fidelidade ao rastrear diferentes graus de produtos líquidos
- Rastrear a composição em dutos de gás
- Detectar anomalias
- Rastrear a origem de um fluido
Considerando os componentes principais
Com um simulador de dutos como o Atmos SIM, o usuário não precisa pensar exatamente onde e quando são necessários nós espaciais mais apertados e passos de tempo mais curtos, tudo é feito automaticamente. Os mesmos algoritmos lidam perfeitamente com cenários on-line, estudos off-line e análises antecipadas, adaptando os nós no duto durante uma simulação para permanecerem sempre estáveis, de solução rápida e precisos.
Em última análise, os simuladores de dutos devem facilitar a vida dos operadores. Por isso, é importante considerar que tipo de abordagem é usada para resolver as equações e os algoritmos. Os simuladores que usam malha espacial adaptável auxiliam os profissionais que realizam estudos off-line e os operadores que operam dutos a ter confiança na velocidade, na robustez e na precisão da simulação em todos os lugares e em todos os momentos.
Referências
1 ”The Atmos book of pipeline simulation”
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É crucial abordar as incertezas que podem surgir na simulação de dutos. O capítulo três aborda as maneiras pelas quais os operadores de dutos podem aumentar a confiabilidade de seus resultados, otimizando o desempenho do simulador.