Brevet FR2587086A1 — publié le 19870313

PROCEDE DE GESTION OPTIMISEE D'UN RESEAU DE PIPE-LINES ET RESEAU AINSI REALISE L'invention a principalement pour objet un procédé de gestion optimisée d'un réseau de pipe-lines et réseau ainsi réalisé. Le transport de matières premières par gazoducs ou oléoducs permet de diminuer les coûts d'exploitation. On a ainsi vu se développer des réseaux importants de gazoducs et d'oléoducs assu- rant le transport et la distribution par exemple de produits pétro- liers. La circulation du fluide est assurée par des stations de compression (ou de pompage). Dans les réseaux de gazoducs de type connu, un opérateur assure le bon fonctionnement de chaque station de compression de façon à pouvoir fournir le débit demandé sous les pressions requises. Dans les dispositifs de type connu, on essaye de faire varier le moins possible les paramètres de fonctionnement du réseau de gazoducs. Le dispositif selon l'invention assure la gestion optimisée d'un réseau de gazoducs, d'oléoducs et des dispositifs de transport de pondéreux en suspension dans un fluide. L'optimisation permet de fournir le fluide demandé en certains points du réseau tout en minimisant, en particulier, le nombre de compresseurs en fonction- nement, la consommation d'énergie, et en maximisant la quantité de fluide stocké dans le gazoduc. On peut par exemple utiliser les critères d'optimisation sui- vants: - débit maximum de gaz transporté; - minimum d'énergie consommée; différence de pression maximale au niveau des compresseurs; - nombre minimal de compresseurs en fonctionnement; - stock maximum du produit transporté; - débit maximum en un point précis du réseau; - minimum d'énergie électrique consommée; - minimum de combustible consomme. Selon le type de fonctionnement désiré, on détermine une fonction, en réalisant la combinaison linéaire de critères d'optimi- sation. Le dispositif selon l'invention va déterminer les matériels à mettre en oeuvre, ainsi que les débits et les pressions en divers points du réseau tout en minimisant les variations de configurations du réseau et des stations. De plus, une gestion informatique hiérarchisée permet d'ob- tenir des statistiques sur le fonctionnement du réseau selon l'inven- tion. Dans une autre variante de réalisation du dispositif selon l'invention on précalcule les solutions optimales de tous ou certains cas de figures possibles. Ces solutions sont stockées dans les mémoires d'ordinateurs. On identifie l'état du système et les besoins à satisfaire à un cas des figures et l'on adopte la solution optimale précalculée et stockée dans les mémoires des ordinateurs. Un tel processus est appelé Computer Store Solution (CSS en terminologie anglo-saxonne). De plus, le dispositif selon l'invention permet la détection rapide des anomalies de fonctionnement. La gestion centralisée permet de minimiser les conséquences des indisponibilités partielles du réseau. Le dispositif selon l'invention utilise des optimisations en régime stationnaire dont les résultats sont vérifiés par des simu- lations d'écoulements transitoires. Mais, si cela est avantageux, l'invention permet d'utiliser des écoulements transitoires direc- tement dans le processus d'optimisation. Toutefois, la possibilité d'utiliser les écoulements transitoires pour optimiser l'utilisation du réseau nécessite une plus grande puissance de calcul. L'invention a principalement pour objet un procédé de gestion optimisée d'un réseau de pipe-lines caractérisé par le fait que les débits et les pressions en divers points du réseau sont déterminés en temps réel, ainsi qu'un réseau de pipe-lines comportant des calcu- lateurs permettant de déterminer et de réaliser en temps réel les configurations des compresseurs et/ou des vannes permettant de minimiser les coûts de fonctionnement. L'invention a aussi pour objet un réseau de pipe-lines, étant caractérisé par le fait qu'il comporte des calculateurs permettant de déterminer et de réaliser en temps réel les configurations des compresseurs et/ou des vannes permettant de minimiser les coûts de fonctionnement. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci- après et des figures annexées, données comme des exemples non limitatifs, parmi lesquelles: - la figure 1, est un schéma d'une partie d'un réseau de distribution de gaz; - la figure 2, est un schéma d'un détail de la figure 1 - la figure 3, est un schéma d'une station de compression; - la figure 4, un schéma d'une organisation hiérarchisée d'un système informatique de gestion Pd'un réseau de gazoduc; - la figure 5, est un organigramme d'un programme d'ordi- nateur permettant la mise en oeuvre de l'invention; - la figure 6, est un schéma de principe du calcul utilisant l'algorithme du gradient réduit généralisé; - la figure 7, est un schéma d'une organisation hiérarchisée d'un système informatique de gestion d'un réseau de gazoduc. Sur la figure 1, on peut voir un schéma d'une partie d'un réseau de gazoduc 1. Ces gazoducs sont par exemple destinés à transporter du gaz d'une région de production vers une région d'utilisation. Le dispositif objet de la présente invention s'applique aussi aux réseaux de gazoducs assurant la distribution de gaz aux consommateurs. Le réseau comporte des tuyaux 1 (pipe-line en terminologie anglo- saxonne) reliés entre eux et aux postes de vannes 3 et comportant en certains points des stations de compression 2. Le réseau permet de raccorder des puits de production ou des réservoirs de stockage 5 a des utilisateurs finals ou des réseaux de distribution 4. La station de compression 2 génère des différences de pressions dans les gazoducs 1 entraînant des écoulements de gaz dans les directions désirées. La vanne 3 permet de diriger les écoulements vers les utilisateurs. Un ensemble 8, comportant une station de compression 2 et les gazoducs I qui y sont raccordés, est représenté sur la figure 2. Le gazoduc 1 comporte en fait d'une pluralité des gazoducs 10 mis en parallèle. Chaque gazoduc 10 comporte un dispositif de compression 20. Le dispositif selon l'invention comporte des moyens d'acquisition de données sur l'état du gazoduc 1. Les moyens d'acquisition de données comportent par exemple des capteurs connectés à travers des interfaces appropriées à des micro ordinateurs 9. Les moyens d'acquisition de données sont connectés à un calculateur 90. Le calculateur 90 détermine le moyen à mettre en oeuvre et les débits nécessaires à l'optimisation de l'utilisation du réseau de gazoducs. Sur la figure 3, on peut voir un dispositif de compression 20. L'exemple illustré comporte trois compresseurs 200 susceptibles d'être reliés en parallèle ou en série. La connexion en parallèle ou en série est effectuée grâce aux servovalves 38. La connexion en série permet d'augmenter les différences de pressions entre l'amont et l'aval du dispositif de compression 20. Chaque fois que cela est possible, pour obtenir une utilisation économique du réseau de gazoduc, on va utiliser le nombre minimal de compresseur 200 nécessaire au fonctionnement. Sur la figure 4, on peut voir un exemple d'organisation hiérarchisée du système de traitement d'information permettant la gestion optimisée d'un réseau de gazoducs. Le dispositif comporte un centre de calcul national 9000 relié par un ensemble de bus 7000 des centres de calcul régionaux 900. Chaque centre de calcul régional est relié par des bus 700 et des ordinateurs locaux 90. Chaque ordinateur 90 est relié par des bus 70 à des micros ordinateurs 9. Lors d'une première variante de réalisation on adopte la structure en étoile pour chaque degré de la hiérarchie. Avantageusement, dans certains cas, les ordinateurs d'un même niveau de hiérarchie sont reliés par un bus unique au centre de calcul de niveau hiérarchie supérieur. Ils peuvent ainsi échanger des informations entre eux. Dans une variante de réalisation dont un exemple est illustré sur la figure 7, les ordinateurs sont reliés par des liaisons bipoint 77 reliant deux calculateurs adjacents. Les liaisons sont effectuées soit par lignes électriques, soit par des faisceaux hertziens. Le centre de calcul 9000 assure la gestion au niveau national, des prévisions de consommation, des interactions entre divers réseaux de gazoducs. De plus le centre de calcul national 9000 peut assurer la supervision des échanges d'informations entre les calcula- teurs régionaux 900. Notamment, le centre de calcul national 9000 détermine une fonction f donnant plus ou moins d'importance aux divers critères d'optimisation, par exemple aux critères d'opti- misation décrits ci-dessus. Les calculateurs régionaux 900 adaptent l'optimisation aux réseaux physiques existants dans la région. De plus les ordinateurs régionaux 900 peuvent assurer la coordination des ordinateurs locaux 90. Les ordinateurs locaux 90 assurent la gestion en temps réel d'un groupe de compresseurs et la surveillance temps réel du réseau de pipe-lines. Les micro-ordinateurs 9 assurent l'acquisition des données, le pré-traitement des données acquises et la transmission vers un ordinateur local 90. Le dispositif 19 comporte des capteurs, des convertisseurs analogiques numériques et des interfaces leurs permettant de communiquer avec les micro- ordinateurs 9. Sur la figure 5, on peut voir l'organigramme du traitement informatique réalisé par l'ensemble des calculateurs 9000, 900 et 90 permettant la supervision et l'optimisation de la gestion du réseau de gazoduc. L'optimisation est réalisée par les niveaux supérieurs et mise en oeuvre aux niveaux inférieurs. Le programme commence en 21. En 22, on effectue les calculs de valeur initiale pour les divers variables du système. Par exemple, on détermine le débit en divers points du système. En 23, on calcule les pressions et les débits dans tous les points importants du système aux valves 24. En 24, on détermine le matériel à mettre en oeuvre pour obtenir le flux de pression calculé en 23. On va en 25 o on effectue le test de la faisabilité de la solution précédemment calculée. Si il s'avère que la solution précédemment calculée n'est pas faisable pour chaque groupe de compresseurs on va en 26. En 26 on effectue un changement de valeur initiale. Ensuite on va en 23. Si en 25 le test de faisabilité est satisfaisant pour chaque groupe de compresseurs on va en 27. En 27, on calcule la fonction d'optimisation. La fonction d'optimisation tient compte des critères d'optimisation que l'on veut voir se réaliser. Ces critères sont par exemple les suivants: - débit maximum de gaz transporté; - minimum d'énergie consommée; - différence de pression maximale au niveau des compresseurs; - nombre minimal de compresseurs en fonctionnement; stock maximum du produit transporté; - débit maximum en un point précis du réseau; - minimum d'énergie électrique consommée; - minimum de combustible consommé. _La fonction d'optimisation f est une combinaison linéaire des divers critères d'optimisation affectés d'un coefficient. Selon le fonctionnement désiré du gazoduc, on affecte le coefficient le plus grand au critère d'optimisation le plus important. Certains critères d'optimisation qui ne sont pas essentiels à un moment donné peuvent être affectés d'un coefficient nul. La fonction d'optimisation est f(X) une fonction d'un vecteur d'état X rendant compte des pres- sions, des débits et des réglages en des points essentiels du réseau de gazoduc. En 28 on vérifie la convergence de la fonction f(X). Si la fonction converge, on arrête en 29 le calcul. On effectue le réglage optimal du réseau de gazoduc. Sinon on va en 30. L'optimisation de la fonction utilise une adaptation de l'algorithme généralisé du gradient réduit (Generalized reduced gradint en terminologie anglo-saxonne). On forme le système d'équation non linéaire: H(X) = 0 et l'inéquation, Ax B. Le système d'équation non linéaire H (X) = O exprime les contraintes externes et internes auxquelles est soumis le réseau de gazoduc. Notamment le système d'équation comporte les équations de la conservation de masse de gaz transporté, les relations de conservation du moment cinétique les débits en divers points du système, par exemple au niveau des réglages externes des gazoducs. Ces réglages se faisant par exemple par des variations des taux de compression ou de l'énergie fournie par les compresseurs. A et B sont les limitations physiques du dispositif selon l'invention comme par exemple la puissance minimale et maximale des fonction- nements des compresseurs, le taux de compression admissible, des débits maximal. L'adaptation de l'algorithme du gradient réduit consiste, suivant l'invention, à ce que les variables de commande peuvent changer en cours d'itérations en vue d'éviter de violer des contraintes. Le choix des variables de commande se fait automati- quement. En 30, on trouve la direction des descentes de l'algorithme du gradient. On va en 31. En 31 on vérifie si le gradient de la descente est nul. Si oui on va en 32. En 32 on a déterminé une optimisation de la gestion du réseau du gazoduc. Si non, on va en 33. En 33, on détermine les points optimal pour la fonction f(X) dans la direction de descente. On va en 34. En 34, on teste si le nombre d'itérations avant l'arriver à une optimisation, n'est pas supérieur aux possibilités de calcul en temps réel du système. Si oui, on va en 35. L'optimisation du réseau de gazoduc est impossible par la méthode proposée. Dans ce cas, on utilise par exemple une solution pré-calculée pour le réglage des actionnaires du réseau des gazoducs. Si non, on retourne en 23. Dès que l'optimisation de la fonction f(X) a été réalisée, c'est- à-dire que l'on se trouve au point 29 ou 32, le calculateur local 90 des figures 2 et 4 fait adopter par les divers actionneurs la configu- ration optimale calculée. Le calculateur 90 choisit le matériel à mettre en oeuvre, notamment le nombre de compresseurs. Il déter- mine les configurations en parallèle et/ou en série des compresseurs et effectue les réglages des diverses vannes. De plus, il permet des ajustements nécessaires à la prise en compte des informations non transmises aux niveaux supérieurs. Sur la figure 6, on peut voir une illustration de la méthode de calcul utilisant l'algorithme connu du gradient réduit généralisé. Les courbes IOI à 110 sont les courbes isométriques des critères d'opti- misation choisis. Par exemple, les courbes 101 110 sont des isocoOts, c'est-à-dire des courbes correspondantes au même coût du fonction- nement du réseau du gazoduc selon l'invention. Dans l'exemple illustré dans la figure 6, les références les plus élevées corres- pondent au coût le plus bas, c'est-à-dire au but à atteindre. Les données de départ correspondent par exemple au point K1 du plan. La droite DI correspond à la plus forte pente de descente en partant du point KI. La direction de descente est calculée dans l'organi- gramme de la figure 5 au point 30. Les gradients ou la pente de la droite D1 ne sont pas nuls car on coupe la courbe 101. Les points K2 et le point de la droite D1 correspondant au plus faible coût. A partir de K2 on refait les mêmes opérations en déterminant la direction de descente correspondant à la droite D2 et sur cette droit le pointe de coût minimal K3. De même à partir du point K3 on détermine la droite D4 correspondant à la plus forte pente de descente et sur cette droite le point K4 correspondant au point de coût minimal. De la même façon on atteint le point K5. Au point K5 la fonction f(X) converge, on arrête donc le calcul en se trouvant au point 29 de la figure 5. Il est bien entendu que le coût varie continuement entre les courbes 101 à 110. La figure 6 n'est qu'un exemple explicatif bi- dimentionnel. En réalité, le plan de la figure 6 correspond à un espace dont les dimensions sont égales aux dimensions des vecteurs X. I est bien entendu que le dispositif et le procédé décrit s'applique aussi bien en gazoducs qu'aux oléoducs destinés au trans- port de pétrole brut ou de matière pétrolière raffinée, aux aqueducs destinés au transport d'eau de produit acqueux, au dispositif de transport de charbon en suspension dans l'eau ainsi que plus généra- lement à tous réseaux pipe-lines. REVENDICATIONS 1. Procédé de gestion d'un réseau de pipe-lines (1) caractérisé par le fait que les débits et les pressions en divers points du réseau sont déterminés en temps réel. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise le nombre minimal de compresseurs (200) nécessaire à l'obtention des flux désirés. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'on utilise les configurations des connexions des compres- seurs (200) et des vannes (3) minimisant les coûts de fonctionnement du réseau. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que les régimes de travail des compresseurs (200) utilisés minimisent les coûts de fonctionnement du réseau. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé par le fait que la minimisation des coûts de fonctionnement du réseau est calculée en utilisant une adaptation de l'algorithme du gradient réduit généralisé. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé par le fait que l'on utilise pour le calcul des optimisations des modèles d'écoulement en régime stationnaire. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'on vérifie par simulation, avant l'exécution de commande la validité de la solution calculée, le modèle de simulation étant un modèle d'écoulement transitoire. 8. Réseau de pipe-lines caractérisé par le fait qu'il comporte des calculateurs permettant de déterminer et de réaliser en temps réel les configurations des compresseurs (200) et/ou des vannes (3) permettant de minimiser les coûts de fonctionnement. 5. 9. Réseau selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les piple-lines sont des gazoducs. _- --- 10. Réseau selon les revendications 8 ou 9, caractérisé par le fait qu'il comporte un ensemble de calculateurs (9, 90, 900, 9000) hiérarchisés. 11. Réseau selon la revendication 8, 9 ou 10, caractérisé par le fait qu'il comporte un système expert.