Whitepaper

Gewinnen auf der edge

Eine neue Grenze für das Pipeline-Management

Mit Systemen, die kontinuierlich in Betrieb sind und genaue Daten in Echtzeit übertragen, verhindert die 24/7/365-Überwachung mit automatischer Fehlererkennung ungeplante Ausfallzeiten und andere betriebliche Ineffizienzen.

In diesem Whitepaper wird sie umrissen:

  • Bringen Sie Kontrolle und Automatisierung in die edge (Geräte zur Unterstützung des Pipelinebetriebs).
  • Aufbau einer robusten Plattform, die unter schweren klimatischen Bedingungen arbeiten kann.
  • Bieten Sie eine Lösung an, die Daten auf edge und im gesamten Unternehmen schützt.

Kurzfassung

In den letzten Jahren hat die Erdgasindustrie in den Vereinigten Staaten sowohl das Angebot als auch die Nachfrage erhöht. Die steigende Nachfrage nach saubereren Energieoptionen und die Ausbeutung neuer Reserven unterstützen die Ausweitung der Erdgasproduktion. Aber kann die Erdgasindustrie dieses Wachstum sicher aufrechterhalten? Wenn Ihre betrieblichen Systeme versagen, sind Sie Sicherheitsrisiken, Verstößen gegen die Vorschriften, ungenauen Gasbilanzen und einer Vielzahl anderer Probleme ausgesetzt. In diesem Whitepaper erfahren Sie, wie der Einsatz einer robusten, industrietauglichen Plattform als Teil einer umfassenden Edge Computing Lösung die Wirtschaftlichkeit des Pipelinebetriebs drastisch verbessern, einen flexibleren Betrieb ermöglichen, Ausfallzeiten reduzieren und ein besseres Informationsmanagement schaffen kann.

Einführung

Die U.S.-Erdgasindustrie ist schnell gewachsen. Neue Methoden und Technologien beim Hydraulic Fracturing und Horizontalbohren haben eine Welle von Erdgaslieferungen ausgelöst. Mit über 3.374 Billionen Kubikfuß (Tcf) an entdeckten Reserven sind die USA ein führender Erdgasproduzent. Die Besorgnis über den Klimawandel und die Umwelt ist eine Triebfeder für die Nutzung "sauberer" Energieressourcen. Elektrizität ist der führende Verbraucher von Erdgas (Abbildung 1). Heute deckt Erdgas mehr als 30% des amerikanischen Energiebedarfs.1

Erdgas ist eine saubere Energiequelle. Bei reichlichen Vorräten liegen die Henry Hub-Erdgaspreise mit einigen Ausnahmen seit 2015 im Durchschnitt unter $4/BTU. Folglich wandern private und gewerbliche Nutzer für Heizung und andere Dienstleistungen zu Erdgas ab. Da die Nachfrage in allen Sektoren steigt, kann die Erdgasindustrie die künftige Nachfrage nachhaltig decken? Sind die notwendige Infrastruktur, das Fachpersonal und die Sicherheitsverfahren vorhanden, um alle Nutzer zuverlässig mit Erdgas zu versorgen?

Pipeline-Management heute

In den USA wird Erdgas über ein 2,6 Millionen Meilen langes unterirdisches Pipelinenetz an die Kunden geliefert. Es umfasst mehr als 2,2 Millionen Meilen örtliche Versorgungsleitungen und 300.000 Meilen Fernleitungen.1 Obwohl es sich hierbei um ein riesiges und kompliziertes Netz handelt, ist der Pipelinetransport nach wie vor der sicherste Weg, um die Verbraucher mit Erdgas zu versorgen.

Im Pipelinebetrieb sind gute Informationen auf der Grundlage von Echtzeitdaten entscheidend für die Aufrechterhaltung eines nachhaltigen Betriebs. Bei der Erdgasverteilung werden die Hauptursachen für größere Zwischenfälle auf äußere Schäden zurückgeführt (Abbildung 2). Dennoch steht ein Drittel der schweren Zwischenfälle im Zusammenhang mit der Wartung und dem Betrieb der Pipeline. Bei einem ausgedehnten Netzwerk kann die Zeit zwischen dem Eintreten eines Ereignisses und der Abhilfemaßnahme der entscheidende Faktor dafür sein, ob es sich nur um eine kurze Unterbrechung oder um eine Umweltkatastrophe handelt.

Abbildung 1. 2019 U.S.-Erdgasverbrauch nach Sektoren.
Quelle: U.S. UVP, eia.gov/tools/faqs
Abbildung 2. Ursachen schwerer Zwischenfälle bei der Gasverteilung, 2005-2019.
Quelle: phmsa.dot.gov/data-and-statistics/pipeline/pipeline-incident-
20-Jahres-Trends. Graphiken: Global Energy Writers.

Unterbrechungen in der Erdgasverteilung haben erhebliche wirtschaftliche, sicherheitstechnische und gesellschaftliche Auswirkungen. Von 2015 bis 2017 wurden 12 Tote und 10 Verletzte aufgrund von Unfällen mit Erdgaspipelines in den USA gemeldet. Es gibt weitere zahllose Zwischenfälle und Beinahe-Unfälle, die nicht zu Toten oder Verletzten führen. Die Erdgaspipeline-Unternehmen stehen von allen Seiten unter Druck. Die Gemeinden sind besorgt über Sicherheitspraktiken und die alternde Pipeline-Infrastruktur. Die staatlichen Regulierungsbehörden verlangen von den Pipelinebetreibern eine bessere Sicherheits- und Umweltleistung und haben strengere Gesetze erlassen, die strenge Prüfungen und höhere Geldstrafen bei Nichteinhaltung vorsehen.

Stratus hört die gleichen Themen von Erdgasunternehmen:

"Wir erleben inakzeptable Ausfallzeiten unserer immer komplexer werdenden Pipeline-Infrastruktursysteme".

"Wir müssen eine Armee von Menschen an entlegene Orte schicken, um kritische Teile der Pipelines manuell zu überwachen, wenn alle Systeme ausgefallen sind.

"Wir laufen blind, wenn wir unsere Systeme nicht immer eingeschaltet haben".

"Wir müssen beweisen, dass wir die Vorschriften einhalten - und dürfen keine Daten vermissen, sonst können wir eine Geldstrafe bekommen.

"Wir haben keine technischen IT-Fähigkeiten oder Ressourcen, um Systemprobleme an entfernten Standorten zu beheben.

"Wir fügen unseren Pipelinesystemen immer mehr Komplexität hinzu und machen sie dadurch zerbrechlicher.

Die Betreiber von Erdgaspipelines stehen vor zahlreichen Herausforderungen, um legacy, Latenzzeiten und Modernisierungsprobleme zu bewältigen. Noch wichtiger ist, dass Pipeline-Betreiber aus den gesammelten Daten Kapital schlagen und informationsgesteuerte Entscheidungen treffen müssen.

"Edge Computing Die Infrastruktur außerhalb der data center ist von entscheidender Bedeutung, da sie Daten, die in der Nähe der Pipeline-Infrastruktur selbst gesammelt werden, in Echtzeit erfasst, verarbeitet und darauf reagiert."

Edge und Edge Computing: Fortschrittliche Hardware- und Softwaretechnologien eröffnen neue Wege zur Verbesserung des Betriebs und der Rentabilität von Pipelines. Diese Entwicklungen verändern die Möglichkeiten der Datenverwaltung in Echtzeit grundlegend. Robuste und zuverlässige Plattformen gewährleisten, dass Daten und Informationen auf sichere Weise mit mehreren Nutzern geteilt werden können.

Die 2020er Jahre werden als das Jahrzehnt der Digitalisierung definiert. Folglich verwischen die Fortschritte bei Hardware, Software und industriellen Managementplattformen die Zuständigkeitsbereiche und schaffen neue Konzepte für die Verwaltung und Analyse von Daten näher an der Pipeline-Infrastruktur. In Zukunft werden die Aufgaben von IT und OT verschmelzen, da die Einführung von Edge Computing und industriellen Infrastrukturmanagement-Plattformen in der Erdgaspipeline-Industrie an Dynamik gewinnen.

Edge Computing Infrastruktur außerhalb der data center ist von grundlegender Bedeutung, da sie Daten, die in der Nähe der Pipeline-Infrastruktur selbst gesammelt werden, in Echtzeit erfasst, verarbeitet und darauf reagiert.

Herkömmliche Pipeline-Management-Lösungen versagen bei den Midstream-Betreibern

Viele Midstream-Unternehmen kämpfen mit Problemen bei der Nutzung von Pipelinedaten und dem Betriebsmanagement. Die Integration von mehr Digitalisierungsfunktionen wird Teil der Überlebenspläne sein, um Prozesse zu automatisieren und Datenanalysen in Echtzeit durchzuführen. Edge Computing ist sowohl eine praktikable als auch eine unverzichtbare Lösung für bestimmte Pipeline-Managementaufgaben.

Midstream-Anlagen sind weit verzweigte Netze. Um die Betriebsleistung zu verbessern und die Anlagenverfügbarkeit zu erhöhen, benötigen Pipelinebetreiber Lösungen, die näher am Einsatzort installiert werden. Edge Computing fungiert als Backbone für den Übergang zum industriellen IoT und zur Digitalisierung. Sowohl die edge als auch die Edge Computing benötigen industrietaugliche Plattformen, um Automatisierungs- und Steuerungslösungen mit HMI-, SCADA-, Historien-, Analyse- und Asset Performance Management-Funktionen zu betreiben (Abbildung 3).

Abbildung 3. Eine robuste Plattform unterstützt edge und Edge-Computing-Anwendungen auf den Geräteebenen und sichert Daten aus entfernten Operationen.

Edge Computing kann die von intelligenten Industriegeräten - Sensoren und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) - gesammelte Datenlast ausgleichen. Nicht alle Daten müssen an das globale data center zurückgesendet werden. Mit Edge Computingkönnen die Daten näher an der Midstream-Pipeline-Infrastruktur verarbeitet werden, was eine schnellere Reaktion auf veränderte Bedingungen ermöglicht.

Bei der Verwaltung von Pipeline-Infrastrukturen sind Zuverlässigkeit und Sicherheit von entscheidender Bedeutung. Einem aktuellen Deloitte-Bericht zufolge kann ein datengesteuerter Ansatz die jährlichen Ausfallzeiten um 70 % und die Kosten für ungeplante Ausfälle um bis zu 22 % senken. Im Gegensatz zu herkömmlichen zeitbasierten Infrastrukturmanagement-Programmen, Edge Computing gewährleistet, dass die Zustandsdaten der Anlagen (Temperatur, Druck und Vibrationen) in Echtzeit analysiert werden können. Außerdem, Edge Computing von wesentlicher Bedeutung, da es kritische Lösungen für die vorausschauende Wartung unterstützt.

Bessere Wartungsprogramme verlängern die Lebensdauer der wichtigsten Infrastrukturen. Aufgrund der abgelegenen Lage der Pipeline-Anlagen, Edge Computing erfordert ein robustes, sicheres und hoch automatisiertes Computersystem, das Pipeline-Management-Anwendungen schnell, zuverlässig und effizient schützt und unterstützt. Darüber hinaus müssen die Plattformen über Redundanz verfügen, um die gespeicherten Daten zu schützen und den Pipelinebetrieb fortzusetzen, falls die Verbindungen zu den SCADA-Plattformen unterbrochen werden.

"Einem aktuellen Deloitte-Bericht zufolge kann ein datengesteuerter Ansatz die jährlichen Ausfallzeiten um 70 % und die Kosten für ungeplante Ausfälle um bis zu 22 % senken. Im Gegensatz zu herkömmlichen zeitbasierten Infrastrukturmanagement-Programmen, Edge Computing gewährleistet, dass die Zustandsdaten der Anlagen (Temperatur, Druck und Vibrationen) in Echtzeit analysiert werden können."

Pipeline Management-Houston, wir haben ein Problem

Ein großer Gaspipeline-Betreiber, der eine 15.000 Meilen lange, über 16 Bundesstaaten verteilte Infrastruktur verwaltet und über 1 Tcf Erdgas pro Jahr zu seinem Kundenstamm transportiert, rüstete seine Kompressorstationen zu einem vollständig redundanten System auf. Diese Aufrüstung umfasste Kompressorpumpen/-turbinen, Ventile sowie Sicherheits- und Kontrollsysteme, wie sie in den CRM-Vorschriften vorgeschrieben sind. Es war einfach, Redundanz für PLCs, Stromversorgung und Netzwerkdienste zu implementieren. Die Schaffung einer immer aktiven, vollständig redundanten Computerplattform für den Betrieb der SCADA-, Historian-, HMI- und verwandten Steuerungssystemanwendungen blieb jedoch eine kritische Herausforderung. Wichtiger noch, ein Schlüsselelement der gesamten betrieblichen Aufrüstung war der Einsatz einer vorausschauenden Wartungslösung zur Erkennung und Behebung von Problemen in der Kompressorstation, bevor es zu ungeplanten Ausfällen oder katastrophalen Ausfällen kommt.

Die gewählte Lösung beinhaltete den Einsatz von drei Standard-Computerservern in jeder Kompressorstation, auf denen jeweils eine kritische Anwendung ausgeführt wird. Leider wies diese Lösung mehrere Schwächen auf. An jedem Standort waren sechs bis acht Server erforderlich, um eine Reihe von Pipeline-Managementanwendungen zu unterstützen. Angesichts der Platz- und Leistungsbeschränkungen war dies ein erhebliches Problem, das den Betrieb bei Serverausfällen erschwerte. Um eine Kompressorstation wieder voll einsatzbereit zu machen, musste ihre genaue Betriebsumgebung im Hauptquartier rekonfiguriert und dann zum Standort gefahren werden, um die Installation und Neuverkabelung durchzuführen. Dies würde zwei bis drei Tage dauern.

Der Datenverlust an den Verdichterstationen bedeutete suboptimale Ergebnisse für den Pipelinebetreiber und verfehlte damit das Ziel, die Gesamtbetriebseffizienz zu erhöhen. Die vorhandene Hardware-Recheninfrastruktur stellte kritische und teure Hindernisse für die Ziele des Pipeline-Managements dar.

"Mit Systemen, die kontinuierlich in Betrieb sind und genaue Daten in Echtzeit übertragen, verhindert die 24/7/365-Überwachung mit automatischer Fehlererkennung ungeplante Ausfallzeiten und andere betriebliche Ineffizienzen.

Verwaltung der Pipelines der Zukunft

Stratus Technologies arbeitet an einem neuen Ansatz zur Lösung von Problemen beim Management der Pipeline-Infrastruktur, wie sie hier beschrieben wurden. Unsere Lösung unterstützt ein komplettes, immer betriebsbereites Pipelinesystem, das Ausfallzeiten eliminiert und den Betrieb optimiert. Dieser Ansatz besteht aus drei Schritten:

  • Bringen Sie Kontrolle und Automatisierung in die edge (Geräte zur Unterstützung des Pipelinebetriebs).
  • Aufbau einer robusten Plattform, die unter schweren klimatischen Bedingungen arbeiten kann.
  • Bieten Sie eine Lösung an, die Daten auf edge und im gesamten Unternehmen schützt.

Bringen Sie Kontrolle und Automatisierung auf die edge. Anstatt sich für Analysen und Reaktionsmaßnahmen auf data center oder SCADA-Systeme zu verlassen, Edge Computing unterstützt Steuerungsentscheidungen und -maßnahmen auf der Geräteebene. Bei Pipelines sind die Verdichterstationen das Herzstück des Betriebs. Verwendung von industrietauglichen Computerplattformen (Abbildung 3), Edge Computing unterstützt die vorausschauende Wartung und die allgemeine Zustandsüberwachung von Kompressorstationen. Durch die Überwachung der Daten von Kompressorsensoren kann die Notwendigkeit von Reparaturen erkannt werden, lange bevor es zu einem Totalausfall kommt.

Geplante Wartung verringert die Nichtverfügbarkeit der Ausrüstung, die Reparaturkosten und entgangene Einnahmen. Etwa 30 % der größeren Pipeline-Zwischenfälle werden durch Geräteausfall und fehlerhaften Betrieb verursacht (Abbildung 2). Mit Systemen, die kontinuierlich in Betrieb sind und genaue Daten in Echtzeit übertragen, verhindert die 24/7/365-Überwachung mit automatischer Fehlererkennung ungeplante Ausfallzeiten und andere betriebliche Ineffizienzen.

Bauen Sie eine robuste Plattform, die unter schwierigen klimatischen Bedingungen funktioniert. Bei Pipelines sind Messgeräte, Sensoren, Kompressoren und Datenplattformen unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt. Diese Geräte und Anlagen müssen extremen Temperaturen, Vibrationen und Stößen standhalten. Die Edge Computing Plattform muss industrietauglich sein und den sich ständig ändernden Umgebungsbedingungen standhalten können. Noch wichtiger ist, dass die Plattform selbstüberwachend und selbstheilend sein muss, falls Probleme auftreten. Bei Pipelines unterstützt die Zero-Touch-Technologie effizient die Überwachung, Steuerung und Aktualisierung entfernter Anlagen, ohne dass IT-Ressourcen vor Ort erforderlich sind.

Bieten Sie eine Lösung an, die Daten auf edge und im gesamten Unternehmen schützt. Der Hauptvorteil der Digitalisierung ist die verbesserte Möglichkeit, Daten im gesamten Unternehmen zu bewegen und zu nutzen. Die Sicherheit der Daten ist ein wichtiges Anliegen. Die unterstützende Plattform Edge Computing muss ständig verfügbar sein, Daten schützen und Redundanzfunktionen zum Schutz vor Ausfällen enthalten. Mit einer robusten Plattform ist die gemeinsame Nutzung von Daten im gesamten Unternehmen einfacher, sicherer und kostengünstiger. Flexible Abläufe ermöglichen die Ausführung von mehr Anwendungen ohne zusätzliche Komplexität oder Ausfallrisiko.

Die Datenhierarchie hilft bei der Festlegung, wo die Daten gespeichert oder verwendet werden sollen. Die Digitalisierung wird mehr Daten erzeugen, die effizient verwaltet und analysiert werden müssen. Mit Echtzeitinformationen, die von Edge Computingkönnen bessere Entscheidungen schneller auf der Geräteebene getroffen werden. Intelligente Geräte in "Plug-and-Play"-Architekturen ermöglichen Analysen auf der Ebene edge und können die Notwendigkeit verringern, Daten zur weiteren Bearbeitung an die data center zu senden.

Zukunftssicherheit der Operation

Mit Blick auf die Zukunft wird die Midstream-Branche lebendige Pläne benötigen, die eine kontinuierliche Konnektivität und Datensicherheit zu entfernten Pipeline-Infrastrukturen, Pipeline-Management-Lösungen und Rechenzentren unterstützen. Die Planung der besten Hardware- und Software-Infrastruktur für den Midstream-Betrieb ist entscheidend für die langfristige Nachhaltigkeit. Midstream-Unternehmen können sich keine "blinden" Momente in ihrem Betrieb leisten.

Seit über 40 Jahren hilft Stratus Technologies Unternehmen, ihre Systeme kontinuierlich betriebsbereit zu halten. Erfahren Sie mehr unter Oil and Gas Midstream oder fordern Sie eine Demo an.

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