Eng

Модернизированная система технологического и антитеррористического мониторинга магистральных газопроводов (СМПО «ОптоМониторинг»)

Научный журнал российского газового общества

 

Издание: Научный журнал российского газового общества
Дата: №4 2016

 

Научный журнал российского газового общества СКАЧАТЬ СТАТЬЮ

 

 

Своевременная и точная локализация утечек газа и иных потенциально опасных для магистральных трубопроводов событий имеет приоритетное значение для поддержания безопасного технологического и антитеррористического режима эксплуатации газопроводов. При этом следует исходить из специфических черт таких трубопроводов, отличающих их от каналов транспортировки различных жидкостей, в частности, нефти и нефтепродуктов. Исходя из этих положений и опираясь на 15-летний опыт разработки контрольно-измерительных систем, действие которых основано на распределенных волоконно-оптических датчиках, московская научно-производственная компания «ПетроЛайт» в 2015 году представила проект «ОптоМониторинг», в рамках которого вновь созданная одноименная компания разработала специализированную систему мониторинга для магистральных газопроводов.

 

 

Кроме уже упомянутых распределенных датчиков модернизированная система мониторинга протяженных объектов (СМПО «ОптоМониторинг») оснащена рядом дополнительных технических решений и элементов, применение которых существенно расширяет возможности по мониторингу утечек и потенциально опасных событий. Среди них — система регистрации смещения грунта и волоконно-оптический сигнализатор метана (1).

 

 

Компания «ПетроЛайт», в 2010 году создавшая совместно с крупнейшей в мире компанией по транспортировке нефти и нефтепродуктов «Транснефть» ЗАО «ОМЕГА», к 2016 году оснастила Системой обнаружения утечек и контроля активности (СОУиКА «ОМЕГА») более пяти с половиной тысяч отечественных трубопроводов. Новая разработка, СМПО «ОптоМониторинг», стала непосредственным результатом интереса газовой отрасли к такого рода инновационной продукции, на протяжении ряда лет показавшей свою эффективность и надежность.

 

 

С точки зрения мониторинга принципиальным отличием трубопровода газа от трубопроводов, транспортирующих различные жидкости, в том числе углеводороды, является эффект Джоуля– Томсона. Он описывает изменение температуры газа при адиабатическом дросселировании, то есть медленном протекании газа под действием постоянного перепада давлений сквозь пористую перегородку, и приводит к интенсивному охлаждению пространства вокруг возникшей утечки, которую СМПО «ОптоМониторинг» оперативно обнаруживает с помощью распределенного акустического сенсора (Distributed Acoustic Sensor, DAS). Интенсивность охлаждения природного газа при его утечке составляет порядка 4°С на 1 МПа избыточного давления, чего при высокой чувствительности СМПО вполне достаточно для определения утечки даже из распределительных газовых сетей.

 

 

Схема работы СМПО

Рис 1. Схема функционирования СМПО «ОптоМониторинг»

 

Данной подсистеме в СМПО принадлежит ключевая роль, в то время как в упомянутой СОУиКА «ОМЕГА» DAS лишь подтверждает сигнал об утечке флюида, поступивший от распределенного температурного сенсора (Distributed Temperature Sensor, DAS). В модернизированной СМПО DAS способен определять и абсолютные значения температуры. Учеными компаний «ОМЕГА» и «ОптоМониторинг» завершена разработка модели тепло-массопереноса, описывающей изменения температурного поля в грунтах прокладки трубопроводов (2). Эта разработка важна, в частности, для эксплуатации газопроводов, проложенных в многолетнемерзлых грунтах (ММГ). Критическим является получение информации о температуре основания, поддерживающего трубопровод, в интервале от –3 до 0°С. Именно при такой температуре происходит растепление грунта и как следствие — его переход из состояния пермафрост в состояние термокарст, что резко снижает его несущие способности. А поскольку изменение названного температурного параметра может быть вызвано не только сезонными колебаниями, но и термическим влиянием собственно газопровода, онлайн-контроль и за температурой, и за возможным смещением трубы приобретает особое значение.

 

 

Важной особенностью является то, что как в случае СОУиКА «ОМЕГА», так и СМПО «ОптоМониторинг» комплексирование блоков виброакустического и температурного принципа действия дает возможность повышения до максимума достоверности фиксации событий типа «Утечка». Причем оба блока выпускаются одним производителем и изначально готовы к такого рода комплексированию.

 

 

Впервые примененный в продукции компаний «ОМЕГА» и «ПетроЛайт» распределенный датчик деформации (Distributed Strain Sensor, DSS) регистрирует смещение волоконно-оптического датчика и соответственно самого охраняемого протяженного объекта. Таким образом, DSS позволяет получать информацию о деформации грунта с определением места этого потенциально опасного события.

 

 

Волоконно-оптический кабель (ВОК), выступающий в СМПО в роли сенсора и среды передачи информации, может укладываться в грунт вдоль трубопровода. Комплексная документация СМПО «ОптоМониторинг», учитывающая десятки сценариев прокладки ВОК, позволяет успешно применять систему в различных климатических поясах: от умеренного до резкоконтинентального, в муссонном и субтропическом. Предусмотрена укладка ВОК на уклонах, болотах, пересечениях с железными дорогами и автомагистралями, кабелями и инженерными коммуникациями, а также водными преградами с различными скоростями течений. Во время прохождения светового импульса длиной волны 1550 нм через ВОК экзогенные переменные (температура, давление и напряжение) вызывают отражение света обратно к источнику — этот эффект именуется обратным рассеянием, которое согласно трем диапазонам длины волн рассеянного света подразделяется на Рэлеевское, Рамановское и Бриллюэновское. Данное разделение обусловлено различными механизмами взаимодействия между световым импульсом и светопроводящим материалом ВОК.

 

 

Схема работы СМПО

Рис. 2. Парадигма рассеяния света, применяемая в СМПО

 

 

Для обнаружения акустической активности используется распределенный акустический датчик (DAS), в основе работы которого лежит анализ Рэлеевского рассеяния. Как видно на рис. 2, основная волна обратного рассеяния находится на длине волны запущенного в ВОК импульса и называется Рэлеевским диапазоном. Природа рассеянного света зависит от микроскопических натяжений в структуре оптоволокна, которые, в свою очередь, возникают из-за локальных изменений в акустической или сейсмической среде. Рэлеевское рассеяние характеризуется взаимодействием света и частиц (атомов и молекул), диаметр которых меньше, чем длина волны света.

 

 

Для регистрации температурных измерений используется распределительный датчик температуры (DTS), в основе работы которого лежит анализ комбинационного рассеяния (эффекта Рамана). Когда ВОК подвергается температурному воздействию, в волокне также индуцируются микроскопические колебания. Комбинационное рассеяние света состоит из двух компонентов, находящихся симметрично пику Рэлея: стоксовый пик и антистоксовый пик1 . Интенсивность антистоксового пика ниже стоксового пика, но сильно зависит от температурных воздействий, тогда как интенсивность стоксового пика лишь слабо зависит от температуры. Вычислив соотношение интенсивности антистоксова сигнала к стоксову, можно получить точное значение температуры.

 

 

Как уже подчеркивалось, распределенный датчик деформации (DSS) основывается на анализе Бриллюэновского рассеяния и применяется для обнаружения механической деформации газопроводов. Натяжение ВОК приводит к возникновению волнового упругого колебания волокна, что приводит к изменению абсолютного показателя преломления света в волокне. Когда лазерный импульс проходит через ВОК и приходит во взаимодействие с вышеупомянутым колебанием волокна, часть света отражается назад к источнику, что приводит к возникновению светового компонента с частотным сдвигом, аналогичному доплеровскому сдвигу. Таким образом, рассеяние Бриллюэна является результатом взаимодействия между оптическими и звуковыми волнами в оптических волокнах.

 

 

На основании данного явления научные подразделения компаний «ОМЕГА» и «ОптоМониторинг» разработали модель продольнопоперечного изгиба трубопровода, обусловленного локальной деформацией грунта (рис. 3).

 

 

Формула

Рис. 3. Схема локального участка трубопровода, контролируемого на пространственное смещение.

 

 

Для оценки деформации грунта можно в общем виде использовать следующую формулу, на которой построена идеология DSS:

 

 

Формула

 

 

где: εтр, εкаб — деформация трубопровода и кабеля соответственно; D — диаметр трубопровода; δ — толщина стенки; d — диаметр кабеля; Eтр, Eкаб — модуль упругости трубопровода и кабеля соответственно; q — поперечная распределенная нагрузка; μтр, μкаб — коэффициенты Пуассона; αтр, αкаб — коэффициенты температурного расширения материала трубы и кабеля соответственно.

 

 

Примененный в СМПО «ОптоМониторинг» волоконно-оптический сигнализатор метана (ВОСМ) является усовершенствованной версией детектора метана, о котором «Научный журнал Всероссийского газового общества» сообщал около года назад (2). В отличие от версии годичной давности, вызвавшей, в частности, интерес участников заседания инновационного комитета Московского финансового форума БРИКС (октябрь 2015 года), в СМПО не нашел применения детектор на основе телескопической системы; улучшены компоновка и защита сигнализатора (4).

 

 

Волоконно-оптический сигнализатор метана

Рис. 4. Волоконно-оптический сигнализатор метана СМПО «ОптоМониторинг» в серийном исполнении.

 

 

В отличие от распределенных датчиков, ВОСМ (рис. 4) является точечным и используется для удаленного обнаружения предельных концентраций газа метана, используя ВОК для доставки сигнала. Принцип его работы основан на непрерывном мониторинге объемной концентрации метана в измерительной кювете. В детекторе использован диодный лазер с частотой 1650 нм, волоконным выходом и доставкой излучения к однопроходной измерительной кювете. Проникая в измерительную кювету, световой импульс поглощается метаном. Количественное измерение концентрации метана выполняется путем сравнения количества света, возвращающегося из измерительной кюветы, с количеством, проходящего через калибровочную кювету.

 

 

При максимальной мощности оптического излучения, не превышающей 2 мВт и исключающей взрывоопасность, величина порога срабатывания сигнализатора регулируется в диапазоне 0,02–10% объемной концентрации метана. Предельная удаленность сигнализатора от электронного блока составляет 50 км, причем один логический модуль (ЛМ) может обслуживать до 200 кювет, масса каждой из которых не превышает 0,7 кг, ширина — 80 мм, а длина — 140 мм. Время срабатывания сигнализатора в случае превышения концентрации метана не превышает 30 секунд, а диапазон рабочих температур составляет от –40 до +50°С.

 

 

В настоящее время компанией «ОптоМониторинг» получен приоритет на патент сигнализатора метана, который будет подтвержден в ближайшие месяцы. В настоящее время компания дорабатывает подсистему, предназначенную для мониторинга резервуаров СПГ, которая также может быть включена в СМПО в качестве дополнительной опции.

 

 

Предполагается, что кроме применения распределенного датчика температуры на резервуары будет устанавливаться детектор метана, который позволит в кратчайшее время получить информацию о возможной утечке.

 

 

В прошлом году СМПО «ОптоМониторинг» сертифицирована системой ГАЗПРОМСЕРТ на соответствие техническим условиям ТУ 4372-001-63676632-14. ГАЗПРОМСЕРТ выдало также сертификат соответствия кабелей типов ОКГ, ОКЛ и ОКБ, используемых системой. СМПО обладает Декларацией Таможенного союза о соответствии СМПО ТР ТС 004/2011 «О безопасности низковольтного оборудования».

 

 

Как уже подчеркивалось, исходя из потребностей газовой отрасли российские ученые создали продукт, в полной мере отвечающий идеологии импортозамещения, свойства которого в максимальной степени соответствуют запросам газовой отрасли. Важным преимуществом СМПО «ОптоМониторинг» является обнаружение и распознавание таких событий в контролируемой зоне, как движение пешехода, работа шанцевым инструментом или землеройной техники, движение автомобиля, даже сверхмалая утечка газа, смещение грунта и движение снаряда внутритрубной очистки и диагностики. Причем действие основного числа подсистем СМПО нацелено на предотвращение временного или качественного развития потенциально опасных воздействий.

 

 

Важно и то обстоятельство, что разработка различных подсистем мониторинга осуществляется в компаниях «ОМЕГА», «ПетроЛайт» и «ОптоМониторинг» с прицелом на широкий спектр применения контрольно-измерительных систем, основанных на волоконно-оптических датчиках как распределенных, так и точечных. Среди реализуемых или выведенных на стадию промысловых испытаний проектов следует особо отметить Систему комплексного мониторинга добывающих скважин (СКМС), а также ряд других перспективных проектов, благодаря высоким эксплуатационным качествам волоконно-оптических датчиков способных внести важный вклад в повышение безопасности эксплуатации объектов отечественной энергетики и транспортной инфраструктуры.