Система мониторинга «АРГУС-ЭА»: новые возможности волоконно-оптических систем для мониторинга трубопроводов

Прикладное внедрение различных видов рассеяния световых потоков в веществе, вылившееся в активное внедрение волоконно-оптических технологий, стало возможным лишь около сорока лет назад с совершенствованием элементной базы, в первую очередь после начала производства волокна с малыми оптическими потерями.

Рассеянием света считается рассеяние электромагнитных волн видимого диапазона при их взаимодействии с веществом.

С точки зрения практического применения актуальными являются следующие виды рассеяния:

• Рассеяние Рэлея — упругое рассеяние на малых частицах, размером много меньше длины волны.
• Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна — неупругое рассеяние на колебаниях решетки.
• Рамановское рассеяние — неупругое рассеяние на атомных колебаниях в молекуле.

Генерируемый лазером поток света проходит по оптическому волокну и изменяется под воздействием температурных и физических факторов: на этом принципе созданы уникальные распределенные датчики. Их основными преимуществами являются высокая чувствительность, долговечность, электрическая пассивность, невосприимчивость к электромагнитным помехам, а также относительно низкая стоимость. Оптическое волокно полностью невосприимчиво к электромагнитным воздействиям и помехам, по конфигурациям прокладки на местности и назначению систем имеются широчайшие функциональные возможности.

Оптическое волокно состоит из кварцевого стекла с химической формулой земляного песка SiO2 и малыми добавками легирующих примесей. Стеклянные нити покрыты полимерами, то есть являются полностью ди­электрическими. Цифровая система обработки аналоговых интерференционных сигналов-откликов позволяет реализовать высокую точность регистрации изменения амплитуды модуляции волокна-сенсора, например, звуком, когда его сила в величинах давления является малой или предельно малой ~ 10-3 — 10-5 Па.

По сути, распределенный датчик представляет собой участок оптического волокна, способный заменить тысячи независимых сенсоров. Кроме того, распределенный датчик вобрал в себя функции и совокупности чувствительных элементов и среды передачи информации. Информация эта касается, в частности, изменения температуры. Распределенные датчики температуры имеют пространственное разрешение от 1 м и чувствительность до 0,1оС. Когерентные рефлектометры позволяют с высочайшей чувствительностью обнаруживать самые малые вибрации и перемещения в широком диапазоне частот.

Базовой схемой распределенного оптического датчика является рефлектометрическая схема (рис. 1). Рефлектометр содержит источник излучения (1), направленный ответвитель или иное средство для регистрации обратно рассеянного излучения (2), оптическое волокно (3) и фотоприемник (4). Световой сигнал, распространяясь по волокну, частично рассеивается, в том числе в обратном направлении, и попадает на фотоприемник.

Системы, основанные на когерентной рефлектометрии (или COTDR), существенно превосходят разрабатывавшиеся ранее модули, действие которых основано на межмодовой интерференции в многомодовых волокнах или на интерферометре Маха-Цендера. В первом случае невысока чувствительность регистрации сигнала, а координатная информация по длине волокна практически отсутствует, а во втором — система становится крайне дорогостоящей. Когерентная рефлектометрия, на основе которой создаются получившие широкое применение в отечественной практике контрольно-измерительные комплексы, делает одно оптическое волокно эквивалентом десятков тысяч чувствительных элементов. Важно при этом, что возникающие помехи не суммируются по длине волоконно-оптического датчика, а о месте его умышленного разрыва оператору будет известно через считанные секунды. При этом число регистрируемых системой воздействий практически не ограничено.

Особо важным преимуществом COTDR является техническая возможность восстановления формы сигнала воздействия, линейный режим эксплуатации, что позволяет точно классифицировать отмеченные события. Применительно к инновационной разработке «Аргус-ЭА», выполненной в ООО «НПФ «Электроаппарат» (г. Брянск), это означает, что система способна в режиме реального времени отслеживать активность в охранной зоне трубопровода, определяя ее характер, а также выявлять даже сверхмалые утечки из трубопровода и их координаты. При этом утечка определяется как по признаку изменения температуры в месте пролива нефти или нефтепродукта, так и по акустическому признаку.

«Разрабатывая план модернизации производства, среднесрочная цель которого определена как начало производства СМ «Аргус-ЭА», мы опирались на достигнутый во многом усилиями новой команды «Электроаппарата» успех Системы обнаружения утечек и контроля активности (СОУиКА «ОМЕГА»), разработанной в системе «АК «Транснефть». Ныне она работает более чем на 4000 километрах российских трубопроводов, выполняя функции и физической охраны, и технологического мониторинга — и одновременно импортозамещения», — говорит генеральный директор «Электроаппарата» Александр Туранцев.

Как большинство аналогичных российских и заграничных аналогов, СМ «Аргус-ЭА» базируется на двух подсистемах: DTS (Distributed Temperature Sensor, распределенный датчик температуры) и DAS (Distributed Acoustic Sensor, распределенный датчик вибрации). DTS в режиме реального времени анализирует изменения в температурном поле и с пятиметровой точностью обнаруживает утечки газа, нефти и других жидкостей, в том числе в многофазных трубопроводах. DAS посредством анализа вибраций в непосредственной близи трубопровода указывает на активность третьих лиц и другие потенциальные опасности в охранной зоне, а также подтверждает сигнал об утечке.

Как уже подчеркивалось, распределенный акустический датчик основан на применении оптического волокна в двух качествах: набора виртуальных микрофонов и среды передачи информации. DAS использует когерентную оптическую рефлектометрию для анализа обратно-рассеянного светового сигнала с целью записи колебаний в нескольких виртуальных каналах, число которых может доходить до десятков тысяч. В результате сотни событий могут быть обнаружены одновременно и независимо друг от друга. Важно то, что при оснащении СМ «Аргус-ЭА» объектов, линейная протяженность которых меньше 50 км, традиционная для Системы пятиметровая длина виртуального микрофона может быть уменьшена до 3 и менее метров. Таким образом, утечка или иное событие могут быть обнаружены с трехметровой точностью, что подчеркивает одно из концептуальных преимуществ волоконно-оптических датчиков.

С точки зрения технического исполнения СМ «Аргус-ЭА», содержащая два канала регистрации, согласно концепции состоит из оптического блока, блока температурной регистрации, двух электронных блоков и блока бесперебойного питания, размещенных в экранированном шкафу (рис. 3). Автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора связано с логическим модулем через локальную сеть.

В качестве чувствительного элемента (волоконно-оптического датчика) СМ «АРГУС-ЭА» использует волоконно-оптический кабель серийного производства, прокладываемый на расстоянии не менее 0,2 м и не более 1,5 м от боковой образующей трубопровода. Строительные длины кабеля сращиваются проходными оптическими муфтами, в которых через каждые 25 км располагаются линейные оптические усилители. Допустимая рабочая температура волоконно-оптического датчика составляет от -30 до +60˚С, в то время как логический модуль системы работоспособен в диапазоне от +1 до +40 градусов, что соответствует стандартному микроклимату в помещениях, где размещается электронная аппаратура.

Аппаратный комплекс СМ «Аргус-ЭА» обладает следующими важными функциями:

• непрерывный мониторинг герметичности магистрального нефте- и газопровода;
• обнаружение утечки нефти или газа по виброакустическому каналу за регламентированный промежуток времени;
• обнаружение утечки по каналу регистрации изменения температуры за регламентированный промежуток времени;
• определение места и времени утечки;
• обнаружение подвижной и неподвижной активности в охранной зоне;
• определение места и времени возникновения активности на трассе;
• определение текущего местоположения внутритрубного очистного или диагностического устройства (ВТУ) в трубопроводе;
• определение места обрыва оптоволокна.

Согласно расчетам и оценкам независимых экспертов, СМ «АРГУС-ЭА» обладает техническими характеристиками, достаточными для успешного осуществления мониторинга и ничем не уступающими зарубежным аналогам, а по ряду параметров превосходящими их (3). Так, установив рабочий режим уже через 10 минут после включения, система определит утечку по виброакустическому каналу, а по каналу регистрации изменения температуры — не позднее чем через час после начала утечки. При этом диапазон частот регистрации каналов составляет от 1 до 500 Гц.

Порог срабатывания виброакустического канала СМ «Аргус-ЭА» связан с изменением длины оптического волокна под воздействием внешних возмущений и составляет примерно 30 нм. Такая величина порога срабатывания позволяет СМ производства ПНФ «Электроаппарат» при прокладке волоконно-оптического кабеля на глубине не менее 0,7 м регистрировать следующие события:



Основным назначением электронных блоков является первичная обработка полученной информации специализированным программным обеспечением. АРМ на базе персонального компьютера отображает результаты мониторинга трубопровода: происшедшие события визуализируются на карте или схеме местности с указанием времени.

Касаясь экономического эффекта от внедрения СМ «Аргус-ЭА», следует отметить, что в общем виде он эквивалентен оценке предотвращенного совокупного ущерба с учетом разности в стоимости оснащения объекта обычными системами мониторинга и рассматриваемыми инновационными. Между тем исчисление ущерба, особенно экологического, производится в соответствии с различными методиками.

В общем случае ущерб Уз от загрязнения земель нефтью определяется по формуле


где:

• Нс - норматив стоимости сельскохозяйственных земель;
• Кп - коэффициент пересчета в зависимости от периода времени по восстановлению загрязненных сельскохозяйственных земель. Для городских территорий время самовосстановления загрязненных земель составляет 5 лет и Кп=3,8;
• Кв - коэффициент пересчета в зависимости от степени загрязнения земель нефтью;
• Кэ(i) - коэффициент экологической ситуации и экологической значимости территории i-ого экономического района. Для Дальнего Востока, например, Кэ(i)=1,1;
• Кг - коэффициент пересчета в зависимости от глубины загрязнения земель;
• Fгр - площадь нефтенасыщенного грунта, м2.

Производимые по этой формуле расчеты красноречиво свидетельствуют, что СМ «АРГУС-ЭА» можно с полным правом рассматривать как инвестиционный проект, надежно страхующий оператора трубопровода от экологического ущерба. При этом надо учесть, что при серьезных авариях ущерб возникает не только экологический, но и технологический и социальный (заключающийся, в частности, в компенсациях раненым или даже погибшим). Экономический эффект от внедрения разработки брянского «Электроаппарата» СМ «Аргус-ЭА» ощутим в силу технических преимуществ системы, среди которых — работа в режиме реального времени, высокая чувствительность волоконно-оптических датчиков и точность классификации потенциально опасных событий.

«Важнейшей особенностью нашей разработки является не только творческая переработка и обобщение опыта, накопленного мировыми и отечественными производителями волоконно-оптических систем мониторинга, но и всесторонний учет потребностей российских операторов трубопроводов. В частности, мы на­деемся сделать ставку на применение в основном комплектующих российского производства и максимально удешевить конечный продукт, а также его обслуживание», — итожит А.Туранцев.

Основанный в 1958 г. Брянский завод «Электроаппарат» на протяжении нескольких десятилетий специализировался на разработке и выпуске осциллографов, а также продукции медицинского и светотехнического направления. На предприятии внедрена Система менеджмента качества, соответствующая ГОСТ Р ИСО 9001 и ГОСТ РВ 15.002-2003. После прихода в 2017 г. овой менеджерской команды, известной разработкой волоконно-оптических технологий в системе АК «Транснефть», при активном содействии Правительства Брянской области была принята Программа инновационной перестройки и диверсификации производства. На первом этапе Программа, о которой было доложено в Правительства России в апреле с.г., предусматривает начало производства ряда моделей источников бесперебойного питания и дополнительных аккумуляторных батарей, которые найдут применение в широком спектре предприятий промышленности, в том числе ТЭК. Используя опыт разработки, производства и внедрения систем волоконно-оптического мониторинга трубопроводов и других протяженных объектов, «Электроаппарат» намерен приступить к выпуску Системы мониторинга (СМ) «Аргус-ЭА», основанной на применении волоконно-оптического кабеля в роли сенсора и предназначенной для отечественного и международного рынков.

Подписи:


Рисунок 1. Базовая схема оптического рефлектометра


Рисунок 2. Автоматическое рабочее место оператора СМ «АРГУС-ЭА»


Рисунок 3. Структурная схема СМ «Аргус-ЭА»


Рисунок 4. Логический модуль СМ «АРГУС-ЭА» (слева) основан на его прообразе, разработанном в начале 2010-х гг. в дочернем предприятии АК «Транснефть».


Рисунок 5. Схема определения суммарного ущерба от чрезвычайной ситуации на трубопроводе


Рисунок 6. Прокладка трубопровода и волоконно-оптического кабеля, с помощью которого трубопровод будет надежно защищен

Литература:

• 1. N.Psel, A.Turbin. Innovative Response to Technologic and Anthropogenic Challenges: Omega’s Fibre-Optic Cable-Based Monitoring System for Pipelines. Pipelines International Digest, 11/2012, pp.18-19.
• 2. D.Pleshkov, N.Psel and A.Turbin. OMEGA-LDACS: Safer Detection with the Distributed Acoustic Sensor. 3R, Technical Journal for Piping System Integrity and Efficiency. Pipeline Special 2013. Vulkan-Verlag GmbH, Essen, Germany. pp. 43-46.
• 3. Л.И.Клинцевич. СМПО «ОМЕГА»: многофункциональный волоконно-оптический страж. Журнал «Технологии безопасности», декабрь 2014 г., стр.54-56.
• 4. N.Psöl. Rohrleitungs-Überwachungssystem findet auch Methan-Lecks («Система мониторинга «ОМЕГА» обнаруживает и утечки метана»). Журнал «3R», Vulkan-Verlag GmbH, Essen, Germany. No07-08, стр. 45.