Резюме: Контроль целостности газопропровода в местах его пересечения с объектами инфраструктуры и водными преградами представляет существенную сложность для операторов магистральных газопроводов. Модернизированная система мониторинга протяжённых объектов (СМПО-М) ООО «ПетроЛайт», оснащённая детектором метана, призвана решить поставленную задачу – зафиксировать утечку газа в труднодоступных местах.

Ключевые слова: целостность трубопровода, детектор метана, мониторинг газопровода, Система мониторинга протяжённых объектов, утечки метана из трубопровода.

Modernized Monitoring System Determines Gas Leaks, Hazardous Activity and Methane Rate in the Air at Important Crossings

N.A.Psyol, Ph.D. A.I.Turbin

Abstract: Gas pipeline integrity control at the places of its intersection with infrastructure, water barriers is a significant challenge for trunk gas pipeline operators. Modernized Monitoring System of Extended Objects (SMEO-M) by PetroLight Company, equipped with a methane detector, is designed to solve the assigned problem - to detect gas leakage in hard to reach places.

Key words: pipeline integrity, fiber-optic methane detector, gas pipeline monitoring, the Extended Object Monitoring System, methane leakage from the pipeline.

Постоянная оценка многообразных факторов, характеризующих технологическое состояние газопроводов, а также их защита от антропогенных воздействий, вольных или невольных – таков комплекс задач, которые приходится каждый день и час решать службам эксплуатации и безопасности трубопроводных компаний. При этом задача эта, именуемая мониторингом, всегда актуальна, крайне многообразна и с той или иной степенью успешности разрешается с помощью самых разных средств.

Все эти средства (от конных нарядов, параметрических расчетов и анализа волны давления до спутниковых снимков и новомодных беспилотных летательных аппаратов) по-своему хороши, но и по-своему ограничены в функциональности. При всей универсальности вывода о том, что идеальной системы мониторинга не существует (1), рискнем предположить, что системы, действие которых основано на многообразных чувствительных свойствах волоконно-оптического кабеля, обладают перед конкурирующими принципами рядом неоспоримых преимуществ. Они относительно несложно инсталлируются, скрытны для потенциальных нарушителей, способны обнаруживать утечки газа на самой ранней стадии, не требуют подвода электропитания, а также не подвержены радиационному и электромагнитному воздействию.

Примером такой системы может служить система мониторинга протяженных объектов Аргус-ЭА, разрабатываемая и совершенствуемая компанией «Электроаппарат» (Брянск). Система базируется на разработках компании «Омега», работающей в системе АО «Транснефть». Система в режиме реального времени определяет даже минимальные утечки газа, нефти, а также различных технологических жидкостей. Через считаные минуты оператор получает от СМПО на АРМ информацию о несанкционированной и/или потенциально опасной активности в охранной зоне трубопровода (проезд и остановка транспорта, проход пешеходов, попытки ручной и механической копки). Не в последнюю очередь благодаря эффекту Джоуля-Томпсона (резкое снижение температуры в месте истечения газа из трубы) СМПО показала отличные результаты в ходе тестовых испытаний, состоявшихся на подмосковном полигоне в с.Татаринцево с участием представителей ОАО «Газпром» в 2014 г..

Возвращаясь, однако, к излюбленной теме международных симпозиумов о преимуществах и недостатках различных систем мониторинга газопроводов, нельзя не отметить: существенную сложность по-прежнему представляет отслеживание утечек в местах пересечения трубопроводов с объектами инфраструктуры, водными преградами и другими трубопроводами. Предполагаемая в таких случаях тоннельная прокладка трубы заставляет искать иные способы контроля ее целостности: и разработчики СМПО такое решение предложили.

Созданная специально для магистральных газопроводов СМПО-М (СМПО модернизированная) в дополнение к линейному мониторингу трубопровода на предмет выявления утечек и несанкционированной активности содержит блок фиксации утечек метана.

Таким образом, уникальный для мировой практики аппаратный комплекс СМПО-М обладает следующими важными функциями:

• непрерывный мониторинг герметичности МГ;
• обнаружение утечки газа по виброакустическому каналу за регламентированный промежуток времени;
• обнаружение утечки газа по каналу регистрации изменения температуры за регламентированный промежуток времени;
• определение места и времени наличия 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;
• регистрация довзрывоопасных концентраций метана в подземных переходах;
• определение обрыва ВОК.

Логический модуль (ЛМ) СМПО-М состоит из экранированного шкафа, оптического и электронного блоков канала регистрации виброакустических сигналов, электронно-оптического блока канала регистрации изменения температуры (блока температурной регистрации), релейного блока, блока детекторов метана, источника бесперебойного питания и линейных оптических усилителей. Структурная схема СМПО-М представлена на рис.1


Рис. 1. Структурная схема ЛМ СМПО-М.

Для обеспечения работоспособности СМПО-М волоконно-оптический кабель диаметром не более 16 мм и массой не более 0,55 кг на погонный метр укладывается строительными длинами до 6 км в непосредственной близости от трубы. Оптические, электронные и релейные блоки системы размещаются в экранированном шкафу размерами 800x800x2100 мм. В нем размещаются также блок детектора метана и блок бесперебойного питания (время автономной работы в случае отключения электропитания – не мене 3 часов).


Рис 2. Логический модуль СМПО-М готовится к отправке на магистральный газопровод

Допустимая рабочая температура ВОК составляет от -30 до +60˚С, в то время как ЛМ работоспособен в диапазоне от +1 до +40 градусов, что соответствует стандартному микроклимату в помещениях, где размещается электронная аппаратура.

Уже более пяти лет применяемая на отечественных трубопроводах СМПО обладает техническими характеристиками, достаточными для успешного осуществления мониторинга и ничем не уступающим зарубежным аналогам. Так, установив рабочий режим уже через 10 минут после включения, система определит утечку газа по виброакустическому каналу в течение максимум десяти минут, 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.

Одним из ноу-хау СМПО-М, реализованных в СМПО еще пять лет назад, стало применение линейного оптического усилителя, позволяющего надежно использовать виброакустичский канал на 50-километровой длине с каждой из двух сторон от оптического модуля. Усилитель представляет собой компактный короб, аналогичный устанавливаемому на отметке «25 километров» в месте сварки волокон, для работы которого не требуется электроэнергия. Не в последнюю очередь благодаря усилению сигнала СМПО-М обеспечивает высокую точность в определении всех событий вдоль охраняемого газопровода, составляющую всего 5 метров.

При этом СМПО-М сохраняет все важные функции, заложенные ее создателями и касающиеся мониторинга физической и технологической безопасности эксплуатации газопровода. Порог срабатывания виброакустического канала связан с изменением длины оптического волокна под воздействием внешних возмущений и составляет примерно 30 нм. Такая величина порога срабатывания позволяет СМПО-М при прокладке волоконно-оптического кабеля на глубине не менее 0,7 м регистрировать следующие события:



Возвращаясь к новации, связанной с применением волоконно-оптических детекторов метана, отметим, что их количество на одном волокне может достигать пяти.


Рис 3. Внешний вид кюветы – детектора метана.

Каждая из кювет, выпуск которых начинает компания «ПетроЛайт», способна за время, не более 30 секунд, обнаружить в окружающем воздухе концентрацию метана, не превышающую 1,1%, что значительно превосходит нормативы, установленные стандартами ОАО «Газпром». При этом важно, что кювета-детектор устанавливается в труднодоступных местах – на участках тоннельной прокладки магистрального трубопровода, то есть на пересечениях линий трубопроводов с другими важными коммуникациями. Ключевое значение приобретает с учетом этого обстоятельства другая характеристика СМПО-М: детектор метана может быть удален от логического модуля на расстояние до 50 километров.
В настоящее время с учетом практических потребностей ОАО «Газпром» разработчики из компании «ПетроЛайт» стремятся наделить столь же высокими эксплуатационными данными разрабатываемый ими волоконно-оптический датчик сероводорода.


Рис. 4. Принципиальная схема блока волоконно-оптического детектора метана в составе СМПО-М

На рис. 4 представлена принципиальная схема блока лазерного излучения волоконно-оптического детектора метана, работающего на длине волны, изменяющейся в спектральном диапазоне поглощения детектируемой молекулы. В нем детектор аналитического сигнала (4) оптически связан с блоком лазерного излучателя через одномодовое оптоволокно (12) и аналитическую однопроходную кювету (3). Блок управления и приема (2) осуществляет обработку данных, в то время как блок лазерного излучателя содержит оптически последовательно связанные модуль диодного лазера (5) и волоконный разветвитель (6), одно плечо волокна которого через кювету сравнения (7) оптически связано с детектором сигнала сравнения (8). Второе плечо через дополнительный волоконно-оптический кабель (12) доставляет излучение к объекту исследования.

Следует отметить, что блок управления, приема и обработки данных (2) выполнен в виде трех модулей, а именно цифрового программируемого модуля (9), модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей (ЦАП и АЦП) (10), а также модуля преобразователей аналоговых сигналов (11). Модуль диодного лазера (5) представляет собой диодный лазер с распределенной обратной связью с выходом излучения в одномодовое волокно, генерирующий в ближнем ИК диапазоне (1,651 мкм) излучение мощностью не менее 10 мВт. Аналитическая кювета (3) с волоконным входом и выходом имеет длину оптического пути 50 мм и характеризуется суммарными потерями не более 1 дБ. Кювета выполняется в форме скобы с волоконно-оптическими коллиматорами на торцах или в виде трубки с встроенными фланцами из волоконно-оптических коллиматоров. Детекторы аналитического сигнала (4) и сигнала сравнения (8) - это InGaAs p-i-n фотодиоды с диаметром активной площадки 2 мм.

Проведенные в конце 2014 и начале 2015 гг. испытания новой комплексной системы СМПО-М показали, что наделение традиционной продукции компании «ПетроЛайт» критически важной функцией контроля утечки метана в местах пересечения магистральных газопроводов с прочими протяженными инфраструктурными объектами – решение технически выверенное и в полной мере отвечающее усилиям, предпринимаемым на государственном уровне и направленным на повышение безопасности функционирования объектов ТЭК. Напомним, что в ноябре 2013 г. вступил в действие Приказ № 520 Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (3). Согласно п. 34 этого документа, линейная часть магистральных газопроводов «должна оснащаться техническими средствами, обеспечивающими непрерывный мониторинг по обнаружению утечек и обнаружению актов несанкционированного доступа к указанным средствам, запорной арматуре и средствам дистанционного управления запорной арматурой». В то же время, п.31 Приказа оговаривает, что «для обеспечения безопасности технологического процесса на участках подземных переходов газопроводов через железные и автомобильные дороги общего пользования I-V категории должны быть предусмотрены специальные технические решения по контролю утечек». Именно таким решением и стала модернизированная СМПО, в непростой для отечественной экономики и науки период подтвердившая высокую репутацию российских ученых и производственников.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ:

• 1. По анализу различных систем мониторинга см., в частности, N.Psel, D.Pleshkov, E.Akhmedov 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.
• 2. Н.Псел, Р.Прокопьев, А.Турбин. Методика испытаний модернизированной системы обнаружения утечек и контроля активности для мониторинга газо- и нефтепроводов. Научный журнал Российского газового общества, N 4, 2014 г., стр.87
• 3. Приказ Ростехнадзора от 06.11.2013 N 520 "Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Правила безопасности для опасных производственных объектов магистральных трубопроводов" (Зарегистрировано в Минюсте России 16.12.2013 N 30605)