Резюме: Разработан и запускается в серийное производство волоконно-оптический детектор метана (ВОДМ), предназначенный для непрерывного мониторинга объемной концентрации метана в воздухе, выполненный на основе диодного лазера ближнего ИК диапазона. ВОДМ стал дополнением к Системе мониторинга протяженных объектов (СМПО), внедряемой компанией «ПетроЛайт» на трубопроводах страны.

Ключевые слова: волоконно-оптический датчик метана, мониторинг трубопроводов газа и нефти, волоконно-оптический датчик, Система мониторинга протяженных объектов «ОМЕГА», утечка метана из трубопровода.

Точная и своевременная локализация утечек газа имеет первоочередное значение для поддержания безопасного технологического режима эксплуатации магистральных газопроводов. С учетом крайне опасной динамики развития малейших дефектов трубы эта проблема становится ключевой не только для сохранения экосистем в местах прокладки трубопровода, но даже для сбережения жизни как специалистов газотранспортной системы, так и местного населения.

Особую технологическую сложность по понятным причинам представляет контроль за целостностью трубы, проложенной в тоннеле, кожухе или иным способом, затрудняющим постоянный доступ к ней. В случае нарушения целостности потенциальные угрозы многократно возрастают. А с учетом того, что тоннельная прокладка часто практикуется на пересечениях трубопроводов с другими важными коммуникациями (шоссейные и железные дороги, водные артерии, другие трубопроводы), опасность даже от малой на первых порах утечки может достигать критического уровня.

В этой связи детектор метана, надежно решающий обозначенную проблему, кроме высокой чувствительности и быстродействия должен обладать следующими техническими характеристиками:

• порог срабатывания при измерении концентрации - не выше 60% от нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР);
• температурный диапазон детектирования как минимум от - 20 до +55 град;
• максимальная влаго- и пылезащищенность.

Практические соображения эксплуатации газопроводов, а также сравнение различных методов обнаружения малейших утечек метана говорят в пользу того, что датчик подразумевается выносной, волоконно-оптический, и надежно работать он должен на удаленности не менее 50 км.

Между тем, применяемые в настоящее время датчики и детекторы метана не обеспечивают безусловного выполнения всех вышеперечисленных требований. Известны публикации зарубежных авторов, в которых впервые с использованием диодных лазеров ближнего ИК-диапазона и оптоволокна было продемонстрировано дистанционное детектирование метана. В работе К.Чана [1] для этих целей использовался многомодовый диодный лазер Фабри-Перо, генерировавший на длине волны 1,61 мкм, однопроходная оптическая кювета длиной 0,5 м и оптическое волокно километровой длины. Чувствительность к детектированию метана составила при этом 0,07 % от НКПР. В статье Э.Мохебати [2] при детектировании метана использовался диодный лазер Фабри-Перо на длине волны 1,33 мкм, метровая оптическая кювета с волоконным входом и выходом, а также оптоволокно длиной в несколько километров. Чувствительность к детектированию метана составила сравнимые с результатом первого опыта +/-0,05 %.

Основным недостатком этих работ явилось существенное ограничение области их применения ввиду технической сложности систем, малой мощности излучения диодных лазеров, низкой эффективности ввода излучения в волокно, и как результат – незначительной дальности действия испытанных систем.

В декабре 2014 года московская компания «ПетроЛайт» продемонстрировала образец волоконно-оптического детектора метана (ВОДМ), предназначенного для непрерывного мониторинга объемной концентрации метана на основе диодного лазера ближнего ИК диапазона. Прибор является стопроцентной отечественной разработкой и реализован в двух вариантах: волоконный с доставкой излучения к удаленной однопроходной кювете и дистанционный на основе телескопической системы.


Рис. 1. ВОДМ на основе телескопической системы.

Детектор, выполненный на основе телескопической системы, предназначен для укрепления на поворотном шасси. Он способен функционировать в непрерывном режиме, регистрируя эмиссию метана в атмосферу от технологического оборудования, коммуникаций и арматуры на расстоянии до 150 м с разрешающей способностью 20 ppm – то есть улавливая до 20 молекул метана на миллион прочих содержащихся в воздухе. Анализ средств измерения концентрации метана, приведенных в отраслевом стандарте СТО ГАЗПРОМ 031-2007, показал, что разработанный ВОДМ существенно превосходит рекомендованные к применению аналоги.

Присутствовавшие на испытаниях представители ОАО «Газпром» констатировали, что детектор может быть использован для обнаружения превышения порогового уровня загазованности метаном в зоне переходов газопроводов через железные и автодороги I–V категорий. При этом основным преимуществом разработки является значительная удаленность детектора от электронного блока обработки сигнала, составляющая не менее 50 км, а также возможность увеличить на этой удаленности число каналов детектирования как минимум до пяти.

Представленный ВОДМ содержит блок лазерного излучения с длиной волны, изменяющейся в спектральном диапазоне поглощения детектируемой молекулы, и детектор аналитического сигнала, оптически связанный с блоком лазерного излучателя через одномодовое оптоволокно. В конструкцию также входят аналитическая кювета, а также блок управления, приема и обработки данных; блок лазерного излучателя, волоконный разветвитель, одно плечо волокна которого через кювету сравнения оптически связано с детектором сигнала сравнения, а второе - с волоконным входом и выходом.

Для реализации поставленных задач был выбран диодный лазер с распределенной обратной связью (РОС ДЛ) с волоконным выводом излучения, генерирующий на длине волны 1,651 мкм, с мощностью излучения не менее 10 мВт. Принцип действия прибора основан на том, что в спектральном диапазоне 1-2 мкм располагается интенсивная колебательно–вращательная полоса поглощения метана v1+3, изолированная от спектральных полос других атмосферных газов и легких углеводородов и позволяющая осуществлять регистрацию газа в широком диапазоне концентраций и при малых оптических длинах трасс.

Система управления диодным лазером, регистрации и последующей обработки сигналов обеспечивает стабилизацию и регулировку температуры и тока инжекции ДЛ. Она перестраивает длину волны генерации ДЛ по заданному временному закону, позволяя дополнительно проводить амплитудно-частотную модуляцию циклов сканирования тока накачки для минимизации вибрационных и фликкерных шумов. Система регистрирует и оцифровывает сигналы, прошедшие через тестовый объект, вычисляет концентрацию метана в воздухе и отображает регистрируемые параметры на дисплее оператора в режиме реального времени.


Рис. 2. Волоконно-оптический детектор метана (ВОДМ) производства компании «ПетроЛайт»

Блок лазерного излучения (1) ВОДМ, представленного компанией «ПетроЛайт» и ныне уже запущенного в серийное производство, работает на длине волны, изменяющейся в спектральном диапазоне поглощения детектируемой молекулы. 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.

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) обладает функцией распределенной обратной связи с выходом излучения в одномодовое волокно. Лазер генерирует 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.

Устройство работает следующим образом. Диодный лазер по команде цифрового программируемого модуля и модуля ЦАП и АЦП генерирует последовательность коротких импульсов на длине волны, совпадающей с линией поглощения детектируемого газа. Импульсы тока накачки диодного лазера трапециевидные, что позволяет дополнительно проводить сканирование излучения в области центра линии поглощения, захватывая весь контур линии и обеспечивая тем самым высокую селективность к выбранной газовой компоненте. С помощью информации, поступающей от детектора сигнала сравнения, производится настройка прибора, а именно выведение диодного лазерного излучателя в заданный диапазон длин волн. Это происходит за счет изменения температуры термоэлемента Пельтье, на котором расположен диодный лазер. Управление током термоэлемента Пельтье осуществляется из цифрового программируемого модуля через модуль ЦАП и АЦП, а также модуль преобразователей аналоговых сигналов. Измерение температуры осуществляется посредством датчика температуры, расположенного на термоэлементе Пельтье рядом с диодным лазером. Электрический сигнал от датчика температуры поступает в цифровой программируемый модуль через модуль преобразователей аналоговых сигналов и модуль ЦАП и АЦП.

Сигнал, регистрируемый фотоприемником после прохождения излучения лазера через исследуемый газ, можно представить в виде:

,

где

Io – излучение лазера, T(v), K(v) - спектры пропускания и поглощения соответственно, - сечение поглощения, Рo= 1 атм – давление исследуемой газовой смеси, С – концентрация детектируемой молекулы, L – длина оптического пути в кювете с исследуемым газом.
После прохождения излучения через исследуемую газовую смесь регистрируется спектр пропускания.


Рис 3. ВОДМ в виде кюветы, представленный в ходе испытаний.

По окончании процесса настройки прибор переходит в режим стабилизации диапазона перестройки длины волны по спектру вещества, находящегося в кювете сравнения, и он готов к проведению измерений. Далее часть излучения с помощью волоконного разветвителя попадает в кювету сравнения и регистрируется детектором сигнала сравнения. Канал сравнения выполняет две функции: вычисление концентрации метана и проведение дополнительной температурной стабилизации циклов сканирования тока накачки диодного лазера по линии поглощения газа в кювете сравнения.

Реперная кювета содержит известную концентрацию исследуемого газа уширенного до атмосферы воздухом. Следующая часть излучения диодного лазера от волоконного разветвителя попадает в волоконно-оптический кабель, доводится до объекта исследования и попадает на вход кюветы. В кювете происходит прямое поглощение излучения лазера в случае присутствия детектируемого газа. Выходное излучение из кюветы с использованием выходного оптоволоконного кабеля попадает на вход детектора аналитического сигнала, усиливается и оцифровывается, после чего с помощью цифрового программируемого модуля производится вычисление концентрации детектируемого газа.

Технические характеристики волоконно-оптического детектора метана, полученные экспериментальным путем, таковы: длина оптоволокна в один конец – до 50 км, оптическая длина аналитической кюветы - 50 мм, чувствительность к измерению объемной концентрации метана - менее 0,02 % при времени регистрации менее 30 мс.

Аппаратные и программные средства, обеспечивающие высокие технические характеристики устройства, позволяют существенно увеличить дальность приема, а также число аналитических каналов детектирования метана (см. рис.4).


Рис.4. Увеличение числа аналитических каналов при параллельной схеме подключения кювет в ВОДМ, где 1 - первая кювета детектирования, 2 - вторая кювета, N - «энная» кювета детектирования.

Для этого по пути следования оптоволокна параллельно через волоконные разветвители добавляются аналитические каналы с оптической кюветой и возвратным оптоволокном и соответствующим детектором аналитического сигнала. Модуль преобразователей аналоговых сигналов (11 на рис.2) в этом случае оптимизируется под число аналитических каналов. Преимущества вышеописанной схемы подключения обусловлено независимостью (автономностью) аналитических каналов в случае выхода из строя одного из них.

Вообще же детектирование метана (СН4) в ВОДМ производства компании «ПетроЛайт» происходит в окрестности 1,65 мкм, где располагается полоса 2v2+v3. Спектр поглощения метана в диапазоне 1.65 мкм приведен на рис. 5 для длины кюветы 5 см при концентрации метана 1%.


Рис. 5. Спектр поглощения метана в ближнем диапазоне длин волн.

Как следует из использованных авторами изобретения спектроскопических параметров линий метана, взятых из базы данных HITRAN-2012 [3], наиболее интенсивная линия поглощения R4 находится в диапазоне 1,651 мкм. Она была выбрана в качестве аналитической при детектировании метана при оптической плотности в 2.2%. На рис. 6 представлена линия R4 (черная линия) совместно с линией поглощения воды (синяя линия). По оси у представлена оптическая плотность в логарифмическом масштабе.


Рис. 6. Спектры поглощения метана и паров воды в области 1,651 мкм.

Из рис. 6 вытекает, что поглощение паров воды на 4 порядка меньше поглощения метана. Следовательно, даже при концентрации паров воды, близкой к нормальной атмосферной (порядка 2-3%), и при комнатной температуре поглощение воды не оказывает влияния на детектирование метана). При этом линии поглощения СО2 и других атмосферных газов существенно отстоят от полосы поглощения метана.


Рис. 7. Испытания ВОДМ: автоматическое определение довзрывоопасной концентрации метана.

Касаясь соответствия СМПО-М принятым в ООО «Газпром» техническим нормам, следует отметить, что согласно отраслевому стандарту СТО Газпром 031-2007 погрешность прямых измерений концентрации метана не должна превышать +/-25%, в то время как датчикам довзрывоопасных концентраций метана предписан порог срабатывания 20% НКПР.

Проведенные ООО «ПетроЛайт» испытания показали, что в промышленном образце СМПО-М могут быть реализованы следующие технические характеристики:

• 1. Порог срабатывания, % 1+/-0,02
• 2. Время срабатывания, не более, с 20
• 3. Допустимая рабочая температура, С от +1 до +40
• 4. Время установления рабочего режима после включения питания логического модуля, мин 10
• 7. Количество подключаемых детекторов метана, не более, шт. 5
• 8. Удаленность детектора от логического модуля, не более, км 50

Важной особенностью ВОДМ с точки зрения практического применения является его логичное сочетание с Системой мониторинга протяженных объектов (СМПО), свыше пяти лет успешно применяемой более чем на пяти с половиной тысячах километров трубопроводов ОАО «АК «Транснефть» через созданное при участии ООО «ПетроЛайт» ЗАО «ОМЕГА» [4]. Наделяя СМПО все новыми полезными свойствами, ее разработчики превратили эту российскую инновацию в контрольно-измерительный комплекс, до сих пор основывавшийся лишь на распределенных волоконно-оптических датчиках. Прошедшая сертификацию модернизированная версия СМПО-м, применение которой ввиду ее очевидных преимуществ над аналогичных разработками не за горами, сможет не только оградить трубопроводы от нежелательной активности в охранной зоне и своевременно сообщать об утечках газа, нефти или иных технологических жидкостей. Новая возможность быстро и точно распознавать довзрывоопасные концентрации метана в подземных переходах газопроводов существенно повысит эффективность СМПО в целом.

Серийный выпуск ВОДМ, который в рамках хорошо известной как в России, так и за рубежом СМПО станет важным дополнительным инструментом сохранения экологической и технологической безопасности газопроводов, компания «ПетроЛайт» начнет уже в этом году.

ИСТОЧНИКИ:

• 1. Chan, K., “An Optical Fiber-Based Gas Sensor for Remote Absorption Measurement of Low-Level Methane Gas in Near-Infrared Region”, J Lightwave Tech. LT-2 (1984) pp. 234-237.
• 2. Mohebati, A., et al. “Remote Detection of Gases by Diode Laser Spectroscopy”, J Modern Optics 35 (1998) pp. 310-324.
• 3. http://www.cfa.harvard.edu/hitran. Обращение 15 февраля 2015 г.
• 4. Подробная информация об СМПО и Системе обнаружения утечек и контроля активности (СОУиКА «ОМЕГА» - разновидности СМПО, применяемой на нефте- и нефтепродуктопроводах ОАО «АК «Транснефть»): на сайте www.omega.transneft.ru. О проведенных ранее испытаниях СМПО с участием представителей ООО «Газпром» см. «Научный журнал Российского газового общества», №4, 2014 г., стр. 86-91.

SOURCES:

• 1. Chan, K., “An Optical Fiber-Based Gas Sensor for Remote Absorption Measurement of Low-Level Methane Gas in Near-Infrared Region”, J Lightwave Tech. LT-2 (1984) pp. 234-237.
• 2. Mohebati, A., et al. “Remote Detection of Gases by Diode Laser Spectroscopy”, J Modern Optics 35 (1998) pp. 310-324.
• 3. http://www.cfa.harvard.edu/hitran. Opened Febuary 2nd,2015 г.
• 4. Detailed information about the SMEO and Leak Detection and Activity Control System (OMEGA Company LDACS - a form of SMEO applied at oil pipelines of JSC Transneft): www.omega.transneft.ru. Further information about previous SMEO test trials with participation of Gazprom representatives see "The Scientific Journal of the Russian Gas Society», issue 4, 2014, pp. 86-91.