Резюме: Компания «ОМЕГА» разрабатывает и производит многофункциональные системы мониторинга для протяженных объектов которые в режиме реального времени указывают на утечки газа, нефти и других жидкостей, утечки в многофазных трубопроводах, а так же на активность третьих лиц в охранной зоне с использованием волоконно-оптического кабеля (ВОК) в качестве чувствительного элемента. Система Обнаружения Утечек и Контроля Активности (СОУиКА) компании ОМЕГА обеспечивает точное обнаружение местонахождения и характера вибраций, пространственных перемещений и изменений температурных характеристик вдоль и вблизи протяженных объектов, таких как трубопроводы, нефтяные скважины, железные дороги, автомобильные дороги и линии электропередач. Оснастив более 5028 км трубопроводов СОУиКА, в последнее время компания находится в постоянном поиске путей совершенствования технологий мониторинга с использованием волоконно-оптического кабеля (ВОК), которые разрабатывались по всему миру в течение почти 40 лет, но считаются имеющими существенные недостатки.

Ключевые слова: волоконно-оптический мониторинг, магистральные трубопроводы, специфика протяженных объектов, системы параметрического контроля.

СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК: "НЕОБХОДИМО БОЛЬШЕ РАЗМЫШЛЕНИЙ"
Недавно опубликованное исследование Администрации безопасности трубопроводов и опасных материалов при Департаменте Транспорта США, обращается к ряду инцидентов последних лет и приходит к выводу, что только небольшой процент утечек во всем мире был обнаружен и подтвержден существующими системами обнаружения утечек на трубопроводах (1).

Ссылаясь на многочисленные технические отчеты авторы статьи защищают мнение, что "в связи с сигналами тревоги утечки требуется гораздо более обдуманный подход, решением могут быть несколько независимых систем обнаружения утечек и обучение персонала для более детального понимания физических принципов вызывающих сигнал тревоги".

Именно этот момент был реализован научными и строительными подразделениями компании ОМЕГА, стремящейся уменьшить вероятность ложных тревог, все еще происходящих на оборудованных нефтепроводах. До настоящего времени концепция ОМЕГА предусматривала использование двух чувствительных приборов, разработанных для обнаружения утечек и контроля активности - DTS (распределенный датчик температуры) и DVS (распределенный датчик вибрации) соответственно.

Помимо традиционно внутренне-размещенных технологиях, основанных на анализе баланса объема, скорости изменения давления и потока транспортируемого продукта, существует четыре основных технологии, соответствующие различным идеологическим подходам к обнаружению утечки: обнаружение основанное на применении ВОК, модель переходных процессов в реальном времени (RTTM), статистический анализ (SA) и анализ волны отрицательного давления (NPWA).

RTTM представляет собой гидравлическую модель получающую данные полевых приборов с нескольких объектов, таких как пункты подачи/приема продукта, насосные и компрессорные станции. SA рассматривает ряд различных сигналов трубопровода из которых поток, давление и температура остаются наиболее значимыми. NPWA изучает форму давления волны и силу утечки. Методы основанные на применении ВОК используют свойство оптического кабеля регистрировать отклонение в акустическом поле и температуре вблизи трубопровода (или других протяженных объектов).

ДИЛЕММА СИСТЕМ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧКИ ОСНОВАННЫХ НА ВОК
Общим мнением, которое подтверждено вышеупомянутым исследованием в США является то, что ни один из доступных методов не является совершенным. "Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, например, большинство методов обнаружения, основанных на внешне-размещенных технологиях способны выявить небольшие утечки и точно установить их местонахождение, но перевооружение кабелями существующих трубопроводов может оказаться невозможным, датчики и камеры могут обнаружить утечки только в пределах полосы зондирования или в поле видимости - сообщила представитель компании ATMOS International Джун Жанг на конференции PSIG 2013 в Праге (2). - "Таким образом, большинство методов обнаружения, основанных на внешне-размещенных технологиях используются для рутинного наблюдения, а не непрерывного мониторинга. Утечка может оставаться незамеченной до следующего осмотра".

Последний момент вызвал оживленную дискуссию и указал новое направление для исследований компании ОМЕГА в стремлении улучшить точность обнаружения утечки и свести к минимуму степень ложных тревог. Для достижения этой цели ученые сделали все возможное, чтобы использовать одно из основных преимуществ систем компании ОМЕГА, которое состоит в комбинации DTS и DVS в составе СОУиКА. Идея была довольно проста - подтвердить сигнал утечки, полученный измерением температуры, сигналом изменения акустического поля в соответствующем месте трубопровода и тем самым кардинально улучшить надежность всей системы.

Задача состоит в том, что до сих пор системы компании ОМЕГА в основном использовались на нефтяных и частично водных водопроводах, в то же время некоторые теоретики считают, что системы обнаружения утечек основанные на ВОК больше подходят для газопроводов, в частности из-за эффекта Джоуля - Томсона, представляющего собой значительный перепад температур когда газ под давлением поступает в окружающую среду. Кроме того, даже небольшие утечки газа сопровождаются интенсивным акустическими вибрациями, которые легко обнаружить соответствующими датчики ВОК системы.

Другой общепринятый недостаток систем мониторинга трубопроводов на основе ВОК является то, что такие системы трудно проверить в действительности. Чтобы убедить возможных скептиков, компания ОМЕГА использует специально разработанные трубы с клапанами, которые могут быть открыты или частично открыты удаленно. Есть и другие методы для изменения температуры вблизи трубопровода во время испытаний, например использование проливания воды.

КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ: DTS И DAS ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК
Компания ОМЕГА разработала и недавно успешно испытала новое устройство на нефтепроводе ОАО «МН «Дружба» вблизи города Брянска. Используя терминологию при поддержке коллег из Европы и Америки, компания ОМЕГА описывает новый продукт как распределенный акустический датчик (DAS), который станет логическим продолжением распределенного датчика вибрации (DVS), описанный специализирующимся на аспектах безопасности трубопроводов немецким журналом "3R International" в прошлом году (3).

Разница действительно имеет значение: ОМЕГА DAS способен измерять и воспроизводить для диспетчера истинное акустическое поле на двух 50 километровых рукавах с каждой стороны логического модуля. Устройство посылает оптический сигнал в волокно и следит за естественные отражениями которые рассеиваются назад по ВОК. Анализируя эти отражения и измеряя время между пуском лазерного импульса и получением отраженного сигнала, DAS измеряет акустический сигнал во всех точках вдоль ВОК.

Упомянутые тестовые испытания подтвердили, что обладающая новыми качествами СОУиКА на основе DAS будет, как минимум, иметь следующие характеристики: максимальная дальность охвата с оптическим усилителя - 50 км, длина виртуального измерительного канала: 5 м и менее, чувствительность изменения фазы сигнала: 0,1 - 0,2 радиана, диапазон анализируемых частот: 1-500 Гц при рекуррентности импульса 1 кГц.

Как и в случае с DVS, недавно разработанная компанией ОМЕГА архитектура DAS заставляет ВОК работать как набор виртуальных микрофонов и в качестве средства передачи расчетной информации. DAS использует когерентную оптическую рефлектометрию (COTDR) для анализа обратно-рассеяного света Рэлея и для записи колебаний в нескольких виртуальных каналах, число которых может доходить до десятков тысяч, с чувствительностью помех и точностью воздействия расположения каждого +/- 5 м. Сотни событий могут быть обнаружены и "услышаны" одновременно и независимо друг от друга. Для более коротких по оснащению проектов, традиционная длина виртуального микрофон в 5 метров может быть уменьшена до 3 метров, поскольку новое устройство обеспечивает широкие возможности для изменения рабочих параметров. Таким образом, уменьшение пространственного разрешения может улучшить показатель отношения сигнал/шум, тем самым снижая последствия шумового воздействия.

ОМЕГА DAS: ШАГ НАВСТРЕЧУ НОВЫМ КАЧЕСТВАМ И ВОЗМОЖНОСТЯМ ПРИМЕНЕНИЯ
Новый DAS с линейной архитектурой характеризуется малыми физических размерами и революционным дизайном в области оптоэлектроники. Прибор выполнен для измерения отраженного сигнала со значительно более высокой точностью и скоростью, что позволяет производить акустическую запись, ведя регистрацию событий и при необходимости преобразовывать ВОК в акустическую антенну с очень высокой чувствительностью и амплитудно-частотной характеристикой. Эти особенности будут продвигать новые варианты отслеживания событий и позволит реализовать данную технологию в других областях мониторинга. Последнее открывает новые горизонты для компании ОМЕГА, которая готова работать не только с нефте- и газопроводами, но также с железными дорогами, линиями электропередач и особо охраняемыми объектами.

Несмотря на то, что исторически компания ОМЕГА имеет в качестве главного приоритета нефте- и газопроводы, компания собирается более эффективно использовать недавно разработанные системы DAS для более надежного и быстрого обнаружения утечек и местонахождения физической активности. Основной из новых способностей СОУиКА является дублирование сигнала утечки путем применения как DTS так и DAS. Для достижения этой новаторской цели в сотрудничестве с ведущими учеными МГУ создается специальная библиотека распознавания источников вибраций при утечках газа и жидкости. Одним из факторов ведущих к уверенному обнаружению утечек и распознаванию различных событий является линейность фазо-частотной характеристики, где входной сигнал четко соответствует выходному, что так же выражается в стабильности амплитудно-частотной характеристики в диапазоне 1–2 кГц. Таким образом, устройство на основе линейного DAS способно сохранить форму входящего сигнала обратного рассеяния и осуществления морфологических функций распознавания.

Одним из общепризнанных недостатков DVS является сложность точной настройки каналов дальности по отдельности, поэтому во многих случаях одно и то же событие может быть отображено с разными амплитудами. Наличие виртуальных акустических микрофонов, распределенных вдоль ВОК и обладающих заданными характеристиками обеспечивает нормализацию всех сигналов в каждом канале дальности. Это ключ не только к очень точному распознаванию событий, но путь к решению еще одной важной задачи - вычисление расстояния между установленным событием и трубопроводом. Эта "2D" технология открывает путь к определению воздействий не только вдоль трубопровода, но перпендикулярно к нему, например таких как пешеход или автотранспорт. На втором этапе алгоритмического анализа происшествий диспетчер может следить за событием в развитии и СОУиКА готова отфильтровать естественные события от опасных, не ставя под угрозу трубопровод и сопутствующие объекты.

Еще одним практическим преимуществом ОМЕГА DAS является расширение рабочего диапазона температур СОУиКА от +5 ... +25°C, в случае DVS, до +1 ... +40°С. В связи с тем, что многие трубопроводные проекты на Ближнем Востоке и в Латинской Америке не могут обеспечить оснащенные кондиционерами помещений для установки оборудования, вышеописанное нововведение приведет к снижению затрат на установку оборудования и уменьшению энергопотребления. Расширенные возможности по реализации ОМЕГА DAS на надземных и подводных трубопроводах является еще одним важным рыночным преимуществом новой системы.

Осознание того, что новая версия СОУиКА компании ОМЕГА будет обнаруживать еще более малые утечки, может быть усилено за счет её интеграции с параметрическими системами обнаружения утечек любого рода, что очень важно в связи с соответствующими техническими требованиями или законодательством ряда стран.

Продолжая список преимуществ системы обнаружения утечек и контроля активности основанной на DAS, ответственный и экологически-ориентированный оператор трубопровода может заметить, что DAS не чувствителен к любым изменениям свойств жидкости и не зависит от переходных процессов трубопровода. Обнаружение места утечки на газовых, жидкостных и многофазные трубопроводы происходит быстро и точно и несколько одновременных утечек могут быть обнаружены с такой же высокой точностью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

• 1/ Администрация безопасности трубопроводов и опасных материалов при Департаменте Транспорта США, Итоговый отчет №. 12-173, “Leak Detection Study – DTPH56-11-D-000001”, Дэвид Шо, Мартин Филипс, Рон Бэкер, Эдуардо Муньоз, Хамуд Рехман, Кэрол Гибсон, Кристин Майерник, 10-е декабря 2012 г.
• 2/ Обзор технологий обнаружения утечек на трубопроводах, Джун Жанг, Энди Хофман, Киф Мёрфи, Джон Люис, Майкл Твуми – ATMOS International. Доклад на конференции PSIG 2013 в Праге, 2013.
• 3/ 3R International, технический журнал целостности и эффективности трубопроводных систем, издательство Vulkan-Verlag, Эссен, Германия, cпецномер 2/2012, стр.63-65.