Начинается...

Дистанционный детектор метана для авиационного обследования газопроводов

Дистанционный детектор метана для авиационного обследования газопроводов

О. В. ЕРШОВ – научный сотрудник АО «Пергам-Инжиниринг»

Важной частью техносферы промышленно развитых стран является трубопроводный транспорт углеводородного сырья. Значительную долю этого транспорта составляет система газопроводов природного газа, включающая в себя также различные технологические объекты. Суммарная длина промысловых, магистральных и распределительных газопроводов в России превышает 1 млн км. Газопроводы подвержены постоянному воздействию как природных (изменение температуры почвы и грунтовых вод, подтопления), так и механических (изменение давления внутри трубы и сезонные подвижки грунта) факторов. В результате появляется преждевременная коррозия вплоть до разрушения газопровода, что в итоге приводит к утечкам газа. А это не только его потери, но и формирование газовоздушной взрывоопасной смеси, потенциально приводящей к аварии на газопроводе. Устранение даже незначительной утечки газа предотвращает дальнейшее разрушение газопровода. Поэтому своевременное обнаружение утечек газа является важной частью обследования газопроводов.

Дистанционное обнаружение утечек газа оптическими методами с летательного аппарата имеет много преимуществ по сравнению с другими методами диагностики. Прежде всего за счет оперативности. АО «Пергам-Инжиниринг» разрабатывает и производит лазерные детекторы метана (далее Детекторы) авиационного базирования с 2003 года. В России и странах СНГ эти приборы называются «ДЛС-Пергам», в других странах – ALMA (Airborne Laser Methane Assessment). В настоящее время более 50 приборов данного типа успешно применяются в России и в других странах для обследования подземных газопроводов с различных летательных аппаратов, в первую очередь, с вертолетов. По опыту эксплуатации Детектора за один рабочий день можно обследовать до 500 км газопровода с получением полного отчета о результатах диагностики.

Принцип работы Детектора основан на лазерной спектроскопии и показан на рис. 1. Диодный лазер излучает в импульсном режиме с длительностью импульсов около 100 мкс на длине волны 1,65 мкм, в окрестности которой метан имеет несколько линий поглощения. Излучение лазера отражается топографическим объектом (земля, трава, лес, и т.д.), попадает на приемное параболическое зеркало и фокусируется на фотоприемник. Управление лазером и обработка данных производятся при помощи специальной on-line программы. Длина волны излучения лазера сканируется в каждом импульсе в окрестности линии поглощения метана. Таким образом осуществляется измерение спектра поглощения воздуха в узком спектральном диапазоне. В результате обработки вычисляется концентрация метана вдоль длины оптического пути лазера от прибора до топографического объекта. Результаты измерения концентрации метана выводятся на экран монитора в виде графика (в режиме реального времени). Все данные записываются в память компьютера для дальнейшей обработки и автоматической генерации отчета.

При утечке газа из трубопроводов образуется облако метана с неоднородным распределением его концентрации. При помощи системы GPS, используемой в приборе, можно получать пространственное распределение метана в окрестности места утечки с привязкой к координатам. Траектория движения и места зарегистрированных утечек отображаются на электронных картах в генерируемом отчете об обследовании.

Прибор имеет систему видеорегистрации с 2–4 видеокамерами в различных модификациях детектора. Оператор получает изображение с камер в режиме on-line, что очень удобно для маршрутизации полета. Записанное видео при обследовании газопровода дает дополнительную информацию о состоянии газопровода и позволяет получить снимки мест обнаруженных утечек газа.

Принцип действия дистанционного детектора газа «ДЛС Пергам»

Рис. 1. Принцип действия дистанционного детектора газа «ДЛС Пергам»: 1 - приемное зеркало; 2 - фотодетектор; 3 - лазер; 4 - объектив; 5 - светоделитель; 6 - реперный канал прибора.

На протяжении 16 лет инженеры компании АО «Пергам-Инжиниринг» непрерывно работают над усовершенствованием приборов с целью улучшения метрологических параметров (прежде всего чувствительности и быстродействия) и удобства интерфейса пользователя как программы on-line, так и программы генерации отчетов. Последняя модель детектора – прибор ALMA G4 (Generation 4). Данный прибор был разработан специально для летательных аппаратов малой авиации, которые гораздо экономичнее при обследовании газопроводов по сравнению с крупными вертолетами типа МИ-24. Его массогабаритные параметры значительно меньше по сравнению с предыдущими моделями детекторов. Габаритные размеры оптического блока: 300х280х340 мм, вес – 5 кг, а вес блока электроники с компьютером – 8 кг. В данной модели применен новый тип диодного лазера и дополнительно – усилитель мощности излучения лазера. Это позволило получить выходную мощность лазерного луча более 70 мВт. Несмотря на относительно большую выходную мощность, данное излучение по-прежнему относится к классу 1 (безопасно для глаз) на расстояниях более 2 м от прибора.

В новой модификации детектора применена цифро-аналоговая электроника с увеличенной частотой оцифровки и более мощный компьютер. Это позволило сократить минимальное время обнаружения утечки до 0,03 сек. Теперь стало возможным проводить обследование газопроводов на самолетах малой авиации типа Cessna (Цессна) или Diamond (ДА-42) со скоростью 150 км/час, которая является допустимой безопасной скоростью полета самолетов.

Увеличенная выходная мощность лазера и малошумящая электроника детектора ALMA G4 позволили улучшить пороговую чувствительность обнаружения газа. Она составляет 5 ppm*m на высоте 30 м (высота наилучшей чувствительности). При этом даже на высоте 150 м пороговая чувствительность прибора составляет 80 ppm*m, что достаточно для обнаружения даже слабых утечек газа. (Примечание: ppm – part per million – одна миллионная часть объемной концентрации метана. 5 ppm*m соответствует 0,0005 НПКР*м, а 80 ppm*m – 0,008 НПКР*м.)

Что касается on-line программы управления прибором, то при ее модификации был улучшен интерфейс пользователя и усовершенствована программа обработки сигналов с фотоприемников. В программу включены дополнительные математические процедуры – функции корреляции аналитического и реперного сигналов. Это позволило практически исключить ложные срабатывания, что, в свою очередь сэкономит время и средства при проведении работ по подтверждению результатов обследования газопроводов.

Прибор ALMA G4 прошел успешные испытания на самолетах различных типов в Германии, США, России и Казахстане.  В настоящее время компанией АО «Пергам-Инжиниринг» организовано мало-серийное производство таких детекторов метана.

Установка ALMA G4 на вертолете типа Bell Jet Ranger

Рис. 2. Установка ALMA G4 на вертолете типа Bell Jet Ranger

Установка ALMA G4 на самолете типа Cessna

Рис. 3. Установка ALMA G4 на самолете типа Cessna

На рис. 2 и рис. 3 показаны примеры установок прибора ALMA G4 на вертолет Jet Ranger и на самолет Цессна. На вертолете оптический блок был установлен снаружи, на нос вертолета, а электрические кабели от оптического блока проходят вдоль борта вертолета к блоку электроники в кабину вертолета, где располагается место оператора с компьютером. Что касается самолета Цессна, то на данной модели самолета имеется большой люк, над котором был установлен оптический блок Детектора.

На рис. 4 в качестве примера показана карта обследования с вертолета газопровода в Рязанской области. На карте обозначена траектория полета вертолета с прибором ALMA G4. На траектории обозначены 3 места зарегистрированных утечек газа, которые отмаркированы разным цветом в зависимости от измеренной концентрации газа.

Карта обследования газопровода

Рис. 4. Карта обследования газопровода

Еще одна модернизация дистанционного детектора газа ALMA G4 – применение системы сканирования лазерного луча. В результате лазерный луч описывает окружность на топографической мишени. При использовании данной сканирующей системы на летательном аппарате, при обследовании газопроводов, траектория перемещения лазерного луча приобретает вид, показанный на рис. 5.

Траектория движения лазерного луча по поверхности земли при применении сканирующей системы

Рис. 5. Траектория движения лазерного луча по поверхности земли
при применении сканирующей системы
  • Черная линия – проекция траектории вертолета на землю.
  • Красная линия – траектория движения лазерного луча по поверхности земли.
  • Красные точки проставлены через 10 миллисекунд.

Эта траектория перемещения лазерного луча получается на высоте 100 м при скорости летательного аппарата 100 км/час. Из данного рисунка видно, что полная ширина области обследования при выбранных параметрах составляет 25 м.

Таким образом, применение системы сканирования позволило увеличить ширину зоны обследования при инспекции газопроводов. Это особенно важно, когда необходимо обследовать несколько параллельных ниток газопровода за один пролет летательного аппарата. Чувствительность, быстродействие и система сканирования дистанционного детектора ALMA G4 позволяет проводить эффективные обследования газопроводов на предмет утечек газа, а дополнительное применение программы обработки данных и системы видеорегистрации позволяют получать удобный отчет с полной информацией о газопроводе.

Скачать статью в формате pdf →