Обнаружение утечек газа: оборудование и технологии

Контроль утечек метана лазерным методом

Прибор для дистанционного обнаружения утечек метана ДЛС-Пергам помогает предотвратить серьёзные аварии на магистральных газопроводах за счёт своевременного обследования территории с вертолёта или автомобиля.

​Безопасность в газотранспортной индустрии исключительно важна. Эффективно поддерживать программу мониторинга выбросов и детектирования утечек газа в экономически сложную эпоху — это непростая задача для операторов. За прошедшие годы подходы и технологии, используемые для дискретного обнаружения утечек, практически не изменились. А бизнес-конкуренция в газовой промышленности увеличилась и продолжает расти. Более строгие требования со стороны контролирующих органов дают новый импульс альтернативным подходам, таким как лазерные методы детектирования утечек метана.

Кроме того, имеются три основные причины, почему обнаружение утечек газа играет такую важную роль в контроле целостности трубопроводов. Вопрос безопасности даже не обсуждается. Любое происшествие моментально оборачивается миллионными убытками и наносит непоправимый урон репутации компании. Благодаря "движению зеленых" и различным программам мониторинга выбросов парниковых газов, инициаторами которых выступили национальные и международные организации по охране окружающей среды, широкая общественность пристально наблюдает за газовой промышленностью и тем, насколько там соблюдаются экологические стандарты.

Финансовый ущерб из-за утечек является весьма существенным. Даже через утечку среднего размера газ уходит в таком объеме, который со временем принес бы значительный доход. Таким образом, очевидно, что время – или, скорее, периодичность контроля – играет немаловажную роль в программе обнаружения утечек и связанном с ней вопросе финансовой экономии.

«Найдите утечки и найдите их быстро!» – заявил недавно инженер по эксплуатации трубопроводов после презентации программ обнаружения утечек. По существу, это требование и определяет тематику данной статьи.

Сравнение традиционных технологий и лазерного контроля утечек газа

​Насколько разнообразна международная газовая промышленность, настолько разнообразны и подходы к обнаружению утечек. Традиционно команда, оборудованная неким средством для обнаружения газа, таким как пламенно-ионизационный детектор (ПИД), датчик горючих газов или натренированная на газ собака, совершает обходы или двигается на автомобиле вдоль трассы трубопровода и ищет признаки наличия газа. Исключая использование собаки, все технологии позволяют достаточно точно измерять концентрацию газа и имеют возможность оценить размер утечки.

«Эффективная программа мониторинга выбросов и детектирования утечек в экономически сложную эпоху представляет собой непростую задачу для операторов». // Борис Хорн

Чаще всего для обследования магистральных трубопроводов операторы полагаются на результаты визуального осмотра с воздушного судна. Наблюдатель с борта самолета или вертолёта ищет зачахшую растительность над трубопроводом – это признак утечки. Состояние растительности, а также строительные работы (особенно перемещение грунта) в пределах трассы трубопровода необходимо контролировать во время патрулирования. Интересно, что даже операторы трубопроводных линий, имеющих стационарные системы контроля утечек часто проводят периодический осмотр этих линий с воздуха или земли.

Две характерные особенности, которые, главным образом, отличают лазерный прибор от ПИД или датчика горючих газов: лазерный детектор утечки газа может обнаруживать выбросы дистанционно с частотой до 10 импульсов в секунду. Это означает, что команде операторов нет необходимости находиться рядом с трубопроводом и предполагаемым облаком газа. Позже я остановлюсь на вопросе, почему детектирование на расстоянии, а также скорость обследования могут быть очень полезными помимо повышения уровня безопасности команды операторов. Более того, лазерный прибор обнаружения утечек природного газа позволяет измерять даже сквозь некоторые материалы, например, стекло – замечательная характеристика именно этого метода для оценки чрезвычайной ситуации.

Чувствительность детектора на основе лазера — превосходная, можно обнаружить даже самые малые выбросы газа. Если речь идет о точности результатов измерений, то пальма первенства достается ПИД и датчику горючих газов. Тем не менее, точность лазерного прибора более чем достаточна для программ обнаружения утечек из трубопроводов. Обычно основная задача — это найти утечку, а количественная оценка точности измерения концентрации является дополнительной. Сравнение результатов простого визуального патрулирования и патрулирования с использованием инструментального контроля — оценка базируется на возможности детального документирования и раннего, в течение одной минуты, обнаружения признаков утечки.

Сейчас лазерные приборы для обнаружения утечек, включая связанную с ними оптику и электронику, доступны практически всех размеров и конструктивного исполнения. От портативных приборов и систем, устанавливаемых на автомобилях / летательных аппаратах, до стационарных платформ для одно- или многоточечного контроля — все это оборудование имеется на рынке и прошло полевые испытания. Достаточно новая сфера применения лазерных систем детектирования утечек метана, в основном, для хранилищ СПГ — стационарные системы контроля. При использовании высокоэффективных уголковых отражателей возможно проведение измерений вдоль трубопроводной линии на расстоянии до 4 км.

Лазерный течеискатель метана для дистанционного обнаружения утечек с воздуха

Основа лазерного прибора для нахождения утечек метана – это диодный лазер с перестраиваемой частотой и излучением в спектральном диапазоне 1,65 мкм. Метан хорошо поглощает ИК излучение на длине волны 1,65 мкм, что обеспечивает высокую эффективность этого метода.

Лазер наводится на трубопровод с помощью зеркал или призм. Луч лазера отражается от поверхности (либо от самого трубопровода, либо от подземной сети на поверхности над трубопроводом). Отраженное излучение принимается оптическим блоком системы, и благодаря спектроскопической демодуляции сигнала и сложному алгоритму обработки можно вычислить концентрацию газа, если метан присутствует где-то вдоль траектории луча лазера.

Этот метод можно применять для многих других газов, если этот газ хорошо поглощает излучение в определенном спектральном диапазоне. К сожалению, перенастройка системы на другой газ требует существенных изменений параметров лазера, фильтра и алгоритма обработки данных.

Контроль утечек метана лазерным методом

На рисунке показан основной принцип лазерного метода детектирования утечек метана с воздуха. Излучение лазера частично поглощается, если метан присутствует где-то по ходу луча лазера. ​

Применение и меры безопасности

Что касается применения этого оборудования с воздуха, то в целях безопасности необходимо учитывать такие факторы как низкая высота и скорость полёта. Очевидно, что чувствительность зависит, например, от таких условий как скорость ветра, расстояние и фон. Современные бортовые лазерные системы обнаружения утечек метана позволяют выполнять облет на высоте 150 метров над трубопроводом со скоростью до 145 км/ч и добиваться превосходных результатов, даже при порывах ветра до 13 м/с. Эти параметры полета обеспечивают лётчику достаточный интервал времени, чтобы начать посадку на авторотации в случае отказа турбины. Максимальная чувствительность достигается при высоте 75 метров и максимальной скорости ветра 8 м/с. Преимущество других методов контроля с воздуха заключается в том, что, благодаря им можно визуализировать утечку, а также обнаруживать другие газы. Количественное определение почти невозможно и требуется наличие особых погодных условий во время обследования, чтобы получить достаточную интенсивность излучения для функционирования этой технологии. Эти условия ограничивают коммерческую реализацию таких методик в полевых условиях.

«Можно применять этот метод и для многих других газов, если этот газ хорошо поглощает излучение определенного спектрального диапазона». // Борис Хорн

Преимущества ДЛС перед традиционными методами и приборами

Практически все системы, основанные на лазерном методе обнаружения утечек метана, имеют встроенную сравнительную кювету. Эта сравнительная кювета используется для получения стабильного сигнала в реперном канале, а также для автоматического тестирования системы и проверки градуировки. Пользователи традиционных приборов сталкиваются со сложной процедурой ежедневной проверки для обеспечения нормальной работы оборудования. В некоторых странах в соответствии с нормативами такая проверка даже является обязательной. Помимо этой ежедневной проверки, большинство приборов требует ежегодной повторной калибровки.

Многопроходная ячейка ​

Срок службы встроенной сравнительной кюветы до шести лет, и она не требует ежегодной перекалибровки. Более того, она позволяет выполнять проверку системы автоматически каждый раз при ее включении. Обычно этот процесс выполняется в три этапа. На первом этапе подтверждается концентрация метана в сравнительной кювете. На втором этапе осуществляется автоматическая проверка прибора, а третий этап - это проверка калибровки. Только если все три этапа прошли успешно, то с системой можно работать. Эти возможности помогают снизить стоимость эксплуатации системы за счет времени, сэкономленного на проверке системы и, особенно, за счет отказа от ежегодной калибровки. В зависимости от месторасположения ближайшего сервис-центра, на калибровку может уйти, как правило, несколько недель, и она может составлять до 12% от стоимости оборудования.

Многопроходные ячейки для патрулирования на автомобилях

​Автомобильная версия ДЛС-Пергам разработана специально для поиска утечек метана в городских условиях. Концентрация метана у поверхности земли в городских условиях при возможных утечках метана из трубопроводов низкого давления обычно крайне мала. В специальной конструкции лазерной системы детектирования утечек метана используется многопроходная кювета с целью получения порога чувствительности менее 0,1 ppm. В многопроходной кювете, используемой в системах SELMA MPB, луч лазера претерпевает отражение 108 раз. Насос постоянно всасывает воздух с поверхности дороги через сопла системы отбора пробы и прокачивает его через оптический канал. Корректная установка лазера требует максимальной точности изготовления оптического канала, применения только тех материалов, на которые не влияют колебания температуры, а также использования высокоэффективных амортизаторов.

Очевидно, что изготовление такой прецизионной системы приводит к ее относительно высокой стоимости. Однако высокая чувствительность и стабильность показаний этой системы позволят увеличить скорость обследования. При использовании мощных насосов скорость обследования может достигать 50 км/ч. Может показаться, что высокая скорость инспектирования не является критической, но принимая во внимание аварии на дорогах, вызванные медленным перемещением инспекционных транспортных средств, скорость в значительной степени повышает безопасность работы операторов. Помимо экономических преимуществ, связанных со снижением времени проведения работ, более высокие инвестиции в конечном итоге оправданы.

Требования рынка

​В рамках процесса реализации инноваций компания «Пергам» совместно с 46 газотранспортными компаниями из 18 различных стран провела рабочее исследование, касающееся обнаружения утечек. Цель — изучить рабочий процесс полностью - от планирования до архивирования данных, оценить важность обнаружения утечки в этой цепи и вопросы, связанные с доступной сегодня технологией.

Фокус-группу составляли газотранспортные компании, которые не имели внутренней стационарной системы непрерывного контроля утечек. Результат этого исследования показывает, что имеются три основные проблемы — это управление данными, квалификация оператора / контроль работы оператора, а также наличие подтверждения результатов обследования, которое бы удовлетворяло требованиям контролирующих органов, а иногда даже внутренним стандартам компаний.

Подтверждение результатов инспекции

Когда речь идет о документации, удивительно много компаний по-прежнему используют бумажные протоколы для планирования, проведения и анализа результатов съемки на предмет наличия утечек. "Следы от ботинок пешей команды" показывают обследованные области, а утечки обозначают маркером или просто стикерами. Это может звучать слишком обобщенно, но большое число сервисных служб даже в развитых странах всё ещё так выполняют эту процедуру. Рабочая платформа всех лазерных систем контроля утечек метана полностью цифровая, что упрощает возможности формирования отчетности.

GPS-модуль или подключение к мобильному телефону позволяет отслеживать маршрут съемки и устанавливать соответствие результатов детектирования утечек газа с их местоположением. Кроме того, эти данные могут быть проанализированы с целью контроля качества выполнения патрулирования. Нанятые команды не всегда соблюдают процедуру обследования. Основная проблема заключается в том, что для экономии времени специалисты по обследованию используют вместо пешего передвижения некое транспортное средство. В данном случае изменение скорости свидетельствует об «упрощении измерений».

Наложение схем сети трубопроводов на маршрут выполненной съемки дает четкое представление о проведении процесса обследования. Записанные данные содержат маршрут, отметку времени и даты, примечания операторов и основную информацию о приборах вместе с измеренной концентрацией газа. Эта информация может быть обработана для создания отчетов о соответствии техническим условиям и сохранена во всех форматах. Фото- и видеокамеры, доступные дополнительно, обеспечивают привязку к местности и облегчают локализацию обнаруженных утечек.

Управление данными

​

С учетом массивов данных, встречающихся в современном мире, кажется, что проблема управления данными известна каждому. Во время проведенного в 2014 году исследования по поводу дальнейшего использования данных об утечках, из каких отделов данные используются, кто и как может анализировать и обновлять данные, оказалось, что узким местом часто являются штатные высокооплачиваемые специалисты в области ГИС и ИТ. Этим отделам регулярно требуется вводить данные в ПО управления или ПО обследования в полевых условиях.

Крупная канадская газотранспортная компания утверждает, что расходы на подготовку и постобработку данных обследования выше, чем проведение инспектирования на местности. Обследование выполняется подрядчиком, который получает файлы со схемой трубопроводов и отправляет отчет о найденной утечке. 

Мы разработали собственное программное обеспечение для автоматизации сбора, обработки и передачи данных об утечках. ПО «DLS Reporter» обрабатывает файлы данных, созданных в процессе измерения концентрации газа при помощи детекторов утечек метана «ДЛС-Пергам». Основная рабочая программа «GLD Pergam» сохраняет результаты измерений в режиме реального времени. Данные одновременно записываются в пять файлов с различными расширениями,  в них сохраняется вся информация об обследовании (координаты утечек, таблицы утечек, данные с различными режимами измерений, техническая информация). Собранные программой данные можно импортировать в удобные для чтения и обработки форматы.

Новая разработка — система обнаружения утечек газа с БПЛА

​Индустрия БПЛА (беспилотные летательные аппараты) одна из самых быстро развивающихся отраслей во всём мире. Здесь можно реализовать самые безумные и смелые идеи, практика показывает, что большинство из них будут востребованы.

За каких то пару лет гражданский сектор беспилотных летательных аппаратов вырос в индустрию с многомиллионными доходами. В отчете по беспилотным летательным системам, опубликованном Исследовательской службой конгресса США в сентябре 2015 г., количество проданных гражданских БПЛА составляет 300000 с планируемым доходом в 5200-5400 миллионов долларов в 2015 г. Детектор метана на базе БЛА, разработанный для газовой промышленности, был представлен на рынке в середине 2015 г. и сразу же серьезно заинтересовал производителей и сервисные службы, использующие БПЛА, а также компании газоснабжения общего пользования. Поставщики БПЛА часто рассматривают их как универсальное средство для обследования территорий. В газовой промышленности к БПЛА относятся более сдержанно и воспринимают их, скорее, как вспомогательный инструмент.

Изучение применения этой технологии показало, что беспилотный летательный аппарат, оборудованный камерой и лазерным детектором метана, замечательно подходит для обследования пролетов, например, труб под мостами, или для обследования резервуаров для хранения газа; т.е. там, где традиционно требовались леса или подъемная платформа. Другой сферой применения с подтвержденной практической пользой является обследование трубопроводов в сельской местности, где трубопроводы проходят через сельскохозяйственные поля. Наземный контроль также возможен, но в случае повреждения зерновых культур, сервисным службам приходится компенсировать этот ущерб. Инспекторы, выполняющие осмотры в жилых районах, знают о трудностях, которые возникают, когда конец трубопровода и счетчик находятся в закрытой огражденной зоне. При этом много времени и средств уходит на поиск собственника, чтобы договориться о проведении обследования. Детектор метана, установленный на БЛА, позволяет выполнять осмотр таких зон быстро и без ущерба кому-либо. Это справедливо и для обследования объектов на задних дворах. Помимо трубопроводов, технология применяется БПЛА для мониторинга выбросов на местах захоронений отходов, для контроля в устьях скважин или замеров при изыскательских работах.

Эта разработка на основе различных БПЛА доступна для коммерческого применения и прошла успешные испытания. Однако на данный момент она используется в промышленности лишь частично. Препятствием на многих рынках является неясная ситуация с нормативными документами. Национальные авиационные комитеты в большинстве стран работают над структурой для нормативов, но принимается их очень мало. Федеральное авиационное управление США требует, помимо всего прочего, наличие визуального контакта с БПЛА. Обычное расстояние по линии прямой видимости составляет 2,4 км – расстояние, при котором затрудняется обследование даже небольшой сети трубопроводов. В других странах также существуют подобные правила. Вероятно, Япония и Австралия имеют наиболее разработанные правила по использованию БПЛА. В этих странах БЛА уже используются в других областях, например, опрыскивание в сельском хозяйстве. Другим препятствием сегодня является емкость батареи питания – немногие БЛА могут оставаться в воздухе более 40 минут до вынужденной замены батарей. Несмотря на все ограничения, БПЛА, оборудованный детектором газа и камерами, – очень ценное дополнительное средство при разумном применении. Для классического патрулирования на больших расстояниях, основным средством для наблюдения с воздуха в течение следующих нескольких лет, возможно, будут оставаться вертолет и самолеты с неподвижным крылом.

Светлое будущее

Согласно отчету по оборудованию для детектирования газов, опубликованному в сентябре 2015 года исследовательской организацией Global Industry Analysts, ожидается, что к 2020 году мировой рынок аппаратуры для детектирования газов достигнет 3,2 миллиарда долларов США, и этому будет способствовать увеличивающееся в глобальном масштабе количество нормативных документов по безопасности и охране окружающей среды.

Например, в октябре Управление по безопасности трубопроводов и опасным материалам США разработало регламентирующие поправки и предложение к более совершенной системе детектирования утечек, а также к обследованию трубопроводов, подвергшихся воздействию суровых погодных условий или стихийных бедствий. В настоящее время оно находится в стадии рассмотрения. Это и многие другие международные регламентационные предложения наверняка приведут к более строгим правилам относительно обнаружения утечек из трубопроводов по всему миру. Новые технологии, такие как лазерный метод обнаружения утечек метана и более совершенные системы управления данными с непосредственной интеграцией данных по обнаружению утечек в рабочий процесс, адаптируются из промышленности и будут способствовать удешевлению контроля утечек.

Библиография

1. Hodgkinson J., van Well, B., Padgett, M., Pride, R,D., Modelling and interpretation of gas detection using remote laser pointers, Spectrochimica Acta Part A 63 (2006) 929-939, 2005
2. Canis, B., Unmanned Aircraft Systems (UAS): Commercial Outlook for a New Industry, Congressional Research Service 7-5700 - R44192, 2015
3. Federal Aviation Administration Press Release dated Feb. 15, 2015, Summary of Major Provisions of Proposed Part 107, 2015
4. Global Industry Analysts, Inc., Gas Detection Equipment September 2015, Global Strategic Business Report 2014- 2018 ID 347950, 2015
5. Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration (PHMSA), Department of Transportation (DOT), Notice of proposed rulemaking, Docket No. PHMSA-2010-0229, BC 4910-60-W, 2015

​Борис Хорн
Компания «Pergam Technical Services, Inc.»
Директор по развитию бизнеса, Сиэтл, США
bhorn@pergamusa.com