Лазерный детектор ДЛС-ПЕРГАМ. Испытания по детектированию минимальных утечек метана из магистрального газопровода

Мобильные дистанционные детекторы метана

АО «Пергам-Инжиниринг» разрабатывает и производит мобильные дистанционные детекторы метана «ДЛС-Пергам» (в международной классификации ALMA – Airborne Leak Methane Assessment) начиная с 2004 г. Оборудование предназначено для дистанционного обследования газопроводов с вертолетов или легких самолетов на предмет обнаружения утечек природного газа с параллельной видеозаписью места пролегания газопроводов. За прошедшие годы пользователями данного прибора обследовано более 100 тыс. км газопроводов как в России, так и во многих других странах. 

Постоянно продолжается модификация детектора в целях улучшения его метрологических параметров, удобства применения на различных летательных аппаратах и совершенствования представления данных обследования. Последняя серийная модификация ALMA G4 (Generation 4) применяется для обследования газопроводов с 2018 г. В данной модели детектора применен лазер с волоконным выходом и дополнительно – полупроводниковый одномодовый усилитель мощности излучения лазера, что позволило получить выходную мощность лазерного луча более 60 мВт.

В целях подтверждения соответствия оборудования требованиям стандартов Европейского союза для дистанционного детектирования газа было проведено натурное испытание. Главная его цель – подтверждение возможности детектирования утечки газа с потоком 2,6 · 10–2 м3/ч при помощи оборудования, установленного на воздушный носитель.

Характеристики детектора метана

Рис. 1. Вертолет Jet Ranger Bell 206 с установленным детектором метана

Основной принцип работы дистанционного детектора метана «ДЛС-Пергам» (ALMA) основан на поглощении молекулами метана света на длине волны в окрестности 1650 нм. Диодный лазер с усилителем применяется в данном приборе в качестве источника излучения на необходимой длине волны. При проведении обследования на летательном аппарате луч лазера попадает на поверхность Земли, после чего излучение лазера рассеивается. Малая часть этого рассеянного излучения попадает на параболическое зеркало прибора, и далее фокусируется на фотоприемник для последующей обработки в программе на компьютере прибора.

Лазер детектора метана ALMA постоянно излучает короткие импульсы с периодом 0,2 мс. Длина волны излучения лазера сканируется в каждом импульсе таким образом, чтобы линия поглощения метана располагалась точно в центре каждого импульса. Программа прибора вычисляет концентрацию метана в луче лазера на основе измерений поглощения в каждом импульсе сигнала фотоприемника. Результаты измерений усредняются по 200 импульсам, так что время измерения концентрации газа составляет 40 мс. Прибор постоянно измеряет расстояние в луче лазера до мишени на поверхности Земли для вычитания атмосферного метана из результата измерений. 

Чувствительность измерений и предел обнаружения метана зависит от расстояния до мишени. Наилучшая чувствительность прибора достигается на высоте полета в диапазоне 25–50 м, она равняется 5 млн^-1*м. (Для сравнения: вклад атмосферного метана в итоговую концентрацию на высоте 50 м составляет 90 млн^-1*м.) Прибор ALMA G4 способен детектировать газ до высоты 150 м, на которой чувствительность прибора составляет 100 млн^-1*м. Диаметр луча лазера на высоте 75 м составляет 1 м, на высоте 150 м – 2 м. Результаты вычислений, привязанные к географическим координатам и дополненные изображением с видеокамеры, выводятся на экран монитора компьютера и записываются на диск для последующей автоматической генерации отчета об обследовании.

Организация теста

Полевое тестирование работы детектора метана «ДЛС-Пергам» (ALMA) было организовано в Италии недалеко от г. Капри на базе аэроклуба в апреле 2024 г. Оптический блок прибора был установлен на носу вертолета Jet Ranger Bell 206 при помощи сертифицированной подвески (рис. 1). На этом изображении можно увидеть, что к оптическому блоку прикреплена механическая система сканирования. Эта система применяется для увеличения полосы обследования на поверхности Земли при полете вертолета. Поскольку цель данного теста состояла в детектировании очень узкого облака газа, система сканирования была выключена. 

Рис. 2. Организация искусственной утечки газа

Организация искусственной утечки газа показана на рис. 2. Баллон высокого давления с натуральным газом применялся в качестве источника метана. Редуктор давления уменьшает давление до 1–2 атм. Далее специальный регулятор потока газа Mass Flow Regulator модели MASS-VIEW MV-302 (Bronkhorst High-Tech BV Company) применялся для создания утечки газа. Поток газа 2.6*10^-2 м³/ч был установлен на данном регуляторе за 0,5 ч до полета вертолета над местом утечки. Газ вытекал из открытого конца пластиковой трубки диаметром 0,01 м. Поэтому сформированное облако газа было очень небольшого размера. Измерения при помощи ручного детектора газа показали, что на расстоянии 0,1 м от места выхода газа концентрация составляла 100–500 млн^-1, а на расстоянии 1 м концентрация метана была менее 2 млн^-1. Полет вертолета был организован таким образом, что луч лазера попадал на поверхность земли на расстоянии 1–5 м от места утечки с наветренной стороны (скорость ветра была 1–2 м/с). 

Основные результаты теста

Вертолет с установленным детектором «ДЛС-Пергам» (ALMA) сделал несколько пролетов над местом утечки. Утечка с потоком газа 2.6*10^-2 м³/ч была зафиксирована прибором при различных высотах полета от 24 до 52 м при скорости вертолета от 50 до 70 км/ч. Более того, результаты измерений показали, что данный прибор способен обнаруживать утечки газа с потоком 8*10^-3 м³/ч с высоты 25–40 м и 1,5*10^-2 м³/ч с высоты 50–60 м.

Таким образом, данный прибор ALMA G4 полностью удовлетворяет параметрам, предъявляемым Еврокомиссией к дистанционным детекторам метана для проведения обследования газопроводов в странах ЕС.

Подробные результаты данного полевого теста детектора метана «ДЛС-Пергам» (ALMA) будут представлены после выхода статьи в журнале ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ Спецвыпуск №4.

Читайте первую часть статьи в журнале «Газовая промышленность» №10