Дистанционный детектор метана для авиационного обследования газопроводов

Чем опасны утечки газа

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 миллион километров. Газопроводы подвержены воздействию как природных факторов, таких как изменения температуры почвы и грунтовых вод, подтопления, так и механических факторов, таких как изменения давления внутри трубы и сезонные подвижки грунта. Эти факторы вызывают преждевременную коррозию и разрушение газопроводов, приводящих к утечкам газа.

Утечки газа – это не только его потери, но и формирование газовоздушной взрывоопасной смеси, потенциально приводящей к аварии на газопроводе. Поэтому своевременное обнаружение утечек газа является важной частью обследования газопроводов, по результатам которого производится оперативный точечный либо комплексный ремонт. Своевременное устранение даже небольшой «новой» утечки газа предотвращает дальнейшее разрушение газопровода. Поэтому своевременное обнаружение утечек газа является важной частью обследования газопровода.

Обнаружение утечек с воздуха и принцип работы детектора метана

Дистанционное обнаружение утечек газа оптическими методами с летательного аппарата имеет много преимуществ по сравнению с другими методами диагностики. Главное преимущество – оперативность и безопасность. АО «Пергам-Инжиниринг» разрабатывает и производит лазерные детекторы метана авиационного базирования с 2003 года.

В России и странах СНГ эти приборы называются «ДЛС-Пергам», в других странах – ALMA (Airborne Laser Methane Assessment). 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 вертолётов. По опыту эксплуатации данного детектора метана за один рабочий день можно обследовать до 500 км газопровода с получением полного отчёта о результатах диагностики.

Принцип работы детектора метана

Принцип работы детектора основан на лазерной спектроскопии и показан на Рис. 1. Применяемый в Детекторе диодный лазер излучает в импульсном режиме с длительностью импульсов около 100 мксек 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.

За управление лазером и обработку данных отвечает специальная on-line программа. Длина волны излучения лазера сканируется в каждом импульсе в окрестности линии поглощения метана. Так измеряется спектр 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 пост-обработки и автоматической генерации отчёта.

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

При утечке газа из трубопроводов образуется облако метана с неоднородным распределением концентрации газа. 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.

Камеры видеофиксации

В состав комплектации прибора входит система видеорегистрации с 2 – 4 видеокамерами в различных модификациях детектора. Оператор прибора имеет возможность получать изображение с камер в режиме on-line, в частности для маршрутизации полёта. Записанное видео при обследовании газопровода даёт дополнительную информацию о состоянии газопровода и позволяет получить снимки мест обнаруженных утечек газа.

Характеристики детектора утечек метана

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 отчётов.

Уменьшили габариты

Последняя модель дистанционного детектора метана – прибор ALMA G4 (Generation 4). Данный прибор разработан специально для применения на летательных аппаратах малой авиации, которые гораздо экономичнее при обследовании газопроводов по сравнению с вертолётами. Его габариты и масса значительно меньше по сравнению с предыдущими моделями детекторов метана.

Габаритные размеры оптического блока: 300х280х340 мм, вес – 5 кг, а вес блока электроники с компьютером – 8 кг. В данной модели детектора применён новый тип диодного лазера с волоконным выходом и дополнительно – полупроводниковый одномодовый 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 метров от прибора.

Поставили новую электронику

В данной модификации детектора утечек метана применена новая цифро-аналоговая электроника с увеличенной частотой оцифровки и более мощный компьютер, что позволило улучшить быстродействие прибора так, что минимальное время обнаружения утечки стало 0,03 сек. Это сделало возможным проводить обследование газопроводов на самолётах малой авиации типа Cessna (Цессна) или Diamond (ДА-42) со скоростью 150 км/час, что является допустимой безопасной скоростью полёта самолетов.

Детектор метана на борту легкомоторного самолёта

Увеличили мощность и чувствительность

Увеличенная выходная мощность лазера и малошумящая электроника в детекторе ALMA G4 позволили улучшить пороговую чувствительность обнаружения газа. Она составляет 5 ppm*m на высоте 30 метров (высота наилучшей чувствительности). При этом даже на высоте 150 метров пороговая чувствительность прибора составляет 40 ppm*m, что достаточно для обнаружения слабых утечек газа. (Примечание: ppm – part per million – одна миллионная часть объемной концентрации метана. Если приводить данные пороговые чувствительности к другим единицам, принятым в России, то 5 ppm*m соответствует 0,0005 НПКР*м, а 40 ppm*m – 0,004 НПКР*м.)

Улучшили интерфейс и функционал ПО

Что касается on-line программы управления прибором, то при её модификации не только был улучшен интерфейс пользователя, но также усовершенствована программа обработки сигналов с фотоприемников. В программу включены дополнительные математические процедуры – функции корреляции аналитического и реперного сигналов. Это позволило практически исключить ложные срабатывания на утечку газа, что экономит время и средства при проведении работ по подтверждению результатов обследования газопроводов.

Интерфейс ПО для поиска утечек метана

Детектор метана ALMA G4 прошел испытания в Германии, США, России, Казахстане

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

Рис. 3. Установка ALMA G4 на самолёте типа Cessna

Рис. 4. Установка ALMA G4 на вертолёте Robinson R44

На Рисунках 3 и 4 показаны примеры установок прибора ALMA G4 на вертолет Robinson R44 и на самолёт Цессна. На данном вертолете оптический блок был установлен снаружи на нос вертолета, а электрические кабели от оптического блока проходят вдоль борта вертолета к блоку электроники в кабину вертолёта, где располагается место оператора прибора с компьютером. Что касается самолета Цессна, то на данной модели самолёта имеется большой люк, над которым был установлен оптический блок детектора.

Видеофрагмент с испытаний G4 на самолёте Цессна

На Рис. 5 в качестве примера показана карта обследования с вертолёта газопровода в Рязанской области. На карте обозначена траектория полета вертолёта с прибором ALMA G4, на траектории обозначены 3 места зарегистрированных утечек газа, которые отмаркированы разным цветом в зависимости от измеренной концентрации газа.

Рис. 5. Карта обследования газопровода.

Ещё одна модернизация дистанционного детектора газа ALMA G4 – применение механической системы сканирования лазерного луча. В оптический блок прибора дополнительно установлено плоское зеркало, которое отклоняет лазерный луч на регулируемый угол (максимум 15 градусов). Это зеркало приводится во вращение вокруг отклонённой оси со скоростью 3 оборота в секунду. В результате лазерный луч описывает окружность на топографической мишени. При использовании такой сканирующей системы на летательном аппарате во время обследования газопроводов, траектория перемещения лазерного луча приобретает вид, показанный на Рис. 6.

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 метров при скорости летательного аппарата 100 км/час. Полная ширина области обследования при выбранных параметрах составляет 25 м.

Применение такой системы сканирования позволило увеличить ширину зоны обследования при инспекции газопроводов. Это особенно важно, когда необходимо обследовать несколько параллельных ниток газопровода за один пролёт 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 получить удобный отчёт с полной информацией о газопроводе.

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