Установяване на течове от газопроводи

Cветовната газопреносна и газоразпределителна мрежа е сложна и непрекъснато разрастваща се система. Резултатите от няколко проучвания показват, че газопроводите са най-безопасният метод за транспорт на природен газ. Това обаче не означава, че при тях не могат да възникнат рискове.

Осигуряването на надеждна газопреносна инфраструктура се превръща във въпрос от критично значение за енергийния сектор. Основният риск, свързан с транспорта по газопроводи, е появата на течове. Независимо от тяхната големина течовете са основен предмет на загриженост поради значителните въздействия, които те оказват.

Тези въздействия водят освен до допълнителни разходи за престой и ремонт, и до негативни ефекти върху човешкото здраве и околната среда. Главните причини за възникването на течове от газопроводи са външна намеса, корозия, конструктивни дефекти, умора на материалите и земетресения. През последните десетилетия се полагат значителни усилия за справяне с тези аварии чрез разработването на технологии за детекция на течове.

Установяването на наличие на теч от газопровод обаче не е достатъчно за формулирането на ефективни мерки за противодействие. Преди предприемането на корективни действия е необходима информация и за местоположението на теча, неговата големина и т. н.

Технологиите за установяване на течове от газопроводи могат да бъдат класифицирани спрямо няколко критерия - степента на автоматизация, измерваната физична характеристика и техническото естество на метода. Най-широко разпространената класификация е спрямо техническото естество - методите се делят на нетехнически, хардуерни и софтуерни.

Сред нетехническите методи е патрулирането на персонал покрай газопровода, който следи за визуални индикатори за теч, миришещи вещества и звуци, издавани при изпускането на газ. Предимства на този метод са, че не е необходимо използването на специализирано оборудване и че осигурява непосредствена локализация на теча след установяването му.

Основен недостатък е, че времето за регистрация на изтичане зависи от честотата на извършване на инспекциите и от опита на персонала. Друга слабост е невъзможността за приложение на метода в случай на подземни газопроводи.

Хардуерните методи биват акустични, оптични, с кабелни сензори, с ултразвукови дебитомери, чрез мониторинг на почвата или вземане на проби от парите около газопровода.

Акустични методи

Природният газ генерира акустичен сигнал при изтичането му от газопровода. За регистриране на този сигнал е необходимо използването на акустични сензори, които са вградени в преносими устройства, използвани от патрулиращия персонал. Възможен е и непрекъснат мониторинг чрез инсталиране на сензорите от външната страна на газопровода на определено разстояние един от друг.

Дистанцията между два датчика се определя на база чувствителността им и финансовите средства, предвидени за детекция на течове. За установяването на изтичане на газ се използват няколко вида сензори - от акустични до микрофони и преобразуватели за динамично налягане.

Сред прилаганите технологии е използването на сензори, отчитащи появата на вълни на изменение на акустичното налягане вследствие на теч или система за непрекъснат мониторинг, състояща се от датчици, сравняващи показанията на съседните си устройства за диференциране между акустичен сигнал от теч и фоновия шум. Някои методи включват измерването на два акустични сигнала във всеки край на сегмент от газопровода. Течът може да бъде открит на база тези измервания посредством използването на технология за установяване на времечестотните характеристики.

Сред предимствата на тези методи са възможността за непрекъснат мониторинг и автоматизация на системата. Акустичните методи могат да се използват и за локализация на теча и определяне на размера му. Техниката може да се прилага както за нови, така и за съществуващи газопроводи. При непрекъснат мониторинг системата може да реагира в реално време.

За недостатък се счита рискът от маскиране на действителния сигнал за теч от силни фонови шумове например от вентили, помпи или преминаващи в близост превозни средства. Също така инсталирането на множество датчици по продължение на дълги газопроводи изисква много разходи.

Оптични методи

Оптичните методи за детекция на течове могат да бъдат групирани в две категории - пасивни и активни. Активните методи изискват осветяване на изследваната област с източник на излъчване, докато при пасивните методи не е необходим източник, защото се използват фоновото излъчване или излъчването на самия газ. Преимуществата на оптичните методи включват възможност за използване на преносими устройства, детекция и локализиране на течове от разстояние.

Честа практика е да се правят проучвания на газопреносните мрежи посредством монтирани на самолет или дрон оптични сензори. Получената картина дава цялостен поглед върху цялата мрежа и спомага за по-бързото откриване на течове в сравнение с наземен патрул, снабден с преносими устройства. При активните методи се следи за абсорбция или разсейване на излъчването над газопровода, причинени от молекулите природен газ.

Ако е налице значителна абсорбция или разсейване, се предполага, че има изтичане. Прилагат се няколко активни метода за оптична детекция на течове от тръбопроводи - LIDAR (Light Detection And Ranging) системи, диодна лазерна абсорбция, милиметрови вълнови радарни системи, отражателни сензори, широкочестотна абсорбция и датчици с оптични влакна.

LIDAR системите използват импулсен лазер за осветяване на областта и детектор за следене на абсорбцията на лазерната енергия по дължина на газопровода. Техниката е с висока чувствителност и може да се прилага за дистанционен мониторинг. Недостатък са високата цена и краткият експлоатационен живот на лазерите. Диодната лазерна абсорбция е технологично подобна на LIDAR системите, като единствената разлика е, че вместо скъпи импулсни лазери се използват диодни лазери.

Методът е подходящ както за установяване на течове с преносими устройства от близко разстояние, така и за въздушна детекция от голяма надморска височина. Недостатък на тези системи е рискът от генериране на лъжливи сигнали. Милиметровите вълнови радарни системи се базират на радарния сигнал от областта над газопроводите.

Газовете като метана са по-леки от въздуха и в резултат на разликата в плътността се генерира специфичен радарен сигнал, който може да бъде анализиран с цел установяване на потенциални течове. Методът е с висока ефективност, но е скъп. При отражателните сензори за осветяване се използва въглеродно-диоксиден лазер. Природният газ разсейва светлината от лазера и разсеяният сигнал се улавя с инфрачервена камера.

Получените снимки се интерпретират и анализират за наличието на изтичания от газопроводите. Осветяването в широкочестотните абсорбционни системи се осигурява от сравнително евтини лампи. За да се намали вероятността от лъжливи сигнали, при мониторинг се използват различни дължини на вълната. Датчиците с оптични влакна могат да бъдат използвани за следене на редица физични и химични параметри.

Промените в температурата, дължащи се на изпускането на газ, се отчитат от чувствителния кабел от оптични влакна, който трябва да е разположен в близост до газопровода. Оптичните свойства на влакната се променят в резултат на присъствието на въглеводороди, тези промени се записват с помощта на лазери и оптични детектори, и по тях може да се съди за наличието на теч.

С тези сензори могат да бъдат засечени и местоположението и концентрацията на изтичащия газ. Съществено предимство на датчиците с оптични влакна е, че те са устойчиви на електромагнитни смущения. Недостатъци са високата цена и износващото се с времето химично покритие на влакната. Освен това използването на метода при вече съществуващи газопроводи може да се затрудни от необходимостта от изравяне на подземните тръби, за да бъде разположен кабелът в близост до тях.

Както вече беше отбелязано, основната разлика между пасивния и активния оптичен мониторинг е изискването за източник на светлинно излъчване. Липсата на такова изискване при пасивните методи е предпоставка те да са по-евтини. За сметка на това обаче, липсата на светлинен източник трябва да се компенсира с по-чувствителни детектори. Съществуват няколко типа пасивни системи за установяване на течове - термонаблюдение, многоспектърно наблюдение и филтърни корелационни газанализатори.

Термонаблюдението се основава на разликите в температурата на изтичащия газ и околната среда. Методът може да бъде прилаган от наземни и въздушни превозни средства, както и да бъде внедрен в роботи. Недостатъците на термалните датчици включват невъзможност за отчитане на теч, когато температурата на газа съвпада с тази на околната среда и факта, че устройствата за детекция на малки разлики в температурите са доста скъпи.

Многоспектърният или многовълновият мониторинг може да се прилага в режим на абсорбция или емисионен режим. В емисионен режим изтичане на газ може да бъде засечено, когато температурата му е много по-висока от температурата на околния въздух. Многовълновото наблюдение включва записване на абсорбцията на излъчване при различни дължини на вълните, за да се получи карта на газовата концентрация.

Това може да се постигне, дори когато няма съществена разлика между двете температури. Технологията е с пренебрежително малка вероятност за генериране на лъжливи сигнали и може да бъде използвана за детекция от разстояние, без нужда от постоянен контрол.

Филтърните корелационни газанализатори използват проба от целевия газ като спектрален филтър. Излъчването от инфрачервен източник преминава през филтър, след което лъчът се разделя на две: единият се насочва към корелационна кювета, запълнена с целевия газ, а другият - към празна кювета.

Спектралният филтър на корелационната кювета служи за отстраняване на енергията от постъпващия в нея лъч при дължини на вълната, отговарящи на абсорбционните линии на газа. Излъчването от двата потока се измерва с помощта на инфрачервени детектори, като резултатите се използват за установяване на теч от газопровода. Такива устройства могат да бъдат инсталирани на хеликоптери и дронове, и да отчетат наличието на изтичане от височина 300 м.

Кабелни сензори

Освен датчици с оптични кабели, за установяване на изтичане на природен газ могат да бъдат използвани и електрически кабели, изградени от материали, реагиращи при контакт с определени вещества. Това взаимодействие променя характеристиките на кабела като съпротивление или капацитет. Система с чувствителни на въглеводороди кабели може да засече и локализира течове с точност от около 20 м. Някои кабели имат две затворени вериги - едната е свързана със захранване, а другата - с аларма.

Когато двете вериги встъпят в контакт, алармата се включва. В зависимост от вида на кабела, има няколко механизма за осъществяването на късото съединение. Директен контакт между жиците може да настъпи, когато материалът, който ги разделя, се разгради в присъствието на изтичащия газ. Същият резултат дава и използването на покритие, което набъбва при контакт с газа и свързва двете жици.

Тази техника за детекция на течове е със сравнително бърза реакция и по-висока чувствителност от някои изчислителни методи. Сред недостатъците на тези системи са високата цена, трудности при инсталиране на съществуващи газопроводи и невъзможност за установяване големината на теча.

Почвен мониторинг

Почвеният мониторинг включва добавяне на неопасно и силно летливо химично съединение за проследяване в газопровода, което при теч се изпуска заедно с природния газ. За засичането на теч се прекарват отчитащи инструменти през почвената покривка над тръбите или в близост до тях се монтират сонди. Взетите проби се анализират с газхроматограф. Този метод е с много ниска вероятност за генериране на лъжливи сигнали и висока чувствителност, но необходимостта от непрекъснато добавяне на химикал за проследяване го прави доста скъп. Освен това, той не е приложим за надземни газопроводи.

Анализ на пари

Изтичанията на газ могат да бъдат засечени и чрез взимане на проби въглеводородни пари в близост до газопровода. Това може да стане посредством система за мониторинг, включваща заровена до газопровода сензорна тръба, или мобилни детектори, носени от персонал или монтирани върху устройства с дистанционно управление. Системата за дистанционен мониторинг включва сензорна тръба, заровена успоредно на газопровода. Тръбата е пропусклива за целевия газ, така че в случай на теч част от газа дифундира в тръбата.

Съдържанието на тръбата периодично се изпомпва и се анализира, като концентрационният профил не се влияе от процеса на изпомпване. Сензорите засичат концентрацията на газ в определена точка от изследваната въздушна колона, и по този начин се определя размерът на теча. Локализирането му става като преди началото на изпомпването в тръбата се инжектира тестов газ.

Засичането му от детектора е индикация, че цялата колона е била проверена. Времето за път на газа от мястото на изтичане, съотнесено към цялото време за път, дава местоположението на теча. Времето за реакция на метода е повече в сравнение с други техники за мониторинг, и обикновено се използва за къси газопроводи с дължина до 50 км. Технологията не е приложима за надземни и много дълбоко заровени газопроводи.

Преносимите газанализатори дават по-достоверни резултати от нетехническите методи за детекция на много малки течове, но ефективността им силно зависи от честотата на инспекциите.

Ултразвукови дебитомери

Системите за детекция на течове с ултразвукови дебитомери се основават на разделянето на газопровода на сегменти. Всеки сегмент започва и завършва с полева станция, състояща се от фиксиран дебитомер, температурен датчик и процесорно устройство. Всяка полева станция измерва или изчислява обемните дебити, температурите на газа и околната среда, скоростта на разпространение на звука и други характерни за местоположението й условия.

Данните се събират в централно устройство, което изчислява обемния баланс чрез сравнение на разликите между постъпващия и изходящия газ от всеки сегмент на газопровода. Точността на локализация на изпускането чрез този метод е 150 м.

Софтуерни методи

Установяването на теч от газопроводи може да стане и чрез софтуер, отчитащ масовия/обемния баланс. Всеки дисбаланс между входящия и изходящия поток газ е индикатор за наличието на изтичане. Обемът на изходящия от всеки сегмент газ се изважда от обема на входящия поток, и ако разликата е над определена граница, се подава сигнал за теч.

Масата и обемът могат да бъдат изчислени като се използват различни процесни променливи - дебит, налягане и температура. Подходът за изчисляване на масовия баланс може да бъде съчетан с вероятностни методи, които обаче изискват значителна изчислителна мощност. Ефективността на софтуера зависи основно от размера на теча, честотата на пресмятане на баланса и точността на измервателните уреди.

Приложението му за съществуващи системи е лесно, тъй като се използват устройства, налични при всеки газопровод. Техниките за балансиране обаче са ограничени по отношение на преходни условия. Засичането на малки течове изисква много време, например за засичане на 1% теч е необходим приблизително един час. Софтуерът не предлага възможност за локализиране на течовете и е с висок риск за генериране на лъжливи сигнали по време на преходни периоди, освен ако праговете не бъдат адаптирани.

Някои софтуерни решения за детекция включват модели, изградени на база законите за запазване на маса, импулс, енергия и др. Разликата между измерената и предсказаната стойност за дебита се използва за определяне наличието на теч. За тази техника са необходими измервания на дебита, налягането и температурата.

За свеждане на лъжливите сигнали до минимум непрекъснато се следят нивата на шум и преходните събития. Методът може да засече малки изтичания, но е скъп и изисква доста апаратура за събиране на данни в реално време. Използваните за софтуера модели са сложни и затова потребителите трябва да са висококвалифицирани.

Течовете са свързани с внезапен пад на налягането, който се разпространява като вълна по дължината на газопровода. Вълната от отрицателно налягане може да бъде отчетена чрез преобразуватели на налягане, инсталирани в двата на края на сегмент от тръбопровода. Алгоритъмът за детекция на течове следва да интерпретира показанията от преобразувателите и да прецени дали има теч или не.

Местоположението на теча може да бъде установено с голяма прецизност по разликата между моментите, в които преобразувателите засекат вълната от отрицателно налягане. Друга техника за използване на вълни от изменение на налягането е нарочното им генериране чрез периодичното затваряне и отваряне на вентили. Ако има изтичане на газ, вълните се отразяват частично и това позволява определянето местоположението на теча. Вълновите методи за детекция на течове се считат за непрактични при дълги газопроводи.

Точковият анализ на налягане е друг метод за бързо установяване на изтичания от газопроводи. Методът изисква непрекъснати измервания на налягането в различни точки от газопровода. Теч се отчита, когато средната стойност на резултатите от измерванията падне под предварително определена граница. Технологията е с доказана приложимост в подводна и студена среда и може да засече течове под 0,1% от дебита.

По-лесен начин за детекцията на течове, без да са необходими математически модели, е използването на статистически анализ на измервани по продължение на газопровода параметри, като налягане и дебит. Системата генерира алармен сигнал само когато засече определена повторяемост на промени в налягането и дебита. Праговете за установяването на теч се определят след период за настройка, по време на който се анализира изменението на параметъра при различни експлоатационни условия в отсъствието на теч.

Ако по време на периода на настройка възникне теч, това би се отразило върху първоначално събраните данни и поведението на системата ще бъде сметнато за нормално. Такъв теч не би могъл да бъде отчетен, освен ако не се разрасне отвъд определения праг. С този метод могат да бъдат засечени 0,5% течове. Статистическите методи могат да послужат и за локализиране на теча. Техниката е лесна за приложение, надеждна и може да бъде адаптирана за различни газопроводни конфигурации.

Друг метод за детекция на течове, използващ измервателните данни за дебит, налягане и други параметри, е обработката на цифрови сигнали. По време на фазата на настройка се определят отговорите на системата на известни промени в дебита. Методът не изисква математически модел на газопровода, но е труден за внедряване и изпитване.

Сравнение на методите за детекция

Ефективността на системите за детекция може да бъде определена на база няколко фактора. Някои от използваните критерии за оценка са възможността за локализация на теча, скоростта на отчитане и способността за установяване размера на изтичането. По отношение на възможността за локализация, единствено техниките, основаващи се на изчисление на масов/обемен баланс и точковият анализ на налягане не могат да предоставят информация за мястото на теча.

Прецизността на локализация също се изменя от метод на метод. С някои техники местоположението може да се определи с голяма точност, докато с други, като софтуерните методи, може да се даде само приблизителна представа. В такива случаи, за откриване на точното място на теча, е необходимо и патрулиране на персонал покрай газопровода.

По отношение на времето за детекция, най-бавни са нетехническите методи. Оптичните технологии са със средна скорост на отчитане, когато устройствата са монтирани върху дрон, тъй като това позволява по-бързото покриване на големи разстояния. Когато оптичните детектори са използвани от патрулиращ персонал, времето за детекция нараства значително.

Всички други методи могат да установят наличието на теч в реално време или в рамките на няколко минути след възникването му. Възможността за оценка размера на теча не е налична при кабелните сензори, почвения мониторинг, ултразвуковите дебитомери, точковия анализ на налягане и обработката на цифрови сигнали.

Важен параметър при сравняване ефективността на системите за детекция на течове е чувствителността. Въпреки това, сравнението по отношение на този показател не е лесна задача, тъй като за различните методи той се изразява по различен начин. Например чувствителността на изчислителните методи обикновено се представя като процент от номиналния дебит в газопровода или като минимален дебит, подлежащ на отчитане, докато при други системи за нея се съди по концентрацията на газа.