Волоконно-оптические датчики на защите природы

Одна из приоритетных задач трубопроводного транспорта — обеспечение безопасности передачи нефти и нефтепродуктов в условиях высоких технологических рисков и угрозы антропогенных воздействий. ЗАО «Омега» ведет свои разработки в этой области и представляет последнее достижение — Систему обнаружения утечек и контроля активности (СОУиКА). Это комплексный проект, способный повысить антитеррористическую и технологическую безопасность нефтегазовых магистралей.

Несмотря на уверения специалистов занимающихся статистикой, что количество крупных аварий на российских нефтепроводах с начала века уменьшилось, как минимум, в три раза, расслабляться рано. Создание и установка самых современных и эффективных систем мониторинга состояния трубопроводного транспорта — как минимум, государственная задача. Представленная ЗАО «Омега» разработка СОУиКА позволяет почти невероятное: на основании виброакустического и температурного мониторинга с точностью в 5 метров и за минимальный отрезок времени определять место несанкционированного воздействия на трубопровод или возможную утечку.

Свою разработку специалисты «Омега» представили на 11-ой Московской международной выставке «НЕФТЬ и ГАЗ» 2011 / MIOGE 2011, в рамках которой был проведен также 9-й Российский Нефтегазовый Конгресс / RPGC 2011.

Эта выставка на сегодняшний момент является крупнейшей в данной области и традиционно собирает под своим началом отечественных и мировых лидеров нефтяной и газовой промышленности. Проведение выставки позволяет всем заинтересованным познакомиться с последними достижениями в области добычи, разработки и переработки, а также транспортировки углеводородов. Свое отражение на мероприятии получают самые современные разработки в области оборудования в нефтегазовой отрасли, созданное с применением наукоемких технологий.

Директор по внешним связям ЗАО «Омега», дочерней компании ОАО «АК «Транснефть» А. Турбин на прошедшей выставке представил доклад о системе обнаружения утечек и контроля активности "ОМЕГА"ТМ: инновационный ответ на техногенные и антропогенные угрозы трубопроводам. Эта система мониторинга протяженных объектов является инновационной разработкой, созданной для оснащения сооружаемых нефтепроводов. Она уже внедрена в объекты российского монополиста в области транспортировки нефти ОАО «АК «Транснефть».

Непосредственным назначением данной системы является обнаружение точки начала и последующий контроль над колебаниями окружающей среды. Эта разработка может быть использована при необходимости постоянного мониторинга трубопроводов для установления возможных фактов несанкционированного воздействия и для охраны периметров крупных по площади объектов для определения мест возможного проникновения на них.

Система основана на физических принципах, которые построены вокруг волоконно-оптических датчиков. Номенклатура параметров, измеряемых ими, достаточно широка: динамика изменения температуры, абсолютное и избыточное давление, угловые и линейные перемещения и ускорения. Применение высокостабильных материалов и современных технологий позволяет получать чувствительные элементы датчиков с чрезвычайно высокими точностными характеристиками.

Помимо датчиков стандартной номенклатуры на основе волоконной оптики создаются датчики уровня жидкости, определения границы раздела фаз, содержания газовой фазы и иные, представляющие интерес для нефтяной и газовой промышленности. В последние годы на основе лабораторных разработок стали создаваться так называемые распределенные датчики физических величин. При их применении оптическое волокно играет двойную роль как среды передачи информации, так и совокупности чувствительных элементов.

Обладая высокой чувствительностью, СОУиКА «Омега» может быть применена для обнаружения порывов трубопроводов и малых утечек, исчисляемых сотней литров за 5 минут. Вытекающая под высоким давлением жидкость генерирует акустическую волну и изменяет температуру среды, что воспринимается оптическим кабелем.

Как устроена система

Конструкция системы является модульной и предусматривает возможность наращивания рабочих длин контролируемых участков до любой протяженности. При этом передача информации о состоянии контролируемого объекта может осуществляться как в единый центр, так и по модулям.

Рабочий модуль системы мониторинга представляет собой металлический корпус с собственными системами жизнеобеспечения, а его электронные компоненты выполнены в стандартных 19I корпусах формата 4U. Конструкция датчика позволяет прокладывать его как по поверхности, так и в воде, под землей и по строительным конструкциям. При монтаже датчиков следует учитывать, что для достижения наилучших результатов расстояние от датчика до стенки трубопровода не должно превышать одного метра.

Конструкция датчика состоит из строительных длин по четыре метра каждая. Сращивание происходит путем сварки. На месте сварки устанавливается герметичная муфта. В датчике отсутствует электрическое напряжение.

Ремонт датчика осуществляется чрезвычайно просто — заменой поврежденного участка. После настройки уровня срабатывания первой степени, гарантирующей отбраковку сторонних (природных) воздействий, система сохраняет оптимальные расстояния локации воздействий. Чувствительность системы легко может быть адаптирована к конкретным условиям с неизменным сохранением всех технических характеристик.

Принцип работы

Доступными на сегодняшний день возможностями системы мониторинга являются мониторинг температурного поля протяженного объекта, мониторинг виброакустического поля протяженного объекта, а также мониторинг местоположения протяженного объекта в пространстве.

Интеллектуальная система, положенная в основу работы датчиков, проводит постоянный мониторинг виброакустического поля объекта по трем степеням анализа. Непрерывный алгоритмический анализ первой степени поля контролируемого объекта определяет место воздействия и его силу. Система осуществляет дискретные замеры поля с интервалом в 1 мс, что позволяет проводить непрерывный анализ.

Дискретный алгоритмический анализ временного среза второй ступени в точке, где акустическое поле контролируемого объекта отличается от фонового, позволяет классифицировать характер воздействия. То есть система проводит анализ временного среза критичной точки текущего замера с целью определения характеристики спектра воздействия и его принадлежности.

На третьей ступени анализу подвергается длительность воздействия. Данное действие позволяет определить наступление состояния подтвержденной тревоги.

Рассмотренная возможность мониторинга позволяет обеспечивать безопасную эксплуатацию не только трубопроводов, но и железнодорожных путей, линий электропередач, автомобильных трасс и охраняемых периметров территорий.

Помимо контроля виброакустического поля объекта производится также мониторинг температурного поля, что позволяет выявить утечку флюида любой интенсивности. Специалисты компании «Омега» разработали алгоритм обнаружения инфранизкочастотных изменений, оперирующий на частотах в десятые доли Гц. Такие сигналы возникают в системе при температурных изменениях, связанных с нагревом чувствительного оптического кабеля теплой истекающей из порыва нефтью. Испытания показали высокую вероятность обнаружения порыва трубопровода с вытеканием до 10 л/мин при температуре флюида в 25°С.

При этом обнаружение порыва происходит уже через несколько минут после достижения флюидом поверхности кабеля.

Что касается мониторинга местоположения протяженного объекта в пространстве, то речь в данном случае идет о возможности отслеживать пространственные смещения и деформации оснащенного объекта — например, участка трубопровода или железнодорожной насыпи. Соответственно, преимущества данной системы могут особенно ярко проявить себя в зоне вечной мерзлоты, а также в районах повышенной сейсмической активности и местах с возможными сходами селевых потоков.

Один комплекс оборудования способен защитить до 100 км протяженного объекта. Общее же количество последовательно установленных комплектов может быть максимально необходимым.

К другим технологическим преимуществам системы относятся ее абсолютная помехозащищенность, высокая степень избирательности и, что самое важное, — электрическая пассивность, означающая отсутствие необходимости подведения электропитания по всей длине датчика.

Кроме технологических особенностей, система обладает важным «психологическим» преимуществом оптоволоконных кабелей перед эффективными, но сложными и дорогостоящими системами мониторинга, применяющими, например, видеокамеры или спутниковую связь: оптоволоконную линию, проложенную вдоль трассы трубопровода, нет смысла охранять от преступных посягательств.

Интеллектуальное месторождение

Распределенные волоконно-оптические информационно-измерительные системы находят свое применение не только при транспортировке, но и на этапе добычи нефти. Использование датчиков этого типа позволяет в течение нескольких часов получить множество графиков температурного распределения по всей высоте скважины, рассчитать с максимальной точностью профиль притока и профиль приемистости. Данная технология превращает скважину в элемент «интеллектуального месторождения» и позволяет оптимизировать производительность оборудования и продуктивность скважин, а также значительно повышает коэффициент извлечения нефти.

Разнообразие фиксируемой информации, а также простота монтажа и невысокая стоимость датчика превращают эту систему в конструктор, из которого по воле заказчика могут быть спроектированы объекты с самыми разнообразными свойствами. В итоге заказчик получит эффективный комплекс по надежной защите оффшорных нефтегазовых платформ вместе с системой трубопроводов.

Перед своими конкурентами СОУиКА обладает еще одним важным преимуществом — заботой об окружающей среде. При получении точной и своевременной информации о месте и характере порыва трубопровода, специалисты, работающие с данной системой, могут избежать не только экономического урона для компании-оператора, но и предотвратить экологическую катастрофу. Кроме того, прокладка, монтаж и эксплуатация также не несут природе никаких дополнительных неприятностей.

Важными дополнительными функциями данного комплекса являются резервное архивирование получаемой информации, хранение значений параметров датчика, а также возможность установки порогов срабатывания для признаков событий различного типа по всей длине кабеля и на каждом отдельном элементе.

Гарантии

В марте 2011 года компанией «Омега» было получено Свидетельство о допуске к работам, влияющим на безопасность строительства, что позволяет разработчику выполнять весь спектр строительных работ, связанных с оснащением трубопроводов и других протяженных объектов Системой обнаружения утечек и контроля активности (СОУиКА), которой, в частности, оснащаются все строящиеся нефтепроводы ОАО «АК «Транснефть».

Выданное свидетельство касается устройства наружных электрических сетей, монтажных и пусконаладочных работ, а также организации строительства, реконструкции и капитального ремонта.

СМПО защищена патентом РФ и имеет все необходимые разрешительные документы. В сентябре 2010 года Система была представлена на Всемирной выставке ЭКСПО в Шанхае, в 2011 году — на выставке PPIM-2011 и PSIG (США), а также на Ганноверской ярмарке (ФРГ).

Внедрение подобных технологий позволяет увидеть будущее нефтегазовой отрасли в новых красках, преимущественно светлых и теплых, без нефтяных пятен в местах ядовитых разливов.

Татьяна СЕЛИВАНОВА

Мнение эксперта

А. Турбин, директор по внешним связям ЗАО «Омега»

Преимущества системы:

  • непрерывный анализ состояния объекта, мгновенная реакция на событие;
  • высокая точность (5 м) определения места события;
  • отсутствие ложных срабатываний, возможность классификации регистрируемого события по следующим видам: нарушение контролируемого периметра, обрыв датчика, утечка флюида и пр.;
  • высокая чувствительность системы. Регистрация воздействия при смещении датчика на 3 см на 6-метровой дистанции;
  • простота монтажа системы.

Применение данной системы позволяет:

  • полностью исключить возможность выполнения скрытого от наблюдения несанкционированного воздействия в охранной зоне трубопровода;
  • значительно уменьшить риск возникновения аварийных ситуаций с экологическими последствиями в результате аварий на трубопроводе;
  • соответствовать требованиям российского законодательства, международных договоров Российской Федерации, стандартов и правил в области природопользования, охраны окружающей среды и экологической безопасности;
  • повысить статус Заказчика как экологически ориентированной компании, основанной на доверии международных экологических организаций, партнеров, клиентов и населения в регионах, где Заказчик осуществляет свою деятельность.

Между тем, скептики продолжают задаваться вполне конкретными вопросами, возникновение которых иногда является прямым вызовом разработчикам Системы. В частности, многих не убеждают данные, получаемые в ходе многочисленных полевых испытаний, а также пробной эксплуатации СОУиКА «Омега», касательно одновременного распознавания системой разнородных воздействий.

Действительно: «увидит» ли СМПО пешехода на акустическом фоне несущегося мимо железнодорожного состава? Отвечу: да, уже видит! Чтобы эта избирательность стала еще выше, разработан новый программный комплекс по обработке сигналов распределенного виброакустического датчика (ПО ВД), внедрение которого осуществляется на обслуживаемых «Омегой» объектах.

26 мая 2011 года Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам выдала троим сотрудникам ЗАО «Омега» соответствующее свидетельство о государственной регистрации ПО ВД. Программное обеспечение создает более оперативную и точную обработку сигналов, поступающих с аналого-цифровых преобразователей Системы мониторинга протяженных объектов (СМПО) «Омега», построенной на основе волоконно-оптической системы большой протяженности.