|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ
ХОЛОДОВ Віктор Іванович
УДК 622.692.4
ДИСТАНЦІЙНИЙ МЕТОД ДОСЛІДЖЕННЯ ГЕРМЕТИЧНОСТІ ГАЗОПРОВОДІВ
05.23.03 – вентиляція, освітлення та теплогазопостачання
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2001
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Українському науково–дослідному інституті природних газів УкрНДІгаз Дочірньої компанії “Укргазвидобування” Національної Акціонерної компанії “Нафтогаз України” та Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури, Міністерство освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Редько Олександр Федорович, завідувач кафедри теплогазопостачання, вентиляції та використання теплових вторинних енергоресурсів Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури, Міністерство освіти і науки України
Офіційні опоненти: доктор технічних наук,
Шелудченко Володимир Ілліч, голова правління ВАТ “Донецькоблгаз”;
кандидат технічних наук,
Шишко Генадій Григорович, професор, завідувач кафедри енергоресурсозбереження Киівського національного університету будівництва та архітектури Міністерство освіти і науки України
Провідна установа: Харківська державна академія міського господарства, кафедра експлуатації газових систем, кафедра теплохолодопостачання, Міністерство освіти та науки України
Захист відбудеться " 7 " березня 2001 року об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.056.003 у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою:
61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури
Автореферат розісланий " 6 " лютого 2001 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
к.т.н., професор Колотило М.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Стабільна, надійна та безвідмовна робота Єдиної системи газопостачання країни визначається технічним станом лінійної частини магістральних газопроводів та газопроводів-відгалужень. У зв'язку із різким скороченням будівництва нових газопроводів, збільшенням терміну та технічно недосконалими умовами експлуатації діючих, їх недостатнього рівня надійності у газовій галузі гостро стоїть питання діагностики газопроводів.
При постановці задачі діагностики магістральних газопроводів головними питаннями являються: що діагностувати, які параметри враховувати, що визначає пропускну спроможність трубопроводу в експлуатації. Правильний вибір підходу до вирішення цієї задачі являється важливим з цілого ряду причин.
Газотранспортна система України – одна з найбільших і найстаріших систем Європи — включає більше 35 тис. км магістральних газопроводів діаметром від 100 мм до 1420 мм. При прийнятому нормованому терміні експлуатації (33 роки) більше 20 % їх протяжності вимагає реконструкції. У зв'язку з цим трубопровідний транспорт України зараз особливо потребує більш високонадійного рівня безпеки.
Використання дистанційних методів дослідження герметичності газопроводів найбільш ефективно тому що цими методами можуть бути виявлені витоки з малими дебітами, тобто на ранній стадії руйнації останніх і усунені з мінімальними матеріальними втратами.
Зв′язок роботи з науковими програмами, планами, темами
Дисертаційна робота виконана в рамках програм науково–дослідних робіт АТ “Укргазпром”: “Розробка та впровадження у виробництво комплексної системи дистанційного виявлення витоків газу на лінійній частині МГ” (№ 44.120/91 – 93, № держ. реєстрації UAO 1005865P) “Розробка технічної документації окремих вузлів комплексу технічних засобів дистанційного виявлення витоків газу з МГ” (№ 44.625/93 – 95, № держ. реєстрації 0194 U 000877), “Проведення дистанційних моніторингових досліджень лінійної частини МГ з метою виявлення витікання газу на газопроводах АТ “Укргазпром”” (№ 44.388/95 – 98, № держ. реєстрації 0195 U 018633).
Мета і задачі дослідження. Мета роботи – розробка методу високо надійного контролю стану герметичності газотранспортної системи України для запобігання великих техногенних катастроф.
Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:
– провести розрахунки двовимірного стаціонарного температурного поля у ґрунті навколо газопроводу без витоку газу та тривимірного нестаціонарного температурного поля у ґрунті навколо газопроводу з витоком газу;
– розробити схему та методику моделювання витоків газу з верхньої, бокової та нижньої частин поверхонь газопроводу, створити на працюючому газопроводі дослідний полігон;
– провести експериментальні дослідження процесу формування температурного поля над газопроводом без порушення герметичності та за наявності витоку газу;
– провести газометричні дослідження приповерхневого шару грунту та атмосфери за наявності витоку газу;
– розробити практичну методику дистанційного виявлення витоків газу та апаратурний комплекс для її реалізації;
Об’єкт дослідження – газотранспортна система та система газопостачання крупних міст України.
Предмет дослідження –дистанційне виявлення витоків газу.
Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводились методами математичного та фізичного моделювання температурних полів газопроводу. Проводився комп′ютерний розрахунок математичних моделей температурних полів газопроводу. Експериментальні дослідження процесу формування температурної та газометричної аномалій витоків газу з різним дебітом, а також випробування апаратури, проводилось на спеціально створеному дослідному полігоні.
Наукова новизна одержаних результатів
– розроблена математична модель тривимірного нестаціонарного температурного поля грунту над газопроводом при наявності витоку газу;
– розроблена фізична модель формування температурної аномалії на поверхні грунту над витоком газу із газопроводу;
– вперше розроблена методика дистанційного виявлення витоків газу із підземного газопроводу, яка заключається в одночасному виявленні температурної аномалії, що створена на поверхні грунту витоком газу з підземного газопроводу та хмари метану в приземному шарі повітря апаратурним комплексом.
Практичне значення одержаних результатів:
– Впроваджена високоточна методика дистанційного виявлення витоків газу із підземного газопроводу.
– Створено новий лазерно–тепловізійний комплекс дистанційного виявлення витоків газу.
Особистий внесок здобувача.
1. Розробка математичних моделей температурних полів газопроводу з непорушеним станом герметичності та при наявності витоку газу.
2. Розробка проекту та участь у спорудженні дослідного полігону для моделювання витоків газу з різним дебітом.
3. Проведення експериментальних температурних та газометричних досліджень на полігоні при моделюванні витоків газу.
4. Розробка складу апаратурного комплексу дистанційного виявлення витоків газу.
5. Розробка методики дистанційного виявлення витоків газу.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались на: конференції “Геотермия и ее применение в региональных и поисково-разведочных исследованиях” (Свердловск, 1989), міжнародних науково-практичних конференціях “Проблеми і шляхи енергозабезпечення України” (Івано-Франківськ, 1994,1995), практичному семінарі та виставці “Комп’ютерні технології застосування до технічних, комерційних, кадастрових, видавничих та навчальних проблем” (Львів, 1994), міжнародній виставці – конференції “Техніка та енергозберігаючі технології” (Київ, 1996), науково–практичній конференції “Нафта і газ України–96” (Харків, 1996), сьомій міжнародній діловій зустрічі “Диагностика–97” (Ялта, 1997), четвертій та сьомій міжнародних конференціях “Ресурсоенергозбереження у ринкових відносинах” (Ялта, 1997, 2000), міжнародних наукових конференціях “Тепловое поле земной коры и методы его изучения” (Москва, 1997, 1998), міжнародній науковій конференції “Горнорудний Пржибрам – математичні методи в геології та геоетика” (Чехія, 1998), на секції Вченої ради УкрНДІгазу та на Науково–технічних радах АТ “Укргазпром” при захисті звітів про НДР, з якими було пов’язане написання дисертації протягом 1991 – 2000 років.
Публікації. Результати дисертації опубліковані в дев’яти наукових працях та восьми збірниках трудів і тез конференцій, в тому числі в трьох працях без співавторів.
Обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів основної частини, висновків, викладена на 126 сторінках тексту, вміщує 8 таблиць, 30 рисунків, 3 додатка. Перелік використаних джерел включає 82 назви.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ
У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету дисертаційного дослідження, наукову новизну, практичне значення одержаних результатів, відзначено особистий внесок автора роботи, наведено відомості про апробацію результатів досліджень та публікації.
У першому розділі дисертації розглянуті методи та пристрої діагностування стану МГ і виявлення місць витоків з них з використанням різних за природою способів діагностування, визначені переваги та недоліки кожного з них. Особлива увага приділена використанню дистанційних методів дослідження герметичності газопроводів, тому що цими методами можуть бути виявлені витоки з малими дебітами, тобто на ранній стадії руйнації останнього і усунені з мінімальними матеріальними втратами.
Огляд методів та технічних засобів, які базуються на літаючих апаратах, привів до висновку, що найбільш ефективним є вимірювання концентрацій вуглеводнів та температур вздовж газопроводу. Ці параметри являються прямими показниками наявності витоку газу, особливо, якщо вони вимірюються разом, а їх аномальні значення співпадають. Розробку дистанційного методу виявлення витоків газу з підземних газопроводів проводилась в двох напрямках – розробленні математичної та фізичної моделей температурного полів газопроводів з непорушеним станом герметичності та при наявності витоку газу.
У другому розділі розроблена математична модель температурного поля газопроводу з непорушеним станом герметичності та при наявності витоку газу. Задача моделювання температурного поля складалася із ряду взаємопов`язаних задач:
- Розрахунку потоку газу в трубопроводі з метою визначення температури і тиску газу в перерізі газопроводу в місці витоку газу, а також розрахунку параметрів газу при ефекті Джоуля – Томсона з метою визначення температури газу, який витікає із трубопроводу.
- Розрахунку двовимірного стаціонарного температурного поля в грунті навколо магістрального газопроводу без витоку газу. В результаті цього розрахунку визначалось початкове температурне поле в ґрунті для розрахунку тривимірного нестаціонарного поля, температурна аномалія на поверхні грунту над магістральним газопроводом, а також коефіцієнт теплопередачі газопроводу, необхідний для вирішення попередньої задачі.
- Розрахунку тривимірного нестаціонарного температурного поля в ґрунті навколо газопроводу з витоком газу.
Вирішенню задачі розрахунку неізотермічної течії реального газу у трубопроводі з урахуванням теплообміну між трубою та грунтом присвячена велика кількість робіт. Слід відзначити роботи В. Д. Білоусова, В. І. Чернікіна, Є. А. Оруджалієва, З. Т. Галіуліна, Б. Л. Кривошеїна, С. А. Бобровського, Н. І. Білоконя, в яких у різних аспектах розглянута задача визначення параметрів реальних газів у трубопроводах.
У процесі аналізу науково-технічної літератури не знайдено робіт, присвячених моделюванню тривимірного нестаціонарного температурного поля у ґрунті навколо трубопроводу з витоком газу.
Однією з цілей математичного моделювання двовимірного стаціонарного температурного поля є визначення температурної аномалії на поверхні грунту за відсутності витоку газу. Характер температури на поверхні грунту залежить від багатьох факторів, пов’язаних з фізичними параметрами грунту, трубопроводу та атмосфери.
Грунт являє собою багатофазну капілярно-пористу систему, в якій теплопередача здійснюється одночасно теплопровідністю через твердий каркас, випромінюванням, конвекцією та теплопровідністю повітря у порах і внаслідок масопереносу вологи. Задача визначення температурного поля з урахуванням усіх діючих факторів є винятково складною. Її вирішення можливе лише за умови введення ряду спрощень та модельних побудов. Фізичні моделі і спрощення, що використовуються для визначення характеристик ґрунтів, в основному вірно відображають реальну картину. Грунт вважається квазіоднорідним середовищем з ефективними фізичними параметрами, які визначаються особливостями грунту (вологістю, насиченістю, дисперсністю, хіміко-мінералогічним складом та ін.). У стаціонарній задачі в такому наближенні грунт характеризується єдиним параметром – ефективним коефіцієнтом теплопровідності.
Для не дуже вологих ґрунтів ефективний коефіцієнт теплопровідності може вважатися незалежним від температури грунту, тобто задача лінеаризується (при цьому, однак, він може залежати від просторових координат внаслідок неоднорідності грунту за глибиною або наявності снігового покрову чи рослинності, які враховуються введенням додаткового шару і своїм ефективним коефіцієнтом теплопровідності).
Температурне поле у ґрунті в реальних природних умовах формується під впливом атмосферних процесів та сонячної радіації. На поверхні грунту з врахуванням поглинання, відбивання та розсіювання сонячної радіації, виконуються умови теплового балансу, турбулентного теплообміну між грунтом та повітрям, затратами тепла на випаровування та геотермальних потоків. На не дуже вологих ґрунтах головну роль відіграють турбулентний теплообмін та сонячна радіація. З урахуванням цього рівняння теплового балансу використовувались граничні умови третього роду з ефективним коефіцієнтом теплообміну (сумою конвекційного та радіаційного коефіцієнтів) та з еквівалентною температурою повітря, у котрій враховується вплив сонячної радіації.
Згідно проведеним дослідженням, час встановлення температурної аномалії на поверхні грунту над трубопроводом, заглибленим на 1 м, складає 3–10 діб. Тому для визначення амплітуди температурної аномалії проводились розрахунки з коефіцієнтами, які усередненні за період 3–10 діб до моменту спостереження з урахуванням погодних умов та стану атмосфери.
При моделюванні тривимірного температурного поля навколо магістрального газопроводу з витоком газу, крім вищезазначених параметрів, потрібні густина та коефіцієнт питомої теплоємності грунту. Для не дуже вологих ґрунтів при відсутності фазових перетворень ці параметри можуть вважатися постійними.
Для методу розрахунку двовимірного стаціонарного температурного поля у ґрунті у зоні магістрального газопроводу без витоку газу трубопровід розглядався як циліндричне джерело тепла у напівобмеженому просторі (ґрунті) з відомими теплофізичними характеристиками. На межі “Труба–грунт” задавалась гранична умова першого роду, на поверхні грунту – гранична умова третього роду, що моделює радіаційний баланс та конвективний теплообмін з повітрям. Температурне поле вважалось симетричним відносно вертикальної площини, яка проходила через вісь трубопроводу.
Інтегрування диференціального рівняння виконувалось кінцево-різницевим методом у розрахунковій області, яка являла собою прямокутник з вирізом у вигляді напівкола. Знизу розрахункова область обмежувалась глибиною нейтрального шару, збоку границя розрахункової області вибиралась за межами зони впливу газопроводу.
У розрахунковій області вводилась прямокутна система координат з осями: Х – у площині поверхні грунту вздовж трубопроводу, Y – вглиб грунту через вісь трубопроводу, Z – у площині поверхні грунту поперек трубопроводу. Температурне поле вважалось незалежним від координати Х, тобто рішення знаходиться у площині YZ. На верхній межі області задавались граничні умови третього роду, на нижній межі і на півколі лівої межі – умови першого роду, на лівій границі за винятком півкола та на правій межі – умови другого роду (нульовий тепловий потік).
Температурне поле визначалось шляхом інтегрування рівняння:
 (1)
з граничною умовою третього роду на поверхні грунту:
 , (2)
 , (3)
 , (4)
де Т(y, z) – температура грунту; λ(y, z) – коефіцієнт теплопровідності грунту; αn, αk, αp – коефіцієнти тепловіддачі між грунтом та повітрям, відповідно повний, конвекційний та радіаційний; Тп – температура повітря у приземному шарі атмосфери; Тпе – еквівалентна температура повітря з урахуванням сонячної радіації; Qs – радіаційний баланс (частина потоку сонячної радіації, що поглинається грунтом).
Граничні умови другого роду на бокових межах розрахункової області:
 ,  . (5)
Ясно, що моделювання температурного поля навколо трубопроводу з витоком газу повинно виконуватись у тривимірному нестаціонарному наближенні. Ця задача значно складніша за попередню, оскільки число вимірів фактично подвоюється (додається третя просторова координата та час). Крім того, це істотно нелінійна задача, оскільки взаємодія газу з грунтом моделюється нелінійним джерелом тепла, і його лінеаризація веде до погіршення фізичної картини процесу.
Витік газу з трубопроводу моделювався пористим каналом прямокутного поперечного перерізу, по якому газ тече у вертикальному напрямку від точки витоку з трубопроводу до поверхні грунту. Така ідеалізація реального процесу дифузії (фільтрації) газу в ґрунті за наявності гравітаційного поля є вельми правдоподібною і цілком припустима на першому етапі моделювання. З урахуванням загальноприйнятих наближень та особливостей задачі течія газу по каналу розглядалась у квазістаціонарному наближенні як ізобаричне із завданою витратою газу; при цьому рівняння руху виключалось з повної системи рівнянь. Рівняння енергії для двофазного середовища відповідно розділилось на два рівняння – для кожної фази окремо.
У рівнянні збереження енергії для твердої фази (пористого грунту) з’явилось ефективне об’ємне джерело, яке моделює теплообмін з газом:
 , (6)
де величини без індексу належать грунту і визначаються з урахуванням пористості як ефективні; Тg – температура газу; α – коефіцієнт теплообміну між грунтом та газом; φ – питома площа теплообміну (компактність насадки). Рівняння збереження енергії для газової фази має вигляд:
 (7)
де G – витрата газу через витік; cр – питома теплоємність газу; Sk – площа поперечного перерізу каналу витоку.
Система рівнянь розв’язувалась кінцево-різницевим методом. Розрахункова область являла собою паралелепіпед з напівциліндричним вирізом, який моделював трубопровід. Різницева сітка у площині YZ вибиралась як підмножина різницевої сітки попередньої задачі, рішення якої у вузлах сітки використовується як початкове температурне поле при вирішенні даної задачі. У напрямку вісі Х різницева сітка будується аналогічно до сітки у напрямку вісі Z. Граничні умови по вісі Х аналогічні граничним умовам по вісі Z – використовується умова симетрії при Х = 0, на дальших від витоку межах розрахункової області використовуються граничні умови першого роду.
Диференційне рівняння (6) на нерегулярній тривимірній різницевій сітці апроксимується наявною кінцево-різницевою схемою першого порядку апроксимації по просторовим змінним та часу. Апроксимація для вузла з нульовими координатами має вигляд:
 (8)
Рівняння (7) апроксимується різницевою схемою:
 . (9)
Розрахунки проведено для умов, що відповідають течії газу на Панютинському полігоні з модельованим витоком влітку. Температура газу у газопроводі Т1 ≈ 25 0С, у витоку Т2 = 5 0С, температура поверхні грунту Тгр ≈ 15 0С. На рис. 1 наведено розподіл температури на поверхні грунту над МГ (без витоку) та над витоком уздовж та поперек трубопроводу для моментів часу 6 та 72 години після виникнення витоку. Температурна аномалія на поверхні грунту має вигляд слабо витягнутого еліпсу з круглим холодним ядром в центрі, розмір аномалії – від 1 до 2 метрів. Процес формування температурної аномалії над витоком складається з двох етапів. На першому етапі, що триває кілька годин (до 0,5 доби), формується циліндричний канал витоку з розподілом температури уздовж каналу, який далі майже не змінюється. На другому етапі як результат дифузії тепла у ґрунті навколо каналу має місце зростання розмірів температурної аномалії з розмиттям перехідної області. При досягненні аномалією розміру, коли встановлюється баланс між теплом, що прийшло у зону аномалії, та теплом, що передалось холодному газу витоку, зростання аномалії припиняється. Тривалість другого етапу – від 3 до 5 діб.
У серії розрахунків з трьома значеннями витрати газу у витоку 1, 2 та 3 г/с було отримано практично однакові результати: амплітудні значення температурної аномалії відносно фонової температури поверхні грунту на певній відстані від трубопроводу досягли -6,0; -6,4 та -6,5 0С, відповідно. Час встановлення стаціонарного температурного поля визначається температуропроводністю грунту і є однаковим для усіх варіантів.
Отримані у процесі фізико–математичного моделювання тривимірного нестаціонарного температурного поля значення амплітуди температурної аномалії відносно фону відповідають результатам натурного моделювання з високою точністю (амплітуда аномалії на ґрунті досягала -6 0С). Це свідчить про достовірність моделі, а також означає, що вибрані значення параметрів задачі є правильними.
В третьому розділі наведені результати фізичного моделювання витоків газу. У даних дослідженнях до фізичного моделювання витоків газу з газопроводу звернулись з тією метою, щоб експериментальним шляхом визначити температурну картину на поверхні грунту над газопроводом при непорушеному стані герметичності та для визначення часу формування температурної та газометричної аномалій на поверхні грунту при наявності витоку газу, для одержання їх геометричних та фізичних характеристик, для з’ясування, наскільки вони стабільні в часі і які зовнішні фактори впливають на них, а також якою апаратурою вони можуть бути зафіксовані при проведенні досліджень з борту авіаносія та при наземному обстеженні.
Для цього на третій нитці (Ду 1000 мм) діючого газопроводу Шебелинка – Дніпропетровськ – Кривий Ріг – Ізмаїл в районі смт Панютино був споруджений дослідний полігон, схема якого зображена на рис. 2.
Від лінійного крану 21–б був зроблений відвід, до якого був приєднаний вентиль ВІ–25, а з протилежного боку – гребінка, що складалася з трьох відгалужень, на які теж були встановлені вентилі, виходи з останніх були підведені до поверхні попередньо розкритого газопроводу. Трубки з внутрішнім діаметром 6 мм були укладені на верхню (поз. 1 рис. 3), бокову (поз. 2 рис. 3) та нижню (поз. 3 рис. 3) поверхні газопроводу. Після цього газопровід був засипаний грунтом, залитий 10 м 3 води, утрамбований та вистояний на протязі декількох місяців.
Виміри температури (за методикою Чекалюка Е.Б.) в дрібних свердловинах (1,5; 1,0; 0,5 та 0,2 м) проводились розробленими в УкрНДІгазі електронними термометрами, в котрих як датчики температури використовувались п’єзокварцові термозалежні резонатори, а на глибині 0,05 м – ртутними термометрами ТЛ–1 (точність виміру – 0,1 0С).
При проведенні експериментальних температурних досліджень на дослідному полігоні перед початком моделювання витоку газу кожен раз проводились виміри температури по тих же профілях, що і при наявності витоку газу. Спочатку виміри температури проводились через кожні 4 години, а потім був визначений оптимальний час для проведення зйомок (коли не впливає сонячна інсоляція) і надалі зйомка проводилась в часи перед сходом сонця та після заходу. Дебіт модельованих витоків газу складав 70, 200, 250, 300, 350, 500, 3200 та 6400 м3/добу. На рис. 4 наведені графіки формування температурної аномалії на глибині 0,05 м в перші три доби після початку моделювання витоків газу з верхньої поверхні газопроводу з дебітами 250, 350, 500 та 6400 м3/добу. При аналізі цих графіків повністю підтверджуються висновки, які були виказані по результатах фізико–математичного моделювання. Температурна картина на поверхні грунту має форму трохи витягнутого еліпсу з лінійним розміром приблизно 2 м, а перепад температур для перших трьох дебітів складає 6 – 8 0С і тільки для витоку з дебітом 6400 м3/добу він перевищує 20 0С, але це пояснюється тим що за багаторічний час моделювання витоків на дослідному полігоні в ґрунті вже створилися канали під час витікання газу і умови передачі тепла за рахунок дросель–ефекту були полегшені та порушені. На рис. 5 наведена побудована температурна картина на глибині 0,05 м для витоку з об’ємом 350 м3/добу. Тут також добре видно, що температурна аномалія має форму трохи витягнутого еліпсу, посунутого від вісі газопроводу на 1 м, а перепад температур досягає 6 0С.
Для проведення газометричних досліджень (за методикою ВНДІЯГГу) проби повітря на висоті 1 м та газу в приповерхневому шарі грунту (0,3 м) відбиралися в скляні контейнери з подальшим хімічним аналізом на вміст вуглеводнів метанового ряду та вуглекислого газу. Проведені дослідження розподілу поля концентрацій показують, що при наявності витоку газу вже в перші години відбувається інтенсивне насичення природним газом порового простору, що перекриває її, а в атмосфері з’являється хмара загазованості вуглеводнями, який в діаметрі має розмір близько двох метрів, а далі з часом зменшується. При закінченні моделювання витоку газу вміст вуглеводнів в ґрунті в перші 16 годин зменшується в 15–20 разів і тільки в центрі газометричної та теплової аномалій на поверхні грунту (на відстані 1 м від вісі газопроводу) насиченість вуглеводнями залишається більше 20 % об. і поновлюється до фонових значень (тобто при непорушеному стані герметичності) за час, який на порядок більше часу наявності витоку. В результаті моделювання витоків газу визначені часові інтервали різкого підвищення вмісту вуглеводнів у ґрунті та атмосфері, а також геометричні розміри загазованого поля.
З метою пошуку оптимального складу апаратурного комплексу для дистанційного виявлення витоків газу при проведенні ІЧ–зйомки використовувались ІЧ–радіометри РСФ, СІР (розробка СКТБ ФТІНТ НАН України) та тепловізори “AGA–782” і “Thermovision–470” (“Agema Infrared Systems”, Швеція). На рис. 6 наведено тепловізійне зображення дослідного полігону при проведенні зйомки з борту авіаносія тепловізором “AGA–782” з висоти 150 м при моделюванні витоку з бокової поверхні газопроводу з дебітом 350 м3/добу в червні.
Для усунення неоднозначності при проведенні температурної зйомки автором реалізована ідея В.В. Бабаєва про можливість поєднання в єдиний бортовий комплекс тепловізійної та газоаналітичної апаратури. До складу апаратурного комплексу для виявлення витоків газу було введено дистанційну газоаналітичну систему “Обзор–2”, в основу роботи якої покладено принцип лазерного зондування шару атмосфери до природної підстильної поверхні.
В результаті проведених наземних температурних, газометричних та тепловізійних зйомок в четвертому розділі сформульовані вимоги до складу та технічних характеристик апаратурного комплексу дистанційного виявлення витоків газу та методика дистанційного виявлення витоків газу.
До складу апаратурного комплексу включені такі системи: тепловізійна, лазерна газометрична, відео супроводження, супутникова навігаційна, а роботою всіх цих систем керує бортовий обчислювальний комплекс (рис. 5).
Тепловізійна апаратура повинна мати такі характеристики:
– робочий спектральний діапазон – 8–12 мкм;
– температурна чутливість газу ΔΤо – 0,1 0С;
– просторове розрізнення δ – 10–3 рад;
– частота кадрів – 50 Гц
та виконувати такі функції:
- оцифровування кадру;
- абсолютний вимір температури;
- електронне масштабування.
Ці вимоги повністю реалізовані в тепловізорі “Thermovision–1000” фірми “Agema Infrared Systems”, Швеція.
При проведенні дистанційних досліджень при розробці методики дистанційного виявлення витоків газу газометрична зйомка проводилась лідаром “Обзор – 2”, але він мав ряд суттєвих недоліків:
– високу вірогідність невірних сигналів, що пов’язані з наявністю джерел емісії метану різного походження (болота, звалища побутових відходів, вугільних розрізів, ферми та пасовища жуйних тварин і т. ін.), де локальна концентрація метану в десятки разів перевищує фонову;
– He-Ne–лазерна система є лише дистанційним детектором надлишкового метану на трасі обстеження. Фіксовані довжини хвиль випромінювання та обмежений динамічний діапазон приймального тракту (~ 102) виключали можливість визначення концентрації метану у факелі витоку;
– реєстрація витоків інших легких вуглеводнів неможлива;
– вузьке поле зору не дозволяло здійснювати обстеження багатониткових газопроводів в одному польоті;
– небезпечні при використанні гелікоптера висоти польоту (30–70 м) обумовлені низькою потужністю випромінювання лазерів.
Тому в апаратурному комплексі доцільно використовувати лазери, які працюють в імпульсно–періодичному режимі роботи. Це дає такі переваги:
а) потужність лазерного випромінювання підвищується до 105 разів, що надає можливість підняти оптимальну висоту польоту гелікоптера від 100 до 800 м;
б) замість однохвильового лазера доцільно використовувати параметричні лазери з перебудовуванням довжини хвилі випромінювання. Це дозволяє визначати в складі атмосфери не тільки наявність надлишкового метану, але й інших надлегких вуглеводнів (етану, пропану, бутану і т. ін.).
в) такий лазерний газоаналізатор дозволить фіксувати не тільки факт наявності надлишкової кількості метану та інших легких вуглеводнів, але і визначати їх середню по довжині траси концентрацію.
г) просторове сканування лазерним випромінюванням, яке може здійснюватись в автоматичному режимі або оператором вручну, дозволить проводити виміри в одному польоті відразу на кількох нитках газопроводу.
д) в такому лазерному газоаналізаторі можна здійснювати вимір довжини траси розповсюдження лазерного випромінювання.
До додаткового обладнання апаратурного комплексу дистанційного виявлення витоків газу з газопроводу відносяться бортовий обчислювальний комплекс, системи відеосупроводження, навігації та гіростабілізуючі платформи.
В результаті проведених досліджень автором розроблена методика дистанційного виявлення витоків газу, яка складається з наступних видів робот:
– збір та аналіз картографічної та технологічної інформації про газопровід, космо-, аеро-, фотознімки трас газопроводу, оцифровка та введення в бортовий обчислювальний комплекс;
– математичне моделювання температурного поля грунту над газопроводом та проведення рекогносцирувального польоту;
– тепловізійна, лідарна та відео - зйомки траси газопроводу;
– обробка отриманої інформації, порівняння результатів математичного та фізичного моделювання, визначення місць вірогідних витоків газу;
– наземні температурні та газометричні зйомки в місцях припущених витоків газу;
– збір та комплексна обробка інформації, видача акту про стан герметичності газопроводу, а при наявності витоків газу – видача їх координат та орієнтирів на місцевості;
Апаратурний комплекс дистанційного виявлення витоків газу може бути розташований на літаку АН–2, гелікоптері МІ–8 та на безпілотному літальному апараті.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
Дана дисертаційна робота торкнулась однієї з найгостріших проблем, що існують зараз в Україні, а саме підтриманню газотранспортної системи в герметичному стані. До теперішнього часу дистанційні методи обстеження газопроводів на герметичність в Україні не застосовувались, а проводилось тільки візуальне обстеження з гелікоптера.
1. Розроблений новий метод дистанційної діагностики витоків вуглеводневої сировини при її транспортуванні по газопроводам, який заключається в одночасному виявленні температурної аномалії, що створена на поверхні грунту витоком газу з підземного газопроводу та хмари метану в приземному шарі повітря дистанційним апаратурним комплексом. Цей метод не вимагає доробок або зупинок трубопроводів, не залежить від їхнього діаметру та забезпечує високу оперативність вимірів при швидкому пересуванні вздовж траси газопроводу.
2. Створені та експериментально підтверджені фізико–математичні моделі температурних двовимірних та тривимірних полів на поверхні грунту для герметичних газопроводів та при наявності витоку газу з дебітом більше 70 м3/добу.
3. Експериментально досліджена і вперше створена модель формування аномалії температурного поля на поверхні грунту над місцем витоку газу.
4. На основі аналізу наземних та дистанційних полігонних вимірювань запропоновані найбільш сприятливі періоди сезонів року, погодні умови, час доби та стан ландшафту з позицій ефективності виявлення витоків газу дистанційним методом. Це, перш за все, ранкові та вечірні інверсійні періоди нівельованого температурного поля, також з успіхом використовуються умови слабкого сонячного нагріву, наприклад, похмурі дні або пізня осінь, початок чи кінець зими та початок весни, коли відсутній сніговий шар та рослинність. Проведення тепловізійної зйомки в цих умовах дозволяє найбільш ефективно спостерігати трасу газопроводу та виявляти витоки газу не тільки на трасі МГ, а й на лінійних кранах.
5. Сформульовані технічні вимоги до типової апаратури дистанційного контролю стану герметичності газотранспортних мереж, а саме
для тепловізійної системи:
– робочий спектральний діапазон – 8–12 мкм;
– температурна чутливість газу ΔΤо – 0,1 0С;
– просторове розрізнення δ – 10–3 рад;
– частота кадрів – 50 Гц
та умовою виконання таких функцій:
– оцифровка кадру;
– абсолютний вимір температури;
– автоматичне регулювання підсилювання та рівня;
– змінне поле зору, режим “Стоп-кадру”;
– електронне масштабування.
Із багатьох типів тепловізорів та ІЧ–радіометрів найкращою на даний момент являється тепловізійна система “Thermovision–1000”,
а в дистанційній газоаналітичній системі доцільно використовувати параметричні лазери які працюють в імпульсно–періодичному режимі з перебудуванням довжини хвилі випромінювання.
6. Створений лазерно–тепловізійний апаратурний комплекс для дистанційного виявлення місць витоків газу з точністю 20÷50 см. Вірогідність виявлення таких витоків сягає майже 100%. Таким чином вперше практично вирішена проблема надійності дистанційного контролю витоків газу.
7. Методика високоточного дистанційного контролю стану герметичності газотранспортної системи впроваджена в ДП "Шебелинкагазпром".
8. Виконаний економічний аналіз застосування нового методу дистанційного контролю за станом герметичності газопроводів для варіанту розташування його на безпілотному літальному апараті. Термін окупності становить 1,84 року.
| 
