System monitorowania nieszczelności rurociągów gazu ziemnego

Konieczność stosowania systemu monitorowania wycieków gazociągów

Od XXI wieku, wraz z szybkim rozwojem gospodarki Chin, zapotrzebowanie na zużycie gazu ziemnego gwałtownie wzrosło, a tempo budowy rurociągów naftowych i gazowych stale rośnie. Od końca 2019, osiągnięto całkowitą długość chińskich dalekobieżnych rurociągów gazu ziemnego 7.26 × 104 km, tworząc schemat dostaw gazu “Przesył gazu z Zachodu na Wschód, Migracja gazu północnego na południe, Lądowanie gazu morskiego, Połączenie szkieletowe, i Sieć Lokalna”. Według odpowiednich planów, przekroczy całkowitą długość chińskiej sieci rurociągów naftowych i gazowych 24 × 104 km wg 2025. Transport rurociągowy jest najpowszechniej stosowanym sposobem transportu gazu ziemnego, z zaletami bezpieczeństwa, niezawodność, niskie zużycie energii, wolne od zanieczyszczeń, i zasadniczo nie ma na nie wpływu klimat. Długodystansowe rurociągi gazu ziemnego często przecinają złożone obszary terenowe, takie jak rzeki, góry, i obszary zrobów, czyniąc je podatnymi na uszkodzenia przez osoby trzecie prowadzące do nieszczelności rurociągów. Jeśli nie można w porę wykryć odsłoniętych lub nieszczelnych rurociągów i nie można podjąć odpowiednich środków, nieuchronnie spowoduje to pewne straty ekonomiczne dla jednostki eksploatującej rurociąg, oraz w ciężkich przypadkach, może to spowodować poważne wypadki, takie jak ofiary śmiertelne. Terminowe i dokładne wykrywanie odsłoniętych lub nieszczelnych rurociągów gazu ziemnego ma ogromne znaczenie dla zapewnienia bezpiecznej eksploatacji rurociągów oraz bezpieczeństwa życia i mienia ludzi na trasie.

Technologię monitorowania wycieków w długodystansowych rurociągach przesyłowych gazu ziemnego można podzielić na dwie kategorie:

① Metody kontroli wewnętrznej oparte na strumieniu magnetycznym, prąd wirowy, kamera, itd;

② Zewnętrzna metoda wykrywania oparta na parametrach fizycznych ciśnienia w rurociągu, temperatura, natężenie przepływu, dźwięk, i wibracje. Zaproponowano pomysł wykorzystania światłowodowego systemu pomiaru temperatury do wykrywania nieszczelności rurociągów gazu ziemnego, i a rozproszony światłowód Opracowano system pomiaru temperatury metodą rozpraszania Ramana. Na podstawie rejestracji zmian temperatury podczas nieszczelności rurociągów, udało się monitorować nieszczelności gazociągów. Do monitorowania bezpieczeństwa rurociągów stosowana jest rozproszona światłowodowa metoda monitorowania temperatury oparta na technologii R-OTDR.

Trwają prace nad zastosowaniem rozproszonej technologii detekcji światłowodowej w monitoringu rurociągów podziemnych. Zalety analizy w dziedzinie czasu z rozpraszaniem Brillouina (Botda) technologia obejmuje: Pomiar dwustronny z dużym zakresem dynamicznym, krótki czas badania i wysoka dokładność, Można zmierzyć temperaturę bezwzględną i odkształcenie, rozdzielczość przestrzenna, jaką może osiągnąć 0.1 m, i duża odległość testowania (aż do 25 kilometr). Badania nad rozproszonymi światłowodami monitorowanie wycieków z gazociągów w oparciu o technologię światłowodowego pomiaru temperatury BOTDA i weryfikacji na miejscu na rurociągach gazu ziemnego.

Zasady rozproszonej technologii światłowodowej
1. Zasada rozproszonego światłowodowego pomiaru temperatury

“Rozproszone wykrywanie” odnosi się do wykorzystania włókien optycznych jako czujników liniowych dostarczających informacji pomiarowych w całym procesie światłowodowym. Na podstawie wyników analizy światła rozproszonego wstecznie generowanego przez impulsy laserowe propagujące się wzdłuż światłowodu, pojedynczy światłowód może zastąpić tysiące czujników jednopunktowych, co może zaoszczędzić wiele instalacji, kalibrowanie, i koszty utrzymania. Kiedy światło rozchodzi się w materiałach światłowodowych, Występuje rozpraszanie Brillouina. Rozpraszanie Brillouina to rozpraszanie spowodowane interakcją pomiędzy falami świetlnymi i falami dźwiękowymi (generowane przez ruchy Browna cząsteczek materiału włóknistego) podczas propagacji w światłowodach. Częstotliwość światła rozproszonego jest przesuwana o częstotliwość Brillouina w stosunku do światła padającego. Pomiary temperatury i odkształcenia można przeprowadzić, mierząc przesunięcie częstotliwości rozproszonego wstecznie światła Brillouina w świetle pulsacyjnym. Istnieją dwa główne typy technologii pomiaru temperatury i odkształceń opartych na zasadzie rozpraszania Brillouina: rozproszona technologia wykrywania światłowodowego oparta na optycznym odbiciu w dziedzinie czasu (BOTDR) oraz rozproszoną technologię wykrywania światłowodowego opartą na optycznej analizie w dziedzinie czasu (Botda). Aby zwiększyć siłę sygnału, Technologia rozproszonego wykrywania światłowodowego BOTDA wykorzystuje dwa przeciwstawne światła transmitowane w celu zwiększenia rozpraszania Brillouina, co skutkuje wyższą dokładnością pomiaru temperatury i odkształcenia oraz większą odległością pomiarową.

Zasada obniżania temperatury w miejscach wycieków

W przypadku nieszczelności rurociągu gazu ziemnego, gaz ulatnia się i zwiększa swoją objętość. Zgodnie z efektem Joule'a Thomsona, lokalna temperatura wokół punktu wycieku rurociągu gwałtownie spadnie, a w glebie wokół rurociągu utworzy się gradient temperatury. Gdy zmienia się temperatura w formacji w pobliżu punktu wycieku, światłowód ułożony w pobliżu rurociągu może monitorować tę zmianę w czasie rzeczywistym i przekazywać ją do systemu monitoringu w celu ustalenia lokalizacji miejsca wycieku. Projektowanie eksperymentów z różnymi czynnikami może ustalić odpowiednie zależności między różnymi warunkami wycieku, ilości wycieków, i obniżki temperatury, dostarczanie cenniejszych danych zwrotnych w przypadku wycieków z rurociągów gazu ziemnego na duże odległości.

Rozproszone światłowody oparte na BOTDA są wrażliwe na temperaturę, a każdy wzrost lub spadek lokalnej temperatury światłowodu może spowodować przesunięcie częstotliwości Brillouina, a zmienna temperatury ma liniową zależność od wielkości przesunięcia częstotliwości Brillouina.

Zasada ustalania temperatury punktu wycieku

Kiedy impuls laserowy jest wprowadzany do światłowodu pod pewnym kątem, następuje rozproszenie. Aby zlokalizować punkt zmiany temperatury, można obliczyć czas propagacji impulsu laserowego we włóknie:

Budowa światłowodowego systemu pomiaru i monitorowania temperatury
Przegląd miejsca monitorowania rurociągu gazu ziemnego

Całkowita długość magistrali projektowej gazociągu ziemnego wynosi ok 715 kilometr, o średnicy 1422 mm, ciśnienie projektowe wynoszące 12 MPa, oraz projektową zdolność przesyłową wynoszącą 380 × 108 m3/rok; Punktem początkowym linii odgałęzionej jest stacja dystrybucyjna Changling linii głównej, a punktem końcowym jest stacja dystrybucji i czyszczenia Changchun. Całkowita długość wynosi 109 kilometr, o średnicy rury 1016 mm, ciśnienie projektowe wynoszące 10 MPa, i zdolność projektową wynoszącą 114 × 108 m3/rok. Według dokumentów projektowych, monitorowany tym razem rurociąg jest podzielony na dwa odcinki. W obszarze o wysokich konsekwencjach obszaru trzeciego poziomu, zasięg monitorowania linii głównej wynosi 10 km poniżej punktu początkowego komory zaworowej HC25, a zasięg monitorowania linii odgałęzionej wynosi 35 km poniżej punktu początkowego stacji przesyłowej.

Budowa Systemu Monitorowania Wycieków Gazu Ziemnego

System monitorowania temperatury składa się z 2 światłowodowe hosty do pomiaru temperatury, 1 serwer (łącznie z wyświetlaczem), 1 przełącznik, oprogramowanie do przetwarzania i analizy sygnałów, itd. Ten 2 światłowodowe hosty do pomiaru temperatury rozmieszczone są odpowiednio w zaworowni i stacji rozdzielczej, a serwer i przełącznik są umieszczone w stacji dystrybucyjnej. Wykorzystanie 2-żyłowych włókien optycznych z komunikacyjnych kabli optycznych ułożonych już w tym samym wykopie w celu utworzenia pętli pomiarowej, wykrywanie w czasie rzeczywistym zmian temperatury wokół włókien optycznych i przesyłanie ich do światłowodowego hosta pomiaru temperatury; Światłowodowy host pomiaru temperatury odbiera i przetwarza sygnały optyczne wzdłuż rurociągu w celu bezpośredniej demodulacji, i przesyła demodulowane dane na serwer. Po przetworzeniu sygnału i obliczeniu oprogramowania do analizy, jeśli temperatura przekroczy próg alarmowy, wyświetli się alarm temperatury i pozycja.

Rozpocznie się instalacja i debugowanie systemu monitorowania temperatury. Na podstawie danych współrzędnych złączy spawanych w okresie budowy oraz danych konstrukcyjnych komunikacyjnych kabli optycznych, wszystkie długości kabli w studni kablowej i długości wejść kablowych zostaną odjęte. Przebieg kabla zostanie dostosowany do przebiegu rurociągu, aby zapewnić minimalny błąd

Światłowodowy czujnik temperatury, Inteligentny system monitorowania, Rozproszony producent światłowodów w Chinach