В настоящее время всё большее распространение получают автоматические системы обнаружения утечек (СОУ) из трубопроводов, позволяющие оперативно обнаружить факт утечки и установить место её образования. Это позволяет не только значительно сократить время реакции аварийных служб и, как следствие значительно уменьшить экологический ущерб от разлива перекачиваемых продуктов, но и свести к минимуму время вынужденного простоя трубопровода.
В связи с вышесказанным, в данный момент на мировом рынке существует множество компаний, предлагающих свои системы обнаружения утечек. В данной статье рассмотрены основные продукты в области систем обнаружения утечек российских производителей.
1 Параметрическая СОУ «LeakSPY» (ОАО «Энергоавтоматика»)
Параметрическая СОУ «LeakSPY» – первая в России система диагностики утечек из магистрального нефтепровода, использующая математическую модель. Впервые данная система была установлена в Тюменском районном диспетчерском пункте ОАО «Сибнефтепровод» в 1995 году. С тех пор аналогичные системы были установлены еще в пятнадцати региональных нефтепроводных компаниях. Они контролируют более 16000 километров магистральных нефтепроводов.
СОУ «LeakSPY» является полностью завершенным программным пакетом, в состав которого входит математическая модель реального времени нефтепровода. В качестве исходной информации для расчета модель реального времени использует данные о давлении, температуре, расходе и т.п. и является реальной динамической моделью, которая позволяет рассчитывать переходные и нестационарные процессы в трубопроводе. По сути, система использует модель для постоянной проверки соблюдения основных физических законов течения жидкости в трубопроводе.
Помимо функции диагностики утечек модель используется для анализа перекачки, состояния измерительных приборов, эффективного диаметра трубопровода, идентификации характеристик насосных агрегатов, расчета графика движения скребка и порций нефти различного качества или отличающихся по свойствам, анализа критических режимов. Диагностика утечек, как правило, является превалирующей функцией системы.
Рисунок 1 Структурная схема системы мониторинга трубопровода с применением СОУ «LeakSPY»
СОУ «LeakSPY» является программным комплексом, работающим на отдельно выделенном персональном компьютере (ПК), находящемся в локальной диспетчерской сети, под управлением операционной системы «Windows». ПК с «LeakSPY» по сети получает информацию из базы данных системы диспетчерского управления (рис.1). При этом система не требует установки дополнительного оборудования. Часть информации (профили трассы, размещение технологического оборудования и т.д.) вводится вручную на этапе конфигурации системы. Остальная информация (значения давления, расхода, состояние исполнительных механизмов и т.д.) поступают регулярно из базы данных системы диспетчерского управления в СОУ «LeakSpy» с заданным интервалом времени. Необходимо, чтобы значения всех необходимых параметров поступали с метками времени, т.е. в момент измерения давления или расхода этим параметрам присваивалась метка времени.
Рисунок 2 Состав СОУ «LeakSPY»
СОУ «LeakSPY» состоит из следующих основных функциональных модулей (рис.2):
– модуль обмена данными, обеспечивающий связь с системой диспетчерского управления посредством локальной сети;
– модуль подготовки данных, осуществляющий обработку полученной информации, контроль её достоверности и целостности, сохранение её во внутренней базе данных;
– модуль контроля достоверности информации, полученной от средств измерения, определения неисправных каналов, либо испорченных измерений;
– модуль алгоритмов диагностики, объединяющий в себе различные алгоритмы, используемые для контроля герметичности, а также определения места возникновения утечки;
– модуль динамической математической модели нефтепровода, функционирующей в реальном масштабе времени, расчеты проводятся на основе полученной измерительной информации, и используются алгоритмами диагностики для принятия решения;
– модуль принятия решений, осуществляющий анализ информации о технологическом процессе и принятие окончательного диагноза;
– модуль архивации;
– модуль человеко-машинного интерфейса, отвечающий за связь программы с диспетчером: представление информации в виде графических объектов на экране, генерация звуковых сообщений и приём команд от диспетчера;
– модуль адаптации алгоритмов;
– модуль аварийной сигнализации;
– менеджер программы, управляющий распределением ресурсов компьютера между перечисленными выше модулями.
- 2 СОУ «Appius LD» (инжиниринговая компания «Комбит»)
Система «Appius LD» собирает, обобщает и анализирует все доступные технологические данные и в результате выдаёт аварийный сигнал о наличии утечки и её координате. Оператор имеет возможность проанализировать технологические данные, предоставляемые СОУ и на их основании принять окончательное решение о факте утечки.
Система совмещает в себе волновой, объёмно-балансовый методы и метод анализа профиля распределения давления.
СОУ «Appius LD» представляет собой технический комплекс, состоящий из следующих уровней (рис.3):
– нижний уровень (средства измерения);
– средний уровень (локальные станции СОУ, расположенные на КП трубопровода);
– верхний уровень (сервер СОУ и АРМ СОУ).
Рисунок 3 Структурная схема системы обнаружения утечек «Appius LD»
Средства нижнего уровня СОУ, выбранные с учётом требований к характеристикам системы, обеспечивают достоверное измерение технологических параметров.
Локальные измерительные станции собирают технологические данные, измеренные средствами нижнего уровня. С помощью программного обеспечения определяются значения давления, плотности и вязкости жидкости, которые учитываются при расчете расходов. Дополнительно учитывается влияние изменения температуры на жидкость и геометрические размеры трубы, что очень важно для длинных участков трубопровода.
Локальная станция СОУ оснащена проводной или спутниковой системой точного времени, которая позволяет с высокой точностью синхронизовать локальные станции.
Из собранных данных формируются информационные пакеты, снабженные метками времени. Эти пакеты по каналам связи передаются серверу СОУ.
Верхний уровень состоит из сервера СОУ и одного или нескольких АРМ СОУ. Обнаружение утечек выполняется ПО сервера СОУ с помощью волнового и объёмно-балансового методов с учетом эпюр давлений и распределения температуры вдоль трубопровода на основе информации, получаемой от локальных станций. Также система может взаимодействовать с СДКУ, используя имеющуюся информацию (статусы линейных объектов, показания средств измерения и т.п.) для более детального анализа ситуации, что позволяет значительно повысить надёжность системы и заметно улучшить её точностные характеристики. Сигналы тревоги, значения технологических параметров, состояние отдельных элементов трубопровода отображаются на мнемосхемах АРМ СОУ.
В состав системы входит тренажер оператора, базирующийся на гидродинамической модели трубопровода, который позволяет проводить обучение персонала в условиях, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации трубопровода.
Характеристики системы могут варьироваться в широком диапазоне и зависят от состава и точности используемых средств измерения и технологических особенностей конкретного трубопровода. При оптимальных условиях система способна обнаруживать утечки величиной до 0,5 % от номинального расхода за 2-3 минуты и локализовать место образования утечки с точностью до 100 м.
Кроме обнаружения утечек система «Appius LD» также может выполнять следующие аналитические функции мониторинга трубопровода:
– мониторинг технологического режима перекачки;
– контроль состояния измерительных приборов;
– определение эффективного диаметра трубопровода;
–идентификация характеристик насосных агрегатов.
- 3 СОУ «Нефтеавтоматика» (ОАО «Нефтеавтоматика»)
Система обнаружения утечек появилась в числе продуктов ОАО «Нефтеавтоматика» в 2008 г.
В основе СОУ ОАО «Нефтеавтоматика» легли следующие методы обнаружения утечек:
– метод материального баланса;
– метод определения утечки по волне давления;
– метод анализа профиля давления по длине трубопровода;
– метод анализа зависимости расхода и давления.
В состав СОУ, структура которой представлена ниже (рис.4), входит следующее оборудование:
1 средства измерений полевого уровня (датчики давления и температуры, ультразвуковые расходомеры);
2 программно-технический комплекс «Система обнаружения утечек»
2.1 линейные измерительные станции (ЛИС) шкафного исполнения, включающие в себя промышленные контроллеры «Modicon» фирмы «Schneider Electric» и коммуникационные оборудование, устанавливаемые в начале и конце контролируемого участка;
2.2 АРМ СОУ на основе серверной платформы с программным комплексом «АРМ оператора системы обнаружения утечек в трубопроводах».
Рисунок 4 Структурная схема СОУ ОАО «Нефтеавтоматика»
Исходными данными анализа в СОУ являются:
– массовый (объёмный) расход потока, температура, плотность и вязкость в начале контролируемого участка (данные принимаются по цифровым каналам из СИКН);
– давление в начале контролируемого участка с датчиков давления, входящих в состав СОУ;
– объёмный расход, давление и температура в конце контролируемого участка с датчиков, входящих в состав СОУ.
Данные в начале и конце контролируемого трубопровода принимаются и обрабатываются промышленными контроллерами. Далее подготовленная информация передается по имеющимся на объекте каналам связи в базу данных АРМ СОУ.
Информация, поступающая в программный комплекс «АРМ оператора СОУ» в реальном масштабе времени, проходит предобработку, на основе модели потока в трубе обеспечивает непрерывный мониторинг состояния потока, диагностику факта и места утечки, а также расчет величины утечки.
В основе анализа лежит метод материального баланса, заключающийся в сравнении показаний расходомеров в начале и конце контролируемого участка.
Небольшие по размеру и быстроразвивающиеся утечки обнаруживаются методом анализа волны давления, распространяющейся от места утечки при ее образовании. Метод волны давления и профиля давления позволяет определять место образования утечки.
Метод зависимости расхода и давления позволяет определять утечки при переходных режимах.
- 4 «Инфразвуковая система мониторинга трубопроводов» (ООО «НПФ «ТОРИ»)
Система «ИСМТ» применяется для нефтепроводов, продуктопроводов, газопроводов.
Основные функции «ИСМТ»:
– обнаружение утечек;
– локация внутритрубных устройств;
– видеонаблюдение;
– регистрация дефектов.
При обнаружении утечек определяются местоположение и интенсивность утечек из трубопровода. При локации внутритрубных устройств выполняется непрерывный дистанционный контроль местоположения, измерение скорости движения, определение расчётного времени прихода очистных устройств, диагностических снарядов, поршней-разделителей, других устройств. Видеонаблюдение осуществляется в местах установки оборудования на трубопроводе. Осуществляется регистрация геометрических дефектов стенки трубопровода.
Результаты работы отображаются в реальном масштабе времени на дисплее компьютера диспетчера управления трубопроводом с привязкой к географической карте, технологическим схемам, картам высотного положения трубопровода над уровнем моря.
Полный перечень реализуемых функций, а также достигаемые при этом параметры, например, точность определения местоположения утечки и чувствительность к её производительности, уточняются на стадии разработки рабочего проекта и зависят от технических характеристик участка трубопровода.
Система «ИСМТ» включает:
– модули первичного сбора и обработки данных типа МПП и МОПС, монтируемые на трубопроводе;
– систему транспорта данных;
– программное обеспечение, устанавливаемое на компьютере диспетчера участка трубопровода (компьютере управления).
Ниже приведена структурная схема построения системы «ИСМТ» для участка с четырьмя трубопроводами (рис.5).
Рисунок 5 Структурная схема построения системы «ИСМТ»
Следует отметить, что архитектура построения системы «ИСМТ» позволяет практически неограниченно наращивать число подключаемых участков, обеспечивая контроль разветвлённой сети трубопроводов с помощью одного компьютера управления. На компьютере при этом появляется соответствующая географическая карта сети трубопроводов с индикацией состояний контролируемых функций на каждом из её участков. Такой интерфейс позволяет максимально разгрузить диспетчера. При появлении информации для одного из контролируемых участков система «ИСМТ» оповещает диспетчера световым и, при необходимости, звуковым сигналом.
Программное обеспечение (ПО) «ИСМТ» состоит из трёх уровней. Первый уровень обеспечивает работу модулей МПП, установленных на трубопроводе, и транспорт данных в модули МОПС. Второй уровень ПО обеспечивает обработку данных и транспорт результатов обработки от модулей МОПС до компьютера управления. Третий уровень ПО отвечает за отображение полученной информации на компьютере управления (рис.6).
Рисунок 6 Отображение информации в «ИСМТ»
Программное обеспечение «ИСМТ» отличается модульностью, что позволяет выполнять настройку разных конфигураций системы, обеспечивая её работу для сложных разветвлённых сетей трубопроводов.
В состав ПО системы входит программа настройки, позволяющая специалистам Заказчика самостоятельно изменять конфигурацию каналов связи и выполнять настройку системы при изменении условий эксплуатации трубопроводов.
Встроенные средства самодиагностики и дистанционного контроля позволяют свести к минимуму затраты на текущее обслуживание «ИСМТ», повышают надёжность её работы. Это особенно актуально в связи со значительной удаленностью модулей от насосных (компрессорных) станций, большой протяженностью трубопроводов, их разветвленной сетью, а также увеличивающимися для трубопроводов объёмами аппаратно-программных средств диагностики и управления технологическими процессами.
В вышеописанных системах используются различные методы обнаружения утечек на трубопроводах. Наиболее перспективными, на данный момент, являются системы, использующие инфразвуковой мониторинг трубопровода, и как следствие, в ближайшем будущем такие системы начнут вытеснять существующие системы обнаружения утечек. Однако у систем инфразвукового мониторинга есть существенный минус: необходимость устанавливать дополнительное оборудование на трубопроводе.
Литература:
Глушков Э.И., Аскаров Р.В. Системы обнаружения утечек нефти в трубопроводах – новая продукция ОАО «Нефтеавтоматика» // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. М.: ВНИИОЭНГ. 2009. №4. С. 19–20.
Система обнаружения утечек Appius LD. Общее описание. – 2010 [Электронный ресурс]. URL: http://www.kombit.ru/content/view/32/49/ (дата обращения: 05.12.2010).
Параметрическая система обнаружения утечек LeakSPY. – 2010 [Электронный ресурс]. URL: http://energoavtomatika.com/products/?base=&news=0 (дата обращения: 14.12.2010).
Инфразвуковая система мониторинга трубопроводов. – 2010 [Электронный ресурс]. URL: http://www.torinsk.ru/functions.html (дата обращения: 01.12.2010).
