Системы обнаружения утечек в нефте- и нефтепродуктопроводах

Общая длина обслуживаемых трубопроводов на данный момент 31 844 км.

История создания системы определения утечек. Первая система диагностики утечек была установлена Энергоавтоматикой в Тюменском районном диспетчерском пункте ОАО СИБНЕФТЕПРОВОД в 1995 году. Называлась она LeakSYS и функционировала под ОС MS DOS (рисунок 4.1).

Эта была первая в России система диагностики утечек из магистрального нефтепровода, которая использовала математическую модель.

Аналогичные системы были установлены еще в пятнадцати региональных нефтепроводных компаниях. Они контролируют более 31 000 километров магистральных нефтепроводов. Эти системы интегрированы с различными системами SCADA, такими как MicroSCADA фирмы АББ; MMG-AM; РЕАЛТАЙМ (ВИРА-ИНВЕСТ); GENESIS фирмы ICONICS; ЭлеСи.

Рисунок 4.1 - Окно программы LeakSYS

Основные компоненты системы LeakSPY СОУ состоит из следующих основных функциональных модулей (рисунок 4.2).

Модуль обмена данными. Связь с SCADA по локальной сети.

Модуль подготовки данных. Обработка полученной из SCADA информации, контроль ее достоверности и целостности, сохранение ее во внутренней базе данных.

Модуль контроля средств измерения. Контроль достоверности информации, полученной от средств измерения, определение неисправных каналов, либо испорченных измерений.

Модуль алгоритмов диагностики. Этот модуль объединяет в себе различные алгоритмы, используемые для контроля герметичности, а также определения места возникновения утечки. Структура модуля является гибкой и позволяет в зависимости от объекта диагностирования добавлять или исключать те или иные алгоритмы.

Модуль динамической математической модели нефтепровода. Этот модуль представляет собой динамическую математическую модель нефтепровода, функционирующую в реальном масштабе времени. Расчеты проводятся на основе полученной измерительной информации и используются алгоритмами диагностики для принятия решения.

Модуль принятия решений (Экспертная система). Анализ информации о технологическом процессе и диагнозов модуля диагностики. Принятие окончательного диагноза.

Модуль архивации. Ведение архивов и журналов.

Модуль человеко-машинного интерфейса. Этот модуль отвечает за связь программы с диспетчером: представление информации в виде графических объектов на экране, генерацию звуковых сообщений и прием команд от диспетчера.

Модуль управления программами. Осуществляет адаптацию алгоритмов.

Модуль аварийной сигнализации.

Менеджер программы. Этот модуль управляет распределением ресурсов компьютера между перечисленными выше модулями, осуществляет загрузку и выгрузку программы, а также поддерживает внутреннюю диагностику.

Система обнаружения утечек LeakSPY(Expert). Комбинированная система обнаружения утечек (СОУ) LeakSPY предназначена для определения утечек (вызванных природными факторами или механическими повреждениями) или несанкционированных врезок в нефтепроводах (нефтепродуктопроводах, газопроводах).

Основные характеристики LeakSPY:

ѕ Чувствительность - менее 0,5 %

ѕ Погрешность - не более 400м

В состав LeakSPY входит несколько методов определения утечек (метод баланса масс, метод изменения гидроуклона, метод по волне давления и т.д.). Во всех методах для обработки данных используется математическая модель течения жидкости (газа) в трубопроводах.

Рисунок 4.2 - Структура системы LeakSYS

В центральном окне программы (рисунок 4.3) отображается технологическая схема контролируемого трубопровода. Цвет трубы на схеме меняется в зависимости от режима работы трубопровода (остановлен, стационарный, нестационарный). Также на схеме отображаются состояния задвижек, насосных агрегатов, показания текущих значений технологических параметров (давления, расхода и т.д.). В процессе работы LeakSPY производит анализ качества данных с контрольно-измерительных пунктов (датчиков), в случае получения некорректных показаний LeakSPY может отбраковывать датчики, что также отображается на технологической схеме. Такая же функция реализована в АРМ оператора СОУ, разработанной ОАО «Нефтеавтоматика».

Под технологической схемой находится журнал программы. В нем в хронологическом порядке выводятся записи о происходящих в трубопроводе событиях.

В случае обнаружения утечки срабатывает светозвуковая сигнализация, а место утечки выделяется цветом на технологической схеме трубопровода.

Рисунок 4.3 - Окно программы LeakSPY (Expert)

В процессе работы LeakSPYсохраняет обрабатываемые данные в базу данных, в случае необходимости, впоследствии их можно воспроизвести в специальном режиме работы LeakSPY. Также в базе данных сохраняется журнал событий (утечек и т.д.)

Также LeakSPY позволяет идентифицировать и контролировать текущую скорость звука в трубопроводе.

Система обнаружения утечек LeakSPY. Устанавливается на сравнительно небольшие объекты диагностики (на трубы с 25-35 КП, водные переходы).

Первая версия данной системы была установлена в 1998 году в МНП Дружба, Новополоцк, Беларусь.

Система представляет собой полностью завершенный программный пакет, 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. В настоящее время мы поддерживаем программы на платформе Windows.

Система обнаружения утечек LeakSPY является программным комплексом, работающим на отдельно выделенном ПК под управлением операционной системы Windows XP в локальной диспетчерской сети. ПК с LeakSPY по сети получает информацию из базы данных SCADA. При этом система не требует установки дополнительного оборудования. Достаточно той информации, которая имеется в базе данных SCADA. Часть информации (профили трассы, размещение технологического оборудования и т.д.) вводится вручную на этапе конфигурации системы. Остальная информация (давления, расходы, состояние задвижек, насосов и т.д.) поступают регулярно из базы данных SCADA в программу LeakSpy с заданным тактом. Необходимо, чтобы значения всех ТИ и ТС из SCADA поступали с метками времени, т.е. в момент измерения давления или расхода этим параметрам присваивалась метка времени. Для этого необходимо, чтобы SCADA имела возможность синхронизировать все линейные КП и станционные контроллеры.

LeakWave. В том случае, если необходимо указать место утечки с точностью до десятков метров и среагировать на утечку мгновенно, в течении нескольких секунд, мы предлагаем локальную систему диагностики утечек LeakWave.

Эта система включает в себя специальные датчики давления, для регистрации волны падения давления, возникающей при разрыве трубопровода, контроллеры с быстрым АЦП, систему передачи данных, обеспечивающую точную синхронизацию часов в контроллерах и соответствующее программное обеспечение. Контроллеры с датчиками устанавливаются на границах контролируемого участка. Их синхронизация обеспечивается либо за счет специального протокола связи, либо GPS системой [13].

Компания «PSI».

О компании. Немецкая компания, являющаяся одним из европейских лидеров по поставке ПО для диспетчеризации и автоматизации технологических процессов (в 2007 году чистый совокупный доход составил 132 млн. евро). PSI разрабатывает и интегрирует программные продукты для решения сложных задач по управлению сетью, производством и инфраструктурой. Компания является ведущим разработчиком программных продуктов для управления производством на европейском рынке, и специализируется на предоставлении систем управления для поставщиков энергоресурсов, промышленности и крупных сетевых провайдеров.

В секторе энергетики PSIEnergy Oil & Gas разрабатывает комплексные решения для транспортировки, распределения и управления нефтью, газом, водой и электричеством. В дополнение к разработке самых современных систем контроля и управления, компания предлагает интерактивные бизнес-приложения, такие как моделирование в режиме реального времени, прогнозирование спроса, обнаружение и локализация утечек, управление и оптимизация сделок.

Система обнаружения утечек. В области СОУ компания придерживается следующей политики: проекты осуществляются в тандеме с компанией-интегратором, которая поставляет оборудование и необходимое ПО нижнего уровня, устанавливает и настраивает его. Компания PSI, со своей стороны поставляет, АРМ СОУ с ПО и обеспечивает его настройку и общую информационную поддержку проекта.

ПО СОУ Nessi компании PSI сочетает метод массового баланса, волновой метод, анализ профиля давления и метод контроля давления в изолированных секциях. ПО работает на базе универсальной SCADA-системы PSI, использование которой позволяет добиться высочайшей надёжности и гибкости СОУ.

Кроме собственно функции обнаружения утечек Nessi включает гидродинамическую модель, работающую в режиме реального времени, тренажёр оператора, а так же в качестве опции следующие программные модули: систему ведения коммерческого учёта продукта, систему ведения отчётной документации, модуль расчёта предельных режимов и ресурса трубопровода.

Система мониторинга и контроля на базе ПО PSI внедрена на трубопроводе «Голубой поток».

На базе предложений PSI органом стандартизации TUV разработаны требования к СОУ, являющиеся обязательным для исполнения в Германии и ряде стран Европы (TRFL).

В настоящее время PSI выполняет несколько проектов СОУ в России [14].

Компания «КОМБИТ».

О компании. «КОМБИТ» - инжиниринговая компания, предоставляющая полный спектр инжиниринговых услуг для предприятий нефтегазовой отрасли: от проведения предпроектных изысканий до ввода готового объекта в эксплуатацию.

Направление деятельности «КОМБИТ» является поставка контрольно-измерительных приборов и систем для резервуарных парков и трубопроводов нефтегазовых предприятий. Компания является эксклюзивным представителем таких всемирно известных брендов, как Rosemount Tank Gauging (радарные уровнемеры Saab), Controlotron (сейчас Siemens) и Ametek Drexelbrook. В программе поставок КОМБИТ: радарные уровнемеры и система учета для резервуарных парков, ультразвуковые расходомеры высокой точности, датчики и сигнализаторы уровня и раздела фаз.

Система обнаружения утечек. Система собирает, обобщает и анализирует все доступные технологические данные. В результате этого комплексного анализа система выдаёт аварийный сигнал о наличии утечки и её координате. Оператор имеет возможность проанализировать технологические данные, предоставляемые системой и на их основании принять окончательное решение о факте утечки.

За счет высокой точности измерения расхода ультразвуковыми расходомерами удалось реализовать комплексный подход к обнаружению утечек, совмещающий волновой метод, объемно-балансовый метод и метод анализа профиля распределения давления. Взаимодополняющее использование перечисленных методов позволяет с одной стороны фиксировать малые утечки с малой вероятностью ложных срабатываний, а с другой стороны с высокой вероятностью обнаруживать медленно развивающиеся утечки.

Характеристики системы могут варьироваться в широком диапазоне и зависят от состава и точности используемых средств измерения и технологических особенностей конкретного трубопровода.

Состав системы. Appius LD может создаваться как с максимальным использованием средств телемеханики, СДКУ и КИП, существующих на объекте Заказчика, так и полностью автономно. Система представляет собой сложный технический комплекс, состоящий из следующих уровней (рисунок 4.4):

— нижний уровень (средства измерения);

— средний уровень (локальные станции СОУ, расположенные на КП трубопровода);

— верхний уровень (сервер СОУ и АРМ СОУ).

Состав средств нижнего и среднего уровней системы Appius LD варьируется в зависимости от предъявляемых к системе требований.

Нижний уровень.

Appius LD позволяет максимально использовать возможности современных средств измерения таких как:

— ультразвуковые расходомеры;

— датчики давления;

— датчики температуры.

Средства нижнего уровня СОУ, выбранные с учётом требований к характеристикам системы, обеспечивают достоверное измерение технологических параметров, что является залогом высокой чувствительности и эффективной работы системы в целом.

Средний уровень.

Локальные измерительные станции собирают технологические данные, измеренные средствами нижнего уровня. С помощью специализированного 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.

Рисунок 4.4 - Структурная схема системы Appius LD

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 объемно-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. 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 [15].

ЗАО «ЭлеСи».

О компании. Компания разрабатывает и внедряет оборудование и ПО для промышленной автоматизации. Одним из основных продуктов компании является систему телемеханики трубопровода с фукнкцией СОУ. Данной системой оснащён ряд трубопроводов, в том числе несколько магистральных трубопроводов компании «Транснефть».

Подсистема СДКУ, обеспечивающая обнаружение утечек основана на «гидродинамических» методах. При этом, хотя компания и имеет специализированный отдел, занимающийся разработкой СОУ, заказчику поставляется ПО разработки компании ООО «Энергоавтоматика», которое функционирует в специализированном модуле сбора данных. Всё это вместе называется «InfinityLDS».

Данная СОУ кроме присущих данному классу систем обладает ещё одним характерным недостатком: фактически являюсь частью СДКУ, она сама по себе нежизнеспособна. То есть, не работает в отрыве от систему телемеханики. Заказчик решивший применить данную СОУ в комплекте получит систему телемеханики и СДКУ.

Система обнаружения утечек. Разработанная система обнаружения утечек основывается на базе штатных средств телеметрии. Для обнаружения утечек использует такие методы как: метод отрицательных волн давления, метод баланса масс (рассходов) и методы на основе математической модели трубопровода (гидравлический уклон). Также в СОУ входят дополнительные методы контроля герметичности трубопровода такие как: акустико-эмиссионный метод и метод виброакустического и температурного мониторинга с использованием оптоволокна. Структура СОУ представлена на рисунке 4.5 [16].

«KROHNE»

О компании. Компания KROHNE была основана в 1921 году, когда LUDWIG KROHNE начал выпуск ротаметров (название фирмы звучало LUDWIG KROHNE & SOHN). В 1936 году состоялся перенос производства из арендуемых помещений в здания, находящиеся в собственности компании, которые впоследствии были разрушены в ходе 2-ой Мировой войны.

В 1949 году компанию возглавил Kristian Dubbick, внук Ludwig KROHNE. Под его руководством фирма KROHNE, штат сотрудников которой первоначально насчитывал всего 8 человек, начала развиваться и стала одной из лидирующих и наиболее передовых в технологическом отношении компаний по производству оборудования для измерения расхода.

В конце 70-х годов прошлого века Kristian Dubbick оставил свой пост управляющего директора и стал председателем Совета директоров.

Сегодня во главе компaнии стоят Michael Dubbick (осуществляет руководство компанией и управление персоналом) и Stephan Neuburger (продажи и маркетинговая политика).

В основной компании KROHNE работают более 2000 сотрудников по всему миру, не считая совместных предприятий.

Система обнаружения утечек. Разработанная совместно с одним из ведущих университетов Германии. Первоначально разрабатывалась для больших труб химической промышленности Германии. После всесторонних тестов было решено применение в нефтегазовой промышленности. Дальнейшее развитие в течении нескольких лет привело к появлению системы обнаружения утечек под названием KROHNE PipePatrol. Функциональная схема системы приведена на рисунке 4.6.

Рисунок 4.5 - Структура СОУ InfinityLDS

В систему обнаружения утечек фирмы KROHNE входят такие методы обнаружения утечке как E-RTTM (Extended Real Time Transient Modelling), волна давления и гидравлический уклон.

В настоящее время в Интернете, в том числе на официальном сайте KROHNE, есть несколько упоминаний о ПО СОУ KROHNE PipePatrol.

Не имеется сведений о внедренных на территории России системах [17].

ОАО «Нефтеавтоматика»

Система обнаружения утечек появилась в числе продуктов ОАО «Нефтеавтоматика» в 2008 г. Данные СОУ применимы на участках трубопроводов протяженностью более 150м от СИКН до объектов принимающей нефть и нефтепродукты стороны.



Рисунок 4.6 - Функциональная схема системы KROHNE PipePatrol

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 ОАО «Нефтеавтоматика», структура которой представлена ниже (рисунок 4.12), входит следующее оборудование:

ѕ средства измерений полевого уровня (датчики давления и температуры, ультразвуковые расходомеры);

ѕ программно-технический комплекс «Система обнаружения утечек»:

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) АРМ СОУ на основе серверной платформы с программным комплексом «АРМ оператора системы обнаружения утечек в трубопроводах».

В качестве средств измерения (СИ) давления и температуры используются высокоскоростные датчики фирмы Endress&Hauser, в качестве СИ расхода - ультразвуковые расходомеры UFM-3030 фирмы KRONHE.

Компьютер, предназначенный для АРМ оператора СОУ, представляет собой сервер фирмы HP с ОС Microsoft Server 2003 и СУБД Oracle. В качестве контроллера ЛИС используется промышленный контроллер Modicon фирмы Schnider Electric.

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 по OPC протоколу.

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 по OPC протоколу.



Рисунок 4.7 - Структурная схема СОУ ОАО «Нефтеавтоматика»

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 [18].

4.2 Системы, использующие метод «волны давления»

НПО «Вира Реалтайм»

Поставляет чешскую LDS производства фирмы PAS.

Данная СОУ внедрена на продуктопроводе ШФЛУ «Сургут-Южный Балык» ООО "Сургутгазпром".

О компании. Научно-производственная ассоциация «Вира Реалтайм» была образована в 1989 году на базе коллективов разработчиков систем контроля и управления технологическими объектами в нефтегазовой промышленности и электроэнергетике, а также специалистов предприятий оборонного комплекса. Основным направлением деятельности предприятия является разработка, проектирование и поставка «под ключ» систем СДКУ и АСУ ТП как на глобальных территориально-распределенных промышленных объектах, так и на небольших (локальных). С момента основания фирмой внедрено более 700 различных систем на предприятиях энергетики, нефтегазового и химического комплексов.

Система обнаружения утечек. Для анализа используется только одна величина - давление. Оно меняется при утечке из трубопровода. Эти изменения могут быть очень малы (в случае соответствующего дефекта) - даже под порогом чувствительности классических измерительных методов. Наш собственный метод позволяет системе Leak Detection System обнаруживать незначительные дефекты и реагировать практически мгновенно. Это достигается использованием нетрадиционных измерительных и вычислительных методов для статистической оценки изменений давления.

Способность к обнаружению утечки трубопровода не зависит от состояния продукта и его химического состава. Система Leak Detection System подходит как для однородных жидкостей и газов, так и для разнородных, которые транспортируются или хранятся в трубопроводе под давлением выше атмосферного. Когда поток среды не является полностью однородным (напр. столб вакуума в жидкой среде, или столб газового конденсата), чувствительность системы понижается пропорционально длине участка неоднородности, при этом меняется и точность. С другой стороны, в этих местах система способна обнаружить поступление инородного вещества в поврежденную трубу.

Из энергетического баланса и из предпосылки неизменных окружающих факторов вытекает, что при возникновении дефекта и последующей утечки тела из продуктопровода имеют место изменения потенциальной энергии давления.

В случае малых утечек, изменения давления не достигают нижнего предела разрешающей способности классических методов измерения. Метод Leak Detection System основывается на точном измерении изменений давления и на статистической оценке тренда давления в разных точках трубопровода. Статистический метод учитывает: динамику процессов в жидкости и газе, изменения тела и окружения, технологические процессы и прочие факторы, влияющие в остальном на чувствительность и точность.

Состав оборудования можно разделить на несколько основных компонентов.

Измерительная станция.

Система состоит из отдельных станций, размещенных вдоль трассы в промежутках от 1 до 3 км. Как правило, они находятся в блок-боксах для устройств телеметрии. В состав станции входит: программируемый логический автомат (PLC) австрийской фирмы B&R Automation, распределительный щит размером 140х80х30 см. Для питания станции используется локальный источник напряжения 220 В, а на случай аварии здесь есть батареи, которые позволяют системе функционировать не меньше 48 часов (обычно около 100 часов). Батареи автоматически подзаряжаются.

Центральная станция.

Ядром системы является центральная станция. Это дополнительный автомат B&R PLC. Центральная станция принимает данные от измерительных станций, анализирует все принятые данные об измерениях, тревогах, диагностике и т.п. и показывает местонахождение возможной утечки. Затем эти данные изображаются в пользовательской части системы. Более существенные данные архивируются для возможного последующего анализа. Центральная станция находится, как правило, где-то вблизи диспетчерской, в отдельном шкафу. Одновременно может быть установлена и дополнительная независимая центральная станция.

Оборудование диспетчерской.

Для пользовательской части системы используется стандартный PC как сервер данных и сеть операторских терминалов (обычный также обычные PC) для операторов. Все они связаны сетью ETHERNET под протоколом TCP/IP на базе Linux. Софтвером для изображения является программа APROL немецкой фирмы PCC. Эта программа обеспечивает быструю анимацию, развитую систему тревог с системой архивации состояний и трендов. Операционная система Linux (дистрибуция SuSE) обеспечивает высокую степень устойчивости и безопасности. Операторские терминалы могут быть локальными или удаленными (например, связь через ноутбук посредством GSM). Информацию о тревогах или графики возможно напечатать, отправить по факсу или электронной почтой и публиковать как http документы в сети Internet или Intranet. Кроме этого, может быть установлен и дополнительный сервер-зеркало для решения чрезвычайных ситуаций.

Организация связи.

Данные измерительных станций компрессируются и кодируются. Измерительная станция по RS-232 выходит на контроллер MOSCAD (или другую каналообразующую аппаратуру), который, в свою очередь, транслирует информацию на Центральную станцию.

Кроме того, возможно использование других типов коммуникации: радиосеть, классические телеметрические кабели, GSM, спутниковая сеть или их комбинация. Сверх того, можно повысить надежность и безопасность использованием дублирования канала.

Апробация. Система Leak Detection System хорошо себя зарекомендовала на предприятиях нефтегазового комплекса Восточной Европы, России, Украины.

В 2002 г. СОУ была установлена на продуктопроводе Сургут-Ю. Балык ООО "Сургутгазпром".

В марте 2003 года система успешно прошла МВИ ГАЗПРОМа и рекомендована для применения на всех трубопроводах жидких углеводородов ОАО ГАЗПРОМ [19].

LB Group

Система обнаружения утечек. Система обнаружения утечек WaveControl работает по принципу обнаружения и моментального фиксирования волны давления при утечке.

Благодаря использованию в системе высокоскоростных датчиков точность локализации места повреждения или утечки не превышает 50 метров. Скорость обнаружения повреждений от 30 до 60 секунд. Структурная схема системы представлена на рисунке 4.7.

Состав системы.

Датчик давления:

— устанавливается на трубопровод и находится в контакте с продуктом;

— измеряет давление в трубопроводе и передаёт информацию в локальный контроллер при помощи 4-40 мА линии связи.

Локальный контроллер:

— оцифровывает показания датчиков давления;

— вычисляет корреляцию динамического давления и профиль волны перепада давления;

— сравнивает корреляцию с порогом;

— выполняет диагностику подключенных модулей и датчиков;

— использует GPS для синхронизации данных;

— передаёт данные на центральный контроллер.

Центральный контроллер:

— обрабатывает информацию, поступающую от локальных контроллеров, распознаёт и регистрирует факт возникновения утечки;

— выполняет диагностику системы и подключенных локальных контроллеров;

— использует GPS для синхронизации данных.

АРМ оператора:

— обеспечивает вывод данных о состоянии охраняемого трубопровода на экраны диспетчерского компьютера(ов) системы;

— выводит тревоги о зафиксированных утечках;

— поддерживает базу данных событий.

Линии связи:

— обеспечивают соединения между центральным контроллером и локальными контроллерами.

Рисунок 4.8 - Структурная схема СОУ Group LB

Локализация утечки.

Вследствие утечки или врезки, волны разрежения распространяются от места утечки в обоих направлениях и регистрируется датчиками давления системы. Для локализации места утечки, необходимо вычислить время прохождения волны разрежения давления от места утечки до датчиков системы, установленных на концах защищаемого участка трубопровода (рисунок 4.7 показывает алгоритм вычисления местоположения утечки в трубопроводе).

Автоматическая корректировка скорости распространения волн в продукте.

Для точного вычисления координаты утечки необходимо достоверно знать скорость распространения волн в продукте. Эту информацию можно получить при помощи замеров скорости распространения сквозных волн, которые вызваны технологическими процессами. Для этого, система «WaveControl» анализирует зарегистрированные сквозные волны и вычисляет их скорости по формуле:

V = L / (T1 - T2),(4.1)

где L - это длина защищаемого участка трубопровода;

T1 и T2 - это времена регистрации волны перепада давления в начале и в конце защищаемого участка трубопровода.

Если новое значение скорости выходит за рамки допустимых отклонений значений, то для последующих вычислений системное значение скорости заменяется на только что полученное новое значение, и в АРМ передается соответствующее сообщение о произошедших изменениях.

Применение фильтров направления волны.

Как правило, датчики давления размещаются рядом с насосными станциями и активными клапанами контроля потока, которые, чаще всего, привносят нежелательные колебания - шум в транспортируемый продукт. В таких случаях устанавливаются два датчика давления, расположенных друг от друга на расстоянии от 20 - 100 метров. Такие двойные датчики образуют фильтр, позволяющий определить направление волны. Такой фильтр, позволяет отсекать волны, вызванные технологическими процессами, при этом не влияя на волны, которые вызваны утечками в защищенной секции трубопровода.

Время обнаружения.

Для обнаружения утечки и ее локализации системе «WaveControl» требуется от 30 до 60 секунд. Максимальное время, необходимое для обнаружения утечки, складывается из следующих составляющих:

— время прохождения волны разряжения от места возникновения утечки до самого дальнего датчика защищенной секции трубопровода;

— время, необходимое центральному контроллеру, чтобы проверить данные, поступающие со всех локальных контроллеров и вычислить местоположение утечки.

Размер утечки.

Минимальный размер утечки, который может обнаружить система «WaveControl», зависит от следующих факторов:

— динамического давления в трубопроводе;

— удалённости датчиков от места утечки;

— уровня фоновых шумов в трубопроводе;

— агрегатных свойств продукта.

Сообщение об утечке.

Распознанием и регистрацией факта утечки занимается центральный контроллер на основании информации, полученной от локальных контроллеров. Для того чтобы распознать утечку необходимо выполнение следующих условий:

— два или более локальных контроллера зарегистрировали волны разряжения давления;

— зарегистрированные волны имеют общий источник;

— источник зарегистрированных волн расположен в защищённом сегменте трубопровода.

Рисунок 4.9 показывает фрагмент экрана диспетчерского компьютера системы «WaveControl» в момент регистрации факта утечки.

Система обнаружения повреждений трубопроводов от компании Group LB может с успехом применяться для трубопроводов, проложенных на суше, под землей и под водой.

В России Wave Control обеспечивает безопасность трубопроводов ОАО Лукойл в Пермской области и объекты НК Роснефть в Самарском регионе.

В феврале 2010 года в Саудовской Аравии система Wave Control успешно прошла тесты на объектах SAUDI ARAMCO (крупнейшей нефтедобывающей компании мира). Также результаты успешных тестов системы поступили с объектов мексиканской национальной нефтедобывающей компании PEMEX [20].

Рисунок 4.9 - Фрагмент экрана диспетчерского компьютера системы «WaveControl» вмомент регистрации факта утечки

Компания «Грант»

О компании. Научно-производственное предприятие «ГРАНТ» разрабатывает и производит более 40 наименований датчиков, приборов и систем контроля технологических параметров для предприятий:

— глубинные преобразователи давления и температуры серии АМТ;

— преобразователи устьевые давления и температуры серии МТУ;

— системы динамометрирования ДДС;

— пробоотборник проточный ПГПрР;

— лабораторные приборы для контроля качества нефтепродуктов;

— датчики, преобразователи;

— системы автоматизации.

Одно из основных направлений деятельности предприятия - научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР) - позволяет эффективно решать нестандартные технические задачи в разных отраслях промышленности.

Приоритетной задачей предприятия является осуществление комплексного подхода в решениях задач клиентов: от поставки качественных приборов и услуг до осуществления качественного сервисного сопровождения, которое гарантируется каждому покупателю.

Система обнаружения утечек. УС0-01.01 предназначено для использования в системах мониторинга давления и определения утечек (СОУ).

УС0-01.01 представляет собой простое в настройке и эксплуатации устройство, предназначенное для определения утечек в магистральных трубопроводах методом волны давления или ударной диаграммы Жуковского. Алгоритм работы устройства УСО-01.01 оптимизирован для работы с датчиками давления МТУ-05/ПДИ-01.

Техническое описание.

УСО-01.01 поддерживает архивацию данных измерения давления в энергонезависимую память.

Содержит встроенные часы реального времени для привязки показаний датчиков (периодическая синхронизация с центром сбора данных).

Реализован алгоритм определения волны по скорости изменения давления с настраиваемыми фильтрацией и уставками.

Алгоритм работы построен таким оборазом, что при нормальном режиме работы канал связи максимально разгружен.

Поддерживает интерфейс RS-485 Modbus для сопряжения с сетью сбора данных СОУ.

Разработаны базовые алгоритмы ля реализации верхнего уровня системы определения утечек на базе УСО-01.01, которые позволяют на 100% использовать возможности метода волны давления.

На базе данных модулей и датчиков МТУ-05/ПДИ-01, а также предоставляемых алгоритмов работы программного обеспечения верхнего уровня, можно в сжатые сроки разработать простую СОУ по волне давления.

Монтаж УСО-01.01 осуществляется на стандартную DIN-рейку 35 мм [21].

«Комис».

О компании. Компания «Комис» была основана в 1992 году. Более пятнадцати лет мы развиваем наш бизнес по нескольким направлениям -дистрибуция, системная интеграция. На сегодняшний день «Комис» является одним из ведущих системных интеграторов Поволжья. «Комис» поставляет и инсталлирует оборудование более чем пятидесяти ведущих мировых производителей систем безопасности, автоматизации и связи. Реализованные комплексные проекты на гражданских и промышленных объектах обеспечили компании репутацию лидера в области системной интеграции.

История компании «Комис» началась с основания фирмы, осуществляющей продажу, установку и техническую поддержку систем безопасности. Спектр поставляемого оборудования и оказываемых услуг постепенно расширялся, росло количество сотрудников -- открытие новых направлений бизнеса и появление партнерской сети в регионе выглядели закономерным итогом первых 10 лет работы. За это время «Комис» вырос из организации-дилера до крупной многопрофильной компании.

Сегодня компания успешно развивается по двум основным направлениям: дистрибуция и системная интеграция инженерных систем.

Система обнаружения утечек. Система измеряет только значения давления в некоторых точках продуктопровода. При утечке из продуктопровода эти изменения могут быть очень малы (в случае соответствующего дефекта) - даже за порогом чувствительности классических измерительных методов. Предложенный нами метод позволяет обнаруживать незначительные дефекты и реагировать практически мгновенно. Это достигается использованием нетрадиционных измерительных и вычислительных методов для статистической оценки изменений давления. Для системы не требуется установка дорогостоящих узлов учета или расходомеров. Необходимо измерения только одной величины - давления.

Способность к обнаружению утечки продуктопровода не зависит от состояния продукта и его химического состава. Эта система подходит для однородных жидкостей и газов, которые транспортируются или хранятся в продуктопроводе под давлением.

Для полноценного анализа и исключения ситуаций ложных срабатываний система основывается на двух методах взаимодополняющих друг друга.

Метод А - наблюдение за изменениями волны давления.

Метод А основывается на точном измерении давления и на статистической оценке флуктуаций давления в разных точках продуктопровода. Статистический метод учитывает: динамику процессов в жидкости и газе, изменения транспортируемой среды и внешних условий, технологические процессы и прочие факторы, влияющие в остальном на чувствительность и точность. Остальные переменные (температура нефти, плотность, вязкость и т. д.) не берутся во внимание.

При возникновении утечки, происходит изменение давления - распространяется шумоподобный дефект давления от места возникновения утечки в обе стороны продуктопровода. Это фиксируется в пунктах измерения давления, расположенных вдоль продуктопровода. Путем статистической обработки данных касающихся изменения давления, которые из пунктов измерения передаются в центр, можно высчитать место утечки и время когда она появилась.

Метод Б - наблюдение за изменениями трендов давления в отдельных пунктах измерения.

Данный метод дополняет первый. Производится измерение давления в нескольких точках продуктопровода. При возникновении утечки, длящейся большой промежуток времени (минуты), произойдет понижение давления. В каждом отдельном пункте измерения осуществляется анализ трендов давления, который фиксирует подозрительный тренд и передает данные в центральную станцию. Она, в свою очередь, при помощи сравнения трендов из отдельных пунктов измерения высчитает место возникновения утечки.

Результаты обоих методов периодически уточняются и взаимно сравниваются, тем самым повышается точность работы системы обнаружения утечек.

Система обнаружения построена на нескольких уровнях оценки. Чувствительность каждой из измерительных станций автоматически приспосабливается к актуальной деятельности системы. В случае большого колебания давления чувствительность незначительно понижается, но позже, после стабилизации среды, чувствительность возвращается на первоначальный уровень. Если происходят какие-то глобальные изменения давления, центральная станция анализирует эти изменения и сопоставляет их с характеристиками среды. Таким образом, система работает в случае перехода с бензина на нефть, резкого изменения температуры и т.п. Изменения в топологии продуктопровода, такие как -- присоединение ответвлений, открытие и закрытие кранов - система регистрирует и реагирует соответствующим образом, например, открытие байпаса будет показано как утечка в месте ответвления. Эти изменения система способна зарегистрировать при помощи дискретных датчиков, уведомить оператора и оценить скачкообразные изменения давления. Единственные данные, которые системе необходимы, это данные о точной длине всех веток продуктопровода.

На практике иногда приходится встречаться с различными отказами: измерительных станций, канала передачи данных, датчика давления или нескольких частей одновременно. В этих случаях чувствительность почти не меняется. Точность определения места понижается -- система выдает большие погрешности при локализации места утечки.

Авария центральной станции может вызвать отказ системы в целом. Решением в этом случае является дублирование элементов центральной станции.

Каждая измерительная станция обрабатывает флуктуации давления путем двух взаимно независимых принципиально отличающихся математических моделей. Таким образом, исключается влияние технологии перекачки, влияние внешней и внутренней температуры, температуры среды или аварии какой-либо из измерительных станций. Данные измерений периодически передаются на центральную станцию.

Центральная станция анализирует информацию на другом уровне. В нормальной ситуации сигналы тревоги возникают лишь в связи с открытием кранов на концах или на ответвлениях продуктопровода. Система может быть установлена так, чтобы она игнорировала и эти события. Могут быть также определены специальные условия, когда они будут проигнорированы.

Время обнаружения утечки. Вся система работает в реальном времени. Центральная станция определит утечку при помощи метода А до 3 -- 5 минут (в случае оптимального времени передачи данных из линейных станций в центр до 3 минут) после возникновения утечки. В случае метода Б время обработки длится до15 минут. Центральная станция делает целый ряд проверок во избежание ложных тревог. Если подозрение соответствует строгим условиям фильтрации ложных утечек, объявляется тревога.

Точность определения места утечки. Центральная станция выдает информацию о месте утечки, которая показана в виде общей длины от начала продуктопровода до места утечки. Информация дополнена оценкой погрешности, то есть, промежуток, в котором утечка должна находиться. Общая точность определения места утечки в сравнении с реальными координатами этой утечки при рабочем давлении 1,5 МПа и больше находится в диапазоне 0-100 м, при более низких рабочих давлениях, точность координаты утечки может ухудшаться. Для более точного расчета погрешности определения координаты утечки, необходимо от заказчика получить точные координаты всех пунктов, где будут размещены линейные станции СОУ.

Чувствительность системы. Чувствительность системы обнаружения утечек (возможность обнаружения утечки) характеризуется соотношением внутреннего диаметра отверстия утечки к диаметру продуктопровода. Обычно это соотношение составляет 1:100. Чувствительность зависит от количества станций, способа подключения датчиков давления, от давления в продуктопроводе и от его естественного колебания (шума). В приложении находится таблица, в которой можно для отдельного рабочего давления увидеть порог чувствительности и величину самого малого отверстия, которое уже вызовет тревогу (срабатывание СОУ).

Функции системы:

— быстрое информирование диспетчерского центра об утечке;

— обнаружение места утечки;

— обнаружение утечки во всех режимах работы продуктопроводов: статическом, динамическом и промежуточном;

— отсутствие сигналов ложных тревог;

— работа с жидкообразной и газообразной средой.

Коммуникации. Данные измерительных станций компрессируются и кодируются. В качестве каналов связи может использоваться радио или проводная связь. Интерфейс связи со станциями СОУ - RS-232 или RS-485. Протокол передачи данных закрытый.

Аппробация. Эта система защиты продуктопроводов успешно внедрена на ряде объектов в Сибири и Европейской части РФ [22].

Argosy Technologies

О Компании. Компания «Аргоси Технолоджис» впервые вышла на российский рынок в 1992 году c передовыми технологиями, современным оборудованием и эффективными комплексными решениями в области измерений и автоматизации для предприятий нефтегазовой отрасли. От добычи, хранения, транспортировки, переработки нефти и газа до утилизации нефтешламов и экологического мониторинга.

Сегодня «Аргоси Технолоджис» специализируется на инженерных решениях для учета углеводородов от скважины до топливораздаточной колонки. Силами специалистов компании выполняется весь объем работ по проектированию, комплектации, строительству «под ключ» и запуску в эксплуатацию различных объектов нефтегазового производства, включая разработку и производство собственных уникальных технических решений в соответствии с индивидуальными требованиями заказчиков, ГОСТ и других нормативных документов. Внедрены и находятся в успешной эксплуатации системы учёта углеводородного сырья, замерные мультифазные установки дебита скважин типа АГЗУ, запатентованные блоки модернизации для АГЗУ, системы учёта резервуарных парков, установки налива в авто- и железнодорожный транспорт, топливораздаточные колонки. Всё - с использованием расходомеров кориолисового типа, позволяющих организовать прямые измерения массы. А также АСУ ТП, диагностические комплексы контроля и обнаружения утечек на трубопроводах, метрологические, металлографические, электротехнические, экологические лаборатории, и первый в России завод по утилизации использованных автотракторных шин и модификации асфальта резиновой крошкой.

Система обнаружения утечек (СОУ) LeakNet является программно-аппаратным комплексом, предназначенным для решения задачи определения течей в нефте- и газопроводах.

При расчете утечки используются два взаимодополняющих метода:

— статистический метод определения утечек PPA (Pressure Point Analysis);

— методика баланса динамических измерений MassPack.

Аппаратный комплекс включает в себя:

— сервер СОУ;

— систему передачи данных между узлами контроля и сервером СОУ;

— контроллеры узлов контроля параметров трубопровода;

— контрольно-измерительные приборы.

Отличительные особенности:

— повторяемость важнее, чем точность, поэтому нет необходимости в точной калибровке;

— не требуются датчики температуры;

— возможно подключение СОУ к существующим измерительным приборам, установленным на трубопроводе заказчика.

Структурная схема системы приведена на рисунке 4.8.

Программное обеспечение (ПО) устанавливается на выделенном сервере, работающим в локальной диспетчерской сети.

Отличительные особенности:

— защита от несанкционированного доступа;

— настраивается при рабочих условиях трубопровода, учитывая характеристики среды и действующие гидравлические параметры;

— гарантия от ложных сигналов тревоги;

— не требует затрат на постоянное обновление;

— длительное непрерывное функционирование.

Дополнительный программный модуль - АРМ оператора: разработка сотрудников группы компаний Аргоси на базе SCADA системы RSView32 фирмы Rockwell Automation. Это обеспечивает:

— наглядный мониторинг СОУ;

— построение графиков изменения параметров системы;

— слежение за состоянием связи между контроллерами СОУ;

— имитацию аварийных режимов;

Рисунок 4.10 - Структурная схема СОУ LeakNet

— настройку КИП;

— ввод различных уровней доступа;

— передача данных в другие сети;

— отключение узлов сети для проведения профилактических работ и др [23].

4.3 Системы, использующие акустический метод

Научно-производственная фирма «ТОРИ»

О компании. Научно-производственная фирма «ТОРИ» организована в 1994 г. в г. Новосибирске. Основное научное направление деятельности фирмы - разработка систем регистрации и обработки сигналов. Новые результаты позволили создать системы регистрации с характеристиками, которые были не достижимы при традиционных подходах.

Одной из базовых разработок фирмы является «Инфразвуковая система мониторинга трубопроводов», предназначенная для эксплуатации на нефтепроводах, газопроводах, продуктопроводах.

Система обнаружения утечек. Предлагается СОУ собственной разработки, которую называют «инфразвуковой». Изначально она представляла собой систему обнаружения внутритрубных снарядов, в которую позже была добавлены функции обнаружения утечек. Используются датчики давления и вибрации. Датчики вибрации называемые «геоантеннами» используются для обнаружения механических воздействий (ударов) на трубопровод. Принцип же работы СОУ, судя по всему, состоит в проведении корреляционного анализа показаний высокочастотных датчиков давления с широким динамическим диапазоном.

Слабой стороной является небольшой уровень внедрения системы. Интересным моментом является то, что заложенный принцип позволяется определять размер утечки от реальной перекачки, что приводит, с одной стороны к невероятно высоким характеристикам на низконапорных трубопроводах, а с другой стороны - к невысоким характеристикам на высоконапорных трубопроводах, а также крайне неустойчивой работой в условиях высокой турбулентности течения. Так же существуют крайне жёсткие требования к установке датчиков.

В конце 2006 были проведены крайне удачные испытания на соединительных трубопроводах ОренбургГазПром. Успешность испытаний определялась в основном тем что, испытания проводились на низконапорной трубе вдали от НПС.

В 2007 году ТОРИ проводило испытания в системе «Транснефти» (Сибнефтепровод), были получены удовлетворительные итоги.

В 2008 году проводились масштабные испытания системы в Куйбышевском РНУ МН«Дружба».

По итогам испытаний СОУ НПФ «ТОРИ» внесено в реестр АК «Транснефть», однако вышеупомянутые особенности и недоработки системы препятствуют использованию системы.

Основные функции и характеристики. Основными функциями являются:

— обнаружение утечек. Зарегистрированная чувствительность для трубопроводов с жидкими продуктами (не предельная): 6 л/мин или 0,04 % от текущей производительности при минимальном диаметре регистрируемого отверстия 2 мм. Регистрируются утечки через протяжённые отводы с малым диаметром, а также утечки с предельно низкой интенсивностью, не вызывающие падение давления в трубопроводе по данным системы телемеханики. Точность: от ±18 м до ±50 м. Время обнаружения утечек с высокой интенсивностью: до 1 мин, с низкой - до 4 мин. Низкая вероятность ложных срабатываний обеспечивается на всех режимах работы трубопровода;

— локация внутритрубных устройств. Режим непрерывный. Точность: ± 50 м при остановке, ± 100 м при движении;

— регистрация механических воздействий;

— охрана оборудования линейной части;

— инфразвуковая дефектоскопия внутренней поверхности трубопровода (без дефектоскопа). Точность: ± 10 см. Тип дефектов: вмятины, расслоения металла, другие дефекты, посторонние предметы, твёрдые отложения. Контроль арматуры, сварных швов;

— видеонаблюдение. Видеокамеры с инфракрасной подсветкой для дневного и ночного наблюдения;