Dziś jest czwartek, 12 grudzień 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8505 -0.4% 1EUR 4.2846 -0.01% 1GBP 5.0756 -0.08%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
Cykl szkoleń z zakresu programowania sterowników SIMATIC S7-300, S7-1200
więcej
Seminarium utrzynia ruchu - Wałbrzych 2019
więcej
Przed nami 32. edycja targów ENERGETAB 2019
więcej
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
24 kwiecień 2007.

Metody i systemy detekcji nieszczelności rurociągów dalekosiężnych (1)

Niezależnie od tego, jak starannie rurociąg został zaprojektowany i wybudowany, zawsze istnieje ryzyko wycieków. Systemy detekcji i lokalizacji nieszczelności odgrywają więc kluczową rolę, jeśli chodzi o zminimalizowanie występowania w ycieków ora z ograniczenie ich skutków. Ponieważ obecnie dostępnych jest wiele systemów detekcji, niniejsz y ar t ykuł ma na celu dostarczenie informacji ułatwiających wybór systemu dla konkretnego przypadku. W niniejszej, pier wszej części ar t ykułu omówiono metody zewnętr zne, opar te na pomiarach na zewnątrz rurociągu oraz dwie metody wewnętrzne: metodę opartą na detekcji fal ciśnienia i metodę bilansowania.

Budowa rurociągu magistralnego jest przedsięwzięciem kosztownym. Dlatego też wszystkie fazy jego budowy (poczynając od projektu, a kończąc na próbach odbiorczych) oraz eksploatacja obwarowane są wieloma normami i przepisami [1], które mają na celu min. zapewnienie długotrwałości pracy instalacji.

Przyczyną uszkodzeń może być korozja lub erozja (rys. 1) ścianek wewnętrznych i zewnętrznych, niejednorodności lub pęknięcia spawów, wgniecenia ścianek, wady materiałowe. Przeciwdziałanie tym przyczynom może polegać na zainstalowaniu systemu ochrony katodowej, dawniej biernej, a obecnie przeważnie czynnej, pod nadzorem systemu telemetrii.

Degradacja materiału rurociągu może też wystąpić w wyniku zmian naprężeń spowodowanych zmianami ciśnienia i deformacjami rurociągu wskutek ruchów gruntu, co prowadzi do zmęczenia materiału i powstania mikroszczelin. W trakcie eksploatacji okresowo są przeprowadzane kontrole stanu rurociągu (min. przy użyciu tzw. tłoków inteligentnych), które pozwalają wykryć i zlokalizować powstające uszkodzenia lub nieszczelności. Pomimo tej profilaktyki zdarzają się jednak przypadki rozszczelnień rurociągu, spowodowane np. przeoczeniem lub niedoszacowaniem intensywności rozwoju konkretnej usterki w trakcie ww. kontroli; znacznie częściej nieszczelności powstają jednak w wyniku działania ludzi, przypadkowego, jak np. nieuważne wykonywanie prac ziemnych (rys. 2), budowlanych lub remontowych na trasie rurociągu lub działania świadomego (np. nielegalne pobieranie medium). Nie wolno też lekceważyć celowych działań terrorystycznych, mimo że dotąd akcje tego rodzaju w Polsce nie miały miejsca. Nieszczelność, a w jej następstwie wyciek medium, przynosi znaczne i różnorodne straty: przerwę w transporcie, koszty usunięcia awarii, utratę części produktu; w przypadku mediów wybuchowych lub/i łatwopalnych lub/i ekologicznie szkodliwych (np. ropy i produktów naftowych) powoduje ponadto zagrożenie dla bezpieczeństwa ludzi i mienia (w tym samej instalacji tłocznej) oraz skażenie środowiska, a koszty społeczne i materialne takiego wydarzenia (proporcjonalne do intensywności i czasu trwania wycieku) są bardzo wysokie. Sam koszt rekultywacji skażonego terenu wynosi od kilku do kilkudziesięciu mln zł. Gdy wyciek wystąpił, wówczas zminimalizować jego skutki można jedynie przez maksymalnie szybkie wykrycie i zlokalizowanie nieszczelności, a w ślad za tym szybką reakcję dyspozytora (wyłączenie tłoczenia, zamknięcie zasuw, wysłanie na miejsce ekip monterów).

Również uchodzenia z rurociągów transportujących gaz ziemny nie są obojętne dla środowiska. Metan - główny składnik gazu ziemnego - jest bowiem jednym z gazów cieplarnianych. Ponadto gaz ziemny zmieszany z powietrzem w ilości od 4 do 15 % jest bardzo wrażliwy na niewielkie nawet zaiskrzenie, które powoduje wybuch takiej mieszaniny (rys. 3).

Szczególnie groźne są przypadki rozszczelnienia gazociągu w zimie. Pod skorupą zmarzniętej ziemi gaz może migrować na duże odległości a wybuch może nastąpić w zupełnie niespodziewanych miejscach. Dlatego też od ponad 30 lat są prowadzone na świecie prace nad systemami bieżącego wykrywania i lokalizacji nieszczelności. Problemy detekcji wycieku w pojedynczych odcinkach rurociągów w stanach ustalonych są w zasadzie rozwiązane. Jak dotąd nie opracowano jednak niezawodnego systemu działającego w każdych warunkach ruchowych i dla każdej konfiguracji rurociągu, więc tematyka takich badań prawdopodobnie jeszcze długo będzie aktualna. Zagadnienie komplikuje fakt, że różne rurociągi mają różną specyfikę i w poszczególnych przypadkach należy położyć nacisk na zupełnie inne cechy, istotne w danym przypadku dla systemu detekcji. Można to przedstawić na przykładzie dalekosiężnych rurociągów cieczy i gazu (tab. 1). Układy rurociągów cieczy są na ogół proste, zwykle jest to jeden rurociąg zaczynający się u dostawcy a kończący u odbiorcy medium, rozgałęzienia zdarzają się rzadko. Równomierna gazyfikacja określonego obszaru wymaga natomiast znacznie bardziej skomplikowanych układów. Widać to wyraźnie na mapkach na stronach internetowych operatorów rurociągów cieczy i gazu [4] i [5]. Bezwładność płynu ma niewielki wpływ na gazociągi, ze względu na niewielką gęstość (chyba, że występują nagłe i duże zmiany poboru przez odbiorów), natomiast nie można jej pominąć dla rurociągów cieczy. Ściśliwość medium ma decydujący wpływ na zachowanie gazociągów a znacznie mniejszy na rurociągi cieczy. Ściśliwość cieczy w połączeniu z odkształceniami sprężystymi rurociągu prowadzi jednakże do długotrwałych (dziesiątki minut) stanów przejściowych po operacjach technologicznych (rozruch, manewry śnie w okresach niskiej temperatury otoczenia).

Rurociąg cieczy można okresowo uruchamiać i wyłączać, w zależności od ustaleń między dostawcą a odbiorcą. Raz uruchomiony gazociąg powinien natomiast pracować nieprzerwanie przez cały, nierzadko kilkudziesięcioletni okres eksploatacji, wyjąwszy ewentualne sytuacje awaryjne.

Obecność wtrąceń gazowych w cieczy wpływa zasadniczo na jej ściśliwość (1 % wtrąceń gazowych w formie równomiernie rozmieszczonych pęcherzyków może zwiększyć ściśliwość takiej mieszaniny nawet kilkaset razy), natomiast podobna zawartość aerozolu w gazie może być nieistotna z punktu widzenia systemu detekcji. Tab. 1 odnosi się też w pewnym stopniu do szerokiej klasy rurociągów przemysłowych, z zastrzeżeniem, że ich długość jest zwykle znacznie mniejsza, co może sprawić, że wpływ niektórych czynników będzie pomijalny.

Systemy detekcji nieszczelności gazociągów powinny spełniać następujące trzy zadania:

wykrycie nieszczelności wygenerowanie alarmu zlokalizowanie nieszczelności - ocena współrzędnej przestrzennej położenia miejsca uchodzenia oszacowanie strumienia objętości wyciekającego medium. Bardzo ważnym czynnikiem decydującym o przy- bezpośrednie (zewnętrzne), kiedy dokonuje się detekcji od zewnątrz rury poprzez zastosowanie wyspecjalizowanych czujników lub obserwacji wizualnej pośrednie (analityczne, wewnętrzne), gdy detekcja jest oparta na pomiarach i analizie parametrów przepływu (głównie ciśnienia i strumienia/prędkości płynu).

Metody pośrednie można podzielić na trzy podgrupy, w zależności od zastosowanej zasady detekcji: • oparte na detekcji fal akustycznych spowodowanych uchodzeniem/wyciekiem • oparte na bilansowaniu medium wpływającego do i wypływającego z rurociągu z uwzględnieniem akumulacji • analityczne - oparte na modelu matematycznym i danych pomiarowych z obiektu otrzymanych z systemu telemetrii, polegają na modelowaniu rurociągu w czasie rzeczywistym i ciągłym porównywaniu modelu z obiektem. Metody te zostaną szczegółowo omówione w dalszej części artykułu. Metody bezpośrednie

Tradycyjną metodą bezpośrednią są tzw. obchody sieci połączone z obserwacją wizualną powierzchni terenu i ewentualnie pomiarami za pomocą przenośnych detektorów transportowanego medium. Zastosowanie odpowiednio wyszkolonych psów może dać lepsze wyniki, umożliwiając wykrycie śladowych ilości wyciekającego medium. W dalekosiężnych rurociągach przesyłowych, w celu przyspieszenia wykrycia nieszczelności wykorzystuje się śmigłowce. Metody akustyczne [8] opierają się na detekcji szumów generowanych przez wyciek. Wymagają zainstalowania wzdłuż rurociągu czujników akustycznych (wyspecjalizowanych mikrofonów o szerokim paśmie przenoszenia). Zarejestrowane szumy są następnie analizowane do określenia czy szum spowodowany jest wyciekiem czy też innymi zjawiskami. W trakcie uruchamiania systemu analizowane jest tło, co ułatwia późniejszą identyfikację szumów spowodowanych wyciekami. Metody akustyczne umożliwiają wykrycie tak małych wycieków jak 4 dm3/h dla cieczy i 40 dm3/h dla gazów, czujniki muszą być jednak rozmieszczone w odległościach maksymalnie do kilkuset metrów. Ponadto dla dużych przepływów turbulentnych efekty wycieków mogą zostać zagłuszone szumami tła. Czujniki kablowe składają się z dwóch obwodów [8] (rys. 4).

Jeden z nich to obwód ciągłości monitorujący stan kabla (czy nie został fizycznie uszkodzony). Drugi obwód, alarmowy, jest obwodem normalnie otwartym, który zwiera się w trakcie wycieku. Mogą być tu zastosowane różne mechanizmy. Jeśli medium transportowane jest przewodzące, to zwarcie następuje w sposób naturalny o ile zastosuje się izolację przewodów przepuszczającą mierzone medium. W przypadku węglowodorów stosuje się jako izolację przewodów specjalny polimer, który ulega degradacji w ich obecności, doprowadzając do zwarcia. Pomiar spadków napięcia w obwodach umożliwia lokalizację miejsca wycieku. Można także zastosować kabel koncentryczny z izolacją przepuszczającą węglowodory. Ich wniknięcie w kabel w przypadku wycieku zmienia lokalnie impedancję kabla. Wysłanie impulsu elektromagnetycznego wzdłuż kabla będzie skutkowało echem odbitym w miejscu wycieku, czas powrotu tego echa jest miarą współrzędnej wycieku. Kabel światłowodowy ułożony wzdłuż rurociągu stanowi swego rodzaju samoistny detektor, który reaguje na lokalne zmiany temperatury. W gazociągach, w miejscu uchodzenia, pojawi się wskutek rozprężania adiabatycznego (efekt Joul'a-Thomsona) spadek temperatury. Istnieje możliwość określenia za pomocą kabla światłowodowego profilu temperatury wzdłuż gazociągu, co umożliwia lokalizację miejsca uchodzenia. Dla cieczy metoda ta nie ma zastosowania. Czujniki kablowe nadają się raczej do zastosowania w instalacjach technologicznych, a w mniejszym stopniu dla rurociągów dalekosiężnych. Metody oparte na detekcji fal ciśnienia Jest to jedna z wymienionych wyżej metod pośrednich.

Na rys. 5 przedstawiono, jak zmienia się przebieg ciśnienia i strumienia gazu po wystąpieniu nieszczelności. W pierwszej chwili (t1) w miejscu nieszczelności występuje raptowny spadek ciśnienia, który propaguje się w obie strony gazociągu. Strumień płynu przed miejscem nieszczelności wzrasta, a za nieszczelnością - maleje. Fala spadku ciśnienia rozprzestrzenia się z prędkością dźwięku. Strumień masy gazu na odcinku przed nieszczelnością rośnie (chwila t2), natomiast za nieszczelnością chwilowo wzrasta a następnie powraca do pierwotnej wartości. Po około kilkunastu minutach ustala się nowy stan gazociągu (chwila t3). Na odcinku przed nieszczelnością strumień masy rośnie o wartość strumienia uchodzącego płynu, a na odcinku za nieszczelnością wraca do pierwotnej wartości. Gradient ciśnienia wzdłuż rurociągu przed nieszczelnością rośnie, a za nieszczelnością powraca do wartości sprzed awarii. Metoda oparta na detekcji fal ciśnienia [9, 10] polega na pomiarach ciśnienia w wybranych, kolejnych punktach gazociągu. Jeżeli pojawi się szybka zmiana ciśnienia spowodowana falą akustyczną, sprawdza się, czy podobna zmiana nastąpi w kolejnych punktach pomiarowych i czy pojawia się ona w czasie wynikającym z prędkości dźwięku i odległości punktów pomiarowych. Niezbędne jest zastosowanie wystarczająco szybkich przetworników ciśnienia (bez wygórowanych wymagań co do dokładności) co kilka - kilkanaście kilometrów (rys. 6) i zapewnienie precyzyjnej synchronizacji pomiaru czasu (np. poprzez wykorzystanie systemu nawigacji satelitarnej GPS, który generuje min. dokładną informację o czasie opartą na zegarach atomowych zainstalowanych na satelitach systemu). Metoda jest stosunkowo szybka (czas lokalizacji uchodzenia liczy się w sekundach). Na rys. 6 oś odciętych przedstawia odległość z od początku gazociągu 0 z zaznaczeniem punktów zt zainstalowania czujników ciśnienia, a oś rzędnych czas propagacji fali akustycznej tl w funkcji odległości od miejsca uchodzenia zl. Schemat takiego systemu wg [11] przedstawiono na rys. 7. Miejsce uchodzenie określa punkt L przecięcia pro-stych/1-Z i L-B, gdzie punkt/1 określa czas przejścia czoła fali ciśnienia do początku rurociągu, a punkt B - czas przejścia fali ciśnienia do końca rurociągu. Osiągana dokładność lokalizacji wynosi (2 - 3)cT0 gdzie T0 - okres próbkowania sygnału. Okres próbkowania powinien więc być możliwie krótki, przynajmniej kilka razy na sekundę.

Zastosowanie różnego rodzaju filtrów analogowych lub cyfrowych a przede wszystkim metod korelacyjnych [9] umożliwia eliminację szumów o charakterze stochastycznym. Stosując tę metodę można wykryć i zlokalizować uchodzenie, nie można jednak określić natężenia uchodzenia bezpośrednio tą metodą. Uchodzenia niezauważone od razu (np. wskutek chwilowego zawieszenia systemu) nigdy już nie zostaną wykryte tą metodą. Metoda ta sama w sobie nie pozwala na określenie natężenia wycieku, chyba, że dalszej analizie poddane zostaną amplitudy rozprzestrzeniających się fal ciśnienia.

Metoda oparta na bilansie strumienia na wlocie i wylocie rurociągu Zaistnienie nieszczelności można wykrywać bezpośrednio opierając się na zasadzie zachowania masy, bilansując ilość płynu wprowadzanego i odbieranego z sieci, a więc po prostu poprzez pomiar ilości (masy, strumienia, objętości) medium. Jest to pozornie najbardziej naturalna i najprostsza metoda. Trzeba jednak wziąć pod uwagę zmiany ilości płynu zakumulowanego w rurociągu, które zależą od ciśnienia i temperatury. Zmiany te są szczególnie istotne w przypadku gazu. Także niepewności i dryft przetworników przepływu, temperatury i ciśnienia medium mają tu zasadnicze znaczenie. Dla zastosowania tej metody należy na bieżąco wyznaczać wartość pewnej zmiennej r(t), która np. dla sieci gazowej o jednym wejściu i n punktach odbioru gazu po przeliczeniu na warunki normalne wyrazi się wzorem

Zmienną tą można nazwać skorygowanym niezrów-noważeniem objętości (corrected flow imbalance) w chwili t. Jest to różnica między ilością gazu, która wpłynęła do gazociągu AVnwe(f) a ilością gazu, która wypłynęła z gazociągu

1=1 (n jest liczbą punktów odbioru, czyli stacji gazowych usytuowanych wzdłuż gazociągu), pomniejszona o ilość gazu zakumulowaną w gazociągu Vna(t); indeks n oznacza warunki normalne. Wyraz Vna(t) reprezentuje zmiany zawartości gazu w rurociągu. Zależą one od ciśnienia, temperatury i składu gazu. Można go w pierwszym przybliżeniu (bez uwzględniania odkształceń gazociągu) przedstawić w postaci

i obliczać na bieżąco opierając się na uśrednionych wartościach ciśnienia i temperatury. Vg jest geometryczną objętością gazociągu, p i T ciśnieniem i temperaturą absolutną w gazociągu; indeks n, jak poprzednio, oznacza warunki normalne. Parametr t (t) podlega fluktuacjom wokół niezerowej wartości średniej m, głównie wskutek dryftu przyrządów pomiarowych i zmienności błędów gazomierza w funkcji strumienia, lub wskutek niekontrolowanych zmian warunków, np. temperatury wzdłuż rurociągu. Fluktuacje te można scharakteryzować wariancją s2. Chwilowe odchylenia od wartości średniej oznaczmy Dm. Do wygenerowania ewentualnego alarmu bada się sumę kumulacyjną

Pełna treść artykułu dostępna w czasopiśmie PAR

Źródło: PAR
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl