Автореферат магистерской работы

Тема магистерской работы – «Обоснование структуры трассового детектора утечки природного газа из магистральых газопроводов».

Содержание

• 1.Актуальность

• 2.Цель и задачи работы

• 3.Предпологаемая научная новизна

• 4.Предпологаемая практическая ценность

• 5.Обзор существующих исследования и разработок

• 6.Перечень нерешенных проблем и задач

• 7.Планируемые и полученные собственные результаты

• 8.Заключение

• 9.Список источников

Актуальность

Помимо экологических факторов, разрушение магистрального газопровода сопровождается тяжелыми экономическими последствиями. Насущность решения данной проблемы на современном этапе, кроме социальных и экологических факторов, обусловленная большой стоимостью замены или ремонта трубопроводов. Тотальное обновление трубопроводной системы практически не реальная задача для какой-нибудь крупной газовой или нефтяной компании. В связи с этим актуальной задачей является разработка высокоэффективных методов для оперативного обнаружения места расположения разрывов трубопроводов [1].

Цель и задачи работы

Целью магистерской работы является повышение быстродействия измерения объемной концентрации метана путем применения оптико-акустического метода определения концентрации метана с открытым каналом и компенсации динамических возмущений среды, что влияют на результаты измерений.

В основу положенный оптико-акустический метод измерения концентрации метана и его усовершенствования путем компенсации доминирующих погрешностей: температуры, давления, длины трассы, погрешности от динамических изменений характеристик измеряемой среды.

В ходе работы необходимо решить следующие задачи:

• Проанализировать методы измерения концентрации метана для автоматизированного непрерывного контроля в условиях магистральных газопроводов и пути улучшения их метрологических характеристик [8];
• Выявить факторы, которые влияют на погрешности базового метода, и разработать принципы их компенсации [2];
• Разработать математическую модель быстродействующего измерителя концентрации метана на основе оптикоакустического метода с использованием открытого оптического канала [3];
• Разработать структурно-алгоритмические методы, которые обеспечивают необходимую точность и высокое быстродействие измерителя метана в условиях стационарного режима работы [4].

Предпологаемая научная новизна

В ходе работы будут разработаны и получены новые результаты:

• Математическая модель спектра поглощения метана [3];
• Модель изменения характеристик канала [5];
• Алгоритмы компенсации доминирующих погрешностей вызванных присутствием в открытом канале погрешности от динамических изменений характеристик измеряемой среды [6];
• Имитационная модель быстродействующего измерителя концентрации метана.

Практическое значение полученных результатов. Результаты проведенных исследований позволяют утверждать, что предложенные математические модели, использованные в ходе моделирования, в достаточной степени достовернее отображают процессы в оптическом канале и обеспечивают метрологические характеристики быстродействующего измерителя концентрации метана соответствующим параметрам рабочих средств измерения концентрации метана на магистральных газопроводах. Разработанные алгоритмы компенсации эффективно противодействуют возмущениям, что ведут к изменениям величин потоков излучения во всех каналах, тем самым, снижая зависимость измерителя концентрации метана от колебания напряжения в электрической сети и связаны с ними колебания оптических потоков источников излучения, деградации источников излучения, асимметрии параметров оптических каналов [7].

На основании разработанной математической модели детектора концентрации метана и его имитационного моделирования предложенная структурная схема быстродействующего измерителя метана компенсационного типа, что учитывает влияние комплекса факторов, которые влияют на процесс измерений. Предлагаемый детектор позволяет строить на его основе системы детектирования повышенного быстродействия [4].

Внешний вид и принцип работы планируемой установки представлен на анимированном рисунке 1.

Рисунок 1 - Принцип работы детектора утечки природного газа из магистрального газопровода.

(Анимацию можно просмотреть во Flash Player 8. Для начала процесса нажмите кнопку запуск. После появления рабочей области с помощью кнопки "Начало процесса тестирования" - осуществляется имитация процесса определения мест утечки природного газ из магистарльного газопровода или остановка процесса тестирования (соответсвенно после нажатия кнопки - "Конец процесса тестирования"). Процесс имитации разрушения газопровода осуществляется в случайном порядке. При каждом новом запуске системы мы будем получать новый результат).

Предпологаемая практическая ценность

Повышение быстродействия средств определения мест утечки природного газа из магитсральных газопроводо газового хозяйства Украины.

Обзор существующих исследования и разработок

В настоящее время в газовой промышленности России решается задача обеспечения системного непрерывного контроля и учета выбросов парниковых газов в атмосферу, в т.ч. метана.

Накоплен значительный опыт контроля эмиссии метана от технологических потерь и выбросов природного газа, в т.ч. с участием зарубежных фирм и специалистов.

В полевых условиях инструментальный контроль эмиссии метана проводится различными методами.

• визуальный (внешний осмотр, на автомобиле, с воздуха);
• с помощью контактных и дистанционных методов.

При этом измерительная техника используется в зависимости от целей и объектов контроля, во взаимодействии с регламентами экологического мониторинга, действующей системой технической диагностики состояния газопроводов, и технологического оборудования, алгоритмами управления технологическими процессами, планами технической профилактики и ремонта трубопроводов и узлов оборудования.

Контактный метод контроля - индикация уровней концентрации метана непосредственно в местах утечки. При этом используют газоанализаторы с непрерывной записью изменения концентрации метана. В газоанализаторах применяются: полупроводниковые и термокаталитические, электрохимические, спектрально-оптические пламенно-индикационные датчики. Выбор прибора определяется многими факторами селективностью по измеряемому газу, сроком службы, надежностью, областью применения, простотой конструкции, сервисных требований и стоимостью.

Дистанционные методы служат составной частью комплексных исследований трубопроводных систем.

Лазерная съемка основана на облучении объекта на двух длинах волн, одна из которых попадает в полосу поглощения газа, а другая лежит вне ее (метод дифференциального поглощения);

Инфракрасная аэросъемка с малых высот тепловизионными системами позволяет обнаруживать места и размеры утечек по температурному контрасту участка поверхности вблизи трубопровода.

В отрасли закончена разработка мобильного лазерно-тепловизионного комплекса.

Радиолокационная съемка основана на различных электрических свойствах атмосферного воздуха и его смеси с метаном.

Материалы аэрокосмического мониторинга используются для выявления потенциально опасных участков, особенно в сейсмически активных зонах, а также для контроля процессов заболачивания, подтепления, избыточного переувлажнения с последующим прогнозированием состояния трубопровода и возможных его нарушений, приводящим к технологическим выбросам и утечкам газа.

В отрасли также проводились измерения эмиссии метана с помощью передвижной системы вагон-лаборатория, оснащенной приборами контроля [1]. Работы по данной тематике велись в нескольких направлениях:

• Пассивное зондирование озоносферы и малых газовых составляющих атмосферы в видимом, инфракрасном и микроволновом диапазонах спектра;
• Лидарное зондирование окружающей среды.

Создание приборов для радиационных исследований и дистанционного зондирования.

Исследования в рамках 1-го направления представляют собою долговременные измерения содержаний атмосферных составляющих, анализ их изменчивости и совершенствование методик измерений и интерпретации, проводящиеся рядом институтов (ИФА РАН, СПбГУ, ФИ РАН, ИЭМ, ИРЭ РАН, ГГО).

На Звенигородской научной станции (ЗНС) ИФА РАН, а также на Высокогорной научной станции (ВНС) ИФА РАН на Северном Кавказе продолжаются систематические спектроскопические измерения и исследования содержания в толще атмосферы климатически активных газов ? окиси углерода, метана и водяного пара [9]. Анализ многолетних (~ 30лет) систематических измерений содержания окиси углерода и метана привел к заключению, что содержания CO и CH4 в атмосфере увеличиваются со скоростью 0.9% и 0.5% в год. В 2000-2002 гг. проводились интеркалибровка методик измерения общего содержания СО, СН4 и Н2О группами ИФА РАН, ИЭМ и СПбГУ [10], начата работа по применению траекторного анализа для оценки влияния антропогенных и природных источников на уровень содержания СО на ЗНС ИФА РАН и после длительного перерыва продолжены измерения содержания СО, СН4 и Н2О в Антарктиде на станции Новолазаревская. С 1990 г. на ЗНС проводятся регулярные спектрофотометрические общего содержания NO2 и его вертикального распределения в области высот 0-50 км [11]. Эти измерения выявили уменьшение содержания NO2 со скоростью 2-3 % в год.

СПбГУ проводит изучение изменчивости СО, СН4 в районе СПб с помощью спектроскопических и газохроматографических исследований [12]. Результаты свидетельствуют о снижении содержания СО, СН4 в атмосфере после 1985г. Кроме того, осуществлены дистанционные измерения температурного профиля и характеристик газового состава атмосферы на основе интерпретации спектров нисходящего теплового ИК излучения, измеренных в условиях безоблачной атмосферы Фурье-интерферометром OASIS Института Макса Планка (ФРГ). Предложена и исследована в численных экспериментах специальная методика интерпретации, в которой наряду с определением атмосферных параметров уточняются параметры абсолютной калибровки спектров и радиационной модели атмосферы. Показано, что дистанционный метод позволяет с хорошей точностью определять общее содержание ряда МГС (N2O, CH4, CFC-11, CFC-12, CO), а также тропосферное содержание озона [13].

Долговременные непрерывные измерения общего содержания Н2О и средней по высоте относительной концентрации СО2 в толще атмосферы на станции Иссык-Куль проводятся и анализируются сотрудниками ИЭМ. В Обнинске ИЭМ проводит систематические измерения концентрации СН4 в приземном воздухе и его содержания в столбе атмосферы спектрометрическим методом и исследования характеристик элементов ландшафта с целью поиска устойчивых признаков (радиационных, спектральных, пространственно-временных, агрофизических, фитоактинометрических и др.) для их параметризации при различных метеорологических условиях и условиях освещенности. Исследования проводятся при помощи специально разработанной спектрорадиометрической сканирующей аппаратуры с метеорологической вышки.

Третье направление исследований – Создание приборов для радиационных исследований и дистанционного зондирования – представлено рядом институтов.

В центре им. М.В. Келдыша совместно с ИРЭ РАН, МГТУ им. Баумана и ВНИИЭМ разработан эскизный проект и проведено макетирование основных блоков инфракрасного Фурье-спектрометра ИКФС-2 для температурного и влажностного зондирования атмосферы с космического аппарата «Метеор-М» [14]. Прибор предназначен для измерения спектров уходящего излучения системы "атмосфера-поверхность", необходимых для получения вертикальных профилей температуры и влажности, общего содержания озона, температуры подстилающей поверхности и характеристик облачности. Кроме этого, могут быть получены данные о содержании малых газовых составляющих атмосферы СН4, N2O и др. Указанные погрешности восстановления метеопараметров приведены для условий безоблачной атмосферы.

В ФИАН РАН разработан (совместно с СПбГУ) проект газокорреляционного радиометра на диапазон длин волн 2,2-2,3 мкм для определения содержания CH4 и CO в нижней тропосфере по надирным измерениям отраженного земной поверхностью солнечного излучения и изготовлен макет одноканального (для метана) варианта прибора с использованием фотодетектора с термоэлектрическим охлаждением до температуры 220 К. Показано, что энергетическая чувствительность радиометра с таким фотодетектором обеспечивает точность измерений содержания CH4 в слое 0-4 км не хуже 10% от фонового значения [15].

В ФИАН создан малошумящий спектрометр миллиметрового диапазона радиоволн с широкополосным акустооптическим спектроанализатором (АОС) [16], разработанным в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете. Исследованы основные характеристики АОС, имеющего полосу анализа 500 МГц и частотное разрешение 0,9 МГц, а также особенности его применения для измерений спектральной линии излучения атмосферного озона на частоте 142,2 ГГц. В ФИАН успешно проведены первые в России измерения озона с использованием АОС [17].

Перечень нерешенных проблем и задач

Планируемые и полученные собственные результаты

1. Математическое моделирование канала измерения метана оптико-акустического канала

• Моделирование спектра поглощения метана
• Формирование оптического сигнала
• Учет факторов при прохождении потока ИК–излучения через оптический детектор
• Учет влияния давления, температуры, длины трассы на результаты измерения выходной сигнал фотоприемника канала измерения метана

2. Имитационное моделирование работы физических процессов работы детектора

• Моделирование оптического канала измерения концентрации метана оптико-акустическим детектором
• Методика моделирования настройки узлов электронной системы детектора
• Методика моделирования градуировки детектора методика определения метрологических параметров средства измерения

3. Исследование метрологических характеристик канала измерения метана оптико–акустического детектора

• Планирование математического эксперимента для определения показателей точности при определении концентрации метана оптико–акустическим детектором

Классификация планов математических экспериментов. Уровни, интервалы варьирование и область определения факторов. Матрица планирования математического эксперимента Матрица планирования полнофакторного эксперимента для определения показателей точности при определении концентрации метана оптико–акустическим детектором. Ее особенности

• Исследование параметров поглощения газовой среды на точность измерения концентрации метана

Исследование влияния температуры газовой смеси на точность измерения концентрации метана. Исследование влияния давления газовой смеси на точность измерения концентрации метана. Исследование влияния длины трассы на точность измерения концентрации метана. Исследование влияния концентрации метана на точность измерения концентрации метана. Исследование влияния разрядности АЦП на точность измерения концентрации метана.Исследование влияния степени аппроксимации полинома на точность измерения концентрации метана.

• Исследование параметров алгоритма компенсации на точность измерения концентрации
• Введения канала измерения дальности

Обоснование структуры канала измерений дальности. Выбор дальномера юстировка работы канала измерения дальности

4. Структурная сема детектора утечки природного газа

• Требования к аналоговой части детектора утеки природного газа и разработка структурной схемы
• Структурная схема дискретной части канала измерения концентрации метана
• Структурная схема детектора
• Описание выбранной микропроцессорной серии (ADuC824)
• Разработка алгоритма функционирования детектора утечки природного газа

Заключение

В ходе работы, в соответствии с определенными целями будут разработаны и получены:

• Математическая модель спектра полосы поглощения метана;
• Модель динамических изменений характеристик канала;
• Алгоритмы компенсации доминирующих погрешностей вызванных присутствием в открытом канале погрешности от динамических изменений характеристик измеряемой среды;
• Имитационная модель быстродействующего детектора утечки метана на основе оптико-акустического метода с использованием открытого оптического канала;

Результаты проведенных исследований позволят утверждать, что предложенные математические модели, использованные в ходе моделирования, в достаточной степени достовернее отображают процессы в оптическом канале и обеспечивают метрологические характеристики быстродействующего измерителя концентрации метана соответствующим параметрам рабочих средств измерения.

На основании разработанной математической модели оптико-акустического измерителя концентрации метана и его имитационного моделирования предложена структурная схема быстродействующего детектора, что учитывает влияние комплекса факторов, которые влияют на процесс измерений. Предложенный детектор может использоваться как самостоятельное автономное устройство.

Список источников

1. «Газовая промышленность», №8, 1998.

http://www.cadfem.ru/gallery/yours/estimation.htm
2. Орлов А.Г. Методы расчёта в количественном спектральном анализе. Л.,: Недра 1986г. 215с.
3. Бреслер П.И. Закономерности поглощения инфракрасной радиации и в тонких слоях некоторых газов. – Оптика и спектроскопия, 1959, т.7, вып.5.
4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. Учеб. Пособие для студентов приборостроит. специальностей. – М.: Высш. шк., 1991. – 622 с
5. Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение. - Л.: Энергия, 1980. - 164с.
6. Федорков Б.Г., Телец В.А., Дегтяренко В.П. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. - М.: Радио и связь, 1984. - 120 с., ил. - (Массовая б-ка инжеера "Электроника", вып. 41).
7. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. – М.: Сов. радио, 1970 – 496 с.
8. Измерения в промышленности. Справ. изд. В 3-х кн. Кн. 1. Теоретические основы. Пер. с нем. /Под ред. Профоса П. – М.: Металлургия, 1990. – 492 с
9. Yurganov L., H. Akimoto, S. Maksyutov, et al., 2002:Spectroscopic measurements of CO and NО2 total column amounts: Trajectory analysis using ECMWF data set. AGU 2002 Fall Meeting, 6-10 Dec. 2002, San Francisco, California, suppl. to EOS, Trans., AGUnion, 83, 47, 19 November, 2002, p. F 167

http://www.rrc.phys.spbu.ru/reviews/nat_report_03.doc
10. Кашин Ф.В., Каменоградский Н.Е., Гречко Е.И. и др., 2001: Сравнение различных методик спектроскопических измерений общего содержания метана в атмосфере. Изв. РАН, ФАО, 37, 339-345.
11. Елохов А.С., Груздев А.Н, 2000: Измерения общего содержания и вертикального распределения NO2 на Звенигородской научной станции. Изв. РАН, ФАО, 36, 6, 831-846.

http://troll.phys.spbu.ru/papers/mak_3_1_ru.pdf
12. Макарова М.В., А.В. Поберовский, Ю.М. Тимофеев, 2001: Спектроскопические измерения общего содержания метана в районе Санкт-Петербурга. Изв. РАН, ФАО, 37, 1, 67-73

http://troll.phys.spbu.ru/science/measurements.html
13. Виролайнен Я.А., Поляков А.В., Тимофеев Ю.М, 1999: Погрешности одновременного определения содержания ряда атмосферных газов по наземным измерениям теплового ИК-излучения. Изв. РАН, ФАО, 35, 2, 215-221
14. Головин Ю.М., Завелевич Ф.С., Мацицкий Ю.П. и др., 2002: Бортовой Фурье-спектрометр для температурного и влажностного зондирования атмосферы. Тезисы докладов III Международной конференции–выставки “Малые спутники: новые технологии, миниатюризация, области эффективного применения в XXI веке”, г. Королев, 2002.
15. Виролайнен Я.А., Грассел Х., Бакан С. и др., 2002: Опыт наземного зондирования атмосферы с помощью Фурье-спектрометрии теплового излучения. ИЗК, 4, 50-54.

http://troll.phys.spbu.ru/publication.html
16. Есепкина Н.А., С.К. Круглов, С.Б. Розанов и др., 2002: Характеристики акустооптического спектрометра для дистанционного зондирования атмосферы на миллиметровых радиоволнах. Письма в ЖТФ, 28, 10, 35-40.

http://rrc.dgu.ru/res/www.ioffe.rssi.ru/journals/pjtf/2002/10/page-35.html.ru.htm
17. Обзор результатов за 1999-2002 г.г., полученных в России по тематике Российской комиссии по атмосферной радиации .

http://www.rrc.phys.spbu.ru/reviews/nat_report_03.doc
18. Цифровое моделирование систем случайных стационарных процессов. / Е.А. Гриндина, А.Н. Лебедев, Д.Д. Недосекин, Е.А. Чернявский – Л. Энегроатомиздат. Ленинградское отделение, 1991г. 144с.
19. Немец В.М. и др., Спектральный анализ неорганических газов / В.М. Немец, А.А. Петров, А.А. Соловьев. – Химия, 1988 – 240 с.: ил.

В начало страницы