Автореферат магістерської роботи

Тема магістерської роботи – «Обґрунтування структури трасового детектору витоку природного газу з магістральних газопроводів».

Зміст

• 1.Актуальність

• 2.Мета та задачі роботи

• 3.Запланована наукова новизна

• 4.Запланована практична цінність

• 5.Огляд існуючих досліджень та розробок

• 6.Перелік невирішених проблем та задач

• 7.Заплановані та одержані власні результати

• 8.Висновки

• 9.Список посилань

Актуальність

Крім екологічних чинників, руйнування магістрального газопроводу супроводжується важкими економічними наслідками. Насущність рішення даної проблеми на сучасному етапі, окрім соціальних і екологічних чинників, обумовлена великою вартістю заміни або ремонту трубопроводів. Тотальне оновлення трубопровідної системи практично не реальна задача для якої-небудь крупної газової або нафтової компанії. У зв'язку з цим актуальною задачею є розробка високоефективних методів для оперативного виявлення місця розташування розривів трубопроводів [1].

Мета та задачі роботи

Метою магістерської роботи є підвищення швидкодії вимірювання об'ємної концентрації метану шляхом застосування оптико-акустичного методу визначення концентрації метану з відкритим каналом і компенсації динамічних обурень середовища, що впливають на результати вимірювань.

У основу встановлений оптико-акустичний метод вимірювання концентрації метану і його удосконалення шляхом компенсації домінуючих погрішностей: температури, тиск, довжини траси, погрішності від динамічних змін характеристик вимірюваного середовища.

В ході роботи необхідно вирішити наступні задачі:

• Проаналізувати методи вимірювання концентрації метану для автоматизованого безперервного контролю в умовах магістральних газопроводів і шляху поліпшення їх метрологічних характеристик [8];
• Виявити чинники, які впливають на погрішності базового методу, і розробити принципи їх компенсації [2];
• Розробити математичну модель швидкодійного вимірника концентрації метану на основі оптікоакустічеського методу з використанням відкритого оптичного каналу [3];
• Розробити структурно-алгоритмічні методи, які забезпечують необхідну точність і високу швидкодію вимірника метану в умовах стаціонарного режиму роботи [4].

Зовнішній вигляд і принцип роботи планованої установки наведений на анімованому рисунку 1.

Рисунок 1 - Принцип роботи детектора витоку природнього газу з магістрального газопроводу.

(Анімацію можна проглянути у Flash Player 8. Для початку процесу натисніть кнопку запуск. Після появи робочої області за допомогою кнопки "Начало процесса тестирования" - здійснюється імітация процесу визначення місця витоку природноьго газ з магистарльного газопроводу або зупинка процесу тестування ("Конец процесса тестирования"). Процес руйнування газопроводу здійснюється у випадковому порядку. При кожному натисненні кнопки ми будемо отримувати нові значення).

Запланована наукова новизна

В ходе работы будут разработаны и получены новые результаты:

• Математична модель спектру поглинання метану [3];
• Модель зміни характеристик каналу [5];
• Алгоритми компенсації домінуючих погрішностей викликаних присутністю у відкритому каналі погрішності від динамічних змін характеристик вимірюваного середовища [6];
• Імітаційна модель швидкодійного вимірника концентрації метану.

Практичне значення одержаних результатів. Результати проведених досліджень дозволяють стверджувати, що запропоновані математичні моделі, використані в ході моделювання, достатньою мірою достовірніше відображають процеси в оптичному каналі і забезпечують метрологічні характеристики швидкодійного вимірника концентрації метану відповідним параметрам робочих засобів вимірювання концентрації метану на магістральних газопроводах. Розроблені алгоритми компенсації ефективно протидіють обуренням, що ведуть до змін величин потоків випромінювання у всіх каналах, тим самим, знижуючи залежність вимірника концентрації метану від коливання напруги в електричній мережі і пов'язані з ними коливання оптичних потоків джерел випромінювання, деградації джерел випромінювання, асиметрії параметрів оптичних каналів [7].

На підставі розробленої математичної моделі детектора концентрації метану і його імітаційного моделювання запропонована структурна схема швидкодійного вимірника метану компенсаційного типу, що враховує вплив комплексу чинників, які впливають на процес вимірювань. Пропонований детектор дозволяє будувати на його основі системи детектування підвищеної швидкодії [4].

Предпологаємая практична цінність

Підвищення швидкодії засобів визначення місць витоку природного газу з магитсральних газопроводів газового господарства України.

Огляд існуючих досліджень та розробок

В даний час в газовій промисловості Росії розв'язується задача забезпечення системного безперервного контролю і обліку викидів парникових газів в атмосферу, в т.ч. метану.

Накопичений значний досвід контролю емісії метану від технологічних втрат і викидів природного газу, в т.ч. з участю зарубіжних фірм і фахівців.

У польових умовах інструментальний контроль емісії метану проводиться різними методами.

• візуальний (зовнішній огляд, на автомобілі, з повітря);
• за допомогою контактних і дистанційних методів.

При цьому вимірювальна техніка використовується залежно від цілей і об'єктів контролю, у взаємодії з регламентами екологічного моніторингу, діючою системою технічної діагностики стану газопроводів, і технологічного устаткування, алгоритмами управління технологічними процесами, планами технічної профілактики і ремонту трубопроводів і вузлів устаткування.

Контактний метод контролю - індикація рівнів концентрації метану безпосередньо в місцях витоку. При цьому використовують газоаналізатори з безперервним записом зміни концентрації метану. У газоаналізаторах застосовуються: напівпровідникові і термокаталітічеськіє, електрохімічні, спектрально-оптичні полум'яно-індикаційні датчики. Вибір приладу визначається багатьма чинниками селективністю по вимірюваному газу, терміном служби, надійністю, областю застосування, простотою конструкції, сервісних вимог і вартістю.

Дистанційні методи служать складовою частиною комплексних досліджень трубопровідних систем.

Лазерна зйомка заснована на опромінюванні об'єкту на двох довжинах хвиль, одна з яких потрапляє в смугу поглинання газу, а інша лежить поза нею (метод диференціального поглинання);

Інфрачервона аерозйомка з малих висот тепловізіоннимі системами дозволяє знаходити місця і розміри витоків по температурному контрасту ділянки поверхні поблизу трубопроводу.

У галузі закінчена розробка мобільного лазерно-тепловізіонного комплексу.

Зйомка радіолокації заснована на різних електричних властивостях атмосферного повітря і його суміші з метаном.

Матеріали аерокосмічного моніторингу використовуються для виявлення потенційно небезпечних ділянок, особливо в сейсмічно активних зонах, а також для контролю процесів заболочування, подтепленія, надмірного перезволоження з подальшим прогнозуванням стану трубопроводу і можливих його порушень, що приводить до технологічних викидів і витоків газу. У галузі також проводилися вимірювання емісії метану за допомогою пересувної системи вагон-лабораторія, оснащеної приладами контролю [1].

• Пасивне зондування озоносфери і малих газових складових атмосфери у видимому, інфрачервоному і мікрохвильовому діапазонах спектру;
• Лідарноє зондування навколишнього середовища;
• Створення приладів для радіаційних досліджень і дистанційного зондування.

Дослідження в рамках 1-го напряму представляють собою довготривалі вимірювання змісту атмосферних складових, аналіз їх мінливості і вдосконалення методик вимірювань і інтерпретації, що проводяться рядом інститутів (ІФА РАН, СПбГУ, ФЕ РАН, ІЕМ, ІРЕ РАН, ГГО).

На Звенігородськой науковій станції (ЗНС) ІФА РАН, а також на Високогірній науковій станції (ВНС) ІФА РАН на Північному Кавказі продовжуються систематичні спектроскопічні вимірювання і дослідження вмісту в товщі атмосфери кліматично активних газів - окисли вуглецю, метану і водяної пари [9]. Аналіз багаторічних (~ 30лет) систематичних вимірювань змісту окислу вуглецю і метану привів до висновку, що вміст CO і CH4 в атмосфері збільшується із швидкістю 0.9% і 0.5% в рік. У 2000-2002 рр. проводилися інтеркалібровка методик вимірювання загального змісту З, СН4 і Н2О групами ІФА РАН, ІЕМ і СПбГУ [10], почата робота по застосуванню траєкторного аналізу для оцінки впливу антропогенних і природних джерел на рівень змісту З на ЗНС ІФА РАН і після тривалої перерви продовжені вимірювання змісту З, СН4 і Н2О в Антарктиді на станції Новолазаревськая. З 1990 р. на ЗНС проводяться регулярні спектрофотометрічеськіє загального змісту NO2 і його вертикального розподілу у області висот 0-50 км [11]. Ці вимірювання виявили зменшення змісту NO2 із швидкістю 2-3 % у рік.

СПбГУ проводить вивчення мінливості З, СН4 в районі СПб за допомогою спектроскопічних і газохроматографічних досліджень [12]. Результати свідчать про зниження змісту З, СН4 в атмосфері після 1985г. Крім того, здійснені дистанційні вимірювання температурного профілю і характеристик газового складу атмосфери на основі інтерпретації спектрів низхідного теплового ГИК випромінювання, зміряних в умовах безхмарної атмосфери Фурье-інтерферометром OASIS Інституту Макса Планка (ФРН). Запропонована і досліджена в чисельних експериментах спеціальна методика інтерпретації, в якій разом з визначенням атмосферних параметрів уточнюються параметри абсолютного калібрування спектрів і радіаційної моделі атмосфери. Показано, що дистанційний метод дозволяє з хорошою точністю визначати загальний зміст ряду МГС (N2O, CH4, CFC-11, CFC-12, CO), а також тропосферний зміст озону [13].

Довготривалі безперервні вимірювання загального змісту Н2О і середньої по висоті відносної концентрації СО2 в товщі атмосфери на станції Іссик-куль проводяться і аналізуються співробітниками ІЕМ. У Обнінське ІЕМ проводить систематичні вимірювання концентрації СН4 в приземному повітрі і його вміст в стовпі атмосфери спектрометричним методом і дослідження характеристик елементів ландшафту з метою пошуку стійких ознак (радіаційних, спектральних, просторово-часових, агрофізичних, фітоактінометрічеськіх і ін.) для їх параметризації за різних метеорологічних умов і умов освітленості. Дослідження проводяться за допомогою спеціально розробленої спектрорадіометрічеськой скануючої апаратури з метеорологічної вежі.

Третій напрям досліджень - Створення приладів для радіаційних досліджень і дистанційного зондування - представлено рядом інститутів.

У центрі ним. М.В. Келдиша сумісне з ІРЕ РАН, МГТУ ним. Баумана і ВНІІЕМ розроблений ескізний проект і проведено макетування основних блоків інфрачервоного Фурье-спектрометра ІКФС-2 для температурного і влажностного зондування атмосфери з космічного апарату «Метеор-М» [14]. Прилад призначений для вимірювання спектрів випромінювання системи "атмосфера-поверхня", необхідних для отримання вертикальних профілів температури і вогкості, загального змісту озону, температури підстилаючої поверхні і характеристик хмарності, що йде. Окрім цього, можуть бути одержані дані про зміст малих газових складових атмосфери СН4, N2O і ін. Вказані погрішності відновлення метеопараметров приведені для умов безхмарної атмосфери.

У ФІАН РАН розроблений (сумісно із СПбГУ) проект газокореляційного радіометра на діапазон довжин хвиль 2,2-2,3 мкм для визначення змісту CH4 і CO в нижній тропосфері по надірним вимірюваннях відображеного земною поверхнею сонячного випромінювання і виготовлений макет одноканального (для метану) варіанту приладу з використанням фотодетектора з термоелектричним охолоджуванням до температури 220 До. Показано, що енергетична чутливість радіометра з таким фотодетектором забезпечує точність вимірювань вмісту CH4 в шарі 0-4 км не гірше 10% від фонового значення [15].

У ФІАН створений малошумлячий спектрометр міліметрового діапазону радіохвиль з широкосмуговим акустооптичним спектроаналізатором (АОС) [16], розробленим в Санкт-петербурзькому державному політехнічному університеті. Досліджені основні характеристики АОС, що має смугу аналізу 500 Мгц і частотний дозвіл 0,9 Мгц, а також особливості його застосування для вимірювань спектральної лінії випромінювання атмосферного озону на частоті 142,2 ГГц. У ФІАН успішно проведені перші в Росії вимірювання озону з використанням АОС [17].

Перелік невирішених проблем та задач

Заплановані та одержані власні результати

1. Математичне моделювання каналу вимірювання метану оптико-акустичного каналу

• Моделювання спектру поглинання метану
• Формування оптичного сигналу
• Облік чинників при проходженні потоку ІЧ-випромінювання через оптичний детектор
• Облік впливу тиску, температури, довжини траси на результати вимірювання вихідний сигнал фотоприймача каналу вимірювання метану

2. Імітаційне моделювання роботи фізичних процесів роботи детектора

• Моделювання оптичного каналу вимірювання концентрації метану оптико-акустичним детектором
• Методика моделювання настройки вузлів електронної системи детектора
• Методика моделювання градуювання детектора методика визначення метрологічних параметрів засобу вимірювання

3. Дослідження метрологічних характеристик каналу вимірювання метану оптико-акустичного детектора

• Планування математичного експерименту для визначення показників точності при визначенні концентрації метану оптико-акустичним детектором

Класифікація планів математичних експериментів. Рівні, інтервали варіювання і область визначення чинників. Матриця планування математичного експерименту. Матриця планування експерименту повночинника для визначення показників точності при визначенні концентрації метану оптико-акустичним детектором. Її особливості

• Дослідження параметрів поглинання газового середовища на точність вимірювання концентрації метану

Дослідження впливу температури газової суміші на точність вимірювання концентрації метану. Дослідження впливу тиску газової суміші на точність вимірювання концентрації метану. Дослідження впливу довжини траси на точність вимірювання концентрації метану. Дослідження впливу концентрації метану на точність вимірювання концентрації метану. Дослідження впливу розрядності АЦП на точність вимірювання концентрації метану. Дослідження впливу ступеня апроксимації полінома на точність вимірювання концентрації метану

• Дослідження параметрів алгоритму компенсації на точність вимірювання концентрації
• Введення каналу вимірювання дальності

Обгрунтування структури каналу вимірювань дальності. Вибір далекоміра юстирування роботи каналу вимірювання дальності

4. Структурна схема детектора витоку природного газу

• Вимоги до аналогової частини детектора витечи природного газу і розробка структурної схеми
• Структурна схема дискретної частини каналу вимірювання концентрації метану
• Структурна схема детектора
• Опис вибраної мікропроцесорної серії (ADuC824)
• Розробка алгоритму функціонування детектора витоку природного газу

Висновки

В ході роботи, відповідно до певної мети будуть розроблені і одержані:

• Математична модель спектру смуги поглинання метану;
• Модель динамічних змін характеристик каналу;
• Алгоритми компенсації домінуючих погрішностей викликаних присутністю у відкритому каналі погрішності від динамічних змін характеристик вимірюваного середовища;
• Імітаційна модель швидкодійного детектора витоку метану на основі оптико-акустичного методу з використанням відкритого оптичного каналу.

Результати проведених досліджень дозволять стверджувати, що запропоновані математичні моделі, використані в ході моделювання, достатньою мірою достовірніше відображають процеси в оптичному каналі і забезпечують метрологічні характеристики швидкодійного вимірника концентрації метану відповідним параметрам робочих засобів вимірювання.

На підставі розробленої математичної моделі оптико-акустичного вимірника концентрації метану і його імітаційного моделювання запропонована структурна схема швидкодійного детектора, що враховує вплив комплексу чинників, які впливають на процес вимірювань. Запропонований детектор може використовуватися як самостійний автономний пристрій.

Список посилань

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.

На початок сторінки