Детектор метана для беспилотного авиационного комплекса

Мониторинг утечек метана

Мониторинг технического состояния магистрального газопровода на предмет утечек метана необходим для выявление дефектов, предупреждения аварий и безопасной эксплуатации трубопровода. Ещё недавно самым эффективным способом диагностики и обследования трубопроводов было обмыливание подозрительных участков трубы, сегодня это малоэффективно, небезопасно, трудозатратно. Самым эффективным методом обследования и мониторинга является дистанционный поиск утечек с вертолёта или БПЛА на которых устанавливается лазерный детектор метана.

Развитие беспилотных авиационных комплексов и оборудования неразрушающего контроля на основе лазерных методов позволяет использовать их для мониторинга утечек газа на магистральных газопроводах, снижает стоимость лётного часа и периодичность обследования. Взлетать и садиться БПЛА может в любой относительно ровной местности.

Инновационные решения в оптических системах, адаптивная цифровая обработка первичных измерений, интеллектуальные алгоритмы в качестве экспертной надстройки лазерного детектора – всё это существенно повышают достоверность распознавания утечек метана. Автоматизация обработки данных мониторинга позволяет оперативно предоставлять информацию об утечках с географическими привязками и фотографиями местности, что важно для своевременного реагирования на нештатные ситуации. Повышается безопасность эксплуатации газопровода. 

Течеискатель метана

Создание системы дистанционного мониторинга газопроводов на основе БПЛА – логическое продолжение серии приборов для поиска утечек метана. В компании ПЕРГАМ разработано несколько детекторов метана, первый из них – ДЛС-Пергам разработан в 2003 году. Он устанавливался на вертолёты, использовался для облёта магистральных газопроводов. С каждым годом ДЛС усовершенствовался, появились приборы для поиска утечек метана в городских условиях – ДЛС-Авто, стационарный детектор для мониторинга утечек на площадных объектах – ДЛС-КС, венцом совершенства стал миниатюрный течеискатель ДЛС-ЛА, устанавливаемые на квадрокоптеры, гексакоптеры и другие БПЛА.

Для реализации такого детектора был выбран лазерный метод обнаружения. Этот лазер абсолютно безопасен. Лазерный метод обнаружения утечек основан на абсорбции излучения в одной или нескольких спектральных полосах поглощения метана. Ближайшими аналогами приборов, в которых реализован данный метод, являются применяемые на объектах Единой системы газоснабжения (ЕСГ) ПАО «Газпром» промышленные устройства «Аэропоиск», «ЛУГ-1», «ДЛС-Пергам» и др., эксплуатация которых осуществляется с применением пилотируемой авиации (рис. 1). Внушительные габариты, особые условия для взлёта и посадки, сложное и дорогое техническое обслуживание, необходимость в большом количестве топлива – все эти сложности, с которыми сталкивались газовики, стали причиной тому, что нужно было искать новое решение, более простое. И оно было найдено специалистами ПЕРГАМ.

Рис.1. Авиационный детектор метана ДЛС-Авиа на борту RA-67568

Концепция детектора на основе полупроводникового лазера

С точки зрения снижения массы и габаритов в качестве перспективной рассматривается концепция построения детектора «ДЛС-Пергам» на основе полупроводникового лазера (рис. 2).

Рис.2. Детектор метана ДЛС-Пергам в легкомоторном самолёте

Данная концепция получила свое развитие в стационарном изделии «ДЛС-КС» для мониторинга открытых промышленных площадок компрессорных станций и контроля утечек на устье скважин ПХГ (рис. 3). Течеискатель метана ДЛС-КС основан на уникальном методе абсорбционной спектроскопии с помощью настраиваемого диодного лазера. Обнаруживает утечки природного газа, анализируя отражённый сигнал, прошедший церез атмосферу. Определяет количество энергии, которую среда поглотила и точно вычисляет содержание метана на пути лазерного луча.

Стационарный течеискатель метана ДЛС-КС имеет сертификат соответствия RU №: 0313642.

Рис.3. Детектор утечек метана ДЛС-КС для площадных объектов

В результате эволюции ДЛС, оптический блок детектора приобрел более компактный вид и облегченную конструкцию, что позволило разместить его на опорно-поворотном устройстве для трехмерного сканирования. Радиус действия «ДЛС-КС» достигает 150 м, обнаруживает места утечек в пределах площадки компрессорной станции.

При помощи специального ПО оператор может задавть требуемую траекторию циклического сканирования технологических объектов по заданному маршруту. Видеоизображения высокой чёткости транслируется на терминал рабочего места оператора в режиме реального времени и с индикацией обнаруженных мест утечек (рис. 4), передает информацию в систему автоматизации верхнего уровня. Для мониторинга удаленных объектов, таких как узел подключения цеха, дальность обнаружения может быть увеличена до 1 км за счёт применения специальных отражателей.

Рис.4. Интерфейс автоматизированного рабочего места ДЛС-КС

Новый детектор метана для установки на БПЛА

В 2017 г. концепция построения линейки детекторов типа «ДЛС» получила новое развитие применительно к решению задач мониторинга утечек с использованием БПЛА. Новый детектор «ДЛС-ЛА» стал значительно меньше, вес изделия до 3,5 кг, изменились и габариты до 110 * 275 х 435 мм за счёт применения композитных материалов. Уменьшились размеры оптической системы, увеличилась мощность излучения лазера. Теперь за все вычислительные процессы отвечает мощный микрокомпьютер с уплотненной компоновкой элементов прибора (рис. 5).

Рис.5. Портативный лазерный детектор метана для БПЛА

Усовершенствован усилитель импульсных оптических сигналов (Патент № 161896 РФ)

За счёт современных схемотехнических решений в усилителе импульсных оптических сигналов достигнут широкий диапазон подавления фоновой засветки фотоприемника при одновременном увеличении коэффициента усиления полезного сигнала. Данный результат получен с помощью частотного разделения сигналов уже на аппаратном уровне, что важно для эффективного использования диапазона измерений и предоставления информации с максимальной точностью.

Это позволило свести к минимуму набор защиты (оптических фильтров) от влияния фоновой засветки в приёмном тракте детектора, оптимизировать вес и габариты оптического блока, исключить риск отказа измерительного канала по причине насыщения усилителя фототока при высоких интенсивностях фоновой засветки.

Специально разработанный математический аппарат для обработки информации оптической системы показал высокий уровень достоверности результата. Течеискатель безошибочно определяет места утечек и концентрацию метана в воздухе. При первичной цифровой обработке сигналов используются современные алгоритмы фильтрации (вейвлет-преобразования), синтезированные для работы в режиме реального времени с минимальным запаздыванием. Дополнительно в качестве инструментов повышения достоверности результата при различных скоростях полёта БПЛА и меняющихся свойствах подстилающей поверхности, используется обученная нейронная сеть с предварительной кластеризацией входных данных. 

Детектор утечек метана «ДЛС-ЛА»

Как показала практика, правильно обученная сеть эффективно фильтрует ложные события, в том числе на границах раздела сред подстилающей поверхности (вода, грунт, трава и т. д.). Миниатюрный лазерный детектор «ДЛС-ЛА» снабжен видеокамерой высокого разрешения, которая снимает на видео, всё что происходит на объекте мониторинга и синхронизируется с работой оптического блока. Оптический блок и видеокамера размещены на единой гиростабилизированной платформе, это позволяет удерживать ось сканирования детектора при изменении положения БПЛА. 

Алгоритм управления платформой синтезирован на основе метода компенсации запаздывания. Между детектором и бортовой системой управления БПЛА в режиме реального времени предусмотрен обмен данными. Синхронизируется информация о географических координатах, высоте и скорости полёта беспилотника, пространственном положении гиростабилизированной платформы, обнаруженных утечках и другая полезная информация.

Новый течеискатель метана для БПЛА позволяет комплексно решать задачи, связанные с утечками на газопроводах. С помощью дрона можно наладить регулярные облёты газопровода, это удобнее и дешевле, чем использовать вертолёт или легкомоторный самолёт. Несмотря на существенное снижение массы и габаритов, детектор «ДЛС-ЛА» по своим характеристикам не уступает предшественникам в линейке «ДЛС», что подтверждается результатами испытаний на объектах МГ 000 «Газпром трансгаз Уфа» в 2017 г.

Рис.6. Беспилотный комплекс Supercam 450 с детектором ДЛС-ЛА

Результаты испытаний детектора метана для БПЛА

Для испытаний детектор установили на беспилотный комплекс Supercam 450, он подходит по характеристикам и поднимает полезную нагрузку до 4 кг (рис. 6). В процессе полёта информация о найденных утечках передаётся в полётный контроллер и в режиме реального времени отображается на экране наземной станции управления. Полная информация с результатами измерений концентрации метана записывается на съёмный носитель для более детального анализа результатов. После полёта по заданному маршруту с помощью прикладного ПО можно просматривать фотографии мест утечек с привязкой к географическим координатам и легко создавать отчёты (рис. 7).

Рис.7. Интерфейс программы обработки данных об утечках

На фото автоматически накладываются указатель направления сканирования и охранная зона газопровода. В отдельных окнах ведётся журнал утечек, формируется график показателя интенсивности обнаруженных утечек по всему маршруту следования, выраженный в ppm-m. Кликом мыши можно выбирать для анализа любую утечку непосредственно на графике либо в журнале событий, при этом фотография места утечки подгружается автоматически.

Заключение

Детектор метана «ДЛС-ЛА» – это законченный комплекс видеонаблюдения и лазерной спектрометрии, предназначенный для поиска утечек метана с БПЛА. В 2017 году БПЛА для поиска утечек метана прошёл приёмку в «Газпром». Преимущества этого уникального изобретения очевидны.

Для БПЛА не требуются взлётно-посадочная полоса или оборудованные площадки для дозаправки и обслуживания, необходимые для используемой сегодня пилотируемой техники. Снижение стоимости лётного часа, повышение частоты облётов вплоть до регулярного периодического мониторинга. Применение БПЛА для поиска утечек природного газа будет способствовать сокращению аварий, уменьшению потерь метана, пресечению несанкционированной деятельности в охранной зоне, снижению риска эксплуатации магистрального газопровода с дефектами. Снизятся выбросы метана в атмосферу, природа скажет спасибо, а парниковый эффект подождёт. В перспективе внедрение данной технологии позволит вывести показатели промышленной безопасности ЕСГ ПАО «Газпром» на качественно новый уровень.

Видео: тест-драйв «ДЛС-ЛА» на участке ООО «Газпром трансгаз Уфа»

Печатную версию статьи читайте в журнале «Газовая промышленность» Спецвыпуск № 3 2018.