Использование оптоволоконных систем мониторинга для обнаружения утечек в трубопроводах




Проблематика контроля параметров режимов и состояния трубопроводов тепловых сетей



В суровых климатических условиях России надежное и качественное обеспечение населения тепловой энергией является первейшей народнохозяйственной и социальной задачей. Теплоснабжение в РФ в основном производится от централизованных систем, необходимым и важным элементом которых являются тепловые сети различного назначения.


Тепловые сети современных систем теплоснабжения представляют собой распределенную по значительной территории систему трубопроводов, осуществляющих транспорт теплоносителя (воды или пара) от источника тепловой энергии к ее потребителям. Общая протяженность тепловых сетей в крупных системах городов может составлять сотни километров, а радиусы сетей достигают десятков километров.


В условиях значительной протяженности сетей и переменных теплогидравлических режимов подачи воды особое внимание уделяется контролю за параметрами теплоносителя, а также состоянием трубопроводов и тепловой изоляции.


Контроль за параметрами режимов позволяет определить их неоптимальность (завышенные температуры в обратном трубопроводе и несоответствие температуры в подающей линии температурным графикам отдельных потребителей), а своевременное выявление и локализация повреждений приводят к значительной экономии дополнительных затрат при транспорте теплоносителя (при аварийных и нештатных ситуациях) и снижению, в конечном итоге, себестоимости транспорта тепловой энергии для теплоснабжающих предприятий.


В настоящее время, как правило, регулярный контроль за параметрами режимов проводится только по данным на источниках тепла и, периодически, по данным обхода тепловых пунктов присоединенных потребителей. Кроме того, измерительная аппаратура с дистанционным выводом информации устанавливается на насосно-перекачивающих станциях и в узлах установки регуляторов, обеспечивающих нормальные гидравлические режимы сетей. Можно сказать, что в настоящее время организация необходимого текущего контроля в тепловых сетях недостаточна для принятия обоснованных решений.


Это связанно в первую очередь с невозможностью установки требуемого количества первичных преобразователей по температуре и давлению (увеличение их количества связано с необходимостью установки дополнительных точек отбора параметров, приводящих к повышению повреждаемости трубопроводов) и, самое главное, отсутствием простых, надежных и сравнительно недорогих средств передачи большого количества измерительной информации на диспетчерские пункты тепловых сетей.


Решение проблемы измерений и передачи данных на диспетчерские пункты позволит повысить надежность и экономичность теплоснабжения за счет более обоснованного и своевременного принятия решений в различных ситуациях и обеспечения возможности контроля за реализацией принятых решений.


В качестве инновационной возможности решения проблемы измерения текущих параметров теплоносителя и состояния тепловой изоляции в тепловых сетях может быть использована перспективная система измерения и передачи данных, основанная на оптоволоконной технике.


Такие системы позволяют по одному оптоволоконному проводу получать и передавать в контрольную точку (диспетчерский пункт) значительные объемы измерительной информации, что и может решить проблемы измерений в тепловых сетях.





Осуществление измерений температуры в электроэнергетике и теплоснабжении с применением системы ПТС-1000



Система распределенного измерения температуры ПТС-1000 основана на оптическом эффекте комбинационного рассеяния света в волоконно-оптическом световоде. Чувствительным элементом данной системы является сам оптический кабель, который также выполняет и функции передачи информации к электронной части системы. Оптический кабель размещается в тесном контакте с измеряемым объектом. Мощность рассеянного светового импульса напрямую зависит от температуры оптического кабеля в точке рассеяния, что позволяет получать картину мгновенного распределения температуры по всей протяженности измеряемого участка в каждый момент времени.


Система измерений и передачи информации на основе оптоволоконной технологии позволяет достаточно просто решить следующие первоочередные и актуальные задачи, связанные с организацией экономичного и надежного теплоснабжения – обеспечить текущий оперативный контроль состояния тепловой изоляции трубопроводов с обнаружением места протечки из-за повреждений или подтопления с точностью не более 1 м.


С этой целью оптоволоконный измерительный кабель может быть проложен в период ремонтов или при новом строительстве по поверхности тепловой изоляции в покровном слое (в нижней части теплопровода). Предполагается использование системы ПТС-1000, у которой оптоволоконный кабель является одновременно и первичным преобразователем температуры, и средством передачи измерительной информации.


Наличие протечек вызывает локальное значительное повышение температуры изоляции, что мгновенно будет зафиксировано системой и позволит своевременно определить место протечки в реальном времени. На основании полученного сигнала максимально быстро производится выезд ремонтной бригады и ликвидация повреждения.


Фиксация наличия подтоплений и намокания изоляции по иным причинам позволит своевременно наладить и контролировать качественную работу дренажных систем, а при длительном воздействии обоснованно прогнозировать места возможных повреждений трубопроводов из-за наружной коррозии.


Для указанных целей высокая точность измерения температуры не требуется, поскольку фиксируются в основном изменения температуры по сравнению с соседними точками, имеющие достаточно большую величину.


Постоянный текущий контроль за температурой в подающей линии для определения фактического снижения этой температуры при транспортировке, позволяющий контролировать температуру, подаваемую потребителям, также для возможности контроля перетоков по закольцовкам в магистралях и между соседними районами.


Постоянный текущий контроль за температурой в магистралях обратной линии позволит своевременно определять места и величину ее завышения для принятия мер к потребителям, нарушающим режим теплопотребления, связанный с увеличением расхода воды из тепловой сети.


Такие системы реализованы и успешно применяются в различных областях техники и, в том числе на объектах с распределенной сетевой структурой. На более тридцати подстанциях города Москвы установлены системы контроля температуры подземного силового кабеля из сшитого полиэтилена 110/220/500 кВ.


Система позволяет: определить максимальную температуру в кабельной линии с указанием расстояния до точки измерения, посылать в диспетчерский пункт аварийно-предупредительные телесигналы, проводить расчет максимально допустимой нагрузки на кабельную линию во времени, визуализировать кабельные линии на карте с указанием температуры и местоположения выбранной точки, обеспечить удаленный доступ к системе для наладки и работы, создавать отчеты.


Продолжительность успешной работы таких систем составляет более 5 лет.





Опытное применение предлагаемой системы измерений в тепловых сетях



Целью реализации опытного применения системы измерения температур изоляции и трубопроводов на основе оптоволоконной техники является подтверждение возможности и эффективности ее применения для различного назначения в условиях тепловых сетей и удобства оценки результатов измерения. Проведенное опробование носит демонстрационный характер. Точные количественные оценки возможностей предлагаемой системы измерений требуют проведения специальных исследований и на данном этапе не проводились.


В качестве опытного участка был предоставлен участок магистрали. Участок проложен в проходном канале. В качестве тепловой изоляции применена навесная изоляция из минераловатных изделий с покрытием сеткой «рабица» и наружным слоем штукатурки.


На НПС была установлена регистрирующая часть измерительной аппаратуры. Для демонстрации возможностей и удобства использования предлагаемой системы измерений результаты измерения температур передавались по радиоканалу на монитор, расположенный удаленно. На этом мониторе результаты измерений отображались в виде графиков распределения температур по длине измерительного участка и ее изменения во времени во всех точках измерений.


Для опробования на выделенном участке было проложено измерительное кольцо оптоволоконного кабеля общей протяженностью 652 м (326 м по подающему и 326 м по обратному трубопроводам) по поверхности тепловой изоляции в качестве демонстрации возможностей системы ПТС-1000. Оптоволоконный кабель проложен по поверхности теплоизоляционной конструкции трубопроводов (в верхней части) и использовался для измерения поверхностной температуры изоляции. При этом проводилась проверка точности измерений температуры и возможности ее использования для диагностических целей.


Возможности системы по измерениям температуры проверялись путем сопоставления данных измерений с результатами измерения термометром сравнительно высокого класса точности. Измерения термометром синхронизировались по времени и проводились в точках, соответствующих точкам измерений системы ПТС-1000, распределенных вдоль опытного участка.


Диагностические возможности предлагаемой системы измерений оценивались на основании имитации различных нарушений, путем полива поверхности изоляции с оптоволоконном кабелем водой различной температуры.


Так разрыв трубопровода имитировался поливом измерительного кабеля горячей водой в нескольких точках. При этом измерительной системой фиксировались величина изменения температуры поверхности изоляции, и определялось место предполагаемого нарушения.


Затопление или внешнее увлажнение изоляции имитировалось поливом кабеля холодной водой с фиксацией температуры поверхности изоляции и места увлажнения.


Опробование было проведено в осенний период и показало следующие результаты.



1. Измерение температуры поверхности изоляции


Проведено контрольное измерение температур и сопоставление результатов по температурам поверхности изоляции.


Результаты измерений температур поверхности изоляции по длине испытательного участка на основе измерительного комплекса ПТС-1000 приведены на рис. 1


Рис. 1. Результаты измерений температуры сетевой воды по длине испытательного участка.



Контрольные измерения температуры поверхности изоляции проводились аттестованным термометром из комплекта измерителя плотности теплового потока ИПП-2 (с погрешностью измерений по температуре 1%) с датчиком для поверхностных измерений. Контрольные замеры проводились в указанный выше период времени в первом колодце по подающей линии.



2. Опробование диагностических возможностей системы ПТС-1000


Для определения возможностей по диагностике при применении оптоволоконной техники проведены следующие измерения, целью которых является возможность выявления факта нарушения и оценки места (координаты) нарушения теплового режима трубопровода.


На первом этапе определялась возможность оценки факта и места прорыва трубопровода. С этой целью на поверхность изоляции в месте крепления оптоволоконного кабеля вливалась вода с температурой близкой к температуре воды в трубопроводе.


Увлажнение изоляции горячей водой было проведено в 11 ч 56 мин в 5 метрах от 5-го колодца по обратной линии.


График зависимости температуры по длине трубопровода, полученный на основании измерений при помощи комплекса ПТС-1000 для данного момента времени приведен на рис. 2.


Рис. 2. Изменения температуры поверхности изоляции при разрыве трубопровода.



Как видно из рис. 2 начало повышения температуры зафиксировано комплексом в период времени 11:56:53. Координата точки нарушения по данным измерений составила 235 м.


Рис. 3. Относительное изменение температуры поверхности изоляции при разрыве трубопровода.



Как видно из рис. 3, в месте полива горячей водой, относительное изменение температуры участка трубопровода составило +17 °С (нижний график).


Как показали результаты опробования, время начала нарушения определено достаточно точно. Отклонение определяемой по результатам измерений координаты точки нарушения от истинного значения составило 0.2 м.


Графики изменения температуры поверхности изоляции по длине опытного участка во времени также отображались на мониторе в кабинете начальника района.


Аналогичное опробование проводилось при поливе поверхности тепловой изоляции в месте крепления оптоволоконного кабеля холодной водой.


Рис. 4. Абсолютное и относительное изменение температуры изоляции в месте полива холодной водой.



Как видно из рис. 4, на отметке 162 м производился полив холодной водой. Абсолютное значение температуры составило 19 °С (верхний график), относительное изменение температуры относительно соседних точек составило -12 °С.


Так же, для наглядности, были представлены температурные картины подающего и обратного трубопроводов, наложенные на карту местности. На картографических схемах, в режиме реального времени, отмечались точки с максимальными отклонениями в сторону повышения и уменьшения температуры, по отношению к соседним участкам трубопровода.


Рис. 5. Участок кабеля на отметке 235 м, где производилась имитация прорыва трубопровода (изменение +17 °С).


Рис. 6. Участок кабеля на отметке 162 м, где производилась имитация подтопления трубопровода (изменение -12 °С).



3. Восстановление процесса измерений после разрыва и сращивания оптоволоконного кабеля


Отличительной особенностью системы измерений на основе оптоволоконной техники, с точки зрения построения системы, является возможность сращивания оптоволоконного кабеля в процессе наращивания системы или после его разрыва.


Для объективной проверки такой возможности были проведены следующие действия.


Оптоволоконный кабель системы ПТС-1000 на опытном участке по подающей линии был разрезан в точке 160 м. Непосредственно до разрезания кабеля была зафиксирована температура на поверхности изоляции в указанной точке (после места разрыва).


Величина этой температуры составила 35.5 °С.


По данным контрольного поверхностного термометра температура составляла 35.6 °С


После этого целостность кабеля была восстановлена путем сварки оптических волокон.


Величина температуры в контрольной точке после восстановления составила 35.7 °С.


По данным контрольного поверхностного термометра величина температура этой точки составляла 35.6 °С


Приведенные данные свидетельствуют о высокой ремонтопригодности предлагаемых систем измерения и возможности постепенного наращивания этих систем при прокладке оптоволоконного кабеля по мере проведения ремонтов и перекладок тепловых сетей.



4. Дополнительные преимущества использования оптоволоконных систем мониторинга


Ввиду того, что для распределенных систем мониторинга на базе оптоволоконного кабеля используется стандартные одномодовые и многомодовые волокна, открываются новые возможности для использования тепловых сетей. Такое же волокно используется для передачи данных, в том числе распространения сети «Internet». Таким образом при прокладке водопроводных сетей со встроенным оптическим волокном возможно использовать их как источник подключения потребителей к сети, что позволит получать дополнительную выгоду, снизить стоимость прокладки сети в долгосрочной перспективе и повысить степень распространения данных.


Вторым преимуществом использования тепловых сетей со встроенным оптическим волокном является тот факт, что на данный момент существуют и другие распределённые оптоволоконные системы мониторинга, которые могут быть в дальнейшем внедрены для повышения экономической эффективности.


Одной из таких систем является система вибро-акустического мониторинга. Принцип ее работы во многом схож с работой системы температурного мониторинга, однако результатом измерения в данном случае является распределенный акустический профиль вдоль всей оптической линии. Такой профиль позволяет в автоматическом режиме идентифицировать возможные несанкционированные работы вблизи тепловой сети, предупреждать дежурный персонал о таких работах и тем самым предотвращать возможные прорывы, вызванные вмешательством третьих лиц. Подобные системы уже получили широкое развитие в нефтегазовой отрасли для обеспечения безопасности продуктопроводов, поэтому вполне возможно ожидать их внедрение и в сфере теплоснабжения.



Выводы по результатам опробования


Качественно подтверждены возможность и целесообразность применения систем измерения на базе оптоволоконных технологий для оперативного контроля состояния трубопроводом тепловых сетей.


Погрешность измерения системы можно считать незначительной, так как она не может влиять на ложное срабатывание системы.


Во всех случаях удалось однозначно определить и локализовать имитацию прорыва водопровода.


Система мониторинга температуры может быть применена для оперативного контроля состояния трубопровода, а ввиду специфики оптоволоконного датчика один измерительный блок-системы может охватывать теплосети большой протяженности, снижая стоимость внедрения данной технологии.



Ракитин Сергей – генеральный директор ООО «Седатэк».

Карлов Кирилл – президент ООО «Седатэк».

Байбаков Сергей – заведующий лабораторией теплофикации ОАО «ВТИ».

Просмотров: 189Комментариев: 0