CC BY
5%
sisi®'
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 622.691.4
КОНЦЕПЦИЯ УСТРОЙСТВА ОБНАРУЖЕНИЯ И ОПОВЕЩЕНИЯ О МЕСТОПОЛОЖЕНИИ
УТЕЧЕК УГЛЕВОДОРОДОВ
THE CONCEPT OF A DEVICE FOR DETECTING AND NOTIFYING THE LOCATION
OF HYDROCARBON LEAKS
© Кондратенко Владимир Степанович
Vladimir S. Kondratenko
доктор технических наук, профессор, академик Европейской академии наук, Почётный работник науки и техники РФ, Почётный работник образования РФ, советник ректората, профессор кафедры наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования, Российский технологический университет (г. Москва).
DSc (Technical), Professor, Academician of the European Academy of Sciences, Honorary worker of science and technology of the Russian Federation, Honorary worker of education of the Russian Federation, Advisor to the Rector's Office, Professor of the Department of Nanoelectronics Institute of Advanced Technologies and Industrial Programming, Russian Technological University (Moscow).
H vsk1950@mail.ru
© Рогов Александр Юрьевич
Aleksandr Yu. Rogov старший преподаватель кафедры наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования, Российский технологический университет (г. Москва).
senior lecturer of the Department of Nanoelectronics Institute ofAdvanced Technologies and Industrial Programming, Russian Technological University (Moscow).
H ray40@ya.ru
U
© Цветков Артём Игорьевич
Artem I. Tsvetkov
аспирант кафедры наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования, Российский технологический университет (г. Москва).
Graduate student of the Department of Nanoelectronics Institute of Advanced Technologies and Industrial Programming, Russian Technological University (Moscow).
H cartem@bk.ru
Аннотация. В работе рассматривается про-блемаутечек в инфраструктуре логистики и хранения углеводородных веществ. Предложено устройство обнаружения местоположения утечек углеводородов с использованием УГВ-сенсора и беспроводного канала GSM связи, структурная схема устройства и алгоритм работы.
Ключевые слова: утечка углеводородов, УГВ-сенсор, беспроводной канал, GSM оповещение, микроконтроллер.
Abstract The paper deals with the problem of leaks in the infrastructure of logistics and storage of hydrocarbon substances. A device for detecting the location of hydrocarbon leaks using a UGV sensor and a wireless GSM communication channel, a block diagram of the device and an operation algorithm are proposed.
Key words: hydrocarbon leakage, HyC sensor, wireless channel, GSM alert, microcontroller.
Введение
П
гри эксплуатации инфраструктуры логистики и хранения углеводородных веществ (УГВ) особые проблемы вызывают их утечки, которые, вовремя необнаруженные, могут привести к развитию экологического и финансового ущерба.
Современные системы обнаружения утечек на нефтепроводах, газопроводах, мазутопроводах и других системах транспортировки углеводородов, как правило, используют косвенные методы обнаружения утечек основанные, например, на перепаде давлений, контроле учёта расхода продукта, акустических и других эффектах, сопровождающих процесс утечки [1]. Системы обнаружения утечек, построенные на основе данных методов имеют высокую цену и процент ложных срабатываний, а также не обеспечивают определение метоположения утечки с желаемой точностью. Данные методы позволяют лишь приближённо указать местоположение утечки, поэтому более востребованными становятся прямые методы обнаружения, основанные на непосредственном взаимодействии УГВ-сенсора и продукта утечки. Такие системы с УГВ чувствительными кабелями зарубежного производства получают всё большее распространение при контроле утечек на протяжённых объектах, таких как, не-фте- и газопроводы. Поэтому разработка и создание отечественных УГВ-сенсоров и устройств обнаружения местоположения утечек углеводородов (УОУ) на их основе приобретают особую актуальность [2].
Существующие методы регистрации утечек в трубопроводах
Ниже описаны основные существующие технические решения регистрации утечек в трубопроводах на базе аппаратных, программных, математических или комплексных решений [3].
- Метод понижения давления с фиксированной или скользящей установкой. Данный метод основан на сравнении давления, рассчитанного по гидравлическому уклону, с давлением, определяемым датчиками давления через определённые промежутки времени.
- Метод сравнения расходов основан на постоянстве расхода углеводорода содержащего продукта в начале и конце трубопровода при отсутствие утечки.
- Метод сравнения изменения скорости расхода основан на показаниях скорости перекачки установленных диафрагм в начале и конце трубопровода при появлении утечки.
- Корреляционный метод использует виброакустический сигнал, генерируемый двумя пьезодатчиками, установленных на трубопроводе для обнаружения утечки.
- Метод акустической эмиссии - более точная версия корреляционного метода, использующая множество пьезодатчиков, и специальную систему на базе компьютера, анализирующую показания с них.
- Метод линейного баланса - математический метод, при котором рассчитываются интегральные объёмы перекачиваемой жидкости вначале и конце трубопровода.
- Метод ударных волн Жуковского использует ударную диаграмму кривой зависимости давления от времени, записанной при гидравлическом ударе задвижки на конце трубы.
- Метод отрицательных ударных волн. Метод основан на регистрации фронта волны изменения давления, которая происходит в месте разгерметизации трубопровода.
- Метод гидравлической локации утечки. Данный метод основан на анализе гидравлических характеристиках участка нефтепровода.
К методам предъявляются следующие требования:
- точность определения мест утечки;
- высокая чувствительность;
- степень надёжности и автоматизации;
- достоверность информации;
- отсутствие помех, оказывающих влияние на перекачку;
- безопасность при эксплуатации;
- обеспечение контроля состояния трубопровода большой протяжённости;
- экономичность;
- работоспособность при плохих климатических условиях.
В таблице 1 представлена сравнительная оценка методов регистрации утечек в трубопроводах
На основе приведённых данных можно сделать выводы:
- ни один из представленных методов не удовлетворяет всем требованиям;
- наиболее точные методы требуют программно-аппаратный комплекс и больших денежных вложений во время работы.
Описание аппаратной части устройства обнаружения утечек углеводородов
В работах [4-8] уделено большое внимание сорбционному кабельному сенсору, методам обнаружения местоположения утечек, как воды, так и углеводородов, а также представлены возможные технические решения построения автоматизированных систем обнаружения таких событий.
Данная работа посвящена дальнейшему развитию архитектуры первичных аналогово-цифровых преобразователей на основе микроконтроллера, детектирующих непосредственное воздействие углеводородных
%
Сравнительная оценка методов регистрации утечек в трубопроводах
Таблица 1
Метод контроля Л ё о и ST 'вствительность Надёжность ь сть о и ft е в о осто эмехоустойчивосгь Безопасность ротяжённость ь S3 о я ST к S о я о шяние климата
Е-1 сг Ч С С ГО л В
Метод сравнения расходов Н Н В Н Н В Н В Н
Метод понижения давления с фиксированной или скользящей установкой В Н В Н Н В В В Н
Метод сравнения изменения скорости расхода Н Н В Н Н В Н В Н
Корреляционны метод В Н В Н В В В Н Н
Метод акустический эмиссии В В В В Н В Н Н В
Метод линейного баланса Н Н В В Н В В Н Н
Метод ударных волн Жуковского В Н В В Н В В В Н
Метод отрицательных ударных волн В Н В В Н В В В Н
Метод отрицательных ударных волн В Н В В Н В В В Н
Метод гидравлической локации утечки В Н В В Н В В В Н
Примечание: Н - низкий уровень; В - высокий уровень.
веществ на УГВ-сенсор и выдающих цифровое сообщение о наличии утечки.
На рисунке 1 представлена блок-схема проекта беспроводной системы обнаружения утечек на оснве УГВ-сенсоров, использующих GSM модуль связи с базовой станцией.
На блок-схеме: УГВ-сенсор малой протяжённости (полоскового типа); МК - микроконтроллер stm32f407VET6; GSM модуль - GSM
приёмопередатчик sim8ool; источник питания для микроконтроллера и GSM модуля - 5В, 1.5А.
Принцип работы устройства основан на передаче измеренных данных через АЦП микроконтроллеру для последующей обработки и передачи данных. Микроконтроллер имеет выход по USB порту для включения устройства в макет для настройки, наладки и ремонта (рис. 2), а также порт UART для передачи данных GSM модуля в виде сигнала об утечки оператору.
Рис. 1. Блок-схема устройства
А л Л<
SISK^'
Рис. 2. Схема включения устройства для настройки, наладки и ремонта
УПВ сенсор
~Vcc~
"ТГПУ"
"Т
Г
ТЯ1Г
GSM связь
jnuiiim
тсс
"Tir
7Ж5
¡шиши
□I - !□(
АЦП
такт
U SB
нгшгп
таял
Рис. 3. Схема включения устройства во время работы
Данные с GSM модуля, через GSM связь (SIM карта) направляются оператору на базовую станцию или мобильный телефон посредством СМС-сообщения в момент обнаружения воздействия утечки устройством (рис.3) [9].
Так как УОУ на микроконтроллере может иметь компактные размеры, относительно недорого и непосредственно подключается к одному УГВ-сенсору,
то оно, как правило, совместно с сенсором может размещаться в местах наиболее вероятной утечки углеводородов, реализуя, так называемый зонный принцип обнаружения местоположения утечки: «один сенсор - одна зона контроля».
Серийный выпуск недорогих полосковых УГВ-сенсоров сделает общую конструкцию УОУ ещё более недорогой и массово востребованной.
SIS**'
а)
Функциональная блок-схема
б)
Рис. 4. Алгоритм работы УОУ: базовый алгоритм (а); раскрытие содержания отдельных блоков алгоритма (б)
Описание программной части устройства обнаружения утечек углеводородов
Программная часть устройства представляет собой закрытый код для микроконтроллера stm32f407VET6 в среде stm32cubeMX.
На рисунке 4 а представлен алгоритм работы устройства. Такие блоки, как «Инициализация АЦП и датчика», «Инициализация GSM» и «Опрос GSM» раскрыты на рисунке 4 б. Управление устройством происходит с помощью 3 кнопок: вывести из режима ожидания, инициализация устройства в окружающей среде без воздействия углеводорода, инициализация
устройства с воздействием углеводорода. Во время непрерывной работы устройство управляется как кнопками, так и AT командами по GSM связи.
На рисунке 5 представлена распиновка микроконтроллера и подключённые порты UART, USB, светодиоды и прочее.
На рисунке 6 представлено фото макета для устройства без корпуса, где микроконтроллер - stm32f407VET6, программатор - st link v2.i, распаянный на плате discovery, GSM модуль - sim8ool, рабочая станция - шасси NI PXI-1080 с NI-PMA 1115 со встроенным источником питания NI PXi-4130 для запитывания системы. Оператор сотовой связи для макета - «Билайн».
И. ■■■! ГЩ I
кйии
Рис. 5. Распиновка микроконтроллера
Рис. 6. Состав основных элементов макета УОУ
Заключение
В данной работе представлена архитектура первичного устройства обнаружения утечек углеводородов, непосредственно подключаемого к УГВ-сенсору и алгоритмическим путём определяющая воздействие углеводородных жидкостей, выдавая в цифровом виде в систему контроля сообщение о срабатывании конкретного УГВ-сенсора посредством, например, GSM-сообщений.
Система таких устройств обнаружения местоположения утечек углеводородов позволяет отслеживать и оповещать об утечках нефтепроводов, газопроводов, мазутопроводов и других логистических систем углеводородных веществ.
Устройство автономно и компактно, что позволяет разместить его, например, у фланцевого соединения трубопровода. С учётом того, что данное устройство является отечественной разработкой с закрытым исходным кодом, использующее для оповещения систему GSM с отечественными операторами, а так же есть возможность поставить дополнительные модули шифрования и дешифрования (или дополнить программу специальным алгоритмом), такое устройство может использоваться на трубопроводах федерального, военного или другого назначения, где невозможно устанавливать системы иностранного производства.
Материалы поступили в редакцию 24.10.2022 г.
%
SIS4Ü'
Библиографический список (References)
1. Мамонова, Т. Е. Методы диагностики линейной части нефтепродуктов для обнаружения утечек / Т. Е. Мамонова. - Текст : непосредственный // Проблемы информатики. - 2012.
- Спецвыпуск. - С. 103-122. - ISSN 2073-0667.
2. Манукян, М. М. Импортозамещение нефтегазового оборудования как основа подъёма экономики страны / М. М. Манукян. - Текст : непосредственный // Вестник Самарского университета. - 2017. - С. 31-35. - ISSN 1810-5378.
3. Мамонова, Т. Е. Учёт геометрического профиля нефтепровода при определении параметров утечки /Т. Е. Мамонова. - Текст : электронный // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. - 2012. - № 2. - С.85-102.
- eISSN1813-503X.
4. Кондратенко, В. С. Новый подход к контролю утечек углеводородных жидкостей на борту летательного аппарата / В. С. Кондратенко,
A. Ю. Рогов, А. Н. Кобыш. - Текст : электронный // Труды МАИ. - 2018. - № 102. - С. 18.
- elSSN 1727-6942.
5. Кондратенко, В. С. Разработка методов определения места и размеров протечек воды с помощью сорбционного гидросенсорного кабеля /
B. С. Кондратенко, А. Ю. Рогов, Ю. И. Сакуненко,
A. В. Сорокин. - Текст : непосредственный // Контроль. Диагностика. - 2018. - № 5. - С. 32-37.
- ISSN 0201-7032.
6. Кудж, С. А. Сорбционный кабельный сенсор с большим диапазоном чувствительности и области его применения / С. А. Кудж,
B. С. Кондратенко, А. Ю. Рогов, Ю. И. Сакуненко, Е. А. Дружинин. - Текст : непосредственный // Российский технологический журнал.
- 2020. - Т. 8. - № 3. - С. 59-80. - ISSN 27823210. - eISSN 2500-316X. - https://doi. 0rg/10.32362/2500-316X-2020-8-3-59-80.
7. Рогов, А. Ю. Повышение эффективности обнаружения протечек с помощью сорбцион-ных кабельных сенсоров / А. Ю. Рогов. - Текст : непосредственный // Базис. - 2019. - № 2 (6).
- С. 21-28. - ISSN 2587-8042.
8. Рогов, А. Ю. Метод контроля работоспособности систем жидкостного охлаждения суперкомпьютеров на основе сорбционного кабельного сенсора / А. Ю. Рогов. - Текст : непосредственный // Приборы. - 2022. - № 4 (262). - С. 32-37. - ISSN 2071-7865.
9. Белов, А. В. Создаём устройства на микроконтроллерах / А. В. Белов - СПб : Наука и техника, 2007. - 304 с. - ISBN 978-5-94387-364-3. - Текст : непосредственный.
1. Mamonova, T. E. (2012). Metody diagnostiki linejnoj chasti nefteproduktov dlja obnaruzhenija utechek [Methods of diagnostics of the linear part of petroleum products for leak detection]. Problemy informatiki. Special Issue. P. 103-122. ISSN 2073-0667.
2. Manukjan, M. M. (2017). Importozameshhenie neftegazovogo oborudovanija kak osnova pod#joma jekonomiki strany [Import substitution of oil and gas equipment as a basis for the recovery of the country's economy]. Vestnik Samarskogo universiteta. P. 31-35. ISSN 1810-5378.
3. Mamonova, T. E. (2012). Uchjot geometricheskogo profilja nefteprovoda pri opredelenii parametrov utechki [Taking into account the geometric profile of the oil pipeline when determining leakage parameters]. Jelektronnyj nauchnyjzhurnalNeftegazovoe delo. No. 2. P.85-102. eISSN1813-503X.
4. Kondratenko, V. S., Rogov, A. Ju., Kobysh, A. N. (2018). Novyj podhod k kontrolju utechek uglevodorodnyh zhidkostej na bortu letatel'nogo apparata [A new approach to the control of leaks of hydrocarbon liquids on board an aircraft]. Trudy MAI. No. 102. P. 18. eISSN 1727-6942.
5. Kondratenko, V. S., Rogov, A. Ju., Sakunenko, Ju. I., Sorokin, A. V. (2018).
Razrabotka metodov opredelenija mesta i razmerov protechek vody s pomoshhju sorbcionnogo gidrosensornogo kabelja [Development of methods for determining the location and size of water leaks using a sorption hydrosensor cable]. Kontrol'. Diagnostika. No. 5. P. 32-37. ISSN 0201-7032.
6. Kudzh, S. A., Kondratenko, V. S., Rogov, A. Ju., Sakunenko, Ju. I., Druzhinin, E. A. (2020). Sorbcionnyj kabel'nyj sensor s bol'shim diapazonom chuvstvitel'nosti i oblasti ego primenenija [Sorption cable sensor with a large range of sensitivity and its application]. Rossijskij tehnologicheskij zhurnal. V. 8. No. 3. P. 5980. ISSN 2782-3210. - eISSN 2500-316X. - https:// doi.org/10.32362/2500-316X-2020-8-3-59-80.
7. Rogov, A. Ju. (2019). Povyshenie jeffektivnosti obnaruzhenija protechek s pomoshhju sorbcionnyh kabel'nyh sensorov [Improving the efficiency of leak detection using sorption cable sensors]. Basis. -No. 2 (6). P. 21-28. -SSN 2587-8042.
8. Rogov, A. Ju. (2022). Metod kontrolja rabotosposobnosti sistem zhidkostnogo ohlazhdenija superkompjuterov na osnove sorbcionnogo kabel'nogo sensora [A method for monitoring the operability of liquid cooling systems of supercomputers based on a sorption cable sensor]. Pribory. No. 4 (262). P. 32-37. ISSN 2071-7865.
9. Belov, A. V. (2007). Sozdajom ustrojstva na mikrokontrollerah [Creating devices on microcontrollers]. St. Petersburg. Nauka i tehnika. 304 p. ISBN 978-5-94387-364-3..
