Проблемы традиционного поиска утечек газа
На нефтехимических предприятиях, газораспределительных станциях, углехимических комплексах и в местах хранения опасных химических веществ к утечкам относятся с особым вниманием. Главная сложность при поиске утечек в том, что многие критически важные точки находятся высоко над землей: на трубопроводных эстакадах или вершинах колонн.
Раньше небольшие утечки на высоте искали так:
- устанавливались строительные леса или подъёмную платформу, на подъёмы и спуски уходило несколько часов;
- персонал перемещался по эстакадам с мыльным раствором или переносными приборами в руках;
- зимой руки коченели от холода, летом одежда промокала от пота, и даже после полного обхода оставался тревожный вопрос: «Так много клапанов и фланцев, не пропустили ли мы что-нибудь?»
Можно выделить несколько типичных проблем традиционного поиска утечек:
- Большая высота: трубопроводные эстакады на высоте 20 метров и верхние части установок труднодоступны. Средства доступа требуют дополнительных ресурсов и связаны с повышенным риском.
- Очень слабые утечки: ультразвуковые сигналы от небольших утечек теряются на фоне шума насосов и вентиляторов и практически не различимы на слух.
- Невидимые утечки: на ранней стадии, когда расход минимален, мыльный раствор не образует пузырей, а запах едва заметен. К тому моменту, когда появляются пятна или ощущается запах газа, утечка, как правило, уже успела распространиться.
- Низкая эффективность: в одной технологической установке насчитываются тысячи точек контроля. Ручные проверки с постоянными подъёмами и спусками носят выборочный характер, и добиться действительно непрерывного полного охвата крайне сложно.
Традиционные электрохимические, инфракрасные и лазерные методы обнаружения по своей сути относятся к точечному или линейному контролю:
- измеряют концентрацию в фиксированной точке;
- регистрируют газ вдоль пересекающей его оптической линии.
Операторам важно не только обнаруживать утечку, но и видеть полную картину происходящего. Именно эту задачу призвана решить система ультразвуковой акустической визуализации утечек.
Система акустической визуализации: превращение неслышимой утечки в цветную акустическую карту на экране
Базовый принцип работы системы: утечка газа под давлением → ультразвуковой сигнал → цветная акустическая карта, совмещенная с видеоизображением.
Когда газ под давлением выходит через зазоры клапанов, микротрещины фланцев или дефекты сварных швов, он взаимодействует с окружающим воздухом и создает интенсивную турбулентность, генерируя ультразвуковой сигнал с характерными признаками:
- чем выше расход утечки, тем интенсивнее сигнал;
- с ростом перепада давления акустические характеристики сигнала становятся более выраженными;
- ультразвуковые сигналы существенно отличаются от низкочастотного механического шума электродвигателей и насосов и отчетливо выделяются на фоне помех.
Как система акустической визуализации превращает неслышимый ультразвуковой сигнал в визуальное изображение:
- Многоканальная микрофонная решётка одновременно регистрирует ультразвуковые сигналы с разных направлений;
- Усиление, фильтрация и подавление шумов максимально снижают влияние электромагнитных помех и низкочастотного фонового шума.
- Фазовые и амплитудные различия между каналами анализируются, чтобы определить пространственное распределение акустической энергии и направление источника утечки.
- Распределение акустической энергии преобразуется в двумерную «тепловую карту» и совмещается с видеозаписью объекта в реальном времени.
В результате зона с наиболее интенсивным сигналом утечки отображается на экране в виде красно-жёлто-зелёного «облака». Такая визуализация интуитивно понятна: где появляется облако, там находится потенциально проблемное место.
Параметры обнаружения: на каком расстоянии и какие утечки фиксирует система
По результатам анализа нескольких действующих проектов получены типовые параметры применения системы акустической визуализиции:
Рекомендуемая дистанция обнаружения
0,5 – 50 м, наилучшее отношение сигнал/шум и наиболее качественная визуализация небольших утечек достигаются в диапазоне примерно 1 – 30 м.
Рабочий диапазон частот
Акустическая визуализация работает в ультразвуковом диапазоне (выше 20 кГц). Полосовой фильтр выделяет частоты утечек (20–40 кГц) и подавляет слышимый диапазон вместе с низкочастотным механическим шумом.
Минимальный обнаруживаемый расход и размер отверстия в стандартных условиях
Система на ранней стадии визуализирует утечки из отверстий размером примерно 0,1 мм в зазорах клапанов и микротрещинах фланцев при перепаде давления около 0,6 МПа. Фактическая чувствительность системы зависит от типа газа, давления, уровня фонового шума и размещения датчиков.
Точность локализации
Система обнаруживает утечки с сантиметровой точностью в пределах рекомендуемой дистанции обнаружения. В сочетании с видеозаписью система локализует утечку на конкретном элементе оборудования или зоне фланцевого соединения.
Приведенные значения не обязательные, а рекомендуемые на основе данных ряда реальных проектов.
Степень защиты
Система соответствует требованиям взрывозащиты Ex ib IIC T4 Gb и имеет степень защиты IP66, что делает её пригодной для длительной эксплуатации во взрывоопасных зонах.
Архитектура: не одиночный датчик, а полноценная система онлайн-мониторинга
Система мониторинга утечек условно делится на три уровня.
Внешний уровень датчиков
На объекте устанавливаются стационарные ультразвуковые детекторы утечек с поворотно-наклонным механизмом. Они «слушают» утечки, записывают видео и формируют цветное акустическое изображение. Поворотно-наклонный блок контролирует обширную зону.
Промежуточный уровень хранения
Сетевые видеорегистраторы (NVR) и оборудование для хранения данных получают информацию от внешних устройств и сохраняют видеопоток, акустические изображения и сигналы тревоги для последующего анализа.
Серверный уровень управления
Системы управления видеонаблюдением (VMS) и другие программные платформы подключаются к внешним устройствам для централизованного управления оборудованием, контроля утечек, сигнализации и формирования отчётов. Все данные выводятся на диспетчерский монитор.
Говоря вкратце:
- внешний уровень «видит» утечку;
- промежуточный уровень «запоминает» процесс;
- серверный уровень управляет всей системой с одного экрана.
Поиск утечек на типовом объекте: от подъёмов на эстакады к наблюдению цветных облаков
В качестве примера возьмем углехимический комплекс в Нинся, Китай. На этом объекте установлено 11 акустических камер, которые охватывают газификаторы, нагреватели, резервуарные парки и трубопроводные эстакады. Посмотрим, как изменилась повседневная работа после внедрения этой системы.
До установки системы акустической визуализации: шесть человек, полдня подъёмов, сомнения в результате
В зоне газификаторов сосредоточено большое количество трубопроводов, клапанов и фланцев, работающих при высокой температуре и давлении. Многие ключевые точки расположены на высоте около 20 метров. Трубы заполнены горючими или токсичными газами, поэтому любая утечка не только приводит к потерям сырья, но и создаёт риски для персонала и стабильной работы.
Раньше инспекция проводилась примерно так:
- назначались несколько инспекторов и техников, устанавливались строительные леса или подмостки, после чего персонал поднимался на эстакаду;
- инспекторы обходили эстакады и платформы с мыльным раствором и переносными детекторами, проверяя каждый фланец и клапан по очереди;
- один обход мог занимать полдня, а при полной проверке работу приходилось повторять несколько дней подряд.
Персонал описывал такой режим в трёх словах: «утомительно, медленно, тревожно».
- Утомительно: постоянные подъёмы на высоту и работа в неудобных позах, чтобы добраться до оборудования;
- Медленно: проверка десятков или сотен точек подряд занимает много времени;
- Тревожно: при высоком фоновом шуме и большом числе точек всегда возникает ощущение, что глаза и уши могли пропустить небольшие утечки
Установка системы акустической визуализации: поворотно-наклонные акустические камеры непрерывно сканируют объект
После оценки рисков утечек и объёма инспекционной работы несколько поворотно-наклонных ультразвуковых детекторов утечек были установлены на разных высотах и подключены к системе .
- Высоко расположенные детекторы охватывают ключевые зоны: верхние части газификаторов и линии подачи пылеугольного топлива.
- Детекторы на среднем уровне контролируют шлюзовые бункеры, трассы подогрева, а также плотные скопления фланцев и клапанов.
- Низко расположенные детекторы отвечают за резервуары и трубопроводы на уровне земли.
Настройка маршрутов инспекции
Для каждого поворотно-наклонного устройства задаются несколько предустановленных положений, например, вдоль конкретной трубопроводной эстакады, группы фланцев или отдельной зоны платформы. Циклы перемещения настраиваются с учётом уровня риска на разных участках: зоны с повышенным риском сканируются чаще.
Подключение к центральной системе управления
Все акустические изображения и сигналы тревоги от детекторов поступают в центр управления. На диспетчерском мониторе операторы одновременно видят панораму объекта, цветные «облака» и список предупреждений об утечках.
С этого момента устройства следуют заданным маршрутам и круглосуточно автоматически обследуют назначенные области:
- каждое поворотно-наклонное устройство вращается и наклоняется по предустановленной программе, последовательно сканируя ключевые зоны на своём уровне;
- при появлении характерных ультразвуковых признаков утечки на экране формируется цветное облако в соответствующем месте;
- увидев аномальное облако, оператор в диспетчерской уведомляет техническую службу, которая направляется непосредственно к нужному клапану или фланцу для проверки и устранения проблемы.
После установки системы акустической визуализации: от «мы ищем дефекты» к «дефекты сами сообщают о себе»
После начала эксплуатации обратная связь с объекта в основном затрагивала три аспекта:
Меньше работы на высоте.
Раньше требовалось 2–3 высотных обхода в месяц, теперь их сократили до сезонных осмотров и проверок при появлении аномальных облаков. Работа на высоте теперь сосредоточена на конкретных дефектах, а общая частота обходов заметно снизилась.
Проблемы выявляются раньше и в меньшем масштабе.
Раньше многие мелкие утечки замечали только по запаху или видимым признакам. Теперь, как только утечка достигает порога обнаружения, она отображается в виде облака, и проблему можно устранить на более ранней стадии.
Обслуживание стало эффективнее.
Раньше, когда кто-то сообщал: «Здесь пахнет газом», команде обслуживания приходилось проверять десятки фланцев и клапанов один за другим. Сейчас система отмечает на экране оборудование с сильной акустической аномалией, и специалисты направляются прямо к месту дефекта.
Как выразились инспекторы,
«раньше мы обходили объект в поисках утечек, а теперь утечки сами появляются на экране».
В этом и заключается переход от подъёмов по эстакадам к наблюдению цветных «облаков».
Что может и чего не может система акустической визуализации утечек
С точки зрения безопасности и инженерной практики важно понимать границы возможностей системы и подходить к её использованию ответственно.
Cильные стороны системы
Онлайн-мониторинг больших областей на высоте и в зонах повышенного риска
Благодаря комбинации поворотно-наклонных устройств и ультразвуковых датчиков система сканирует широкое пространство на расстоянии примерно 0,5 – 50 м. Это особенно удобно для высоких трубопроводных эстакад, вершин колонн и других мест, где частый ручной доступ затруднён.
Визуальная локализация
Система не просто сигнализирует о наличии утечки, она показывает её точное местоположение в виде облака непосредственно на изображении объекта. Сантиметровая точность локализации сокращает область поиска до конкретного элемента оборудования.
Круглосуточный контроль
Система работает онлайн 24/7, снижая зависимость от того, окажется ли кто-то рядом с проблемной точкой в нужное время.
В отличие от методов, основанных на измерении концентрации газа, акустическая система меньше зависит от ветра, поскольку фиксирует ультразвуковой сигнал утечки, а не её концентрацию.
Сокращение работы на высоте и повторных обходов
Переход от частых обходов к режиму «подъём только при появлении аномального облака» снижает нагрузку при работе на высоте и одновременно повышает общую эффективность контроля.
Чего не может система акустической визуализации утечек: ограничения, которые важно признать
Не видит скрытые утечки
Ультразвуковой сигнал утечки эффективно фиксируется и визуализируется только если он достигает детекторов. Когда источник утечки полностью перекрыт конструктивными элементами или толстой оболочкой, сигнал ослабляется или не доходит вовсе. В таких случаях необходимо правильно размещать детекторы, сканировать под разными углами или использовать дополнительные методы обнаружения.
Сильные источники ультразвуковых помех требуют специального подхода
Точки сброса давления, открытые паровые клапаны и высокочастотные пневматические устройства могут генерировать ультразвуковые сигнатуры, похожие на утечки. При проектировании объектов для таких зон выполняют спектральный анализ шума и применяют зональное маскирование или логическую фильтрацию сигналов.
Система акустической визуализации утечек – не универсальная замена, а мощное дополнение к другим инструментам
В случаях, когда требуется контроль концентрации газа, например для сигнализации о токсичных газах в зонах пребывания людей, необходимы электрохимические, инфракрасные или лазерные детекторы. Система акустической визуализации скорее напоминает «радарную сеть», которая оперативно выявляет зоны повышенного риска утечек.
Если рассматривать систему мониторинга утечек как команду:
- датчики концентрации охраняют «последний рубеж» безопасности, реагируя на превышение допустимой концентрации газа;
- акустическая визуализация выступает как «разведчик», обнаруживая места возникновения подозрительных звуков и сигнализируя о необходимости более детальной проверки.
Заключение: пусть система увидит проблему
После установки системы акустической визуализации утечек сам принцип работы заметно меняется:
- система ежедневно сканирует объект по предустановленным маршрутам;
- как только на экране появляется цветное облако, персонал сразу направляется к месту дефекта;
- работы на высоте становится реже и точнее, а утечки устраняются ещё до того, как они успевают привести к заметным последствиям.
Для отраслей вроде нефтехимии, газовой и углехимической промышленности система акустической визуализации – не просто «модный гаджет», а инструмент раннего обнаружения утечек, более безопасной организации инспекций и системного управления рисками.
При этом акустическая визуализация не заменяет традиционные методы инспекции. На практике её используют совместно с датчиками концентрации, технологическими блокировками и ручными проверками, формируя многоуровневую систему контроля утечек.
Если на объекте возникают такие проблемы, как
- большое количество высоко расположенных потенциальных мест утечки и частый монтаж лесов;
- запоздалое обнаружение и медленное реагирование на мелкие утечки;
- значительный объём проверок ночью и в плохую погоду,
стоит рассмотреть внедрение системы акустической визуализации. Утечки будут вовремя отображаться на экране, а реагировать на них станет проще и безопаснее.
