Лазерный детектор ДЛС-ПЕРГАМ. Испытания по детектированию минимальных утечек метана из магистрального газопровода

Мобильные дистанционные детекторы метана

АО «Пергам-Инжиниринг» разрабатывает и производит мобильные дистанционные детекторы метана «ДЛС-Пергам» (в международной классификации ALMA – Airborne Leak Methane Assessment) начиная с 2004 г. Оборудование предназначено для дистанционного обследования газопроводов с вертолетов или легких самолетов на предмет обнаружения утечек природного газа с параллельной видеозаписью места пролегания газопроводов. За прошедшие годы пользователями данного прибора обследовано более 100 тыс. км газопроводов как в России, так и во многих других странах. 

Постоянно продолжается модификация детектора в целях улучшения его метрологических параметров, удобства применения на различных летательных аппаратах и совершенствования представления данных обследования. Последняя серийная модификация ALMA G4 (Generation 4) применяется для обследования газопроводов с 2018 г. В данной модели детектора применен лазер с волоконным выходом и дополнительно – полупроводниковый одномодовый усилитель мощности излучения лазера, что позволило получить выходную мощность лазерного луча более 60 мВт.

В целях подтверждения соответствия оборудования требованиям стандартов Европейского союза для дистанционного детектирования газа было проведено натурное испытание. Главная его цель – подтверждение возможности детектирования утечки газа с потоком 2,6 · 10–2 м3/ч при помощи оборудования, установленного на воздушный носитель.

Характеристики детектора метана

Рис. 1. Вертолет Jet Ranger Bell 206 с установленным детектором метана

Основной принцип работы дистанционного детектора метана «ДЛС-Пергам» (ALMA) основан на поглощении молекулами метана света на длине волны в окрестности 1650 нм. Диодный лазер с усилителем применяется в данном приборе в качестве источника излучения на необходимой длине волны. При проведении обследования на летательном аппарате луч лазера попадает на поверхность Земли, после чего излучение лазера рассеивается. Малая часть этого рассеянного излучения попадает на параболическое зеркало прибора, и далее фокусируется на фотоприемник для последующей обработки в программе на компьютере прибора.

Лазер детектора метана ALMA постоянно излучает короткие импульсы с периодом 0,2 мс. Длина волны излучения лазера сканируется в каждом импульсе таким образом, чтобы линия поглощения метана располагалась точно в центре каждого импульса. Программа прибора вычисляет концентрацию метана в луче лазера на основе измерений поглощения в каждом импульсе сигнала фотоприемника. Результаты измерений усредняются по 200 импульсам, так что время измерения концентрации газа составляет 40 мс. Прибор постоянно измеряет расстояние в луче лазера до мишени на поверхности Земли для вычитания атмосферного метана из результата измерений. 

Чувствительность измерений и предел обнаружения метана зависит от расстояния до мишени. Наилучшая чувствительность прибора достигается на высоте полета в диапазоне 25–50 м, она равняется 5 млн^-1*м. (Для сравнения: вклад атмосферного метана в итоговую концентрацию на высоте 50 м составляет 90 млн^-1*м.) Прибор ALMA G4 способен детектировать газ до высоты 150 м, на которой чувствительность прибора составляет 100 млн^-1*м. Диаметр луча лазера на высоте 75 м составляет 1 м, на высоте 150 м – 2 м. Результаты вычислений, привязанные к географическим координатам и дополненные изображением с видеокамеры, выводятся на экран монитора компьютера и записываются на диск для последующей автоматической генерации отчета об обследовании.

Организация теста

Полевое тестирование работы детектора метана «ДЛС-Пергам» (ALMA) было организовано в Италии недалеко от г. Капри на базе аэроклуба в апреле 2024 г. Оптический блок прибора был установлен на носу вертолета Jet Ranger Bell 206 при помощи сертифицированной подвески (рис. 1). На этом изображении можно увидеть, что к оптическому блоку прикреплена механическая система сканирования. Эта система применяется для увеличения полосы обследования на поверхности Земли при полете вертолета. Поскольку цель данного теста состояла в детектировании очень узкого облака газа, система сканирования была выключена. 

Рис. 2. Организация искусственной утечки газа

Организация искусственной утечки газа показана на рис. 2. Баллон высокого давления с натуральным газом применялся в качестве источника метана. Редуктор давления уменьшает давление до 1–2 атм. Далее специальный регулятор потока газа Mass Flow Regulator модели MASS-VIEW MV-302 (Bronkhorst High-Tech BV Company) применялся для создания утечки газа. Поток газа 2.6*10^-2 м³/ч был установлен на данном регуляторе за 0,5 ч до полета вертолета над местом утечки. Газ вытекал из открытого конца пластиковой трубки диаметром 0,01 м. Поэтому сформированное облако газа было очень небольшого размера. Измерения при помощи ручного детектора газа показали, что на расстоянии 0,1 м от места выхода газа концентрация составляла 100–500 млн^-1, а на расстоянии 1 м концентрация метана была менее 2 млн^-1. Полет вертолета был организован таким образом, что луч лазера попадал на поверхность земли на расстоянии 1–5 м от места утечки с наветренной стороны (скорость ветра была 1–2 м/с). 

Основные результаты теста

Вертолет с установленным детектором «ДЛС-Пергам» (ALMA) сделал несколько пролетов над местом утечки. Утечка с потоком газа 2.6*10^-2 м³/ч была зафиксирована прибором при различных высотах полета от 24 до 52 м при скорости вертолета от 50 до 70 км/ч. Более того, результаты измерений показали, что данный прибор способен обнаруживать утечки газа с потоком 8*10^-3 м³/ч с высоты 25–40 м и 1,5*10^-2 м³/ч с высоты 50–60 м.

Таким образом, данный прибор ALMA G4 полностью удовлетворяет параметрам, предъявляемым Еврокомиссией к дистанционным детекторам метана для проведения обследования газопроводов в странах ЕС.

Читайте первую часть статьи в журнале «Газовая промышленность» №10

Полевой тест детектора метана «ДЛС-ПЕРГАМ» с вертолёта

Полевой тест дистанционного детектора метана ALMA («ДЛС-Пергам») с вертолета был организован в Италии недалеко от г. Капри на базе летного поля аэроклуба 24 апреля 2024 г. Рядом с полем была организована искусственная утечка натурального газа в объеме 2,6 · 10–2 м3/ч. Этот расход газа был сертифицирован в Европейском союзе как минимальный уровень срабатывания для дистанционных детекторов метана, применяемых при мобильных обследованиях газопроводов и других объектов.

Рис. 1. Место проведения тестового полета с детектором метана

На рис. 1 показан снимок из космоса с того района, где был проведен тестовый полет вертолета с детектором метана ALMA (источник снимка – программа Google Earth). В данной местности на расстоянии около 3 км от летного поля также оказался другой источник метана – мусорная свалка до ее подземной консервации. Оба источника газа, обозначенные на рис. 1, применялись во время полета для тестирования детектора метана.

Результаты детектирования метана в течение тестового полёта

Детектор метана ALMA был установлен на носу вертолета Jet Ranger Bell 206 при помощи сертифицированной подвески, как это было описано в № 10 (872). Вертолет с детектором метана сделал несколько пролетов над местом искусственной утечки газа и два пролета над открытой мусорной свалкой. Траектория полета вертолета показана на рис. 2 на фоне снимка из космоса.

Рис. 2. Траектория полета вертолета и детектирования метана прибором

Полная продолжительность полета вертолета составила 0,25 ч. Скорость полета вертолета находилась в диапазоне 50–100 км/ч. Высота полета вертолета над местом искусственной утечки – в диапазоне 25–60 м, в то время как высота полета вертолета над местом свалки мусора была более 100 м. На рис. 2 отмаркированы детектирования метана прибором ALMA в течение тестового полета над местом искусственной утечки газа и над свалкой мусора.

Основные параметры трех детектирований искусственной утечки газа при расходе 2,6 ∙ 10^–2 м³/ч

Программа обработки данных измерений позволяет увидеть основные результаты измерений в виде графиков и индикаторов. Измеренные временные графики концентрации метана в течение трех детектирований искусственной утечки газа показаны на рис. 3.

Рис. 3. Графики измеренной концентрации метана в течении трех детектирований искусственной утечки газа. Верхние графики – зависимость концентрации метана (млн^–1∙м) от текущего времени полета; нижние графики – зависимость измеренной концентрации метана, нормированной на текущий шум измерений (млн^–1∙м), от текущего времени полета, т. е. данные графики показывают превышение измеренной концентрации над пределом обнаружения при текущих условиях измерения. Синие точки – измерения через каждые 40 мс, красные – усредненные измерения концентрации за время 200 мс.

Из графиков видно, что продолжительность обнаруженных пиков концентрации метана составляет примерно 100 мс, что позволяет оценить размер облака газа над местом утечки при учете текущей скорости вертолета.

В таблице показаны основные параметры трех детектирований искусственной утечки газа.

Различия параметров детектирования утечки газа при данных трех пролетах объясняются как постоянным смещением облака газа из-за ветра, различиями в траекториях каждого пролета, так и разной высотой вертолета над местом утечки. Если, например, сравнить параметры детектирований № 1 и 2, то видно, что при меньшей концентрации газа в нормальных единицах на высоте 24 м прибор показывает большее значение нормализованной концентрации (превышение над шумом измерений). Это подтверждает, что чувствительность детектора метана ALMA значительно лучше на меньшей высоте полета.

Вывод

Представленные результаты измерений при тестовом полете вертолета с установленным на его борту дистанционным детектором метана ALMA (ДЛС-Пергам) показывают высокую чувствительность прибора при мобильных обследованиях. Искусственная утечка с потоком газа 2.6 ∙ 10^–2 м³/ч была уверенно зафиксирована прибором при высотах полета от 24 до 56 м при скорости вертолета от 50 до 65 км/ч. Более того, результаты измерений показали, что данный прибор способен обнаруживать и меньшие утечки газа: с потоком 8 ∙ 10^–3 м³/ч с высоты 25–40 м и 1,5 ∙ 10^–2 м³/ч с высоты 50–60 м. Таким образом, данный прибор ALMA G4 полностью удовлетворяет параметрам, предъявляемых к дистанционным детекторам метана для проведения мобильных обследований газопроводов и других источников метана в странах ЕС и в России.

Подробные результаты данного полевого теста детектора метана «ДЛС-Пергам» (ALMA) представлены в журнале ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ Спецвыпуск №4.