Разное

Применение дронов для поиска утечек метана на газопроводах в условиях промышленной и городской застройки

16.08.2022 16:36
Просмотров: 6871

Принцип работы метан-детектора заключается в том, что мишень облучается лазерным лучом с перестраиваемой частотой, одна из которых работает на частоте поглощения метана, а вторая в «чистом» диапазоне. По разнице между уровнями отраженных сигналов вычисляется наличие метана и его концентрация. Такая особенность позволяет очень хорошо определить достаточно малые концентрации метана, образующиеся в результате утечек на газопроводах, с расстояния до 100 метров. Но в связи с тем, что определение метана происходит дистанционно, появляется еще и ряд побочных сложностей в организации работ по поиску этих утечек. О том, как при поиске утечек метана на газопроводах применяются дроны рассказал Заверткин Сергей Александрович, директор по развитию ООО «Небесная Механика» (Skymec).

Первый момент — это то, что атмосфера пребывает в спокойном состоянии очень редко. В связи с этим, облако метана начинает относиться ветром от места утечки, расширяясь при этом.

Поэтому для эффективного обнаружения метана с помощью беспилотника, приходится пролетать с одной и с другой стороны трубопровода для того, чтобы гарантированно поймать метановый след, который исходит от места утечки. 

Следующий момент — это сам метод обнаружения. Метан-детектор очень чувствителен к пространственным перемещениям мишени, которая отражает лазерный луч. Быстрые движения отражающей поверхности приводят к появлению ложных срабатываний. В случае проведения инспекции с беспилотника, двигается не мишень, а сам метан-детектор, причем на скорость передвижения сканирующего луча по поверхности влияет не только поступательное движение дрона, но и небольшие изменения ориентации сенсора, которые неизбежно возникают при работе  гиростабилизированного подвеса.  Именно изменение угла наклона метан-детектора в большей степени влияет на скорость перемещения луча по сканируемой поверхности, при этом чем больше высота, тем больше будет эта скорость. В связи с этим, появляется необходимость проводить инспекцию на максимально малой высоте, насколько позволяют условия безопасности полета, для того, чтобы уменьшить количество ложных срабатываний. 

Если говорить про программно-аппаратный комплекс для поиска утечек метана, то он состоит из летающей платформы DJI Matrice 300 RTK - промышленного дрона с приемниками GNSS геодезического класса, позволяющими позиционировать его с сантиметровой точностью. На платформу DJI Matrice 300 RTK можно устанавливать различные полезные нагрузки - камеры для аэрофотосъемки, тепловизор, лазерный сканер и упоминавшийся выше метан-детектор.

Рисунок 1. План построения маршрута

Еще одна составляющая этой системы — это приложение для планирования маршрута и проведения инспекций. Обследование объектов, конечно же, можно делать и в ручном режиме, когда управление дроном производится оператором, но гораздо эффективнее, а особенно справедливо это для периодических инспекций, проводить их в автоматическом режиме по заранее запрограммированному маршруту.  В условиях промышленных предприятий и городской застройки автономные полеты на малых высотах (до 100 м) для обнаружения утечек метана связаны с повышенным риском столкновения с препятствиями, такими как стены цехов или жилых зданий, трубы, ЛЭП, деревья и множество других объектов. Для обеспечения безопасности маршрут автоматического облета должен максимально учитывать эти препятствия и обходить их оптимальным образом.

В этой связи интересен опыт применения технологии поиска утечек метана с беспилотника на одном из металлургических предприятий, где для безопасного планирования маршрута автоматического облета газопроводов сначала было сделано лазерное сканирование эстакад с трубопроводами и прилегающей к ним территории. Полученные данные были обработаны в программе DJI Terra (версия для детализированных инспекций объектов электроэнергетики). Далее в этой же программе результат обработки (облако точек) был использован в качестве цифрового двойника для планирования маршрутов автоматических облетов газопроводов. В облаке точек видно все потенциально опасные объекты в виде тех же ЛЭП, деревьев, цехов, а функционал программы позволяет построить траекторию будущего полета на безопасном расстоянии от этих объектов. Для компенсации воздействия ветра, уносящего облако метана в сторону от газопровода, и гарантированного обнаружения утечек, маршруты облета прокладывались с двух сторон каждой эстакады. После завершения этапа планирования задания загружались в память дрона для автоматического проведения инспекции.

Рисунок 2. 

На диаграмме концентрации метана видим  пиковое значение в 11 000 ppm, что соответствует уровню концентрации газа в 1.1%. об. д. Пороговое значение, при превышении которого будет выдаваться тревожный сигнал и записываться событие в отчет, устанавливается заранее, но может быть изменено во время полета (U10 способен определить концентрацию даже в 5 ppm или 0,0005% об. д. ).  Также мы видим, что в воздухе под сенсором в месте, где сейчас находится дрон значение концентрации метана составляет 5619.8 ppm.

В этой связи интересен опыт применения технологии поиска утечек метана с беспилотника на одном из металлургических предприятий, где для безопасного планирования маршрута автоматического облета газопроводов сначала было сделано лазерное сканирование эстакад с трубопроводами и прилегающей к ним территории. Полученные данные были обработаны в программе DJI Terra (версия для детализированных инспекций объектов электроэнергетики). Далее в этой же программе результат обработки (облако точек) был использован в качестве цифрового двойника для планирования маршрутов автоматических облетов газопроводов. В облаке точек видно все потенциально опасные объекты в виде тех же ЛЭП, деревьев, цехов, а функционал программы позволяет построить траекторию будущего полета на безопасном расстоянии от этих объектов. Для компенсации воздействия ветра, уносящего облако метана в сторону от газопровода, и гарантированного обнаружения утечек, маршруты облета прокладывались с двух сторон каждой эстакады. После завершения этапа планирования задания загружались в память дрона для автоматического проведения инспекции.

Такой метод поиска утечек и обследования газопроводов оказался гораздо эффективнее и безопаснее, чем использовавшийся до этого на заводе. Ранее по трассе трубопровода ходили обходчики с газоанализаторами, пытаясь с земли уловить наличие метана и мылом мазали вентили, чтобы найти утечки. Учитывая тот факт, что газопроводы по территории завода проходят на высоте примерно 6-10 метров, а метан легче воздуха и, оказавшись в атмосфере, устремляется вверх, вероятность обнаружения метанового следа таким образом весьма сомнительна, а залезать на эстакады долго, сложно и не всегда безопасно.

Стоимость одного программно-аппаратного комплекса для поиска утечек метана составляет  около 10 млн руб (дрон DJI Matrice 300 RTK, метан-детектор U10 + зарядная станция и набор аккумуляторов). Опыт работы Skymec показывает, что за 30 минут работы оператор этого комплекса сможет обследовать около 10 км. трубопроводов, что гораздо быстрее обычного обхода, на который ушел бы целый день, не говоря уже о безопасности процесса и эффективности обнаружения утечек метана и оперативности.

  На кону достаточно высокая стоимость беспилотника, без специального обучения велик риск аварий и потери денежных средств. Поэтому к стоимости дрона необходимо добавить и стоимость обучения, примерно 200 тыс. руб.  Навыки, полученные во время обучения, позволят значительно увеличить производительность труда и повысить качество поиска утечек метана. Покупка программно-аппаратного комплекса без обучения может привести к тому, что сотрудники не смогут использовать оборудование по назначению и либо будут "забивать микроскопом гвозди" либо это дорогостоящее оборудование будет просто пылиться на полке, вместо того чтобы поднять качество инспекций инженерных коммуникаций на новый уровень.