Д.т.н., профессор «БашГУ», руководитель Технопарка ГЛОНАСС-БашГУ» Сулейманов Н.Т.

Башкирский государственный университет, Россия

Способы решения задач построения волоконно-оптических систем обнаружения несанкционированных врезок в магистральные трубопроводы

Актуальность

Проблема обеспечения надежной и безопасной эксплуатации трубопроводных систем не имеет национальных границ.

Защита нефтепродуктопроводов и газопроводов от аварий и повреждений становится все более серьезной проблемой в различных регионах мира. Экологический ущерб и экономические потери от аварий, хищений, вандализма и террористических актов заставляют ставить вопрос о создании эффективных систем защиты трубопроводных магистралей.

По статистическим данным число криминальных врезок измеряется десятками в день, а убытки – миллионами долларов. При этом существующее контрольное оборудование не способно противостоять таким воздействиям и предотвратить хищения нефтепродуктов в период их транспортировки.

Применяемые в трубопроводном транспорте диагностические и охранные системы не обеспечивают возможность оперативного реагирования на врезки, фиксируя линии по происшествию времени уже свершившийся факт потери продукта. Тем самым, проблемы обнаружения несанкционированных врезок и утечек, предотвращения хищений энергоресурсов и обеспечения экологической безопасности являются актуальными при эксплуатации магистральных и промысловых нефтепроводов.

Существующие методы решений проблем несанкционированной врезки основаны на математическом моделировании и измерениях давления. Основаны на математическом моделировании и измерениях давления, расхода, плотности и температуры продукта (диагностика по волне давления, анализ профиля давления, метод массивного баланса, метод давления расхода).

Однако данный метод, несмотря на многочисленные примеры внедрения, имеет существенные недостатки:

1. В процессе эксплуатации трубопровода на стенках его откладываются продукты коррозии, происходит прилипание вязкого продукта к стенкам, т.е. происходит локальное изменение гидравлического диаметра трубопровода, что невозможно учесть ни моделированием, ни расчетами без дополнительных объемных и тщательных обследованиях внутренней поверхности трубопровода по всей его протяженности.

2. Необходимо учитывать местные сопротивления (изгибы, повороты, подъемы, переходы с одного диаметра на другой, арматуру) как слева от места течи, так и справа от нее.

Системы обнаружения несанкционированных врезок в трубопроводы, выполненных в виде «Волоконно-оптических преобразователей информации» («ВОПИ»), может осуществляться различными способами:

1. ВОСПИ с использованием элементов электронной коммутации и волоконно-оптической линии связи.

2. ВОСПИ с использованием оптико-электронных устройств коммутации и волоконно-оптической линии связи.

3. ВОСПИ с использованием устройств оптической коммутации с электрической линией связи.

1. ВОСПИ с использованием элементов электронной коммутации и волоконно-оптической линии связи

Для построения данной системы применяются традиционные элементы и блоки бесконтактной электронной коммутации. Групповой выходной сигнал передается к объектам управления в виде светового потока по линии передачи данных (Рис.1).

Система содержит электронные коммутаторы ЭК1... ЭКп, которые управляются либо с помощью механического воздействия аппарата, либо подачей на вход электрического сигнала. Выходные сигналы коммутаторов ЭК вводятся в электронный шифратор ЭШ для формирования группового сигнала. Групповой электрический сигнал ЭШ в устройстве Пр преобразуется в оптический сигнал и вводится в волоконно-оптический канал ВОК передачи данных. В качестве Пр могут быть использованы лазерные диоды.

На выходе каждого канала ВОК устанавливаются фотоприемники, выходные электрические сигналы которых подводятся к выходам электронного дешифратора ЭД, где групповой сигнал распределяется по индивидуальным каналам каждого объекта управления. Выходной сигнал усилителей У1, У2, ..., Уп индивидуальных каналов используется для воздействия на контролируемый объект.

К недостаткам этой системы можно отнести наличие множества электронных коммутаторов, имеющих низкую помехозащищенность и надежность.

2. ВОСПИ с использованием оптико-электронных устройств коммутации и волоконно-оптической линии связи

Совершенствование электронных систем передачи данных связано с увеличением их быстродействия, повышением надежности и уменьшением габаритов, расширением функциональных возможностей за счет улучшения параметров элементов и блоков бесконтактной коммутации.

Особый интерес представляет создание полностью оптических информационных систем передачи данных, в которых сигналы оптического канала будут не только являться носителем информации, но и выполнять функции управляющих.

Рис.1. Электронно-оптическая система передачи данных с использованием элементов электронной коммутации и волоконно-оптической линии связи

Также перспективно в настоящее время сочетание методов и элементов традиционной электроники с различными оптическими явлениями, причем в этих системах оптические явления играют доминирующую роль. В качестве такого примера рассмотрим вариант построения системы с широким применением оптических методов и элементов бесконтактной коммутации.

Представленная схема (Рис.2) волоконно-оптической системы передачи данных содержит: единый источник излучения (основной - ИО и резервной - ИР источники), размножитель Р, блок бесконтакной оптической коммутации I (блок управления), оптический шифратор ОШ, волоконно-оптический канал связи ВОК, оптический дешифратор ОД, блок фотоприемников ФП1, ... ФПп, блок усиления, вырабатывающий на выходе электрический сигнал.

В предложенном варианте используется общий источник излучения для всех оптических каналов; в блоке защиты предусмотрено, что при выходе основного источника автоматически включается резервный. Излучения ИО или ИР в размножителе перераспределяются по управляемым каналам оптической коммутации с помощью волоконно-оптических трансформаторов.

Коммутация может быть произведена различными способами: непосредственным механическим воздействием (нажатием на кнопку) или переносом оптической мощности из одного волокна в другой за счет управления (изменения) коэффициентом преломления материала волокна или среды, окружающей волокно.

Оптические шифратор и дешифратор могут быть построены на основе элементов волоконной оптики или зеркально-линзовых систем. Принцип действия предлагаемого варианта волоконно-оптической системы передачи данных заключается в следующем. Мощность оптического излучения источника ИО (ИР) по световодам I подводится к размножителям Р. где перераспределяется по оптическим коммутаторам OK1, ОК2, ... ОКп. В результате на входе каждого ОК постоянно имеется коммутируемый оптический сигнал, действующий на выходах световодов 2.

II

I

Рис.2. Система передачи данных с использованием оптоэлектронных устройств коммутации и волоконной оптической линии связи

На выходах OK1, OK2, …, ОКп оптический сигнал будет присутствовать в зависимости от наличия управляющего сигнала на клеммах Bx1, Bx2, …, Вхп или от положения ОК при управлении оптическим воздействием на него. Состояние контролируется и передается по ВОК к объектам управления за счет синхронной работы шифратора и дешифратора. Между блоком оптической коммутации I и шифратором оптическая связь осуществляется с помощью световодов 3.

Индивидуальный сигнал управления объектами с выхода дешифратора по световодным линиям 4 перераспределяется по входам соответствующих фотоприемников ФП. преобразующих оптический сигнал в электрический. Усилителями У1, У2, ..., Уn формируются выходные электрические сигналы.

3. ВОСПИ с использованием устройств оптической коммутации с электрической линией связи

В информационных системах успешно работают устройства, в которых коммутация сигналов производится в оптическом канале, а передача данных – в виде электрического сигнала по традиционным электрическим кабелям (Рис.3).

Такая система может быть использована в тех случаях, когда на блоки и датчики действуют сильные электромагнитные помехи и когда на линии передачи группового сигнала предполагается применение множества разъемных соединений или разветвлений.

Данная система содержит те же источники излучения и оптические коммутаторы, что и предыдущая система (см. Рис. 2). Отличие заключается в том, что в каждом индивидуальном оптическом канале устанавливаются фотоприемники ФП и усилители У, которые формируют на выходе электронного шифратора ЭШ сигнал заданного значения и формы. Передача данных осуществляется по электрическим кабелям благодаря синхронной работе электронных шифратора и дешифратора. На выходах усилителей У1, У2, УЗ, ..., Уп формируются заданные сигналы, которые управляют контролируемыми объектами.

Рис.3. Система передачи данных с использованием блоков оптической коммутации и электрической

кабельной линии связи

Выводы: Из рассмотренных систем передачи данных наиболее перспективной является система с использованием оптических устройств коммутации и волоконно-оптической линии связи (см. Рис.2), в которой электромагнитные колебания оптического диапазона будут не только являться носителями информации, но и выполнять функции управляющих сигналов. При этом ставится задача широкого использования волоконно-оптических методов и устройств для создания элементов бесконтактной коммутации.

В описанных системах передачи данных носителем информации является световой поток. Из теории распространения электромагнитных колебаний известно, что можно управлять параметрами светового потока, проходящего через какую-либо среду путем изменения ее оптических показателей, что позволяет управлять амплитудой, фазой и частотой светового колебания, используемого для управления контролируемыми объектами.

Литература:

1. Сулейманов Н.Т., Зарипов М.Ф., Петрова И.Ю. Надежность элементов и средств управления с распределенными параметрами (монография). – М: Наука, 1980.

2. Сулейманов Н.Т. Лазерная волоконно-оптическая система для определения пространственного попожения магистральных трубопроводов. Материалы VII Конгресса нефтегазопромышленников России. Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. – Уфа, 2007. – с.278-287.

3. Сулейманов Н.Т. Автоматизированный мониторинг и управление задвижками трубопроводов в режимах ГЛОНАСС/GPS. Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. – Уфа, 2010. – с.151-155.

4. Гарифуллин Н.М., Сулейманов Н.Т. Интеллектуальная система дистанционного контроля НДС трубопровода на основе эффекта Баркгаузена с использованием навигационной системы ГЛОНАСС/GPS. Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. – Уфа, 2011. – с.395-403.

5. Гиниатуллин Н.И. Волоконно-оптические преобразователи информации. – М.: Машиностроение, 2008. – 455с.

6. Бадеева Е.А., Гориш А.В. и др. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом. – М.: Изд-во РКС МГУЛ, 2004. – с.245.

7. Сулейманов Н.Т., Клементьев А.Ф. Метод синтеза волоконно-оптических приборов//В кн.: Международная научно-техническая конференция «Волоконно-оптическая линии связи и системы передачи информации». г. Запорожье, 1993. – с.15-18.