Повышение эффективности обнаружения протечек с помощью сорбционных кабельных сенсоров

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРОТЕЧЕК С ПОМОЩЬЮ СОРБЦИОННЫХ КАБЕЛЬНЫХ СЕНСОРОВ

Рогов Александр Юрьевич

заместитель директора Физико-технологического института,

Российский технологический университет (г. Москва).

Аннотация. В работе представлен обзор подходов и технических решений по повышению эффективности обнаружения критических ситуаций, связанных с утечками воды и углеводородов с целью принятия своевременных мер по предотвращению развития ущерба. Рассматриваются разработанные в России высокочувствительные 3D сорбционные кабельные сенсоры протечек воды, углеводородов, прорывов пара, превосходящие зарубежные аналоги по скорости срабатывания и обеспечивающие раннее обнаружение аварийных ситуаций, связанных с протечками жидкостей и прорывами пара в условиях локальных и протяжённых объектов контроля.

Ключевые слова: кабельный сенсор, протечка, вода, пар, углеводороды, рефлектограмма, автоматизированная система контроля.

Abstract. The paper presents an overview of approaches and technical solutions to improve the detection of critical situations associated with water and hydrocarbon leaks in order to take timely measures to prevent the development of damage. Highly sensitive 3D sorption cable sensors for water, hydrocarbon and steam leaks developed in Russia are considered, they are superior to foreign analogues in response speed and provide early detection of emergency situations associated with liquid leaks and steam breakouts in conditions of local and extended control objects.

Key words: cable sensor, leakage, water, steam, hydrocarbons, reflectogram, automated control system.

сорбционный кабельный сенсор протечка вода углеводород аварийный

Сенсоры играют значительную роль во всех областях человеческой деятельности. В зависимости от назначения они могут использоваться как в промышленности, так и в быту. Одной из важнейших задач контроля состояния сложно-технических объектов является своевременное обнаружение утечек жидкостей и газообразных сред, с целью предотвращения развития ущерба. Примерами критических ситуаций могут быть: протечки и прорывы транспортных трубопроводов, в том числе нефте-газопроводов, продуктопроводов, паропроводов, протечки и утечки в элементах инфраструктуры хранения и переработки углеводородов, протечки систем водоснабжения и отопления промышленных объектов и объектов ЖКХ, включая жилой фонд. При этом, особую актуальность, в условиях возрастания стоимости основных средств и экологических требований по защите окружающей среды, приобретает такой фактор, как время обнаружения факта и местоположения утечки и, как следствие, общее время на локализацию аварии и устранение её последствий.

Современные подходы по определению местоположения утечек

Традиционные сенсоры и системы прямого детектирования утечек на протяжённых и локальных объектах

В последние годы широкое распространения стали получать сенсоры, непосредственно детектирующие контролируемую среду, например, углеводороды, воду, другие вещества, при этом обеспечивается однозначное определение факта и местоположение воздействия при срабатывании сенсора.

С точки зрения конструкции, такие сенсоры могут быть кабельными и точечными. Кабельные сенсоры получили большее распространение для контроля утечек на промышленных объектах, точечные сенсоры в бытовой сфере.

На рынке промышленных систем обнаружения протечек воды, углеводородов с помощью кабельных сенсоров устойчивые позиции занимают зарубежные компании из США, Англии, Франции и др. стран. Примеры размещения кабельных сенсоров в непосредственной близости от контролируемых объектов [4] показаны на рис. 1.

Способы размещения традиционных гидросенсоров (рис. 1 а, б) обусловлены принципом их работы, а именно, для их срабатывания необходимо, чтобы участок кабеля в месте протечки оказался в луже жидкости определённого уровня (рис. 2а), в этом случае, сигнальные жилы кабеля замкнутся (рис. 2б) и по значению падения напряжения измерительной цепи определяется расстояние до места замокання кабеля - воздействия протечки [5].

Принцип срабатывания традиционного сенсорного кабеля углеводородов (рис. 1в), основан на физических изменениях внутренней структуры и электрических характеристик кабеля [6]. Далее процесс определения расстояния до места залива кабеля углеводородной жидкостью аналогичен механизму определения расстояния при заливе электропроводящей жидкостью.

Для срабатывания точечных гидросенсорных датчиков, чаще используемых для контроля протечек в домохозяйствах (рис. 3а) или отдельно расположенного промышленного оборудования, например, системы отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC), под которой в специальном лотке для сбора жидкости устанавливается один гидросенсор (рис. 3б), также необходимо скопление жидкости определённого уровня h, чтобы замкнулись электрические контакты, приподнятые над поверхностью размещения.

Таким образом, период времени, необходимый для скопления жидкости определённого уровня h и срабатывания традиционных кабельных и точечных сенсоров, а в случае с углеводородами ещё и время, необходимое для протекания физических процессов в кабеле, объективно определяет время задержки обнаружения протечки, в течении которого ущерб продолжает развиваться.

Решение данной проблемы было найдено российскими учёными, которые разработали семейство кабельных сенсоров воды, пара, влажности и углеводородов, использующих принцип сорбции и обладающих высокой чувствительностью и быстродействием (рис. 4).

Сорбционные кабельные сенсоры - новые возможности в гидросенсорике, контроле протечек углеводородов и влажности среды

Появление полимерных композитов с заданными электрическими и теплофизическими свойствами [7, 8] позволило создать специальный кабель с электропроводящим полимерным покрытием, который применили в качестве кабельного сенсора.

Базовая конструкция сорбционного кабельного сенсора (СКС) электропроводящих жидкостей показана на рис. 5 и состоит из жил А и В, покрытых оболочкой из электропроводящего полимерного композита 1 и изолированных друг от друга сорбционной оболочкой 3 [9].

Такая конструкция СКС позволяет детектировать не только минимальное количество воды 4 при соприкосновении с сорбционной оболочкой, например, капли воды из пипетки, но и реагировать на воздушно-капельную смесь из пульверизатора, струю водяного пара или колебания влажности окружающей среды, которые образуют между жилами А и В зону частичной проводимости 5 и изменяют электрические характеристики кабеля в этой зоне [10].

Рис. 5. Сорбционный кабельный сенсор электропроводящих жидкостей и принцип его работы:

1 - композитная электропроводящая оболочка;

2 - металлический проводник;

3 - сорбционная оболочка;

4 - капля воды;

5 - зона частичной проводимости

Разработанный и запатентованный отечественный датчик углеводородных жидкостей также имеет сорбционную оболочку (рис. 6), которая обеспечивает впитывание требуемого для срабатывания сорбционного кабельного сенсора углеводородов (СКСУ) количества углеводородной жидкости [11].

Принцип работы СКСУ аналогичен принципу работы СКС и основан на изменении электрических параметров кабеля на участке воздействия детектируемой среды. В частности, при соприкосновении сорбционной оболочки 1 с углеводородной жидкостью за счёт сорбционного механизма впитывания, жидкость попадает на электропроводящую оболочку 2, электрические параметры которой изменяются в месте контакта 3. Измерительный блок 4, подключённый к сигнальным проводам 5, регистрирует эти изменения и после их обработки выдаёт сигнал о срабатывании СКСУ.

Таким образом, сорбционным кабельным сенсорам для детектирования электропроводящих жидкостей, воздушно-капельных сред, пара, углеводородных жидкостей, за счёт наличия сорбционной оболочки и механизма впитывания детектируемой среды не нужно скопление жидкости в виде лужи, их возможно размещать в любых точках 3D пространства, где вероятность соприкосновения поверхности кабеля с детектируемой средой - максимальна.

Возможность контроля уровня влажности окружающей среды с помощью СКС открывает перспективы решения таких задач, как: контроль прорывов горячего пара из паропровода по изменению уровня относительной влажности воздуха в зоне прорыва; контроль созревания бетона и целостности бетонных конструкций на протяжении всего жизненного цикла сооружения; контроль уровня влажности почвы в системах интеллектуального полива в засушливых регионах; контроль влажности транспортируемого природного газа; контроль интегрального уровня влажности в ответственных системах с жидкостным охлаждением и др. [12].

Рис. 6. Отечественный сорбционный кабельный сенсор углеводородов:

1 - сорбционная оболочка;

2 - электропроводящая оболочка;

3 - участок контакта электропроводящей оболочки и углеводородной жидкости;

4 - измерительный блок;

5 - металлические провода

Высокая чувствительность и возможность размещения СКС и СКСУ в любой точке 3D пространства позволила впервые подойти к решению задач: по созданию потолочных контуров контроля протечек в домохозяйствах; контролю протечек крыш; размещению СКС, как универсальных датчиков протечек и контроля влажности среды внутри корпусов вычислительных узлов с жидкостной системой охлаждения [13].

На рис. 7 показаны возможные места размещения СКС, недоступные традиционным кабельным и точечным сенсорам.

На основе СКСУ возможно построение гравитационно-независимых систем контроля протечек авиационного топлива и гидравлических жидкостей на борту летательных аппаратов. При этом, размещение сорбционного кабельного сенсора углеводородов во внутреннем пространстве летательного аппарата (ЛА) возможно непосредственно на элементах контролируемых систем (топливо- и маслопроводах, баках и резервуарах, насосах, элементах соединительной и запорной арматуры и др.) и в любой ориентации, обеспечивающей перекрытие возможных направлений микротечей.

Гравитационно-независимый СКСУ способен детектировать протечки авиатоплива или гидравлических масел даже в условиях активного маневрирования ЛА, что значительно расширяет модельный ряд ЛА, для которых такие системы контроля протечек углеводородных жидкостей - актуальны [14].

Эксперименты показали, что время срабатывания СКСУ на различные углеводороды несоизмеримо меньше чем у зарубежных аналогов, например, время реакции на бензин у аналога более 5 минут [15, с. 151], а у отечественного кабеля - единицы секунд.

Таким образом, применение высокочувствительных СКС и СКСУ в системах автоматизированного контроля обнаружения протечек воды, углеводородов и прорывов пара решает проблему обнаружения детектируемой среды прямым способом без задержек в местах наиболее вероятного появления её первых признаков, которыми могут быть: появление капель, микротечи, резкий скачек влажности среды, образование конденсата (последние два признака относятся к обнаружению прорыва пара).

Определение местоположения протечки с помощью СКС и СКСУ может быть построено на зонном принципе для локальных объектов с небольшой площадью контроля и методом импульсной рефлектометрии в условиях протяжённых объектов с большой площадью контроля с помощью линейного кабельного сенсора большой длины.

Зонный способ определения местоположения протечки основан на нумерации отрезков кабельных сенсоров и размещения каждого из них в собственной зоне контроля, по номеру сработавшего кабеля определяется зона, в которой произошла протечка. На протяжённых объектах с большой площадью применение зонного принципа нецелесообразно, так как ведёт к значительному усложнению и удорожанию системы. На протяжённых объектах, например, таких как трубопровод, центр обработки данных и др. прокладывается один или несколько кабелей большой длины, к каждому из которых подключается рефлектометр, по отражённой рефлектограмме оператор способен обнаружить замокший участок кабеля, соответствующий местоположению протечки.

Внедрение сорбционного кабельного сенсора протечек и влажности в систему контроля вычислительных узлов суперкомпьютера им. Н.Н. Говоруна

Заключение

Рассмотренные в работе критические ситуации, связанные с протечками воды, углеводородов, прорывами пара из элементов промышленной инфраструктуры и протечками воды в системе ЖКХ требуют совершенствования способов их детектирования, прежде всего с точки зрения минимизации временных затрат на обнаружение факта аварийной ситуации, определения её местонахождения с целью принятия своевременных мер по предотвращению развития ущерба.

Существует большое многообразие косвенных методов обнаружения утечек детектируемых жидкостей, для повышения эффективности этого процесса рассматриваются технологии их сочетания, однако методы прямого детектирования протечек контролируемых сред более эффективны, так как напрямую обнаруживают факт воздействия на сенсор и не требуют дополнительных контролирующих действий.

Результаты исследований, разработанных в России 3D сорбционных кабельных сенсоров протечек воды, углеводородов, контроля влажности среды демонстрируют их уникальные характеристики, превосходящие по скорости обнаружения протечек лучшие мировые аналоги, а также возможность их использования в широкой сфере применений.

Внедрение и успешная опытная эксплуатация системы контроля протечек и влажности среды в вычислительном поле суперкомпьютера им. Н. Н. Говоруна с жидкостным охлаждением свидетельствуют о перспективности созданных в России принципиально новых 3D сорбционных кабельных сенсоров и о большом будущем автоматизированных систем контроля на их основе.

Библиографический список (References)

1. Stuart Hamilton, Bambos Charalambous. Leak Detection: Technology and Implementation Leak detection // IWA Publishing Alliance. House 12. Caxton Street. London. SW1H 0QS, UK. 2013.

2. Контроль утечек на основе моделирования процесса перекачки [Электронный ресурс] // Хелпикс.Орг - Интернет помощник : сайт. - URL: https://helpiks.org/7-89507.html (дата обращения: 05.10.2019).

3. Нефтегазопроводы. Волоконно-оптические инновации [Электронный ресурс] // Волоконнооптические инновации : сайт. - URL: http:// www.volokno-optic.com/industry/oil-gas/oil-gaspipeline (дата обращения: 05.10.2019).

4. TraceTek. Application in the industrial [Электронный ресурс]. - URL: http://www. tracetek.at/en/application-in-the-industry.html (дата обращения: 05.10.2019).

5. TraceTek sensing circuit [Электронный ресурс]. - URL: https://www.yumpu.com/en/document/ read/50489863/r-tracetek-leak-detection-productselection-guide-for-water/33 (дата обращения: 05.10.2019).

6. Обнаружение утечек жидких углеводородов, масел, кислот, растворителей и непроводящих жидкостей [Электронный ресурс] // Азбука КИП : сайт. - URL: http://azbukakip.ru/publ/gotovye_ reshenija/obnaruzhenie_ utechek_zhidkikh_ uglevodorodov_masel_kislot_rastvoritelej_i_ neprovodjashhikh_zhidkostej/2-1-0-18 (дата обращения: 05.10.2019).

7. Кондратенко, В. С. Необычные пластики - новые решения / В. С. Кондратенко, Ю. И. Сакуненко // РИТМ: Ремонт. Инновации. Технологии. Модернизация. - 2014. - № 10. - С. 10.

8. Кондратенко, В. С. Трансэнергопластики и их инновационный потенциал / В. С. Кондратенко, Ю. И. Сакуненко, Д. А. Бурляй // Вестник МГТУ МИРЭА. - 2015. - № 3(8). - С. 12-21. - eISSN 2313-5026.

9. Датчик утечек электропроводящих жидкостей : пат. № 2545485 Рос. Федерация / Сакуненко Ю. И., Кондратенко В. С.; заявка № 2013155730 от 17.12.2013.

10. Кондратенко, В. С. Сорбционный гидросенсорный кабель - новые возможности [Электронный ресурс] / В. С. Кондратенко, Ю. И. Сакуненко // МИРПРОМ : сайт. - URL:

https://mirprom.ru/public/sorbcionnyygidrosensornyy-kabel-novye-vozmozhnosti.html (дата обращения: 06.10.2019).

11. Датчик утечек углеводородных жидкостей : патент № 2678920 Рос. Федерация / Кондратенко В. С., Сакуненко Ю. И.; заявка на патент № 2018111569 от 02.04.2018.

12. Кондратенко, В. С. Кабельный датчик влажности / В. С. Кондратенко, Ю. И. Сакуненко, В. Н. Тикменов // Прикладная физика. - 2018. - № 2. - С. 103-107. - ISSN 1996-0948.

13. Кондратенко, В.С. Контроль протечек и влажности с помощью сорбционного кабельного сенсора в высокопроизводительных вычислительных системах с жидкостным охлаждением / В. С. Кондратенко, А. . Рогов, Е А. Дружинин // Электронные информационные системы. - 2019. - № 1. - С. 5-18. - ISSN 2312-9719.

14. Кондратенко, В. С. Новый подход к контролю утечек углеводородных жидкостей на борту летательного аппарата [Электронный ресурс] / В. С. Кондратенко, А.Ю. Рогов, А.Н. Кобыш // Труды МАИ. - 2018. - № 102. - URL: http:// trudymai.ru/upload/iblock/1b8/Kondratenko_ Rogov_Kobysh_rus.pdf?lang=ru&issue=102 (дата обращения: 06.10.2019). - eISSN 1727-6942.

15. Кондратенко, В.С. Высокочувствительные кабельные и точечные сенсоры для ран него обнаружения утечек углеводородов / В. С. Кондратенко, Ю.И. Сакуненко // Новые технологии газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи : матер. XXIII Междунар. конгресса. - М. : Экономика, 2018. - Т. 23. - С. 149-151.

16. Кондратенко, В. С. Новые возможности автоматизированного контроля протечек и уровня влажности воздуха с помощью сорбционного кабельного сенсора / В. С. Кондратенко, А. Ю. Рогов, Е. А. Дружинин, А. В. Катенев // матер. XXI Междунар. конф. по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2019), 24-31 мая 2019 г., Алушта. - М. : Изд-во МАИ, 2019. - С. 158-160.

Размещено на http://allbest.ru