СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА
CONTROL METHOD OF MAIN PIPELINE STATE

Предлагаемый способ относится к дистанционному контролю состояния и защиты магистрального трубопровода от утечек перекачиваемого продукта и может быть использован при создании автоматизированных систем управления технологическими процессами трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов, газа и других продуктов.
Известны способы контроля состояния магистрального трубопровода (авт.свид. СССР №934.269, 1.283.566, 1.610.347, 1.672.105, 1.705.709, 1.777.014, 1.778.597, 1.812.386; патенты РФ №2.079.772, 2.110.011, 2.117.855, 2.119.610, 2.231.037, 2.135.887, 2.138.037, 2.174.645, 2.250.443, 2.365.812; патенты США №4.289.019, 4.570.477, 5.038.614; патент Великобритании №1.349.129; патент Франции №2.498.325; патенты Японии №50-38.573, 60-24.900, 63-22.531; Алеев P.M. и др. Воздушная тепловизионная аппаратура контроля нефтепродуктопроводов. - М.: Недра, 1995; Кармазинов Ф.В., Заренов Д.В., Дикарев В.И., Койнаш Б.В. Вода, нефть, газ и трубы в нашей жизни. СПб, 2005; 296 с.и другие).
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является "Способ контроля состояния магистрального трубопровода" (патент РФ №2.174.645, F17D 5/02, 2008), который и выбран в качестве прототипа.
Известный способ обеспечивает повышение достоверности передачи дискретной информации о тепловом состоянии магистрального трубопровода, местоположении аварийного участка и масштабах аварии путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Указанный способ позволяет с высокой достоверностью дистанционно осуществлять непрерывный контроль состояния магистрального трубопровода, оперативно обнаруживать местоположения появляющихся утечек перекачиваемого продукта, визуально оценивать масштабы аварий и быстро локализовывать аварийный участок.
Однако известный способ не полностью реализует свои потенциальные возможности, он может использоваться и для раннего обнаружения пожара, возникающего на контролируемой поверхности трассы подземного магистрального трубопровода.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа путем раннего обнаружения пожара, возникающего на контролируемой поверхности трассы подземного магистрального трубопровода.
1
2
1
c
1
2
1
2
3
c
c
3
c
3
c
3
Поставленная задача решается тем, что способ контроля состояния магистрального трубопровода, заключающийся, в соответствии с ближайшим аналогом, в визуальном осмотре поверхности его трассы с помощью стационарно установленной тепловизионной аппаратуры, включающей тепловизионные камеры и радиопередатчики, установленные на опорах воздушной линии электропередачи катодной защиты магистрального трубопровода, сооружаемой вдоль его трассы, а также радиоприемное, вычислительное, видеоконтрольное и печатающее устройства, установленные на ближайшей вверх по движению транспортируемого продукта перекачивающей станции, при этом с помощью тепловизионной аппаратуры непрерывно в автоматическом режиме осуществляют дистанционный контроль состояния теплового поля поверхности трассы магистрального трубопровода, передают полученную информацию на центральное устройство по радиоканалу в реальном масштабе времени для ее визуализации и документирования, если уровень теплового излучения на участке трассы превысит заданную установку, то тепловизионная система автоматически прерывает опрос тепловизионных камер и выдает аварийный сигнал, при этом формируют высокочастотное колебание, манипулируют его по фазе первым модулирующим кодом M(t), отражающим тепловое излучение с контролируемой поверхности трассы, или вторым модулирующим кодом M(t), отражающим местоположение аварийного участка и масштаб аварии, формируя тем самым сложный сигнал с фазовой манипуляцией, усиливают его по мощности, излучают в эфир, улавливают на ближайшей вверх по движению транспортируемого продукта перекачивающей станции, перемножают с опорным напряжением, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное первому модулирующему коду M(t), перемножают его с принимаемым сложным сигналом с фазовой манипуляцией, выделяют гармоническое колебание с частотой w, которое используют в качестве первого опорного напряжения, низкочастотное напряжение, пропорциональное первому M(t) или второму M(t) модулирующему коду, регистрируют, визуализируют и документируют, отличается от ближайшего аналога тем, что в каждой точке наблюдения производят не менее двух последовательных измерений теплового излучения, для этого тепловое излучения, соответствующее предшествующему измерению, задерживают до момента сравнения его с последующим тепловым излучением, определяют их разность, интегрируют разностный сигнал, делят разностный сигнал на проинтегрированный разностный сигнал с тремя пороговыми уровнями, при превышении первого порогового уровня формируют первый модулирующий код M(t), отражающий тепловое излучение с контролируемой поверхности трассы магистрального трубопровода, при превышении второго порогового уровня формируют второй модулирующий код M(t), отражающий местоположение аварийного участка и масштаб аварии, при превышении третьего порогового уровня формируют третий модулирующий код М(t), отражающий местоположение пожара, возникающего на контролируемой поверхности трассы магистрального трубопровода, перемножают опорное напряжение с частотой w само на себя, выделяют гармоническое колебание с частотой 2w, манипулируют его по фазе третьим модулирующим кодом М(t), формируя тем самым сложный сигнал с фазовой манипуляцией, усиливают его по мощности, излучают в эфир, улавливают на ближайшей вверх по движению транспортируемого продукта перекачивающей станции, перемножают с опорным напряжением на частоте 2w, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное третьему модулирующему коду М(t), перемножают его с принимаемым сложным сигналом с фазовой манипуляцией, выделяют гармоническое колебание с частотой 2w, которое используют в качестве второго опорного напряжения, низкочастотное напряжение, пропорциональное третьему модулирующему коду М(t), регистрируют, визуализируют и документируют.
Структурная схема тепловизионной системы, с помощью которой реализуется предлагаемый способ контроля состояния магистрального трубопровода, представлена на фиг.1. Структурная схема тепловизионной камеры 3 и радиопередатчика 4 представлена на фиг.2. Структурная схема центрального устройства 5 тепловизионной системы представлена на фиг.3.
Тепловизионная система контроля состояния магистрального трубопровода автоматически реагирует на изменения теплового поля в местах появления утечек транспортируемого продукта и раннего пожара, возникающего на контролируемой поверхности трассы подземного магистрального трубопровода.
На опорах 2 воздушной линии электропередачи катодной защиты магистрального трубопровода 1 стационарно установлены тепловизионные камеры 3, которые при нормальном режиме работы магистрального трубопровода осуществляют непрерывный (по циклической программе) осмотр поверхностей контролируемых его участков, и радиопередатчики 4. Зона контроля одной тепловизионной камеры определяется ее разрешающей способностью, углом обзора, высотой установки и расстоянием по горизонтали до оси трассы контролируемого участка магистрального трубопровода.
Каждый радиопередатчик 4 содержит последовательно включенные объектив 23 и тепловизор 24, линию 25 задержки, блок 26 вычитания, второй вход которого соединен с выходом тепловизора 24, интегратор 27, блок 28 деления, второй вход которого соединен с выходом блока 26 вычитания, первый блок 30 сравнения, второй вход которого соединен с первым выходом порогового блока 29, первый преобразователь 7 аналог-код, первый фазовый манипулятор 10, второй вход которого через переключатель 9 соединен с выходом задающего генератора 6, усилитель 12 мощности и передающую антенну 13. К выходу блока 28 деления последовательно подключены второй блок 31 сравнения, второй вход которого соединен со вторым выходом порогового блока 29, второй преобразователь 8 аналог-код и второй фазовый манипулятор 11, второй вход которого через переключатель 9 соединен с выходом задающего генератора 6, а выход подключен ко второму входу усилителя 12 мощности. К выходу блока 28 деления последовательно подключены третий блок 32 сравнения, второй вход которого соединен с третьим выходом порогового блока 29, третий преобразователь 33 аналог-код и третий фазовый манипулятор 36, выход которого соединен с третьим входом усилителя 12 мощности. Ко второму выходу II переключателя 9 последовательно подключены перемножитель 34, второй вход которого соединен со вторым выходом II переключателя 9, и узкополосный фильтр 35, выход которого соединен со вторым входом третьего фазового манипулятора 36.
Центральное устройство 5 тепловизионной системы, установленное на перекачивающей станции ПС магистрального трубопровода, содержит последовательно включенные приемную антенну 14, первый усилитель 15 высокой частоты, второй перемножитель 17, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра 19 нижних частот, первый узкополосный фильтр 18, первый перемножитель 16, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 15 высокой частоты, и первый фильтр 19 нижних частот, выход которого подключен к первым входам печатающего 20, вычислительного 21 и видеоконтрольного 22 устройств. К выходу приемной антенны 14 последовательно подключены второй усилитель 37 высокой частоты, третий перемножитель 38, второй вход которого соединен с выходом второго фильтра 41 нижних частот, второй узкополосный фильтр 40, четвертый перемножитель 39, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 37 высокой частоты, и второй фильтр 41 нижних частот, выход которого соединен со вторыми входами печатающего 20, вычислительного 21 и видеоконтрольного 22 устройств.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Тепловое излучение с контролируемой поверхности трассы подземного магистрального трубопровода попадает в объектив 23 тепловизора 24, где оно измеряется. При этом в каждой точке наблюдения производят не менее двух последовательных измерений температурного поля. Затем производится операция вычитания двух последовательных измерений температурного поля. Для этого тепловое излучение, соответствующее предшествующему измерению, задерживают линией 25 задержки до момента сравнения его с последующим тепловым излучением в блоке 26 вычитания. Операции интегрирования разностного сигнала и деления разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал осуществляют в интеграторе 27 и блоке 28 деления.
пор1
пор2
пор3
В блоках сравнения 30, 31 и 32 осуществляют сравнение нормированного сигнала с тремя пороговыми уровнями Т, Т и Т, задаваемыми пороговым блоком 29.
пop1
Первый пороговый уровень T формируется исходя из наличия естественной неоднородности температурного поля в районе залегания магистрального трубопровода. Указанная неоднородность обусловлена рядом факторов: характером покрытия и структурой почвы, временем суток, года, метеоусловиями, тепловыми помехами естественного (Солнце) и искусственного (промышленные установки) происхождения.
пор2
Второй пороговый уровень Т формируется исходя из того, что при утечке газа из загрубленного магистрального трубопровода наблюдается локальное понижение температуры (отрицательный тепловой контраст на поверхности покрытия магистрального трубопровода в районе течи) вследствие проявления дроссельного эффекта при истечении газа из трубопровода. При этом возможные поверхностные тепловые контрасты в районе течи, по имеющимся экспериментальным и расчетным данным составляют до 8-10°С, что существенно превышает пороговые характеристики контрастной чувствительности тепловизионных приборов (0,5-1,0°С) и, соответственно, может быть выявлено измерениями.
пор3
Третий пороговый уровень Т формируется исходя из того, что температура пожара любого типа имеет значительную величину.
пop1
1
При превышении первого уровня T на выходе блока 30 сравнения формируется напряжение, которое поступает на вход преобразователя 7 аналог-код, где преобразуется в модулирующий код M(t), который поступает на второй вход фазового манипулятора 10. На первый вход фазового манипулятора 10 через переключатель 9, который находится в первом I положении, подается высокочастотное колебание с выхода задающего генератора 6
c
c
c
c
c
u(t)=U·cos(wt+φ), 0≤t≤T,
c
c
c
c
где U, w, φ, Т - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания. На выходе фазового манипулятора 10 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)
1
c
c
k1
c
c
u(t)=U·cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
k1
1
k1
τэ
э
τэ
где φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ(t)=const при К<t<(К+1)τ и может изменяться скачком при t=К, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, …, N-1);
э
с
с
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т(Т=N·τ), который после усиления в усилителе 12 мощности передающей антенной 13 излучается в эфир, улавливается приемной антенной 14 центрального устройства 5 тепловизионной системы, установленной на перекачивающей станции ПС магистрального трубопровода, расположенной вверх по движению транспортируемого продукта.
1
н1
н2
Принятый ФМн-сигнал u(t) поступает на входы усилителей 15 и 37 высокой частоты, частоты настройки w и w которых выбраны следующим образом:
н1
c
н2
c
w=w; W=2w.
1
Поэтому принятый сигнал u(t) попадает в полосу пропускания только усилителя 15 высокой частоты и поступает на первые входы перемножителей 16 и 17. На второй вход перемножителя 16 подается опорное напряжение с выхода узкополосного фильтра 18
01
01
c
c
u(t)=U·cos(wt+φ).
На выходе перемножителя 16 образуется суммарное напряжение
∑1
∑1
k1
∑1
c
k1
c
u(t)=U·cosφ(t)+U·cos[2wt+φ(t)+2φ],
где ;
Фильтром 19 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение
н1
∑1
k1
u(t)=U·cosφ(t).
1
пропорциональное модулирующему коду M(t). Это напряжение подается на второй вход перемножителя 17, на выходе которого образуется гармоническое колебание
01
1
c
c
1
c
k1
c
1
c
c
01
c
c
u(t)=U·cos(wt+φ)+U·cos[wt+2φ(t)+φ]=2U·cos(wt+φ)=U·cos(wt+φ), где ;
которое используется в качестве опорного напряжения, выделяется узкополосным фильтром 18 и подается на второй вход перемножителя 16.
Следовательно, перемножители 16 и 17, узкополосный фильтр 18 и фильтр 19 нижних частот образуют демодулятор ФМн-сигналов. Причем опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования ФМн-сигналов, выделяется непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала.
Известны устройства, обеспечивающие выделение опорного напряжения непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала, например, схемы Пистолькорса А.А., Сифорова В.И., Костаса Д.Ф. и Травина Г.А. (Радиоприемные устройства. Под ред. А.Г.Зюко. - М.: Изд-во "Связь", 1975, с.354-356, рис.14.19, 14.20).
Однако этим устройствам присуще явление "обратной работы", которое резко снижает помехоустойчивость и достоверность выделения модулирующего кода из принимаемого ФМн-сигнала, т.е. синхронного детектирования ФМн-сигнала.
Предлагаемые демодуляторы ФМн-сигналов свободны от явления "обратной работы".
н1
1
Низкочастотное напряжение U(t), пропорциональное модулирующему коду M(t), фиксируется печатающим устройством 20, т.е. документируется цифровая информация о тепловом состоянии данного участка трассы магистрального трубопровода.
н1
Одновременно низкочастотное напряжение u(t) поступает в вычислительное устройство 21, где сравнивается с заданной установкой и по запросу оператора развертывается на экране видеоконтрольного устройства 22 в виде изображения теплового поля.
пор2
Если уровень теплового излучения на каком-нибудь участке трассы магистрального трубопровода превысит второй пороговый уровень Т, то тепловизионная система автоматически прерывает циклический опрос тепловизионных камер 3, переводит переключатель 9 во второе положение II и выдает аварийный сигнал.
2
c
С этой целью информация о местоположении аварийного участка и масштабах аварии поступает на вход второго преобразователя 8 аналог-код, где преобразуется в модулирующий код М(t), который поступает на второй вход фазового манипулятора 11. На первый вход фазового манипулятора 11 через переключатель 9, который находится во втором II положении, подается высокочастотное колебание u(t) с выхода задающего генератора 6. На выходе фазового манипулятора 11 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)
2
c
c
k2
c
c
u(t)=U·cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
k2
2
где φ(t)={0, π} манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), который после усиления в усилителе 12 мощности передающей антенной 13 излучается в эфир, улавливается приемной антенной 14 центрального устройства 5 тепловизионной системы, установленной на перекачивающей станции ПС магистрального трубопровода.
В этом случае фильтром 19 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение
н2
∑1
k2
u(t)=U·cosφ(t),
2
пропорциональное модулирующему коду M(t). Это напряжение регистрируется печатающим устройством 20, которое документирует цифровую информацию по аварийному участку. Одновременно на экране видеоконтрольного устройства 22 развертывается изображение аномального теплового поля.
После дешифровки поступившей информации о местоположении и масштабах аварии оперативный персонал перекачивающей станции ПС принимает штатные технологические меры, направленные на локализацию аварийного участка магистрального трубопровода.
2
3
c
Если на контролируемой поверхности трассы магистрального трубопровода возникает пожар, то срабатывают блоки 31 и 32 сравнения, и преобразователями 8 и 33 аналог-код формируются модулирующие коды M(t) и М(t), которые поступают на вторые входы фазовых манипуляторов 11 и 36. На первый вход фазового манипулятора 11 через переключатель 9, который находится во втором II положении, подается высокочастотное колебание u(t) с выхода задающего генератора 6. На выходе фазового манипулятора 11 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)
2
c
c
k2
c
c
u(t)=U·cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
c
Высокочастотное колебание u(t) с выхода задающего генератора 6 через переключатель 9 одновременно подается на два входа перемножителя 34, на выходе которого образуется гармоническое колебание
3
3
3
3
c
u(t)=U·cos(wt+φ), 0≤t≤T,
где ;
3
c
3
c
w=2w, φ=2φ
н
c
н
c
которое выделяется узкополосным фильтром 35, частота настройки w которого выбирается равной 2w (w=2w), и поступает на первый вход фазового манипулятора 36. На выходе фазового манипулятора 36 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)
4
3
3
k3
3
c
u(t)=U·cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
k3
3
где φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом М(t).
2
4
н1
н2
н1
c
н2
c
3
Сложные ФМн-сигналы u(t) и u(t) после усиления в усилителе 12 мощности передающей антенной 13 излучаются в эфир, улавливаются приемной антенной 14 центрального устройства 5 тепловизионной системы, выделяются усилителями 15 и 37 высокой частоты, частоты настройки w и w которых выбираются равными w=w; w=2w=w соответственно.
4
Принятый ФМн-сигнал u(t) поступает на первые входы перемножителей 38 и 39. На второй вход перемножителя 39 подается опорное напряжение с выхода узкополосного фильтра 40
02
02
3
3
u(t)=U·cos(wt+φ).
На выходе перемножителя 39 образуется суммарное напряжение
∑2
∑2
k3
∑2
3
k3
3
u(t)=U·cosφ(t)+U·cos[2wt+φ(t)+2φ],
где ;
Фильтром 41 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение
н3
∑2
k3
u(t)=U·cosφ(t).
3
пропорциональное модулирующему коду М(t). Это напряжение подается на второй вход перемножителя 38, на выходе которого образуется гармоническое колебание
02
2
3
3
2
3
k3
3
2
3
3
02
3
3
u(t)=U·cos(wt+φ)+U·cos[wt+2φ(t)+φ]=2U·cos(wt+φ)=U·cos(wt+φ), где ; ,
которое используется в качестве опорного напряжения, выделяется узкополосным фильтром 40 и подается на второй вход перемножителя 39.
н2
н3
Низкочастотные напряжения u(t) и u(t) регистрируются печатающим устройством 20, которое документирует цифровую информацию по контролируемой поверхности аварийного участка. Одновременно на экране видеоконтрольного устройства 22 развертывается изображение аномального теплового поля.
После дешифровки поступившей информации о местоположении и масштабах пожара, о чем свидетельствуют появление низкочастотных напряжений на двух входах печатающего 20, вычислительного 21 и видеоконтрольного 22 устройств, оперативный персонал перекачивающей станции ПС принимает штатные технологические меры, направленные на ликвидирование пожара, и одновременно информирует ближайшую пожарную службу.
Используемые сложные сигналы с фазовой манипуляцией обладают высокой энергетической и структурной скрытностью, позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию.
Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет не только с высокой достоверностью дистанционно осуществлять непрерывный контроль состояния магистрального трубопровода, оперативно обнаруживать местоположения появляющихся утечек перекачиваемого продукта, визуально оценивать масштабы аварий и быстро локализовывать аварийный участок, но и оперативно обнаруживать ранние пожары, возникающие на контролируемой поверхности трассы подземного магистрального трубопровода.
Кроме того, предлагаемый способ регистрирует не абсолютную температуру контролируемой поверхности трассы магистрального трубопровода, а ее прирост, отсекая постоянный неинформативный для поставленной задачи тепловой фон. Для исключения неинформативного теплового фона осуществляют периодическое измерение теплового поля контролируемой поверхности трассы магистрального трубопровода и операцию формирования разности температур двух последовательных измерений, т.е. интегрируют разность температур и делят разность температур на проинтегрированную разность температур. Операция сравнения нормированной разности температур с заданными пороговыми значениями позволяет повысить достоверность принятия решения о возникновении утечек перекачиваемого продукта и раннего пожара на контролируемой поверхности трассы магистрального трубопровода. Тем самым функциональные возможности способа расширены.