Способ обнаружения утечек природного газа из трубопровода

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК ПРИРОДНОГО ГАЗА ИЗ ТРУБОПРОВОДА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Петухов Владимир Олегович Горобец Вадим Анатольевич Пучковский Илья Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ обнаружения утечек природного газа из трубопровода, заключающийся в том,что облучают контролируемый участок земной поверхности вблизи трубопровода лазерным излучением на длинах волн 1 и 2, одна из которых 1 соответствует длине волны поглощения излучения регистрируемым компонентом природного газа, а другая 2 является опорной и расположена в зоне, свободной от поглощения излучения регистрируемым компонентом, регистрируют отраженное от земной поверхности излучение, определяют концентрацию регистрируемого компонента природного газа по отношению интенсивностей отраженного излучения на длинах волн 1 и 2, отличающийся тем, что контролируемый участок земной поверхности облучают излучением молекулярного газового лазера мощностью порядка 1 МВт в спектральном диапазоне от 11 мкм до 12 мкм, в качестве регистрируемого компонента природного газа выбирают этан, за место утечки газа из трубопровода принимают участок местности, над которым концентрация этана выше его природного фонового содержания. 11146 1 2008.10.30 Изобретение относится к области газоанализа, а именно к области определения мест и интенсивности утечек природного газа из магистральных трубопроводов, и может быть использовано для осуществления контроля за состоянием трубопроводов. В настоящее время, по данным некоторых источников, только в России до 50 млрд. куб. м газа (примерно 10 от общего объема добычи) теряется ежегодно из-за утечек. Помимо колоссальных убытков, связанных с постоянным и резким ростом цен на энергоносители, это и серьезная угроза экологии и возникновению масштабных катастроф, поэтому интенсивно разрабатываются различные методы обнаружения газовых утечек, в том числе и наиболее перспективные - лазерные. Наиболее близким по совокупности и значимости решаемых задач, а также по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ обнаружения утечек природного газа из трубопроводов 1, включающий облучение контролируемого участка земной поверхности вблизи трубопровода лазерным излучением на длинах волн 1 и 2,одна из которых (1) соответствует длине волны поглощения излучения основными компонентами природного газа, а другая (2) является опорной и расположена в зоне, свободной от поглощения этими компонентами, регистрацию отраженного от земной поверхности излучения с помощью приемной оптической системы и определение концентрации регистрируемого компонента природного газа по отношению интенсивностей отраженного излучения на указанных длинах волн. В этом случае земную поверхность облучают излучением молекулярного газового лазера мощностью порядка 15 мВт в спектральном диапазоне 1,65 или 3,39 мкм, причем в качестве регистрируемой компоненты природного газа используют метан. Однако спектр поглощения метана в этих диапазонах длин волн узколинейчатый, с широкими провалами до нуля. Используемые лазерные системы сложны, дорогостоящий и в них трудно достигнуть стабильную и узкую линию генераций. Кроме того, они обладают ограниченной мощностью. Все это затрудняет их использование для газоанализа на протяженных трассах. Особенно это проявляется при обнаружении утечек с помощью приборов, устанавливаемых на борт летательных аппаратов. Летательный аппарат вынужден летать на предельно низких высотах, что вызывает опасность столкновения с сооружениями и рельефом местности. К трудностям использования систем, диагностирующих утечки из трубопроводов по такой компоненте природного газа как метан, можно отнести и наличие естественных источников метана, особенно в болотистой местности. Это иногда делает невозможным определение места утечки. Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности обнаружения утечек в газопроводах и продуктопроводах с углеводородами. Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе контролируемый участок земной поверхности вблизи трубопровода облучают излучением молекулярного газового лазера мощностью порядка 1 МВт в спектральном диапазоне 11-12 мкм на длинах волн 1 и 2,одна из которых 1 соответствует длине волны поглощения излучения основными компонентами природного газа, а другая 2 является опорной и расположена в зоне, свободной от поглощения этими компонентами, регистрируют отраженное от контролируемого участка земной поверхности излучение и определяют концентрацию регистрируемого компонента природного газа по отношению интенсивностей отраженного излучения на длинах волн 1 и 2. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведен рассчитанный на основе спектроскопических данныхспектр поглощения этана в диапазоне длин волн 11-12 мкм и линии генерации СО 2-лазера, генерирующего на линиях горячей полосы 0111-1110 молекулы С 2. Известно, что в состав природного газа в основном входят предельные углеводороды метан (СН 4), этан (С 2 Н 6), пропан (С 38) и бутан (4 Н 10). Анализ различных газовых месторождений (см. табл. 1, 2) показал, что основными компонентами являются метан (около 90 ) и этан (от 4 до 15 в зависимости от газового месторождения). 2 11146 1 2008.10.30 Таблица 1 Состав газа месторождений Западной Сибири 2 Месторождение Самотлорское Варьганское Аганское Советское Тарасовское Барсуковское Пурнефтегазгеология Таблица 2 Состав газа месторождений Восточной Сибири 3 Месторождение Ковыктинское Чаяндинское Юрубчено-Тохомское Среднеботуобинское Диагностирование утечек в диапазоне длин волн 11-12 мкм, в котором расположен достаточно интенсивный край 12 мкм полосы поглощения этана (фиг. 1) имеет ряд преимуществ. Во-первых, в этом диапазоне спектра генерируют СО 2-лазеры на линиях, так называемой, горячей (0111-1110) полосы молекулы СО 2. В них была достигнута мощная (на отдельной линии в импульсе - 3 Дж (20 МВт генерация, сравнимая по эффективности с генерацией данного лазера на линиях обычных 10 и 9 мкм полос (0001-1000,0200) молекулы СО 2 4. Во-вторых, в данном спектральном диапазоне практически отсутствуют линии поглощения паров воды и других фоновых атмосферных газов, а спектр поглощения этана не узколинейчатый, с широкими провалами до нуля, а сплошной с неглубокими изрезами(фиг. 1). Это позволяет легко выбирать пары линий 1 и 2 по методу дифференциального поглощения. Более длинноволновый 11-11,5 мкм диапазон спектра более предпочтителен при дистанционном газоанализе вследствие меньшего ослабления излучения атмосферой при плохих погодных условиях (дождь, снег, туман, дымка и т.д.). В-третьих, использование в предложенном способе мощного лаза позволяет осуществлять лазерное зондирование не традиционным способом - узким лазерным лучом с минимальной расходимостью (порядка 1 мрад), а сформированным специальной оптической системой конусообразным пучком со сравнительно большим (несколько градусов) углом при вершине. Это дает возможность за один мощный лазерный импульс охватывать большой объем газового облака. Таким образом, повышается чувствительность газоанализа на несколько порядков по сравнению с традиционными лазерными методами. Но это возможно только при использовании мощного лазера. Кроме того, при таком подходе обеспечивается использование лазера с невысокой частотой повторения импульсов (всего лишь несколько Герц), что значительно упрощает лазерную систему и не требует прокачки газа через активную среду и принудительного его охлаждения. Оценочные расчеты предельной чувствительности показали, что надежно можно регистрировать минимальное содержание газов утечки по отношению к количеству атмосферного воздуха 1 к 1000 (т.е. газовая концентрация - 0,01 ). При этом предполагается, что 3 11146 1 2008.10.30 утечка формируется в виде газового облака-полушара с радиусом 30 м, при средней концентрации 0,01 . Практически реализовать предлагаемый способ можно следующим образом. Вдоль трассы трубопровода пролетает самолет, дельтаплан, экраноплан, вертолет и осуществляет мониторинг воздушной среды. В нем устанавливают лазерный газоанализатор на основеС 2-лидара-газоанализатора, работающего по дифференциальной методике на двух близких длинах волн в диапазоне 11-12 мкм. В месте утечки образуется облачко газа. Лидар-газоанализатор настраивают на детектирование этана, содержащегося в трубопроводе, и практически мгновенно определяют его наличие и концентрацию. При этом мощный лазерный луч лидара проходит сквозь газовое облачко, ослабляясь на определенной длине волны 1, совпадающей с полосой поглощения детектируемого газа. Излучение другой близкоотстоящей длины волны 2 не поглощается газовым облачком. Двухволновое излучение отражается от подстилающей (земной) поверхности и его улавливают оптико-электронным приемным трактом лидара. Далее сигналы регистрируют и обрабатывают с помощью бортового компьютера. Использование дифференциального метода позволяет автоматически учитывать постоянно меняющееся под действием внешних условий нерезонансное (не обусловленное только поглощением газа) ослабление лазерного излучения как в атмосфере, так и при отражении от подстилающей поверхности, и многократно повысить достоверность, чувствительность и точность газоанализа. Расчеты показывают, что при этом скорость движения вертолета по трассе газопровода может быть высокой и даже превышать 200 км/час. Источники информации 1. Патент РФ 94036135, МПК 17 5/02. Опубл. 30.03.96 // БИ 12 (прототип). 2. Андрейкина Л.В. Состав, свойства и переработка попутных газов нефтяных месторождений Западной Сибири Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. НИИРеактив. - Уфа, 2005. - С. 10. 3. Нефтегазовая Вертикаль. -7. - 2006. - С. 4. 4. Горобец В.А., Петухов В.О., Точицкий С.Я., Чураков В.В. Перестраиваемый по линиям обычных и нетрадиционных полос ТЕ 2 лазер для лидарных систем // Квантовая электроника. - Т.22. -5. - 1995. - С. 514-518. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4