КОМПЛЕКС ОБНАРУЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА Российский патент 2011 года по МПК F17D5/06 

Программно-технический комплекс обнаружения повреждения трубопроводов «WaveControl» предназначен для охраны трубопроводов, проложенных как на суше, так и в водной среде. Обеспечивается обнаружение утечек в режиме реального времени.

Известны средства обнаружения повреждения трубопроводов SU №№1308850, 1395966, 1710930, RU №№33223, 46579, 49253, 60721, 2181881, 2206817, 2249802, 2328020, US №№4289019, 4543817, 4858462, 5117676, 5333501, 5398542, 5531099, 5675506, 6530263, 6595038, 6668619, 6925881.

Известна система обнаружения повреждения трубопровода, содержащая n акустических преобразователей, каждый из которых связан с одним из n усилителей, фильтров, аналого-цифровых преобразователей и адаптивных пороговых обнаружителей сигнала, а также блок управления, система содержит n предварительных усилителей и диагностических излучателей, каждый из которых конструктивно объединен с одним акустическим преобразователем с образованием n сигнальных датчиков повреждения, выполненных с возможностью установки непосредственно на трубопровод, а также n блоков автоматической регулировки усиления, микропроцессоров, приемников и передатчиков, аналоговых коммутаторов, магистральных приемопередающих блоков в составе магистральных приемников и магистральных передатчиков, каждый из которых конструктивно объединен с одним усилителем, полосовым фильтром, аналого-цифровым преобразователем и адаптивным пороговым обнаружителем сигнала с образованием n блоков обработки сигналов, а также центральный процессор, выполненный с возможностью осуществления функции управления, диагностики и обработки сигнальной информации посредством амплитудной и корреляционной обработки сигналов с двух соседних сигнальных датчиков повреждения, и мультипротокольный коммутационный узел, конструктивно объединенные с блоком управления в удаленное терминальное устройство (RU №46579).

Известен способ контроля герметичности и определения координаты места течи в продуктопроводе, заключающийся в приеме акустических сигналов в двух точках по длине продуктопровода, обнаружении течи и последующей корреляционной обработке принятых акустических сигналов, в результате которой определяют разность времен прихода акустических сигналов и координату места течи, причем прием акустических сигналов в двух точках по длине продуктопровода проводят в диапазоне частот f₁, удовлетворяющему математическому соотношению f₁<RC/0,61, <BR> продуктопровода; С - скорость звука в материале продуктопровода, при этом перед корреляционной обработкой принятых акустических сигналов проводят режектирование дискретных составляющих в каждом из сигналов с последующим спектральным анализом последних и из полученных спектров сигналов выделяют долговременные спектральные составляющие, длительностью превышающие 30 с, и с амплитудой, превышающей фон на 3-6 дБ, и по данным спектральным составляющим судят о наличии течи (RU №2181881).

Известно устройство обнаружения места течи в трубопроводе, включающее первый и второй приемные тракты, каждый из которых содержит последовательно соединенные первый и второй акустический датчик соответственно, усилитель, фильтр и аналого-цифровой преобразователь, первый акустический датчик имеет акустический контакт с трубопроводом и акустически заэкранирован от акустических волн в окружающей трубопровод среде, а второй акустический акустически заэкранирован от акустических волн, "распространяющихся по трубопроводу, в устройство введены последовательно соединенные анализатор взаимного спектра, первый и второй входы которого соединены с выходами аналого-цифровых преобразователей первого и второго приемного трактов соответственно, блок вычисления расстояния и скорости распространения групповых волн в трубопроводе и индикатор, также введен блок памяти скоростей распространения групповых волн в трубопроводе и в окружающей трубопровод среде, вход которого соединен со вторым выходом, а выход - со вторым входом блока вычисления расстояния и скорости распространения групповых волн в трубопроводе, также введен блок управления, синхровходы и синхровыходы которого соединены с аналого-цифровым преобразователем, с анализатором взаимного спектра, с блоком вычисления расстояния и скорости распространения групповых волн в трубопроводе, с блоком памяти скоростей распространения групповых волн в трубопроводе и в окружающей трубопровод среде и с индикатором, также введен искусственный источник акустического сигнала, акустически связанный с первым акустическим датчиком по трубопроводу, а со вторым акустическим датчиком - по окружающей трубопровод среде (RU №2249802, прототип).

Недостатками известных комплексов является сложность конструкции, низкая точность и низкое быстродействие.

Технической задачей изобретения является создание эффективного комплекс обнаружения повреждения трубопровода, а также расширение арсенала комплексов обнаружения повреждения трубопровода.

Технический результат состоит в упрощении конструкции, повышение точности, надежности и быстродействия за счет обнаружения утечки на этапе ее возникновения в режиме реального времени.

Сущность изобретения состоит в том, что комплекс обнаружения повреждения трубопровода содержит датчики давления с временем срабатывания не более 1 мсек, попарно установленные по концам контролируемого участка трубопровода, локальные программируемые логические синхронизованные посредством датчиков временных меток контроллеры, каждый из которых подключен к двум соседним датчикам в паре, размещенной на одном конце контролируемого участка трубопровода, датчику временных меток и, через линии связи, к центральному контроллеру 6, соединенному линией связи с персональным компьютером оператора

Предпочтительно соседние датчики давления располагаются на расстоянии от 200 до 400 м друг от друга, при этом один из них является внутренним по отношению к контролируемому участку, а другой - внешним.

При этом каждый локальный контроллер с датчиком временных меток размещен в локальном приборном узле, расположенном в зоне пары датчиков давления, а центральный контроллер с датчиком временных меток и персональным компьютером оператора - в центральном приборном узле, удаленном от зон датчиков давления, при этом все контроллеры комплекса, а также центральный компьютер соединены между собой по сети Интернет.

Логические контроллеры синхронизированы по времени с помощью датчиков временных меток, выполненных в виде GPS приемников, а локальные программируемые логические контроллеры выполнены с возможностью фильтрации и выявления характерных трендов падения давления в виде последовательности значений давления во времени, а центральный компьютер выполнен с возможностью определения координаты места расположения утечки в соответствии с соотношением:

L=0,5·[(L1+L2)-C·(T2-T1)],

где L - координата места расположения утечки, м; L1, L2 -координаты каждой из пар датчиков, м; Т1, Т2 - временные метки событий падения давления на каждой из пар датчиков, сек; С - скорость звука в транспортируемом продукте, м/сек.

На чертеже изображена схема комплекса обнаружения повреждения трубопровода.

Комплекс обнаружения повреждения трубопровода содержит две пары датчиков 2 давления на трубопроводе 1, установленных парами на расстоянии 200-400 метров между соседними датчиками 2 в каждой паре, локальные программируемые логические контроллеры 3, датчики временных меток в виде GPS приемников 4, линии 5 связи, центральные контроллеры 6 и автоматизированные рабочие места 7 операторов (персональные компьютеры 7). Датчика 2 выполнены с временем срабатывания не более 1 мсек (миллисекунд). Пары датчиков 2 располагаются на границах контролируемого (охраняемого) участка трубопровода 1, расстояние между соседними датчиками 2 в каждой паре составляет 200-400 м. Один из датчиков 2 в каждой паре является внутренним по отношению к охраняемому участку, а другой - внешним. Таким образом, комплекс состоит из трех узлов - двух локальных и одного центрального. Локальные узлы размещаются на границах контролируемого (охраняемого) участка трубопровода 1, центральный узел - в диспетчерском пункте. Локальные контроллеры 3, их GPS приемники 4 и датчики 2 давления относятся к локальным узлам; центральный контроллер 6, его датчик временных меток в виде приемника GPS (не изображен), и персональным компьютером 7 оператора АРМ - к центральному). Все три контроллера 3, 6 комплекса, а также компьютер 7 соединены между собой по сети Интернет (Ethernet).

Представленные в блок-схеме на уровне функционального обобщения составные - контроллеры 3, 6 и компьютер 7 с заданными функциональными возможностями относятся к цифровым комбинационным автоматам, для которых известны методы синтеза их структуры по содержательному описанию функции (сведениям о функциях, изложенным в описании), т.е. они могут быть синтезированы с помощью известных правил и методов, с помощью которых автоматическое устройство может быть получено по предъявляемым к нему требованиям.

Комплекс обнаружения повреждения трубопроводов работает следующим образом.

При отсутствии нарушений локальные контроллеры 3 периодически передают в центр 6 контрольные сообщения о своей работоспособности. Все три контроллера 3, 6 комплекса, а также компьютер 7 обмениваются информацией между собой по сети Интернет (Ethernet) по протоколу TCP/IP.

При этом передаются сигналы времени от GPS приемников 4 и параметры режима, получаемы от датчиков 2. Данные синхронизируются посредством GPS.

Центральный контроллер 6 использует эти сообщения для отображения на мониторе компьютера 7, показывающем состояние контроллеров 3 и текущие параметры режима. Если периодическое сообщение от локального контроллера 3 не будет получено вовремя, то центральный контроллер 6 зафиксирует отказ соответствующего локального узла и отобразит тревожный сигнал на мониторе компьютера 7.

Работа комплекса по обнаружению повреждения основана на использование методов распознавания и фиксирования падения давления, сопутствующему процессу утечки продукта из трубопровода. Сигнал от утечки распространяется в обоих направлениях по трубопроводу и далее регистрируется датчиками 2. Фиксация события утечки определяется в момент поступления сигналов от двух смежных датчиков 2. При этом последними определяется наличие падения давления с некоторым временным интервалом. Для каждого такого события сопоставляется метка времени. Решение о том, что факт утечки произошел, принимает центральный контроллер 6 на основании информации, полученной от локальных контроллеров 3.

Для отсеивания случайных колебаний давления результаты замеров программно фильтруются. Для этого к потоку значений давлений применяется стандартный медианный фильтр (медианный фильтр - это широко известный математический инструмент обработки данных, как то: интеграл, дифференциал, среднее арифметическое и т.п.) Получаемые тренды давления (тренд давления - это последовательность значений давления во времени) сравниваются с трендами, характерными для утечек (для утечки характерно падение давления, а не его колебания) и при высокой степени подобия принимается решение о появлении утечки. Событию утечки присваивается локальным контроллером 3 временная метка, получаемая от GPS датчика 4, и оно отсылается в центральный контроллер 6. В последнем потоки событий от локальных контроллеров 3 регистрируются, упорядочиваются в порядке возрастания по времени и обрабатываются (сопоставляются). В результате сопоставления выявляются пары локальных событий утечек, причиной которых может быть один источник внутри охраняемого участка трубопровода 1.

Условия регистрации утечки: два локальных контроллера 3 обнаружили сигнал утечки, источник поступления сигнала расположен в защищенном сегменте (контролируемом участке) трубопровода 1. В каждой паре датчиком 2 производится сравнение моментов срабатывания датчиков 2 давления, связанных с локальными контроллерами, 3, синхронизируемых по времени посредством GPS приемника 4. Полученные сигналы идентифицируются как сигналы утечки при помощи соответствующих признаков 1) падение давления на заданную величину, 2) направление движения волны падения давления изнутри, т.е. сначала давление падает на внутреннем датчике 2 в паре, а затем - на внешнем, по результатам вышеизложенной обработки данных в центральном контроллере.

Датчики 2 периодически измеряют давление и передают его на контроллер 3, который анализирует тренды давления и обнаруживает понижение давления, сопутствующее началу утечки. Такому событию сопоставляется метка времени, получаемая от GPS приемника 4. Локальный контроллер 3 проверяет направление движения волны падения давления по меткам времени таких событий от пары соседних датчиков 2 давления. Если событие понижения давления от внутреннего датчика 2 произошло раньше, чем аналогичное событие от внешнего, то локальный контроллер 3 передает информацию о падении давления на центральный ПЛК 6. В передаваемый информационный пакет входят данные о времени события и давлении на датчиках 2.

Всем этим обеспечивается высокая точность и надежность обнаружения утечки при исключении ошибочных срабатываний при текущих колебаниях давления.

Центральным контроллером 6 осуществляется сбор сообщений от локальных контроллеров 3, содержащих метки времени падений давления и другую информацию о режиме на участке размещения локальных узлов. Он проводит вычисления возможного положения (координаты) повреждения (утечки) относительно одного из концов контролируемого участка по соотношению:

L=0,5·[(L1+L2)-C·(T2-T1)],

где L - координата места расположения повреждения (утечки), м;

L1, L2 - координаты 1-го и 2-го локальных узлов (каждой из пар датчиков), м;

Т1, Т2 - временные метки событий падения давления на 1-м и 2-м локальных узлах (каждой из пар датчиков), сек;

С - скорость звука в транспортируемом текучем продукте, м/сек.

Пример результатов обработки информации

Если L1=10000 M, L2=20000 м, С=1000 м/сек, Т1=01.01.2009, 12 ч 00 м 00 сек, Т2=01.01.2009, 12 ч 00 м 02 сек.

То подстановкой в указанное выше соотношение получаем L=0,5·(30000-1000·2)=14000 м.

При этом L, L1 и L2 отсчитываются от одного из концов контролируемого участка.

Таким образом, комплексом контролируется волна падения давления и направление ее движения, и тем самым фиксируются акустические шумы, сопутствующие процессу утечки продукта из трубопровода.

В предлагаемом программно-техническом комплексе применяются датчики 2 давления совместно с быстродействующими программируемыми логическими контроллерами 3, 6, синхронизованными посредством GPS датчиков 4. В этих контроллерах 3, 6 проводится анализ обнаружения характерных флуктуации тренда давления. По результатам сопоставления зафиксированных событий падений давления на локальных узлах в центральном узле автоматически принимается решение о наличии утечки на охраняемом участке и вычисляется координата ее расположения.

Компьютер 7 отображает события утечек на мониторе в виде сообщений, содержащих информацию о времени события, его положения и режиме трубопровода 1 в этот момент. Сообщение об утечке отображается на мониторе в наглядном виде, привлекающем внимание оператора цветом и миганием. Оператор должен зафиксировать это сообщение и принять меры, согласно его должностной инструкции.

По результатам обнаружения утечки делаются соответствующие записи в журнале диспетчера и принимаются другие меры, согласно положению эксплуатирующей организации.

Таким образом, создан эффективный комплекс обнаружения повреждения трубопроводов, а также расширен арсенал комплексов обнаружения повреждения трубопроводов.

При этом обеспечивается упрощение конструкции, повышение точности надежности и быстродействия за счет обнаружения утечки на этапе возникновения в режиме реального времени.

Комплекс обнаружения повреждения трубопровода предназначен для охраны трубопроводов, проложенных как на суше, так и в водной среде. Комплекс обнаружения повреждения трубопровода содержит датчики давления с временем срабатывания не более 1 мсек, попарно установленные по концам контролируемого участка трубопровода, локальные программируемые логические синхронизованные посредством датчиков временных меток контроллеры, каждый из которых подключен к двум соседним датчикам в паре, размещенной на одном конце контролируемого участка трубопровода, датчику временных меток и, через линии связи, к центральному контроллеру, соединенному линией связи с персональным компьютером оператора. Технический результат - упрощение конструкции, повышение точности надежности и быстродействия за счет обнаружения утечки на этапе возникновения в режиме реального времени. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Комплекс обнаружения повреждения трубопровода, содержащий датчики давления с временем срабатывания не более 1 мс, попарно установленные по концам контролируемого участка трубопровода, локальные программируемые логические синхронизованные посредством датчиков временных меток контроллеры, каждый из которых подключен к двум соседним датчикам в паре, размещенной на одном конце контролируемого участка трубопровода, датчику временных меток и через линии связи к центральному контроллеру, соединенному линией связи с персональным компьютером оператора.

2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что соседние датчики давления располагаются на расстоянии от 200 до 400 м друг от друга, при этом один из них является внутренним по отношению к контролируемому участку, а другой - внешним.

3. Комплекс по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что каждый локальный контроллер с датчиком временных меток размещен в локальном приборном узле, расположенном в зоне пары датчиков давления, а центральный контроллер с датчиком временных меток и персональным компьютером оператора - в центральном приборном узле, удаленном от зон датчиков давления, при этом все контроллеры комплекса, а также центральный компьютер соединены между собой по сети Интернет.

4. Комплекс по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что логические контроллеры синхронизированы по времени с помощью датчиков временных меток, выполненных в виде GPS приемников.

5. Комплекс по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что локальные программируемые логические контроллеры выполнены с возможностью фильтрации и выявления характерных трендов падения давления в виде последовательности значений давления во времени, а центральный компьютер выполнен с возможностью определения координаты места расположения утечки в соответствии с соотношением
L=0,5·(L1+L2)-C·(T2-T1)],
где L - координата места расположения повреждения, м;
L1, L2 - координаты каждой из пар датчиков, м; T1, T2 - временные метки событий падения давления на каждой из пар датчиков, с; С - скорость звука в транспортируемом продукте, м/с.