УДК 622.692:614.849
ВОПРОСЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ НЕПРЕРЫВНОГО ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ
МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ТРАНСПОРТИРОВКИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ
А.А. Ширин-заде, Л.Р. Бекирова, Р.А. Ахмедов
Приведен тезис о том, что для повышения достоверности инфракрасного (ИК) спектро-радиометрического обнаружения углеводородного газового облака необходимо создать новые функциональные сигнатурные признаки применительно к сигналам на выходе спектро-радиометра. Сформированы новые функциональные сигнатурные признаки обнаружения газового облака при размещении спектрорадиометра над облаком в виде сигналов с характерным минимумом во временном выходном сигнале в определенных промежутках суточного времени.
Ключевые слова: дистанционный контроль, углеводородные газы, трубопровод, газовое облако, утечка, инфракрасная радиация.
Хорошо известно, что организация непрерывного контроля технического состояния магистральных газопроводов является задачей государственной важности и здесь могут быть использованы как контактные, так и дистанционные методы диагностики. Применительно к контактным методам основным идентификационным признаком наличия аварии на газопроводе является снижение давления в трубопроводе, обнаружение которого может быть осуществлено различными методами неразрушающей технической диагностики.
Что касается дистанционных методов, то здесь основным методом является инфракрасный радиационный контроль над утечками из трубопровода. Такой контроль может быть осуществлен с помощью ИК-спектрорадиометра, установленного на различных носителях, например, на беспилотном летательном аппарате, на вертолете и т. д., осуществляющих пассивное дистанционное зондирование образовавшихся в результате аварий на линиях углеводородных газовых облаков.
Как показано в [1], пассивное дистанционное зондирование газовых облаков в нижней атмосфере базируется на анализе поглощенной и излучаемой радиации молекулами этого газового облака. На рис. 1 дана схематическая иллюстрация процедуры контроля трубопроводов с помощью бортового спектрорадиометра.
В модели переноса ИК-радиации, показанной на рис. 1, атмосфера разделена на три плоскопараллельные гомогенные слои. Радиация с фонового слоя 3 проходит через облако газа, имеющегося в слое 2, а также через слой 1. Облако газа также считается гомогенным. Спектрорадиометр измеряет радиацию, поступающую со всех слоев.
Спектральная радиация на входе спектрорадиометра оценивается как [1]
ад = [1 - Xi(X)]B,(X, Ti) + Ti(X){[1 - Т2(Х)] ■ B2(X, T) + T2(X) ■ L3], (1)
где т. — пропускание слоя атмосферы i; B. — спектральная радиация черного тела при слое i с температурой T.; L — радиация, поступающая на облако
Алчин Алисафтар-оглы Ширин-заде, доктор техн. наук, генеральный директор Национального Аэрокосмического Агентства. Азербайджан, г. Баку. E-mail: ashirinzadeh@rambler.ru Лала Рустам гызы Бекирова, к.т.н., доцент кафедры "Информационно-измерительные и управляющие системы" Азербайджанской государственной нефтяной акакдемии. Является вторым научным руководителем аспиранта Р.А. Ахмедова. Азербайджан, г. Баку. Тел. +994558969955. E-mail: Lala-Bekirova@mail.ru
Ровшан Алиага-оглы Ахмедов, аспирант Национального Аэрокосмического Агентства. Азербайджан, г. Баку. Тел. (050) 316-18-12. E-mail: nightman5@mail.ru
Спектрорадиометр
^ г
Рис. 1. Схематическая иллюстрация процедуры контроля трубопроводов с помощью
бортового спектрорадиометра.
с окружающего фона; Ь3 — содержит радиацию, излучаемую поверхностью фона (отраженную от земли и поступающую из атмосферы).
Как показано в [1], если температуры слоев 1 и 2 одинаковы, то уравнение (1) упрощается и принимает следующий вид
^(А) = БДА, Гх) + тДА) ■ Т2(Х) ■ [Ь3 - Бх(\ Т)]. (2)
Таким образом, становится ясным, что в существующей практике ИК-спектрорадиометрической диагностики основным сигнатурным признаком утечки углеводородного газа является ИК-радиация, исходящая из сформировавшегося облака углеводородного газа. Требование повышения достоверности ИК-спектрорадиометрической дистанционной диагностики выдвигает на первый план необходимость формирования и использования на практике новых функциональных сигнатурных признаков аварийности магистральных трубопроводов.
Далее рассмотрим возможность формирования дополнительного функционального признака обнаружения газового облака ИК-спектрорадиометром, когда носитель со спектрорадиометром расположен в позиции 1 (см. рис. 1) непосредственно над газовым облаком. В этом случае на вход спектрорадиометра поступает суммарная ИК-радиация, определяемая следующим образом:
Ь(А\ = [1 - т/А)] ■ Б2(А, Т2) + Т2<А) ■ Ьъ. (3)
С учетом суточного изменения температуры воздуха среды посмотрим, какие оптимизационные соотношения при этом формируются. Как указано в [2], изменение температуры воздуха за сутки зависит прежде всего от баланса приходящей радиации на земную поверхность. Суточный максимум температуры достигается с некоторой задержкой относительно максимума приходящей радиации, поскольку воздух должен получить тепло от нагретой земной поверхности посредством теплопроводности, турбулентности и конвекции.
Вопросы повышения достоверности.
43
Так как изменения температуры воздуха за сутки также обусловлены местными физико-географическими условиями, графики строят для различных местностей с учетом ясного, полуясного и пасмурного неба. Для построения графиков изменения температуры за сутки вычисляют отклонения от среднесуточного значения (рис. 2) [3].
О Ясно 4 Полуясно * Пасмурно
Рис. 2. Пример суточного изменения температуры воздуха [3] (в отклонениях от температуры
воздуха в 2100).
Таким образом, в плане модельных исследований применительно к ясному небу составляющая Ь3 в (3) в промежутках дня 2 1 00—300 и 1500—2 1 00 будет иметь вид спадающей во времени функции.
В то же время изменение радиационной составляющей В2(Х, Т2) имеет вид возрастающей во времени функции, начальная точка которой совпадает с началом аварийного состояния газопровода [4]. Таким образом, если дистанционный контроль осуществляется на промежутках времени 2 1 00—300 и 1500—2 1 00, то радиационные составляющие Ь3 и В2 в случае наличия аварийной утечки углеводородного газа будут иметь парафазный (противоположный) характер изменения во времени. Как указано в [5], существует стратегия взвешенных сумм, которая преобразует многокритериальную задачу минимизации вектора /(х) в скалярную задачу минимизации в виде следующего выражения:
/ (х) = £а, • / (х) (4)
¿=1
в том случае, если компоненты вектора /(х) образуют выпуклое множество на пространстве (/ /2) (рис. 3). При этом точки А и В являются элементами множества неулучшаемых решений, когда уменьшение / сопровождается увеличением / и наоборот.
Таким образом, если обеспечивается парафазное изменение / и /2, то можно ожидать, что скалярная сумма
/ = а/Дх) + (1 - а^х) (5)
будет иметь минимум от х.
Р1
Рис. 3. Выпуклое множество на пространстве (Р Р2).
С учетом вышесказанного в качестве нового функционального признака обнаружения в интервалах времени 2 1 00—300 и 1500—2 1 00 аварийной утечки газа можно рассматривать появление характерного минимума в оценке линейной свертки (3).
Момент появления характерного минимума на выходе спектрорадио-метра в первом приближении может быть вычислен следующим образом. Функции Ь3 = Ь3(1) и В2 = В2(1), где 1 — текущее время суток, покажем в виде разложения:
Ь"- ^2
Ь3 = Ь3 (0)+ Ь3 -1 + - э
В2 = В2 (0)+ В2 -1 +
2
В2 -12 2!
С учетом (5) и (6) получаем следующее выражение:
+
где
Р = 12 ■ Р1 + 12 ■ Р2 + Р3,
Р1 = В [1-(а)]+§ (А);
(6)
(7)
Р2 = Р2[1 - Т2(Х)] + ¿3X2^);
Р3 = В^Ж - Х^А)] + Ьъ(^) ■ Т2(Х). Условие нахождения экстремума
<ш _ 0.
Л
(8)
(9)
С учетом выражений (7)—(9) получаем следующую оценку временной точки появления экстремума:
, = - _ В2 [1-Х2 (А)] + ¿3х2 (А)
2Р1
2В2 2!
[х2 (А)-1] - § х2 (А)
2!
Вопросы повышения достоверности...
45
Таким образом, можно сделать вывод о том, что при проведении диагностики бортовым спектрорадиометром, размещенным в позиции 1, в интервалах времени 2 1 00—300 и 1500—2 1 00 при ясном небе в качестве сигнатурного признака наличия газового облака можно принять появление характерного минимума на выходе спектрорадиометра.
Теперь рассмотрим возможность формирования аналогичного функционального признака при нахождении спектрорадиометра в позиции 2. При этой ситуации (см. рис. 2) суммарная радиация, поступающая на вход спектрорадиометра, определяется по выражению (1). Нетрудно заметить, что выражение (1) сходно линейной свертке
Анализ выражения (11) показал наличие характерного минимума в интервалах времени 2100—300 и 1500—2 100. Следовательно, можно ожидать, что график функции (11) в интервалах времени 2 1 00—2400 и 1500—1800 будет иметь уменьшающийся характер, поэтому можно ожидать, что Ь(Х), определяемое выражением (1), в указанных интервалах времени будет иметь характерный минимум. Таким образом, можно заключить, что длительность интервалов, в которых возможно появление сигнатурного признака в виде минимума сигнала, будет в два раза короче при нахождении носителя в "Поз. 2", чем в "Поз. 1". Общий вид сформированных сигнатурных признаков, соответствующих этим позициям, показан на рис. 4.
= а^(0 + (1 - а^С),
(11)
где
^(0 = [1 - т2(Х)] ■ £2(0 + т2(Х)£з(0; ^2(0 = ЯДХ, Тр г).
г, °С
Сигнал 1 .
-4
2
Сигнал 2
У
г
Рис. 4. Условное графическое отображение процесса появления аппаратурных признаков "Сигнал 1" и "Сигнал 2" обнаружения газового облака с "Поз. 1" и "Поз. 2" соответственно.
В заключение приведем основные выводы и положения проведенного исследования.
1. Сформулирован тезис о том, что для повышения достоверности ИК-спектрорадиометрического обнаружения углеводородного газового облака, возникшего в результате аварии на газопроводе, необходимо создать новые функциональные сигнатурные признаки применительно к сигналам на выходе спектрорадиометра.
2. Сформирован новый функциональный сигнатурный признак обнаружения газового облака при размещении спектрорадиометра непосредственно над ним, в виде
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.