Wykrywanie nieszczelności gazociągów przesyłowych

Transkrypt

1 Wykrywanie nieszczelności gazociągów przesyłowych Piotr Paszylk, Marek Wiśniewski GAZ-SYSTEM S.A. Zapobieganie uchodzeniom gazu jest istotne ze względu na występujące zagrożenie wybuchem czy pożarem. Wczesna detekcja pozwala na ograniczenie kosztów wynikających ze strat gazu. Przyszłość kontroli części liniowej gazociągów przesyłowych prawdopodobnie będzie kierowała się w stronę integracji różnych metod badawczych. Przykładem takiego rozwiązania mogą być systemy detekcji metanu, wykorzystujące samoloty bezzałogowe, w połączeniu z kamerami termowizyjnymi Fot. 2. Detektor gazu PS200 [1] Nadzór nad bezpieczną eksploatacją, a zatem również efektywne wykrywanie ewentualnych wycieków gazu z infrastruktury przesyłowej, jest jednym z najważniejszych zadań służb eksploatacyjnych Operatora Gazociągów Przesyłowych GAZ-SYSTEM S.A. Zapobieganie uchodzeniom gazu jest istotne ze względu na występujące zagrożenie wybuchem czy pożarem. Ponadto wczesna detekcja pozwala na ograniczenie kosztów wynikających ze strat gazu. Aby sprostać wymaganiom w zakresie kontroli stanu technicznego oraz mając na uwadze kwestie bezpieczeństwa, możliwe są do zastosowania różnorodne sposoby i metody detekcji nieszczelności gazociągów. Począwszy od obchodów pieszych, kontroli dywanowych, oblotów z obserwatorem, kontroli trasy gazociągów poprzez specjalistyczny sprzęt, jak lotnicze laserowe systemy zdalnej detekcji, nawet do technik opartych na wizualizacji hiperspekularnej z wykorzystaniem satelitów. Kontrole szczelności i wytrzymałości dokonywane są już na etapie budowy gazociągu przed przekazaniem inwestycji do eksploatacji poprzez przeprowadzanie hydraulicznej próby wytrzymałości i szczelności. W ubiegłym roku takie próby były wykonywane m.in. podczas budowy gazociągu DN700 MOP 8,4 MPa relacji Szczecin Gdańsk. Badanie ma na celu stwierdzenie poprawności wykonania rurociągów i instalacji oraz sprawdzenie ich wytrzymałości i szczelności. Ponadto, aby uzyskać szereg dodatkowych informacji, wykonuje się tzw. tłokowanie zerowe, które ma na celu wyczyszczenie gazociągu po jego budowie oraz zbadanie stanu technicznego połączeń oraz geometrii rurociągów. Wszelkie kontrole wykonywane przez służby eksploatacyjne odbywają się przy użyciu detektorów realizujących ciągły pomiar stężenia metanu i stężenia tlenu. Podczas czynności kontrolnych dokonuje się pomiarów stężenia metanu m.in.: nad wylotem kolumn upustowych, nad wylotem kolumn wentylacyjnych, nad kompensatorami, w obrębie połączeń kołnierzowych infrastruktury nadziemnej, gdy zachodzi konieczność nad dowolną częścią nadziemną gazociągu, a także w gruncie nad gazociągiem. W sytuacji, gdy podczas kontroli trasy zostaną stwierdzone liczne uchodzenia w grun- Fot. 1. Montaż odcinka gazociągu [1] Fot. 3. Przykładowy śmigłowiec stosowany w oblotach [2] 28 styczeń - marzec 1 / 2015 [12]

2 Paliwa i Energetyka 4a. 4b. Fot. 4. a, b) Przykłady wykrytych nieszczelności gazociągów podczas kontroli z powietrza [1] Fot. 5. Naruszenie strefy kontrolowanej prowadzenie prac budowlanych na trasie gazociągu [1] Fot. 6. Naruszenie strefy kontrolowanej składowisko materiałów na trasie gazociągu [1] 5. cie skupione na niewielkim obszarze, dokonuje się dywanowej kontroli szczelności gazociągu. Realizacja oblotów z wykorzystaniem obserwatora pozwala na wykrywanie nieszczelności na gazociągach, jak również umożliwia ocenę potencjalnych zagrożeń, w których może dojść do zagrożenia bezpieczeństwa infrastruktury przesyłowej. Kontrola gazociągów sieci przesyłowej z powietrza odbywa się raz na kwartał. Podczas patrolowania gazociągu uzyskiwane są również informacje związane z koniecznością dokonywania wycinki krzewów i samosiejek na trasie gazociągu. Ponadto sprawdza się, czy nie doszło do naruszenia przykrycia gazociągu wskutek jego wypłycenia, osunięcia się skarp, wymycia czy prac rolniczych. Przewagą oblotów nad obchodami pieszymi jest możliwość zaobserwowania istotnych zagrożeń, które są bezbłędnie wychwytywane przez obserwatora z powietrza, natomiast dla pracownika wykonującego obchód mogą być niewidoczne. Ponadto istnieją miejsca, w których pracownik wykonujący obchód ma utrudniony dostęp, np. tereny prywatne bądź tereny, w których obchód jest całkowicie niemożliwy, takie jak tereny podmokłe czy cieki wodne. 6. Przykładem takich sytuacji są dwa przypadki, w których pracownik dokonujący obchodu miałby trudności z wykryciem nieszczelności, tj. nieszczelność na polu uprawnym, w którym podczas oblotów widoczne jest przebarwienie gruntu (fot. 4a) czy słaby wzrost roślinności (fot. 4b). Kontrola z powietrza pozwala wstrzymać czynności, które mogą doprowadzić do rozszczelnienia gazociągu czy awarii gazociągu. Nierzadko dochodzi do naruszeń stref kontrolowanych przez właścicieli gruntów, wynajmujących czy osoby trzecie. Przykładem takich sytuacji są prace budowlane, składowisko materiałów czy wykonanie stawu bezpośrednio na gazociągu wysokiego ciśnienia. Zdarza się, iż w obszarze strefy kontrolowanej bez uprzednich uzgodnień prowadzone są prace budowlane. Wstrzymanie tego typu prac pozwala uchronić przed bardzo niebezpiecznym uszkodzeniem gazociągu, które mogłoby stanowić istotne zagrożenie dla zdrowia i życia. Wybrane rozwiązania w zakresie zdalnej detekcji metanu Zdalny detektor wycieków metanu RMLD-IS (Remote Methane Leak Detector) Detektor wykorzystuje metodę spektroskopii absorpcyjnej z laserem diodowym pracującym w zakresie bliskiej 8a. Fot. 7. Naruszenie strefy kontrolowanej staw na gazociągu [1] Fot. 8. Prowadzenie prac budowlanych w obszarze strefy kontrolowanej gazociągu: a) prace kanalizacyjne, b) prace wiertnicze [1] 7. 8b. styczeń - marzec 1 / 2015 [12] 29

3 Fot. 9. Zdalny detektor wycieków metanu RMLD-IS [3] podczerwieni. W urządzeniu modulowana jest długość fali emitowanego promieniowania laserowego, w zakresie promieniowania absorbowanego do nieabsorbowanego przez metan. Z osłabienia wiązki promieniowania, po odpowiedniej obróbce sygnału elektrycznego, można określić, jak duża była ilość czystego metanu w warstwie powietrza (lub ogólnie innego gazu), przez którą przechodziła wiązka promieniowania laserowego emitowanego przez urządzenie i powracającego do detektora, po odbiciu się od przeszkód terenowych. W 2009 r. Instytut Nafty i Gazu na zlecenie GAZ-SYSTEM S.A. dokonał Weryfikacji możliwości zastosowania ręcznego zdalnego detektora wycieków metanu do kontroli szczelności sieci przesyłowej gazu ziemnego [4]. W każdym z wykrytych przypadków wycieków metanu przy użyciu zdalnego detektora laserowego RMLD możliwe było potwierdzenie istnienia wycieku przy zastosowaniu czułego detektora miejscowego z detektorem płomieniowo-jonizacyjnym FID (Portafid firmy SEWERIN). W żadnym przypadku kontroli gruntu nad gazociągiem i części naziemnej gazociągu armatury gazowej przy użyciu detektora Portafid nie wykryto dodatkowych wycieków gazu, co potwierdza jego skuteczność. Jednakże w przypadku bardzo rozmytych (rozległych) chmur wycieku gazu, urządzenie z detektorem FID, który umożliwia pomiar niskich stężeń metanu w powietrzu (1 ppm) będzie bardziej czułe od detektora laserowego. Atutem zastosowania detektora laserowego jest możliwość kontroli szczelności gazociągów przesyłowych prowadzonej z samochodu terenowego, poruszającego się wzdłuż trasy gazociągu. Skuteczność takiej detekcji maleje wraz ze wzrostem odległości od gazociągu, nie powinna ona przekraczać około m [4]. Przy takiej odległości od gazociągu zastosowanie tej metody może dotyczyć właściwie tylko większych wycieków, a skuteczność detekcji metanu będzie znacznie niższa niż w przypadku patrolu pieszego. System ALMA (Airborne Laser Methane Assesment) lotniczy system wykrywania wycieków metanu, Pergam- -Suisse AG, Zurich, Szwajcaria. Urządzenie wykorzystuje zjawisko absorbowania światła lasera o określonej długości fali na cząsteczkach metanu. W trakcie wykonywania oblotu wiązka lasera o długości fali 1,65 μm kierowana jest na teren podlegający inspekcji. Charakter pracy urządzenia polega na emisji wiązki lasera, która kierowana przez nadajnik ulega rozproszeniu i dociera do powierzchni terenu. Odbity promień lasera poprzez zwierciadło, które ma za zadanie ponownie skupić powracającą wiązkę światła, trafia do fotodetektora pełniącego funkcję odbiornika. W momencie wykrycia metanu, część energii lasera przekazywana jest wzbudzanym molekułom gazu, co powoduje zmianę natężenia generowanego przez fotodetektor. Zmiana natężenia sygnału jest proporcjonalna do koncentracji metanu wzdłuż ścieżki pomiarowej. Uzyskany sygnał jest obrabiany cyfrowo w specjalistycznym oprogramowaniu i w efekcie końcowym otrzymywana jest wartość koncentracji metanu w badanym rejonie. Głównymi elementami układu są układ optyczny (fot. 10), w skład którego wchodzą laser diodowy wraz z układem emitującym wiązkę odniesienia, odbiornik promieniowania oraz kamera cyfrowa. Moduł elektroniczny składa się z komputera, systemu kontroli oraz odbiornika GPS i jest montowany na siedzeniu śmigłowca (fot. 11). Sercem systemu jest komputer ze specjalistycznym oprogramowaniem (fot. 12), które w czasie rzeczywistym zapi Fot. 10. Śmigłowiec z zamontowanym układem optycznym systemu ALMA [5] Fot. 11. Moduł elektroniczny systemu ALMA [5] Fot. 12. Komputer operatora systemu ALMA [5] styczeń - marzec 1 / 2015 [12]

4 Paliwa i Energetyka styczeń - marzec 1 / 2015 [12] 31

5 Fot. 13. Dodatkowy monitor pilota [5] suje dane, a poprzez moduł GPS precyzyjnie określa czas i pozycję śmigłowca oraz kamerę, która rejestruje obraz badanego terenu. System ten w momencie wykrycia podwyższonego stężenia metanu generuje alarm. Jednocześnie zapisywane są dane dotyczące lokalizacji, czasu, dokładne współrzędne, stężenie metanu oraz zdjęcia miejsc, w których to podwyższone stężenie wystąpiło. W celu zwiększenia kontroli lotu wzdłuż badanych gazociągów pilot śmigłowca jest wyposażony w dodatkowy monitor, który jest montowany do konsoli sterowniczej pilota. Kontrole gazociągów przy użyciu tego systemu w GAZ-SYSTEM S.A. były prowadzone już w 2007 r. [5]. Ogólna ocena systemu ALMA jest pozytywna. Urządzenie daje powtarzalne i wiarygodne wyniki. Możliwe jest wykrywanie nawet niewielkich emisji gazu. Konieczne jest jednak odpowiednie pozycjonowanie urządzenia poprzez odpowiedni tor lotu śmigłowca, by możliwe było natrafienie na potencjalne uchodzenie gazu. W ramach przedmiotowej oceny przeprowadzono kontrolę szczelności 60 wybranych ZZU, na których: wykonano pomiary emisji metanu przy użyciu Hi Flow Samplera z uwzględnieniem wszystkich nieszczelnych elementów, w tym połączeń spawanych; przeprowadzono ocenę stopnia zróżnicowania wielkości emisji metanu dla przebadanych ZZU i wyznaczono współczynniki emisji, grup ZZU; wykonano ocenę wpływu emisji z ZZU na całkowitą wielkość emisji z dwóch wskazanych przez zleceniodawcę odcinków gazociągów; poddano analizie dotychczasowe współczynniki emisji i sposób szacowania emisji dla gazociągów; podano rekomendowany przez INiG-PIB algorytm szacowania wielkości emisji metanu z zastosowaniem otrzymanych w pracy współczynników emisji z ZZU; przeanalizowano możliwość zmniejszenia strat gazu poprzez ograniczenie emisji metanu z ZZU. Przy szacowaniu wielkości emisji metanu wzięto pod uwagę takie elementy charakterystyki, jak posadowienie zespołu zaporowo-upustowego, typ zespołu, ciśnienie robocze lub maksymalne, wielkość zespołu (ilości kurków, zasuw, manometrów itp.). Rozwiązaniem, które pozwoli na uzyskanie widocznych efektów już w pierwszym roku, jest zwiększenie częstotliwości kontroli szczelności oraz sukcesywne usuwanie występujących uchodzeń. Podsumowanie Wykrywanie nieszczelności na gazociągach jest niezwykle istotnym procesem i częścią zadań eksploatacyjnych opisanych w Systemie Eksploatacji Sieci Przesyłowej GAZ-SYSTEM S.A. Równie istotna jest kontrola gazociągów, na których nie dochodzi do uchodzenia gazu. Dzięki badaniom, takim jak np. diagnostyka przy użyciu tłoków pomiarowych, istnieje możliwość do utrzymywania sieci przesyłowej w prawidłowej kondycji, eliminując miejsca potencjalnych zagrożeń. Przyszłość kontroli części liniowej gazociągów przesyłowych prawdopodobnie będzie kierowała się w stronę integracji różnych metod badawczych. Przykładem takiego rozwiązania mogą być systemy detekcji metanu, wykorzystujące samoloty bezzałogowe, w połączeniu z kamerami termowizyjnymi. Rys. 1. Trajektoria lotu śmigłowca pozwalająca na detekcję uchodzenia gazu [5] Ocena wielkości emisji i możliwości zmniejszenia emisji gazu ziemnego z zespołów zaporowo-upustowych (ZZU) W 2014 r. GAZ-SYSTEM S.A przy współudziale Instytutu Nafty i Gazu [6] prowadził prace badawcze mające na celu oszacowanie emisji lotnej z zespołów zaporowo-upustowych (ZZU) oraz ocenę jej wpływu na wielkość emisji metanu z gazociągów przesyłowych. Ten typ uchodzenia, związany z wyciekami gazu poprzez poszczególne elementy systemu, jest uznawany za zjawisko o charakterze stałym w czasie usuwane są nieszczelności, jednak w ich miejsce pojawiają się kolejne. Literatura [1] Materiał własny GAZ-SYSTEM S.A. [2] [3] [4] Weryfikacja możliwości zastosowania ręcznego zdalnego detektora wycieków metanu do kontroli szczelności sieci przesyłowej gazu ziemnego. Instytut Nafty i Gazu. Warszawa [5] Zdalne wykrywanie nieszczelności gazociągów przy użyciu systemu ALMA, dr inż. Krystian Liszka, wiadomosci/zdalne-wykrywanie-nieszczelnosci-gazociagowprzy-uzyciu-systemu-alma,-4515_1_0_0_0_3.html [6] Ocena wielkości emisji i możliwości zmniejszenia emisji gazu ziemnego z zespołów zaporowo-upustowych (ZZU) występujących w systemie przesyłowym GAZ-SYSTEM S.A., Instytut Nafty i Gazu, Kraków styczeń - marzec 1 / 2015 [12]