XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Определение эффективности БПЛА при поиске незаконных врезок в нефтепроводах
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Проблема несанкционированных подключений к нефтепроводам.
На данный момент несанкционированные подключения к нефтепроводу - огромная проблема в нефтегазовой отрасли. Для решения и профилактики этой проблемы используют различные методы
В поиске и устранении заинтересованы в первую очередь снабжающие и транспортные компании. Но сегодня для этих целей все чаще привлекаются подрядные организации, которые специализируются на оказании подобных услуг.
Условно, в зависимости от расхода вытекающих нефти и нефтепродуктов, различают утечки крупные и мелкие. К крупным относят утечки величиной более 10 м3/ч, а к мелким — от 2 до 600 л/ч. Утечки величиной от 600 л/ч до 10 м3/ч практически не наблюдаются. Утечки с расходом менее 50 л/ч не наносят большого ущерба, так как мелкие дефекты в теле трубы постепенно забиваются парафином, песком и другими механическими частицами.
Появление малых утечек не приводит к видимым изменениям режима перекачки, поэтому зафиксировать их значительно сложнее. Это приводит к тому, что суммарное количество вытекшей нефти (нефтепродукта или газа) от момента разгерметизации трубы до обнаружения малой утечки может оказаться существенно больше, чем при крупной аварии.
Основные методы диагностики малых утечек делятся на патрульные и дистанционные. К патрульным относятся методы, предусматривающие периодическое перемещение средств диагностики утечек вдоль трассы трубопроводов:
Визуальный метод заключается в обнаружении мест утечек в ходе осмотра трассы обходчиками или при её патрулировании с использованием автотранспорта, авиации и др. средств.
Тепловизионный метод эффектен при использовании аппаратуры, устанавливаемой на вертолете.
Газоанализаторный метод используется в том случае, когда по трубопроводу перекачиваются легкие продукты, имеющие достаточно высокую летучесть.
Радиоактивный метод представляет определенную опасность для обслуживающего персонала и небезопасен с экологической точки зрения, но позволяет точно определять места малых утечек.
Метод акустической эмиссии использует эффект образования упругих волн, излучаемых при нагружении трубопровода давлением, который регистрируется высокочувствительными пьезоэлектрическими датчиками, расположенными на контролируемом участке трубопровода.
Метод прослушивания шумов течи с поверхности грунта предусматривает использование переносных приборов и передвижных установок для акустического контроля линейной части трубопроводов.
Метод контроля малых утечек по запаху применяется за рубежом. Способ экзотический, с использованием специально обученных собак-лабрадоров, которые в 98 случаях из 100 распознают "свой" запах.
Значительно облегчает патрулирование применение приборов, вводимых в поток перекачиваемого по трубопроводу продукта. Наиболее эффективны ультразвуковые течеискатели, фиксирующие при своем движении по трубе места аномально высоких шумов, характерных для утечки.
Одним из основных недостатков всех патрульных методов является периодичность контроля за наличием малых утечек и невозможность быстрой доставки патрульной бригады из-за удаленности и труднодоступности территорий. Поэтому в помощь патрульным методам пришли дистанционные методы слежения и локализации утечек на нефтепроводе.
Процесс обнаружения врезки является достаточно сложным и трудоемким, так как инженерные сети могут иметь большую протяженность и располагаться в сложных условиях. Поэтому чаще всего участие человека в поиске незаконных подключений невозможно. Мы же предлагаем использовать БПЛА для поиска врезок без участия человека.
Актуальность работы. Представленная работа связана с анализом применимости цифровых технологий. Цифровые технологии – это технологии систем обработки данных в цифровом формате, применение которых ведет к существенному изменениям существующих рынков, а также к появлению новых. Цифровые технологии – это логичное продолжение информационных технологий.
Технологии Индустрии 4.0 очень важны для нефтегазовой отрасли: они помогают нам эффективно выполнять наши задачи и при этом поддерживать максимальный уровень безопасности.
В работе затрагивается проблема незаконных врезок нефтепровода. Необходимо изучить эту проблему и возможность применения цифровых технологий, БПЛА для её решения, также узнать о дополнительных способах, которые помогут в поиске врезки. Сотрудничество с Югорским Государственным Университетом дает возможность получить некоторые данные для решения поставленных задач и с учетом современных возможностей технологии Индустрии 4.0, решить непростую задачу обнаружить в удаленных и труднодоступных местах разлив нефти и незаконные подключения к нефтепроводу.
Предположим, что по результатам инспекции на неком нефтеперерабатывающем предприятии вблизи точки добычи, и на удаленном хранилище выяснилось, что имеется существенная недостача (т.е. с перерабатывающего предприятия отправляется нефтепродуктов больше, чем поступает в хранилище). Спутниковый мониторинг помог выяснить, что утечек в окружающую среду не имеется, значит единственным вариантом такого развития событий может быть врезка – т.е. незаконное подключение к трубопроводу и хищение нефтепродуктов.
Цель и задачи проекта.
Основная цель проекта – определение эффективности использования беспилотных летающих аппаратов (БПЛА) при поиске незаконных врезок в нефтепроводах.
Задачи:
Изучить возможности БПЛА для решения проблемы несанкционированных врезок нефтепровода.
Рассчитать максимальный путь, который дрон может пролететь со скоростью 10 км/ч на 1 батарее,
Вычислить количество необходимых батарей питания.
Разработать предложения для сокращения потерь нефти (нефтепродуктов) при авариях, возникающих от незаконных врезок.
Изучение характеристик БПЛА.
Технологии БПЛА все чаще используются в различных областях. Предлагаем эксплуатировать БПЛА и в нефтегазовой отрасли. Для этого изучим их характеристики и возможности.
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) - летательные аппараты без экипажа на борту, который управляется дистанционно.
В наше время существует огромный выбор между дронами, они могут различаться размерами, видом, грузоподъёмностью и др. характеристиками. В основном БПЛА разделяют на самолетный и вертолетный типы. Беспилотники самолетного типа имеют крылья и двигатель. Второй тип отличается тем, что у них есть винты, он более популярен, т.к. модели вертолетного типа могут зависать на месте, имеют возможность регулировать скорость.
Большинство дронов сейчас имеют камеры, которые помогают им в решении задач. На БПЛА используются следующие типы камер: широкоугольные, подвесные, сферические. В некоторых моментах эти камеры похожи друг на друга, но есть и большие различия, которые требуют детального рассмотрения каждого вида по отдельности.
Фото 1. БПЛА с камерой. Фото 2. Камера, установленная на БПЛА.
Беспилотники активно используются не только в нефтегазовой отрасли, но и в других областях, например, в сельском хозяйстве, на съёмках фильмов, в строительстве и во многих других хозяйственных сферах человека.
Преимущество дрона в том, что он многофункционален и может выполнять различные задачи: съёмка, составление плана местности. Другие немало важные плюсы использования дронов: относительно небольшая стоимость работ, короткие сроки подготовки и проведения полетов, минимализация человеческого труда.
С помощью дронов можно построить ортофотоплан и 3D модели местности, выполнять первичную разведку местности, инспектирование существующих объектов, экологический мониторинг, работу во время ЧП, охранные функции.
Использование БПЛА не рекомендуется при плохих погодных условиях, а именно: очень сильный ветер, ураганный ветер, шквал, смерч, сильный ливень, очень сильный дождь (очень сильный дождь со снегом, очень сильный мокрый снег, очень сильный снег с дождем), очень сильный снег, продолжительный сильный дождь, крупный град, сильная метель, сильная пыльная(песчаная) буря, сильный туман (сильная мгла), сильный мороз, аномально-холодная погода, сильная жара, аномально - жаркая погода.
Фото 3. Схема БПЛА Фото 4. Конструкция БПЛА.
При увеличении температуры возрастает электрохимическая активность аккумулятора, а при понижении падает. Поэтому по мере повышения температуры окружающей среды емкость аккумулятора увеличивается, а при понижении температуры становится меньше.
Фото 5. Аккумуляторная батарея на БПЛА.
График 1. Влияние температуры воздуха на параметры аккумуляторных батарей.
Следует учитывать, что у дрона есть своя грузоподъёмность, т.е. если общая масса батарей будет превосходить грузоподъёмность дрона, то, скорее всего он не сможет взлететь. Также, вес груза, батарей БПЛА влияет на маневренность беспилотника и его скорость.
Таблица 1.
Характеристики БПЛА в зависимости от характера инспекции.
Для проведения не больших инспекций, которые составляют примерно 50 км, предлагаем использовать БПЛА с такими характеристиками:
-грузоподъёмность не менее 15 кг,
- время полета как минимум 12 часов.
А БПЛА, которые должны будут использоваться для более протяженных и серьёзных инспекций, имеют характеристики:
- грузоподъёмность равная 70 км и более,
- минимальный путь 50 км,
- летать он может более нескольких суток.
Мы предлагаем эксплуатировать военные БПЛА, их преимущество:
- в высокой грузоподъёмности;
- возможность полета на дальние расстояния без подзарядки.
- БПЛА, обладающие военными характеристиками, подойдут и на большие, и на малые инспекции.
БПЛА, необходимые для инспекций на трубно доступных удаленных территориях, могут оснащены могут быть оснащены: камерами, различными датчиками, камерами ночного виденья и дополнительной защитой от неблагоприятных погодных условий. Также необходимо помнить, что на арктических территориях большой температурный разбег, который составлять до 90 градусов по Цельсию. То есть, температурный диапазон этого беспилотника должен бать от -50°С до +40°С.
Изучив характеристики БПЛА, их преимущества, перейдем к расчетной части, в которой нам необходимо определить максимальный путь полета дрона при определенных условиях и рассчитать количество батарей для проведения одной инспекции, чтобы найти незаконную врезку.
Расчет максимального пути полета дрона.
Максимальный путь, который дрон может пролететь на 1 батарее будем считать по формуле:
Где: S – максимальная дистанция полета дрона, Vдр – собственная скорость дрона, T – температура окружающей среды, E – емкость батареи, Vдр – скорость ветра, λ – температурный коэффициент эффективности батареи (представлен в таблице 2). Предположительный план местности с обозначением трубопровода и дороги показан на рисунке 1.
Рисунок 1. План местности.
Таблица 2. Температурный коэффициент эффективности батареи.
По результатам инспекции на нефтеперерабатывающем предприятии вблизи точки добычи, и на удаленном хранилище выяснилось, что имеется существенная недостача (т.е. с перерабатывающего предприятия отправляется нефтепродуктов больше, чем поступает в хранилище). Спутниковый мониторинг помог выяснить, что утечек в окружающую среду не имеется, значит единственным вариантом такого развития событий может быть врезка – т.е. незаконное подключение к трубопроводу и хищение нефтепродуктов.
Обнаружить ее поручили нам. Для обнаружения предлагается использовать беспилотный летательный аппарат. Максимальный путь, который дрон может пролететь на 1 батарее, равен:
Где: S – максимальная дистанция полета дрона, Vдр – собственная скорость дрона, T – температура окружающей среды, E – емкость батареи, Vдр – скорость ветра, λ – температурный коэффициент эффективности батареи (представлен в таблице 1). План местности с обозначением трубопровода и дороги показан на схеме 1.
Схема 1. План местности.
Из какой точки оптимально стартовать? (считать, что передвигаться по дороге можно сколько угодно, стоимость горючего не учитывается). Ответ обосновать.
Сколько батарей, емкостью 20 А/ч, нужно взять для проведения инспекции за 1 раз, если температура воздуха 0 C°, а максимальная скорость движения для проведения съемки не более 20км/ч?
Какие дополнительные способы поиска врезки можно использовать?
Методом элементарных физико-математических вычислений определяем из какой точки стартовать, сколько батарей, емкостью 20 А/ч, нужно взять для проведения инспекции за 1 раз, если температура воздуха 0 C°, а максимальная скорость движения для проведения съемки не более 20км/ч. Используя таблицу переводов физических величин получаем исходные значения.
Где: S-максимальная дистанция полета дрона, Vдр-собственная скорость дрона, T-температура окружающей среды, Е-емкость батареи, Vвет-скорость ветра, λ - температурный коэффициент эффективности батареи.
Т=0⁰С, но в расчетах 0 будет вызывать затруднения, поэтому мы будем использовать1⁰С
λ=0,05км/ч
Е=20А/ч
Vдр 20км/ч, пусть Vдр =10км/ч
Vвет=2м/с=0,72км/ч
Т.е. максимальный путь, который дрон может пролететь со скоростью 10км/ч на 1 батарее, равен 1,39 км, но в расчет не принималось влияние ветра.
Путь на базу идет по направлению ветра, значит, скорость дрона увеличивается на 2 м/с.
Т.е. максимальный путь, который дрон может пролететь со скоростью 10км/ч по направлению ветра (+2 м/с) на 1 батарее, равен 2,39 км.
Другой отрезок пути будет дрон будет лететь против ветра, скорость уменьшается на 2 м/с.
Т.е. максимальный путь, который дрон может пролететь со скоростью 10км/ч против ветра (-2 м/с) на 1 батарее, равен 0,39 км.
Расчет количества необходимых батарей.
Чтобы вычислить количество батарей для проведения одной инспекции нам необходимо найти наиболее эффективную точку для старта и траекторию полета. Предлагается начать полет на территории базы. Чтобы обнаружить врезку, дрону нужно пролететь по всей длине трубопровода. Кроме этого, в расчет стоит принимать полет к началу трубопровода и возвращению дрона назад, на базу, т.к. при выполнении этих действий уменьшается энергия батарей. Лишние движения в полете дрона не нужны. Ниже представлены два наиболее оптимальных варианта полета.
Схема 2. План местности.
Весь путь дрона с базы и назад=14 км. При полете по направлению ветра скорость дрона увеличивается на 0,72 км/ч. Есть 2 варианта полета. 1-по маршруту АВСА. 2-АСВА. При полете по направлению ветра происходит экономия батареи. При первом варианте путь по направлению ветра=6,5 км, а во втором варианте=5 км, значит более экономный вариант-1, когда 7,5 км=путь с базы (синий), 6,5 км=путь на базу (красный).
Схема 3. Путь дрона.
Нам необходимо вычислить количество батарей, которые нужно взять для проведения инспекции за 1 раз.
Где: N-количество батарей, S-максимальный путь, который дрон может преодолеть на 1 батарее, S п-длина участка пути, на который нужно вычислить кол-во батарей для 1 инспекции.
S=0,39 км (против направления ветра)
S1=2,39 км (по направлению ветра)
Sп=7,5 км
Sп1=6,5 км
N и N1-это количество батареек необходимых для определенных участков полета дрона, чтобы вычислить общее количество батарей нам необходимо сложить Nи N1.
Получается, что для проведения 1 инспекции нам понадобиться 22 батареи. Эти результаты указывают на то что, использовать БПЛА вертолетного типа не всегда эффективно на протяженных трубопроводных магистралях. Вероятно такой тип БПЛА будет эффективен на коротких промысловых трубопроводных системах. Но не стоит отчаиваться, в Ямало-Ненецком АО достаточно широко используется в подразделениях МЧС, Охраны биоресурсов БПЛА самолетного типа «Орлан», последние модификации которого могут преодолевать расстояния до 100 км в -50С. И все же, при сильных вьюгах, которые могут продолжаться несколько суток любой БПЛА может оказаться бесполезным. Нужны другие способы мониторинга трубопроводных систем.
Предложения по сокращению потерь нефтепродуктов, возникающих от незаконных врезок.
Установить на определенном расстоянии друг от друга запорную арматуру на нефтепроводе, которая будут снабжена датчиками фиксации и передачи данных давления на пункт управления. По падению давления можно отследить порыв трубопровода или незаконную врезку.
Фото 6. Узел запорной арматуры на нефтепроводе.
Фото 7. Незаконная врезка на нефтепроводе.
Преимущества :
- Возможна эксплуатация при низких и высоких температурах.
- Использование на трубах различных диаметров.
- Долговечность.
- Простота конструкции
Недостатки:
- Не всегда можно определить незаконную врезку по давлению в трубах.
По периметру протяжки нефтепровода установить видеокамеры дальнего видения, с дальнейшим переводом отснятого материала на пульт управления и для принятия мер реагирования.
Схема 4. Расположение видеокамер дальнего видения на труднодоступных удаленных территориях.
Видеокамеры дальнего видения позволят в ясную погоду визуализировать нефтепровод на расстоянии до 4 км. Вдоль ветки нефтепровода, на расстоянии до 8 км, необходимо установить вышки высотой до 25-30 метров оснащённые видеокамерами дальнего видения. Видеокамеры ведут съемку подконтрольных участков в режиме реального времени и с помощью спутниковой связи передают отснятый материал в центр сбора и принятия ответственных решений о состоянии нефтепроводов.
Это позволит контролировать удаленные, труднодоступные участки нефтепроводов на предмет незаконных врезок и аварийных ситуаций, связанных с порывами и утечками на ветках сети.
Фото 8. Видеокамеры дальнего виденья.
Этот вид наблюдения за состоянием нефтепровода и подключением незаконных врезок имеет ряд преимуществ и недостатков.
Преимущества:
-Можно отслеживать незаконные врезки и неполадки на территории тундры без участия людей.
-Автоматическая обработка данных.
Недостатки:
- Электрооборудование и видеорегистратор должны удовлетворять заданным температурным режимам.
- Бесполезность при отсутствии связи.
- Снижение зоны видимости в плохую погоду.
Выводы проекту:
Анализ возможностей БПЛА показал, что современные квадрокоптеры в неблагоприятных погодных условиях, в том числе в условиях Крайнего Севера имеют ограниченные возможности, Преимущество дрона в том, что он многофункционален и может выполнять различные задачи: съёмка, составление плана местности. Другие немало важные плюсы использования дронов: относительно небольшая стоимость работ, короткие сроки подготовки и проведения полетов, минимизация человеческого труда.
Современные квадрокоптеры в неблагоприятных погодных условиях, в том числе в условиях Крайнего Севера имеют ограниченные возможности, максимальный путь, который дрон может пролететь со скоростью 10км/ч на 1 батарее 1,39 км.
В результате расчетов определили количество батарей необходимых для проведения одной инспекции на произвольно выбранном аэрофотоплане. Количество батарей с учетом направления ветра и температуры составило 22 шт.
Более эффективным для мониторинга протяженных труботранспортных систем может оказаться БПЛА самолетного типа «Орлан», последние модификации которого могут преодолевать расстояния до 100 км в -50С. И все же, при сильной пурге, которая может продолжаться несколько суток любой БПЛА может оказаться бесполезным.
Для сокращения потерь нефти мы предлагаем установить на определенном расстоянии друг от друга запорную арматуру на нефтепроводе, которая будут снабжена датчиками фиксации и передачи данных давления на пункт управления, а также по периметру протяжки нефтепровода установить видеокамеры дальнего видения. Это позволит контролировать удаленные, труднодоступные участки нефтепроводов на предмет незаконных врезок и аварийных ситуаций, связанных с порывами и утечками на ветках сети.
Список литературы и источников информации:
Какие камеры устанавливают на квадрокоптеры? https://muizre.ru/load/12-1-0-4308
Время летать. Беспилотные летательные аппараты в нефтяной отрасли, журнал «Сибирская нефть» — №163 (июль-август 2019) https://www.gazprom-neft.ru/press-center/sibneft-online/archive/2019-july-august/3406691/
Влияние температуры на работу аккумуляторной батареи. https://akkmir.ru/articles/vliyanie_temperatury_na_rabotu_akkumulyatornoy_batarei
Температура Как влияет температура на аккумулятор? https://craftmann.ru/articles/battery/parameters/temperature.html
Создание ортофотопланов https://sovzond.ru/services/fotogrammetriya/ortophotoplan/
Ортофотоплан http://wikiredia.ru/wiki/%D0%9E%D1%80%D1%82%D0%BE%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BD
Аварийные разливы нефти: средства локализации и методы ликвидации http://secuteck.ru/articles2/prom_sec/avariynie_razlivihttps://meteoinfo.ru/hazards-definitions
Поиск врезок https://rusgeoradar.ru/service/vrezok/
Приложение I.
Фото 1. БПЛА с камерой.
Фото 2. Камера, установленная на БПЛА.
Фото 3. Схема БПЛА.
Фото 4. Конструкция БПЛА.
Фото 5. Аккумуляторная батарея на БПЛА.
График 1. Влияние температуры воздуха на параметры аккумуляторных батарей.
Таблица 1.
Характеристики БПЛА в зависимости от характера инспекции
|
Грузоподъёмность |
Протяженность пути |
Диапазон эксплуатационных температур |
Устойчивость к ветру |
Полет в отсутствии связи |
Максимальная скорость полета |
Продолжительность времени полета |
Технические дополнения |
Емкость 1 батареи |
|
|
Малые инспекции |
~50 км |
-50°С..+60°С |
До 15 м/с |
возможен |
12 часов |
Камера, датчики, камеры ночного виденья, дополнительная защита |
|||
|
Большие инспекции |
кг |
суток |
Рисунок 1. План местности.
Таблица 2.
Температурный коэффициент эффективности батареи.
Схема 1. План местности.
Схема 2. План местности.
Схема 3. Путь дрона.
Фото 6. Узел запорной арматуры на нефтепроводе.
Фото 7. Незаконная врезка на нефтепроводе.
Схема 4. Расположение видеокамер дальнего видения на труднодоступных удаленных территориях.
Фото 8. Видеокамеры дальнего виденья.