سیستم تشخیص نشتی برا اساس روش E-RTTM

۱۴۰۱/۱۱/۱۸ 18:41

مقدمه

با توجه به تغییرات سالهای اخیر و جایگزینی تدریجی سوخت های فسیلی با منابع تجدیدپذیر، بحث انتقال گازها و مایعات جدیدی مانند هیدروژن و دی اکسید کربن روز به روز پررنگ تر می شود. بر این اساس، سیستم های تشخیص نشتی خطوط انتقال حاوی سیالات نیز باید متناسب با این تغییرات بتوانند وظیفه خود را به درستی انجام دهد و با الزامات جدیدتری تطابق پیدا کنند.

در حال حاضر، در برخی از خطوط انتقال، تنها هیدروژن جابه جا می شود، در حالی که در خطوط دیگر ممکن است ترکیبی از هیدروژن و گاز طبیعی منتقل شود. در سیستم های جاذب کربن، دی اکسید کربن پس از جذب، توسط خطوط انتقالی به صنایع یا مخازن نگهداری انتقال خواهد یافت. فاز انتقال این مواد، می تواند گاز، مایع یا حالت فرابحرانی (Supercritical State) باشد. در نتیجه سیستم های تشخیص نشتی باید بتوانند در فازها و مخلوط های مختلف به درستی عمل کنند. عدم تشخیص نشتی در این حالات مشکلی است که در سیستم های کلاسیک، اغلب وجود دارد.

سیستم هایی که برای تشخیص نشتی از موج فشار منفی (Negative Pressure Wave) استفاده می کنند، به دلیل میرایی این امواج ممکن است به درستی عمل نکنند. از مهمترین دلایلی که منجر به ناموفق بودن سیستم های تشخیص نشتی کلاسیک می شوند، بحث تراکم پذیر بودن گازها و تغییرات در خطوط می باشد. دلایلی که می تواند منجر به زمان تشخیص طولانی تر و یا آستانه حساسیت بالاتر گردند. این مشکلات می تواند نهایتاً باعث حساسیت کمتر به وقوع نشتی و یا در بدترین حالت ایجاد هشدار های کاذب شوند.

یکی از کاربردهای معمول سیستم های تشخیص نشتی Real-Time Transit Mode یا RTTM ، امکان استفاده از آن در خطوط انتقال سیالات ترکیبی یا سیالات شامل فازهای مختلف است. با این وجود، اگر نتوان سیال درون لوله را به طور دقیق مدل و شبیه سازی نمود، نتایج نادرست حاصل خواهد شد. از سوی دیگر، شرایط عملیاتی پیش بینی نشده نیز می تواند منجر به هشدار های کاذب گردد. فناوری جدیدتر E-RTTM (Extended Real-Time Transit Model) برای رفع این مشکلات توسعه یافته است. در بخش بعدی به توصیف اجمالی این روش می پردازیم.

اصول روش E-RTTM

E-RTTM یکی از فناوری های پیشرو برای پایش مداوم داخلی خطوط لوله است. این فناوری توسط KROHNE، یکی از سازندگان تجهیزات اندازه گیری و تامین کننده سیستم های صنعتی خطوط انتقال، توسعه یافته است.

روش معرفی شده در این مقاله بر اساس سیستم تشخیص نشتی Pipe Patrol شرکت مذکور شرح داده می شود. سیستم پایپ پترول با حدود 35 سال سابقه به کارگیری و بیش از 430 مورد نصب، صحت عملکرد خود را در تشخیص نشتی خطوط انتقالی مایعات و گاز ها (شامل گاز های مایع شده و سیالات فوق بحرانی)، به درستی ثابت کرده و تمام الزامات TRFL و API RO 1130 را برآورده می کند. به علاوه، الزامات جدید منتشر شده در API 1175 نیز در این فناوری رعایت می شود.

در کنار ترکیب خط لوله شبیه سازی شده عمودی که با الگوی تشخیص نشتی کار می کند، این روش از رویکرد افقی بر اساس روشهای مختلف مندرج در API 1130 نیز استفاده می کند.

سیستم تشخیص نشتی برا اساس روش E-RTTM تصویر 1 – روش تشخیص نشتی E-RTTM

در این روش، برای کشف نشتی خطوط لوله از یک الگوی تشخیص و تجزیه و تحلیل داده های دریافتی از حسگر های نصب شده، استفاده می شود.

بر این اساس، با ایجاد مدل شبیه سازی شده از خط لوله و تجزیه و تحلیل داده های اندازه گیری شده ی حسگر ها، نشتی موجود در خطوط کشف می گردد. مقادیر اندازه گیری شده از حسگر ها شامل جریان سیال، دما و فشار آن بوده که در ورودی و خروجی خط لوله و نقاطی مانند محل نصب پمپ ها و شیر ها، خوانده می شوند. با تجزیه و تحلیل این مقادیر، جریان، فشار، دما و چگالی در هر نقطه خط لوله مدل شده محاسبه می شود.

با مقایسه مقادیر اندازه گیری شده و محاسبه شده می توان در صورت وجود، به اختلاف بین آنها پی برد. بنابراین اگر اختلاف جریانی تشخیص داده شود، ماژول یا واحد تجزیه و تحلیل سیستم، علت اصلی این اختلاف را تعیین می کند. اختلاف احتمالی می تواند به دلایلی مانند خطای اندازه گیری، نشت خفیف و یا حتی نشتی شدید در خط لوله باشد.

به دلیل وجود تحلیل تطابقی (Signature Analysis) در E-RTTM، این روش دقت بسیار بالاتری نسبت به RTTM از خود نشان می دهد. بنابراین، در استفاده از این سیستم برای کشف نشتی خطوط لوله انتقالی، حساسیت به مراتب کمتری نسبت به ماهیت سیال یا ترکیبات مختلف عبوری خواهد داشت. (به عنوان مثال ترکیبات هیدروژن)

در پایپ پترول، از RTTM تنها برای فیلتر استفاده شده و نشتی نهایتاً به وسیله الگوهای شناسایی کشف می گردد. با مقایسه همزمان نتایج اندازه گیری شده توسط حسگرها با نمودارهای تطابقی، درجه بالایی از حساسیت در کشف نشتی به دست می آید. مقایسه مقادیر اندازه گیری شده و نمودار های تطبیقی از این جهت اهمیت دارد که می تواند دقت سیستم و جلوگیری از هشدارهای اشتباه را به همراه داشته باشد.

از دیگر مزایای E-RTTM می توان به امکان کنترل نشتی در شرایط گذار سیال درون خط لوله، اشاره نمود که توسط دیگر سیستم های کشف داخلی با پیچیدگی کمتر، تشخیص داده نمی شوند. این سیستم ذاتاً با مقادیر اندازه گیری شده پویا کار می کند که علیرغم افزایش دشواری در کارکرد سیستم، آن را از دقت مطلق خطوط شبیه سازی شده، مستقل می نماید. بر این اساس، سیستم می تواند به سرعت و خودکار با تغییرات عملیاتی احتمالی مانند خرابی حسگر ها، تجهیزات ارتباطی، بسته شدن شیر ها یا تغییر سیال درون خطوط، سازگار شود. در ادامه به برخی نمونه هایی که این سیستم در آنها به کار رفته است، اشاره می گردد.

کمترین مقدار نرخ نشتی قابل تشخیص معمولاً 0.5٪ و کمتر است. زمان تشخیص نشت در چند ثانیه و تأیید آن در عرض چند دقیقه خواهد بود. از سوی دیگر، به دلیل بهینه سازی های صورت گرفته، تعداد هشدارهای کاذب بسیار پایین است.

با توجه به فرآیند تشخیص بر مبنای الگوهای مشخص، کوچکترین نشتی ها با دقت بسیار بالایی کشف خواهند شد. همچنین، اطلاعات کافی در خصوص مقدار نشتی های احتمالی، به صورت آمار مشخص تعیین شده و مکان های دقیق وقوع با روش تقاطع گرادیان و موج فشار منفی گسترده به خوبی مشخص می گردند. (Gradient Intersection Method and Extended - Negative Pressure Wave Method)

نصب شماره 1: سیستم کشف نشتی در خطوط انتقال هیدروژن

سیستم کشف نشتی در یک پروژه خطوط انتقال هیدروژن مستقر در کشور آلمان نصب شد که اولین نیروگاه نمایشی در جهان برای ذخیره هیدروژن تولیدی توسط انرژی باد و انتقال آن به شبکه گاز طبیعی بود. در این نیروگاه از برق بادی برای الکترولیز و تولید حدود 360 متر مکعب در ساعت هیدروژن استفاده شده و سپس از طریق یک خط لوله 1.6 کیلومتری به شبکه گاز تزریق می شد.

در تمام طول خط لوله، آزمایش نشتی توسط شرکت شخص ثالث TÜV انجام گشته که نهایتاً منجر به هشدار نشتی از پایپ پترول گردید. از زمان شروع بهره برداری، پروژه مذکور بیش از 10 میلیون کیلووات ساعت هیدروژن را به شبکه گاز تزریق کرده است.

نصب شماره 2: سیستم کشف نشتی در سیستم های جاذب کربن (CCS)

نمونه ی دیگری از نصب این سیستم در استرالیای غربی انجام گرفت. میدان گازی گورگون حاوی حدود 14 درصد دی اکسید کربن طبیعی است. قبل از تبدیل گاز طبیعی به حالت مایع که با سرد کردن آن تا دمای 162- درجه سانتیگراد، انجام می پذیرد، طی فرآیندی دی اکسید کربن مخلوط در آن جدا می گردد. برای کاهش میزان انتشار این نوع گاز در محیط زیست، به جای تخلیه آن در جو، دی اکسید کربن جذب شده و به یک سازند ذخیره سازی، تزریق می شود.

این عمل توسط خط لوله ای زیرزمینی به طول 7 کیلومتر از کارخانه مایع سازی گاز طبیعی به چاه های تزریق دی اکسید کربن، انجام می گردد.

گاز دی اکسید کربن در فاز فرابحرانی و فشار های بالا منتقل می شود. خط لوله مذکور در زیر زمین و دارای قطر 300 میلی متر (معادل 12 اینچ) بوده و توسط سه کمپرسور، گاز به 9 چاه مستقل انتقال می یابد. یکی از نیازهای مهم در این عملیات، ایجاد سیستمی برای تشخیص نشتی خطوط لوله بوده که اطلاعات نشتی های محتمل را به موقع و با دقت مناسب به اپراتور های مسئول اعلام کند.

KROHNE سیستم تشخیص نشتی خود را مبتنی بر E-RTTM ارائه کرد. بر این اساس، داده های اندازه‌گیری شده جریان، فشار و دما در ورودی و خروجی خط لوله دریافت شده و سپس در خط شبیه سازی شده تجزیه و تحلیل می گردد. در نتیجه، سیستم با محاسبه جریان، فشار و دما در هر بخشی از خط لوله، از روش کشف نشتی RTTM استفاده می کند.

در صورتی که به هر دلیلی، جریان محاسبه شده، فشار و یا دما شروع به انحراف از مقدار واقعی اندازه گیری شده کند، الگوریتم اختصاصی سیستم (که برای جلوگیری از هشدار های کاذب طراحی شده)، بین اشتباه حسگر و نشتی واقعی، تمایز ایجاد می کند. با توجه به شرایط خاص این پروژه، مانند خواص فیزیکی حرارتی خاص دی اکسید کربن در فاز فرا بحرانی و اندازه‌گیری‌های جریان انجام شده توسط صفحات روزنه‌ای با قابلیت برد محدود، نهایتاً پروژه با موفقیت پیاده سازی و اجرا شد.

سیستم تشخیص نشتی خط لوله مبتنی بر E-RTTM برای مدیریت ایمنی خط لوله انتقال دی اکسید کربن استفاده شده که در صورت نشتی اعم از خودبه خودی یا نشتی خفیف، هشدار های لازم به اپراتور ها داده می شود.

منبع: