ВОЛС.ЭКСПЕРТ

Все о волоконно-оптических линиях связи.

Войти Зарегистрироваться

Кабели-датчики для распределенного оптического мониторинга

Введение

К современным промышленным системам предъявляются все более жесткие требования. Они должны всегда надежно работать независимо от условий окружающей среды. Важным параметром становится наблюдаемость и управляемость. Оператор должен уметь обнаружить проблему, в том числе потенциальную, определить место ее появления и своевременно отреагировать, предпринимая необходимые меры для снижения временных и материальных затрат при аварийных ситуациях.

С помощью современных технологий возможно непрерывно, точно и в режиме реального времени обнаруживать малые изменения температуры, акустического фона и деформаций в любом месте промышленного объекта. Для этого на помощь приходят оптические кабели, которые традиционно применяются в телеком-отрасли для передачи информации. В зависимости от типа используемых устройств, подключаемых к оптическому кабелю, возможно обнаруживать различные события внешней среды на большом расстоянии (до нескольких десятков километров). Чувствительной средой при этом является оптическое волокно и огромное количество «виртуальных» сенсоров внутри него.

Использование оптического волокна в качестве сенсора – относительно новая тема. Первые проекты по сбору информации с оптического волокна датируются 80-ми годами прошлого века, а массовое промышленное применение началось в нефтегазовой отрасли в начале 2000-х, где волокно использовалось как температурный сенсор, а с 2010-х и как акустический. Несмотря на то, что технология признана эффективной, она используется далеко не повсеместно. Однако есть все признаки того, что в ближайшем будущем распределенный оптический мониторинг станет стандартом во многих отраслях промышленности.

Несомненным преимуществом распределенного мониторинга перед точечным (на основе брегговских решеток) является высокое пространственное разрешение (от долей метра до 10 метров) за счет использования светового импульса, посылаемого в оптическое волокно и анализа обратного рассеяния от этого импульса. Обратное рассеяние Рэлея, Бриллюэна и Рамана позволяет измерять акустику, деформацию и температуру, соответственно. В связи с этим, распределенный мониторинг позволяет заменить дорогостоящую и громоздкую систему сотен отдельных точечных датчиков на одно непрерывное решение.

Типы распределенного мониторинга

DAS (Distributed Acoustic Sensing) – это «виртуальные» микрофоны вдоль оптического волокна. Используется стандартное одномодовое волокно и рассеяние Рэлея, когда акустические колебания вызывают небольшие изменения показателя преломления, улавливаемые с помощью этого рассеяния. Волокно в буквальном смысле «слышит» события, происходящие в окружающей среде. Количество таких микрофонов – это комбинация пространственного разрешения, расстояния и длительности импульса. Современные системы могут работать на расстояниях до 80 км. Объединение нескольких приборов в единую сеть позволяет создавать тысячи километров линии мониторинга.

DTS (Distributed Temperature Sensing) – это «виртуальные» термометры вдоль оптического волокна. Диапазон расстояний для обычного одномодового волокна составляет до 100 км с пространственным разрешением от 1 до 5 метров и точностью измерения менее 1 градуса Цельсия, время измерения при этом составляет от 2 до 30 минут. Эти параметры являются взаимозависимыми. К примеру, чем больше время измерения, тем лучше пространственное разрешение и точность измерения и наоборот. Для измерения используется рассеяние Рамана, а точнее две его компоненты, одна из которых зависит от температуры, а другая не зависит. Температура определяется за счет измерения дельты этих двух компонент.

DSS (Distributed Strain Sensing) – это «виртуальные» тензодатчики вдоль оптического волокна. Используется стандартное одномодовое волокно и рассеяние Бриллюэна. Когда изменяется напряжение волокна происходит сдвиг частоты Бриллюэна, который может быть зафиксирован. При этом достигается пространственное разрешение около 1 метра на расстоянии до 65 км и регистрации напряжений менее 0,001%.

Распределенный оптический мониторинг в промышленности

Спектр применения мониторинга на основе оптического волокна постоянно растет.

Данная технология может использоваться:

  • В скважинах для контроля температуры при добыче нефти методом парогравитационного дренажа;
  • При геофизических исследованиях нефтеносных пластов;
  • Для охраны периметров в сфере безопасности (аэропорты, границы, трубопроводы);
  • Для контроля доступа в кабельную канализацию;
  • Для обнаружения утечек в трубопроводах (нефть, газ, вода, жилищно-коммунальное хозяйство) и различных резервуаров;
  • В системах пожарной безопасности в качестве пожарных извещателей;
  • В горно-шахтной отрасли, на железных дорогах, автомобильных дорогах для контроля подвижек грунтов;
  • В энергетике для локализации места удара молнии и КЗ, несанкционированного доступа на опору;
  • и т.д.

Практически в любой сфере промышленности, требующей контроля протяженного объекта, может использоваться оптический кабель в качестве датчика.

Этот эффект достигается за счет следующих преимуществ:

  • Небольшие размер и вес;
  • Высокая чувствительность к изменению параметров среды;
  • Возможность регистрации различных параметров;
  • Надежность;
  • Широкий диапазон измерений;
  • Относительная низкая цена за единицу длины измерительной линии;
  • Большое время эксплуатации;
  • Высокое пространственное разрешение;
  • Устойчивость к агрессивным средам и сложным погодным условиям эксплуатации;
  • Отсутствие восприимчивости к электромагнитному возмущению;
  • Кабель-датчик, не требует какого-либо подключения к линиям электропитания или дополнительным средствам связи и коммутации.

Аналитика показывает, что рынок таких проектов будет расти не менее, чем на 10% в год в обозримом будущем. Наиболее востребованы эти системы в Северной Америке. С точки зрения сферы применения наибольший потенциал имеет нефтегазовая отрасль. По типу мониторинга преобладает контроль температуры.

За последние 10 лет технология стала использоваться для мониторинга тысяч километров трубопроводов, тысяч нефтяных и газовых скважин и многого другого. Появляется множество решений, которые позволяют ускорить внедрение перспективной технологии в промышленности, приборы и кабели постоянно совершенствуются и становятся все более точными и доступными.

Все отрасли нуждаются в стандартах, которые помогают обеспечить функциональную совместимость. Несколько таких стандартов разработано и для распределенного оптического мониторинга.

К сожалению, российская промышленность пока значительно отстает от мировых темпов внедрения, несмотря на то, что на рынке присутствуют российские производители оборудования и кабелей-датчиков достаточно высокого уровня.

Элементы системы распределенного оптического мониторинга

Как любая сеть передачи данных, система распределенного оптического мониторинга состоит из активных элементов (регистрирующие приборы – интеррогаторы) и пассивных элементов (оптические кабели, шкафы, соединительные элементы и т. п.).  Их взаимодействие определяет работоспособность системы в целом. Дружелюбный интерфейс для пользователей-операторов – важный компонент системы. Современные системы используют нейросети для анализа накапливаемых статистических данных и значительного улучшения автоматизированного распознавания событий. На рис. 1 изображен пример решения для мониторинга магистрального трубопровода.

Мониторинг состояния магистрального трубопровода

рис. 1. Пример решения для мониторинга состояния магистрального трубопровода

Кабели-датчики

При выборе кабелей-датчиков следует учитывать следующие параметры:

  • компактная и прочная конструкция, позволяющая осуществить монтаж в заданных условиях эксплуатации (задувка в трубы, прокладка в земле, подвес)
  • конструкция должна обеспечивать максимальную чувствительность волокна к температурным, акустическим или деформационным воздействиям (в зависимости от условий применения)
  • применение различных вариантов конструкций по материалам и свойствам, учитывающие воздействие окружающей среды (агрессивные химические вещества, высокая или низкая температура, раздавливающие нагрузки и т.п.)
  • легкие конструкции, облегчающие монтаж.

Завод Инкаб разработал линейку специальных кабелей-датчиков, удовлетворяющих самым разнообразным требованиям и сферам применения.

1. Стальной оптический модуль

Конструкция:

  1. Оптическое волокно.
  2. Маркировочная нить.
  3. Гидрофобный гель.
  4. Одинарный, двойной или тройной стальной оптический модуль.

Представляет собой прочную трубку из нержавеющей стали, в которую помещено оптическое волокно.

Может применяться как самостоятельный кабель-датчик, так и выступать составным элементом различных кабелей.

Отличительной особенностью является возможность применения при температурах до 300 градусов или выше. Варианты изготовления двухслойной или трехслойной трубки позволяют значительно улучшить механические характеристики, особенно в части стойкости к раздавливающим усилиям. Данная конструкция находит применение в нефтегазовой отрасли.

2. Кабель-датчик универсальный (КДУ)

Кабель-датчик универсальный (КДУ)

Конструкция:

  1. Оптическое волокно.
  2. Стальной оптический модуль, заполненный гидрофобным гелем.
  3. Повив стальных проволок.
  4. Внешняя оболочка.

В данной конструкции на стальной оптический модуль накладывается броня из высокопрочных стальных проволок (опция) и внешняя оболочка из полимерного материала. В зависимости от условий применения оболочка может быть выполнена как из полиэтилена, так и из полипропилена, полиамида или фторполимеров.

Специально разработанный вариант с повышенной акустической чувствительностью находит применение для охраны периметра режимных объектов, мониторинга состояния ж/д путей и составов, обнаружения утечек и несанкционированного доступа вдоль трубопроводов.
На испытательном полигоне Завода Инкаб были проведены сравнительные испытания различных конструкций кабелей в разное время года (рис. 2) с помощью программно-аппаратного комплекса «Дунай» (анализатор DAS) от компании «Т8-Сенсор». Кабель был уложен в грунт и воздействие создавалось посредством падения грузов разной массы на разном удалении от кабеля. Падения грузов отчетливо видны на графиках в виде ярких точек. Причем данное воздействие фиксируется даже при падении грузов в снег с толщиной покрова порядка 50 см. Кабели имеют разную акустическую чувствительность и поэтому для систем мониторинга важно применять специально разработанные кабели с максимальной чувствительностью.

Рис. 2. Виброакустическая картина испытаний разных кабелей.

Высокая температурная чувствительность обеспечивает быстрое время реакции в системах пожарной безопасности и в горнодобывающей отрасли для контроля температуры роликов на конвейерах (рис. 3). Проведенные исследования показали работоспособность систем на основе DTS для раннего обнаружения перегрева таких роликов и их своевременной замены или ремонта. Кабель укладывается вдоль конвейера и должен быть достаточно защищенным от внешних механических воздействий, но при этом быстро реагировать на локальные изменения температуры. Кабель типа КДУ удовлетворяет этим требованиям.

3. Кабель-датчик грузонесущий (КДГ)

Кабель-датчик грузонесущий (КДГ)

Конструкция:

  1. Оптическое волокно.
  2. Стальной оптический модуль.
  3. Повив из стальных армирующих проволок.

Стальной оптический модуль бронирован одной или несколькими повивами стальных проволок. Возможно наложение дополнительной стальной трубки между повивами. Предназначен для температурного и акустического мониторинга нефтяных скважин с возможность работы в диапазоне температур до 300 градусов.

Наибольшее практическое применение кабели типа КДГ нашли в скважинах для контроля температуры при добыче нефти методом парогравитационного дренажа (SAGD) (рис. 4).
В добывающую скважину опускается кабель-датчик КДГ, а паронагнетательная скважина обеспечивает нагрев пласта добываемой нефти. При этом с помощью мониторинга температуры вдоль добывающей скважины определяется достаточность прогрева и возможность начала добычи нефти (рис. 5) 

Добыча нефти методом SAGD

Рис. 4. Добыча нефти методом SAGD

Рис. 5. Распределение температуры в кабеле типа КДГ вдоль скважины в различные моменты времени

4. Кабель-датчик грузонесущий с армированной оболочкой (КДГ-Оа)

Кабель-датчик грузонесущий с армированной оболочкой (КДГ-Оа)

Конструкция:

  1. Оптическое волокно.
  2. Гидрофобный гель.
  3. Стальной оптический модуль.
  4. Медная жила.
  5. Изоляция.
  6. Распределенная проволочная броня.
  7. Оболочка.

Особенностью данной конструкции является наличие двух питающих медных жил в единой изоляции вокруг центрального стального оптического модуля, а также распределенная проволочная броня в полимерной оболочке (опции: полиэтилен, полипропилен, полиамид, фторполимер). Такая конструкция помимо температурного и акустического мониторинга нефтегазовых скважин позволяет проводить спуско-подъемные работы, питать скважинное оборудование, обеспечивая высокую стойкость к воздействию агрессивных сред.

5. Кабель-датчик деформации (КДД)

Конструкция:

Кабель-датчик деформации (КДД)

  1. Оптическое волокно.
  2. Буферное покрытие.
  3. Стальной оптический модуль.
  4. Промежуточная оболочка.
  5. Повив армирующих стальных проволок.
  6. Внешняя оболочка.

Конструкция изготавливается таким образом, чтобы внешние растягивающие воздействия на кабель линейно передавались на волокно, жестко закрепленное в стальном оптическом модуле. Таким образом можно контролировать движения грунта или других поверхностей, к которым кабель жестко закреплен. Это позволяет определять зарождающиеся карстовые провалы, оползни, деформации конструкций и т.п. Кабель прокладывают вдоль автомобильных и железных дорог, на мостах и эстакадах, вдоль трубопроводов.

6. Кабель скважинный плоский (КСП)

Кабель скважинный плоский (КСП)

Конструкция:

  1. Медные жилы.
  2. Оптическое волокно.
  3. Первый слой изоляции.
  4. Стальной оптический модуль.
  5. Второй слой изоляции.
  6. Повив армирующих стальных проволок.
  7. Двойной стальной модуль.
  8. Цветовая кодировка из полипропилена.
  9. Внешняя оболочка.

Такие кабели являются незаменимым связующим звеном между скважинными глубинными приборами (манометрами, датчиками температуры и т.д.) и наземной регистрирующей и управляющей аппаратурой. Кабели имеют плоскую форму стандартных размеров, что наилучшим образом обеспечивает размещение вдоль НКТ и совместимость с традиционными для нефтегазовой отрасли элементами крепления.

Возможно различное «наполнение» кабеля функциональными модулями:

  • С оптическим волокном и жилами питания в едином стальном модуле
  • Одножильный электрический модуль
  • Трехжильный электрический модуль
  • Оптический модуль
  • Оптический модуль, усиленный повивом стальных проволок
  • Усилитель в виде скрученных стальных проволок для защиты от внешних механических воздействий
  • Трубки линий гидравлического управления

Такие кабели позволяют одновременно решать несколько различных задач: как распределенный оптический мониторинг, так и электрическое питание, связь и управление.

7. Оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос или фазный провод (ОКГТ и ОКФП)

Конструкция:

  1. Центральный силовой элемент (стальная проволока, плакированная алюминием, или проволока из алюминиевого сплава)
  2. Оптическое волокно.
  3. Стальной оптический модуль, заполненный гидрофобным гелем.
  4. Повив армирующих проволок (стальная проволока, плакированная алюминием, и/или проволока из алюминиевого сплава).
  5. Повив армирующих проволок (стальная проволока, плакированная алюминием, и/или проволока из алюминиевого сплава).

Данный тип кабелей традиционно используется на линиях электропередач в качестве волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Однако те же самые идеи мониторинга различных параметров с помощью оптического волокна могут быть применены в том числе в электроэнергетике. 

Достаточно неплохой опыт накоплен в области температурного мониторинга силовых кабельных линий, проложенных в земле, с целью недопущения их перегрева, а также контроля температуры при плавке гололеда на грозозащитном тросе с оптическим кабелем. Вместе с тем активное совершенствование и развитие приборов акустического контроля позволяет по-новому взглянуть на возможности ОКГТ и ОКФП.

В частности, Заводом Инкаб и компанией «Т8-сенсор» проведены ряд совместных испытаний, которые открывают широкие перспективы по цифровизации и переводу сетей в категорию «умные ВЛ»:

  • Локализация места удара молнии.

В Научно-техническом центре (НТЦ) ФСК ЕЭС на стенде имитировали удар молнии (рис. 6), который достаточно уверенно детектировался системой (рис. 7)

Испытательный стенд на имитацию удара молнией в ОКГТ

Рис. 6. Испытательный стенд на имитацию удара молнией в ОКГТ

Рис. 7. Визуализация виброакустической картины

Обнаружение места удара молнии и коротких замыканий на ВЛ особенно актуально для эксплуатирующих подразделений. Каждое аварийное событие требует визуального осмотра места возможного повреждения. Имеющиеся средства диагностики не позволяют с достаточной степенью точности локализовать событие на ВЛ. В связи с этим аварийно-восстановительные бригады тратят большое количество времени на обследование ВЛ. Зачастую доступ к линии затруднен болотами, лесами и не всегда удается быстро обнаружить, в какое место грозозащитного троса произошел удар молнии или где случилось короткое замыкание. Системы акустического мониторинга по ОКГТ позволяют достоверно локализовать место удара молнии или возникновения КЗ, вплоть до нескольких метров. Благодаря этому значительно сокращается время работы бригад, которые оперативно восстанавливают работоспособность линий.

  • Обнаружение несанкционированного доступа на ВЛ.

Серьезной проблемой для энергетиков являются хищения элементов опор, в том числе, так называемый, «выпил уголков». В результате такого вандализма нарушается целостность опоры и возникает серьезный риск ее дальнейшего падения с прекращением подачи электроэнергии потребителю, что чревато большими экономическими потерями.

На испытательном стенде Завода Инкаб создавали воздействие, имитирующее кражу металлического уголка (рис. 8)

Воздействие на опору ВЛ

Рис. 8. Воздействие на опору ВЛ

В результате анализа виброакустической картины (рис. 9) сделан вывод, что воздействие болгаркой на уголок уверенно детектируется с явными признаками и возможно автоматизированное распознавание события.

Рис. 9. Виброакустическая картина выпила уголка опоры.

Заключение

Постоянно растет число объектов промышленности, в которых применен распределенный оптический мониторинг благодаря невосприимчивости волокна к электромагнитным помехам и возможности его надежной защиты с помощью современных конструкций кабеля. В сложных условиях эксплуатации, где время безотказной и надежной работы являются наиболее важным фактором, такой мониторинг обеспечивает непрерывность измерений и анализ данных, который позволяет обнаружить потенциальные проблемы до того, как они возникнут.

В данной статье описаны основные принципы такого мониторинга и показаны современные конструкции кабелей, которые удовлетворяют требованиям разных отраслей промышленности. За последние годы технологии получили значительное развитие, а объем рынка в обозримом будущем будет продолжать расти, стимулируя дальнейшее совершенствование систем.

Дмитрий Гиберт,
заместитель генерального директора по техническим вопросам
Завода Инкаб

9 октября 2019

Комментарии
Подпишитесь на рассылку ВОЛС.Эксперт

Самое важное и интересное в сфере оптоволоконных линий связи