بازرسی صنایع نفت و گاز با پهپاد

مجله اوجیران

آخرین ویرایش: 1400/03/31

در صنایع نفت و گاز نظارت مداوم بر تجهیزات و مخازن و خطوط انتقال گاز ضروریست؛ زیرا که عدم تشخیص به موقع مشکلات احتمالی و دیرکرد در رسیدگی به آن‌ها، ممکن است منجر به ضررات مالی جبران‌ناپذیری شود. برای پایش مداوم تأسیسات صنعتی نیاز است انواع سنسورها و دوربین‌ها در اماکن مختلف نصب شوند و یا برای پایش کل مجموعه به جاهای مختلف حمل شوند. حمل حسگرها می‌تواند توسط افراد، خودروها و یا پهپادها صورت گیرد.

یکی از رایج‌ترین مشکلات خطوط انتقال گاز، نشتی غیر منتظره گاز متان (گاز طبیعی) است که علی‌رغم تمام پیش‌گیری‌هایی که برای جلوگیری از بروز نشتی انجام می‌شود، همواره احتمال وقوع آن وجود دارد. تشخیص به موقع نشتی و جلوگیری از آن همیشه یکی از چالش‌های مهم صنایع گازی و دولت‌ها و همچنین ارگان‌های بین المللی بوده است.

در این مقاله به بررسی مشکل نشتی گاز پرداخته و پس از معرفی انواع روش‌های پیشرفته و کاربردی تشخیص نشتی گاز متان، به نقش پهپادها در این امر مهم خواهیم پرداخت.

.

نشتی گاز طبیعی، یک معضل جهانی

نشتی گاز متان امکان دارد باعث انفجار و آتش­ سوزی یا مسمومیت انسان­‌ها و دیگر موجودات زنده شود. همچنین زیان مالی ناشی از هدررفت گاز بسیار زیاد است؛ به گونه‌ای که یک نشتی ساده در خطوط گاز در صورت شناسایی نشدن به موقع، می‌­تواند باعث هدررفت میلیاردها تومان شود. مطابق آمار تهیه شده توسط گروه تحقیقاتی Rhodium در سال 2017، نشتی گاز متان سالانه باعث اتلاف هزینه حدود 30 میلیارد دلار می­‌شود [1].

گاز متان یک گاز گلخانه­‌ای است و هدررفت آن اثرات مخرب زیست محیطی زیادی دارد و از عوامل مهم افزایش دمای زمین به شمار می‌­آید. بنابراین نشتی گاز طبیعی نه تنها برای شرکت‌های مربوطه زیان آور است، بلکه یک معضل بین المللی نیز به شمار می‌آید.

با توجه به موارد فوق هزینه کردن برای بازرسی مداوم خطوط انتقال گاز امری منطقی و حتی ضروری است.

.

تشخیص نشتی گاز متان

روش­‌های گوناگونی برای تشخیص نشتی گاز متان وجود دارند. در میان این روش­‌ها، آن­هایی که نحوه کارشان بر اساس دریافت نور غیرمرئی از طرف گاز و بررسی آن می‌­باشد را روش‌­های نوری (Optical) می‌­نامند.

روش­‌های نوری تشخیص نشتی گاز به دو دسته فعال و غیرفعال تقسیم می­‌شوند. در روشهای فعال نور مادون قرمز به محیط تابیده شده و بازتاب آن توسط حسگر مناسب دریافت می‌­شود. در صورتی که نور به گاز متان برخورد کرده باشد خواص بازتاب آن فرق می­‌کند و با پردازش بازتاب می‌­توان وجود یا عدم وجود گاز متان را تشخیص داد. چند نمونه از روش‌­های فعال عبارتند از:

• LIDAR
• جذب لیزر دیودی
• رادار موج میلی­متری
• تصویربرداری پراکنش برگشتی

 روش­‌های نوری غیرفعال، بر خلاف روش­های فعال نیازی به منبع تولید نور ندارند و نوری که از خود جسم به آن­ها می­‌رسد کافی است. اما در عوض نیازمند آشکارسازهای پرهزینه‌­تری هستند تا قادر به پردازش تابش‌­های ضعیف‌­تری باشند. از روش­های غیرفعال می‌­توان موارد زیر را نام برد:

• تصویربرداری حرارتی
• تصویربرداری چندطیفی

روش‌­های غیر نوری (روش صوتی، نمونه برداری گاز، پایش خاک، جریان‌سنج‌های فراصوتی و …) کارآیی کمتری نسبت به روش‌­های نوری دارند؛ زیرا که تنها نشتی گاز در فواصل نزدیک را می‌­توانند تشخیص دهند و همچنین نمی‌­توانند محل دقیق نشتی را مشخص کنند.

.

تشخیص نشتی خطوط گاز با لیدار ( LIDAR )

واژه LIDAR اکنون بصورت سرواژه و مخفف عبارت Light Detection And Ranging به معنی تشخیص و فاصله­ یابی با نور شناخته می‌شود [2]؛ گرچه در ابتدا با ترکیب کلمات Light و Radar به وجود آمده است [3]. در واقع LIDAR یک روش نقشه­‌برداری است که فاصله تا یک هدف را با ارسال نور لیزر (بصورت پالسی) و دریافت بازتاب آن محاسبه می­‌کند. زمان بازگشت نور فاصله هدف را مشخص کرده و تغییرات ایجاد شده در خواص نور در بعضی موارد باعث تشخیص جنس ماده نیز می‌­شود.

در روش LIDAR از نور متمرکز فرابنفش، مرئی و یا فروسرخ می‌­توان استفاده کرد (طول موج 250 نانومتر تا 10 میکرومتر). در بین این طیف‌ها محدوده فروسرخ برای تشخیص گازها مناسب است. هنگامی که هدف تشخیص نشتی گاز متان باشد باید از طیف نوری استفاده شود که شامل طول موجی که متان جذب می­‌کند نیز باشد (متان شامل دو طول موج جذب عمده 3/3 و 6/7 میکرومتر است [4]).

بدین ترتیب در صورت وجود گاز متان بخشی از لیزر ارسالی جذب شده و با تحلیل بازتاب آن می‌­توان تشخیص داد که شدت نور شامل طول موج مربوط به متان نسبت به بقیه طول موج‌­ها کمتر شده است یا خیر. با توجه به داده‌های جمع آوری شده غلظت متان موجود در هوا را نیز می­‌توان تشخیص داد [5].

از مزایای این روش دقت زیاد آن، توانایی تشخیص از فاصله خیلی دور و مناسب بودن آن برای پایش هوایی را می‌­توان ذکر کرد. با این وجود هزینه استفاده از این سیستم بسیار زیاد است و طول عمر آن نیز کوتاه است [6]. روش LIDAR علاوه بر تشخیص نشتی گاز کاربردهای فراوانی دارد؛ از جمله هواشناسی (تشخیص ابرها)، جنگلبانی، تشخیص ارتفاع و موانع توسط پهپادها، ستاره­ شناسی، یافتن موجودات زنده و … .

.

تشخیص نشتی گاز با تصویربرداری حرارتی

تصویربرداری حرارتی از روش‌­های نوری غیرفعال به شمار می­‌آید. این روش یکی از راهکارهای بسیار رایج مورد استفاده در تشخیص نشتی گاز است. دوربین حرارتی نور فروسرخ ناشی از تابش اجسام گرم را دریافت می­‌کند و تصویر دریافتی را بر اساس درجه حرارت تفکیک می‌کند. از آنجا که گاز متان نور مادون قرمز را جذب می­‌کند دوربین­‌های حرارتی قادر به تشخیص آن هستند.

یکی از معایب تصویربرداری حرارتی این است که دوربین حرارتی به شرایط محیطی حساس است. شرایطی مثل سردی هوا، رطوبت، وزش باد و آلودگی هوا می‌­توانند تشخیص نشتی را با این دوربین‌­ها غیرممکن سازند. از این روش به صورت هوایی نیز می‌­توان استفاده کرد؛ با این شرط که ارتفاع پهپاد یا هلی­‌کوپتر زیاد نباشد [7].

یک مشکل اساسی در روش حرارتی این است که پردازش اتوماتیک داده­‌های دوربین حرارتی کار ساده‌­ای نیست. بنابراین باید پیوسته یک اپراتور ناظر دوربین باشد و یا با عملیات پردازش تصویر، نشتی گاز تشخیص داده شود که در این صورت امکان هشدار اشتباه توسط سیستم نیز وجود دارد.

.

تشخیص گاز متان با روش جذب لیزر دیودی قابل تنظیم ( TDLAS )

واژه TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) به معنی طیف سنجی جذبی با لیزر دیودی قابل تنظیم می‌­باشد. در اصل این روش که در آن از لیزرهای دیودی قابل تنظیم و طیف­‌سنج‌­های جذبی استفاده می­‌شود برای محاسبه غلظت مواد خاص از جمله متان و بخار آب در ترکیب‌­های گازی به کار می­‌رود. غلظت­‌های خیلی کم در حد ppb (part per billion) را نیز با این روش می­‌توان تشخیص داد. علاوه بر غلظت، پارامترهایی مثل دما، فشار، سرعت و دبی جرمی گاز نیز قابل محاسبه­‌اند. می­‌توان گفت روش TDLAS هم‌­اکنون بهترین روش محاسبه کمّی غلظت گازها به شمار می­‌رود [8].

طول موج پرتوی ارسالی توسط دستگاه TDLAS می‌­تواند مطابق با طول موج جذب گازی که می­‌خواهیم غلظتش را تشخیص دهیم تنظیم شود. همین امر باعث می‌­شود داده‌­های دریافتی کمتری نیاز به پردازش داشته باشند.

در شکل فوق یک دستگاه TDLAS قابل حمل با کاربرد محاسبه غلظت گاز متان نمایش داده شده است. این دستگاه به وسیله فن هوا را جذب کرده و آن را از میان سنسورهای TDLAS عبور می­‌دهد. دستگاه موجود در شکل فقط برای فواصل نزدیک مناسب است، اما این قابلیت را دارد که غلظت متان را به طور دقیق محاسبه نماید [9].

در واقع اساس کار روش­های TDLAS و LIDAR مشابه هم است؛ یعنی هر دو نور فروسرخ را ارسال و بازتاب آن را که احتمالاً بخشی از آن توسط مولکول­‌های متان جذب شده، پردازش می‌­کنند. کاربرد اصلی روش TDLAS محاسبه غلظت گازها در هواست، اما با این حال می‌توان از آن برای یافتن نشتی گاز نیز استفاده کرد. فاصله مورد نیاز سنسور TDLAS نسبت به منبع گاز بسیار کمتر از LIDAR است، اما بازهم قابل قبول است و حتی می‌­توان از آن در سنجش هوایی نیز استفاده کرد. در ضمن قیمت دستگاه آن بسیار کمتر از LIDAR می­‌باشد [10].

.

مزایا و آینده روشن نشتی یابی با لیزر [1]

نحوه سنتی نشتی یابی توسط شرکت­‌های مربوط به نفت و گاز، استخدام بازرس­‌هایی است که دوربین حرارتی به دست، به دنبال نشتی می­‌گردند. این دوربین­‌ها در شرایط ایده­‌آل محیطی (هوای گرم و تمیز و بدون باد) و در فاصله 10 متری از تأسیسات، فقط 80 درصد نشتی­‌ها را می­‌توانند به درستی تشخیص دهند. همچنین قادر به تشخیص متان با غلظت کمتر از ده هزار ppm نیستند؛ بنابراین نمی­‌توانند نشتی­‌های کوچک را تشخیص دهند.

همه این­‌ها در حالی است که سنسورهای لیزری قابل تنظیم، قادر به تشخیص گاز متان با غلظت 5ppm از فاصله 50 متری می‌باشند. حسگرهای لیزری قادر به تشخیص نشتی‌­های کوچک در مساحت­‌های بزرگ هستند و بسیار بهتر از دوربین فروسرخ عمل می‌­کنند؛ اما قیمت آن­ها به طور چشمگیری بیشتر است (بیشتر از 75000 دلار). با این حال استفاده از آن­ها نیاز است، زیرا که هر نشتی کوچکی می­‌تواند خسارات مالی و زیست ­محیطی بسیار زیادی وارد کند. اتوماتیک بودن این روش‌­ها نیز باعث می­‌شود که نشتی به سرعت پیدا شود و گاز متان، فرصت زیادی برای نشتی نداشته باشد.

اهدافی که در ساخت و توسعه سنسورهای لیزری باید در نظر گرفت عبارت‌­اند از: کاهش هزینه ، تشخیص از فاصله دورتر، تشخیص محل دقیق نشتی، تخمین مناسب مقدار گاز هدر رفته و همچنین سرعت در تشخیص نشتی گاز. به عبارتی سنسور باید به صورت پیوسته و اتوماتیک کار کند و به محض ایجاد نشتی محل دقیق آن را مشخص کند. برای پیش­‌برد اهداف فوق، در سال 2014 در چالش EDF برای تشخیص متان، مقدار جایزه 10هزار دلار و فرصت همکاری با شرکت­‌های بزرگ مربوط به گاز برای کسانی در نظر گرفته شد که بتوانند نشتی گاز طبیعی با غلظت کمتر از 2ppm را با هزینه کمتر تشخیص دهند.

دو فناوری توانستند در چالش فوق موفق شوند. در یکی از آن­‌ها لیزرهای دیودی قابل تنظیم که از بقیه لیزرها ارزان‌ترند را تغییر کاربری داده و با فناوری فیبر نوری ترکیب کردند. این سیستم می­‌توانست با هزینه سالانه 3000 دلار برای هر ایستگاه، غلظت گاز را در محدوده (0/001ppm) ppb تشخیص دهد. در فناوری دوم ایده این بوده که از یک بازتاب­ کننده نور فروسرخ در فاصله حداقل 30 متری از منبع لیزر استفاده شود. هر دو فناوری فوق با انرژی خورشیدی کار می­‌کنند و با ارتباط به اینترنت قابلیت آنالیز داده­‌ها و هشدار فوری را نیز دارند.

.

کاربرد پهپاد در شناسایی نشتی گاز متان

با توجه به هزینه زیاد حسگرهای تشخیص گاز متان، پیشنهاد می‌­شود در عوض قرار دادن چندین ایستگاه شامل حسگر در امتداد خطوط انتقال گاز، از پهپاد برای پایش خطوط استفاده شود. با ارتفاع گرفتن پهپاد سنسور می‌­تواند محدوده وسیع­‌تری را بررسی کند و در صورت مشکوک بودن ناحیه­‌ای خاص، پهپاد می­‌تواند در زمان خیلی کمی برای بررسی آن ناحیه در محل حضور یابد.

در کنار مزایای پهپاد، چالش­‌هایی نیز در استفاده از پهپادها وجود دارد. سنسورهای لیزری در اندازه معمولی خود بزرگ هستند که این امر باعث می­‌شود قابل حمل با پهپاد نباشند. همچنین برای اینکه پهباد بتواند مدت زمان زیادی به پرواز درآید باید وزن سنسور به حداقل مقدار قابل قبول برسد. بنابراین شرکت­های مختلف همواره تحقیقاتی را برای کاهش اندازه و وزن سنسورهای تشخیص نشتی متان کرده­‌اند. کاهش اندازه سنسور باعث می‌­شود دقت و قدرت تشخیص آن نیز کاهش یابد؛ با این حال چند شرکت موفق شده‌­اند محصولات کاربردی ای را برای این هدف ارائه دهند.

پایش پیوسته و شبانه روزی خطوط توسط پهپاد ممکن است بسیار هزینه‌بر باشد. یک روش پیشنهادی برای رفع این مشکل این است که در فواصل معین از خطوط انتقال گاز، ایستگاه‌هایی برای سنجش دبی جریان توسط جریان‌سنج‌های مکانیکی یا التراسونیک  قرار گیرند. سپس در صورتی که تشخیص داده شود در فاصله بین دو ایستگاه نشتی وجود دارد (در نتیجه ی تشخیص اختلاف دبی در دو ایستگاه)، پهپاد حامل حسگر لیزر به پرواز درآید و فقط آن ناحیه را مورد سنجش قرار دهد. به این شکل محل دقیق نشتی در زمان بسیار کمی شناسایی می‌شود.

.

معرفی چند شرکت فعال در زمینه پایش و بازرسی گاز با پهپاد

حدود سال 2014 شرکت NASA با هدف پیدا کردن نشانه­‌های حیات بر سیاره مریخ یک پهپاد حامل سنسور لیزر برای تشخیص گاز متان تولید کرد؛ زیرا که برخی میکروب­‌ها از خود گاز متان تولید می‌­کنند و به این طریق می­‌توانند قابل شناسایی باشند. سپس NASA همان فناوری را برای تشخیص نشتی گاز طبیعی روی زمین نیز ارائه داد. در شکل زیر پهپاد ساخت این شرکت که حامل یک سنسور لیزری با دقت حدود 1ppb می‌­باشد قابل مشاهده است. حسگر لیزری جهت امکان استفاده در پهپاد از اندازه معمولی خود کوچک‌تر ساخته شده است [11].

.

هم اکنون شرکت­‌های فعالی برای انجام خدمات پایش نشتی گاز با پهپاد در صنایع و خطوط انتقال گاز وجود دارند؛ برای مثال ULC robotics یکی از شرکت‌­هایی است که بازرسی خطوط گاز را انجام می‌­دهند [12].

.

شرکت معروف DJI نیز پهپاد مدل Matrice 300 RTK با دوربین (سنسور) چند کاربره سری Zenmuse H20 شامل دوربین حرارتی را برای کاربردهای مختلف از جمله آتش‌­نشانی، امداد و بازرسی صنایع ارائه داده است [13].

.

شرکت UgCS نیز یک نوع سنسور لیزر مخصوص تشخیص گاز متان را در ابعاد کوچک و مناسب پهپاد ارائه داده است [14].

.

مراجع

1. Patel, P., Monitoring methane. Vol. 3(7). 2017: ACS Publications. 679–682
2. Detection, L.L.J.N.A.f.t.o.o., Ranging—is a remote sensing method used to examine the surface of the Earth. 2013. 4.
3. Ring, J., The Laser in Astronomy. 1963: p. 672-673.
4. Iseki, T., et al., A portable remote methane sensor using a tunable diode laser. 2000. 11(6): p. 594.
5. rogress and Promise in DIAL LIDAR. Last update at February 06 2012 accessed at 3/3/2020]; Available from: https://www.nist.gov/news-events/news/2012/02/progress-and-promise-dial-lidar.
6. Reutebuch, S.E., H.-E. Andersen, and R.J.J.J.o.F. McGaughey, Light detection and ranging (LIDAR): an emerging tool for multiple resource inventory. 2005. 103(6): p. 286-292.
7. Ravikumar, A.P., et al., Are optical gas imaging technologies effective for methane leak detection? 2017. 51(1): p. 718-724.
8. Werle, P., et al., Near-and mid-infrared laser-optical sensors for gas analysis. 2002. 37(2-3): p. 101-114.
9. Zhang, E.J., et al., Field deployment of a portable optical spectrometer for methane fugitive emissions monitoring on oil and gas well pads. 2019. 19(12): p. 2707.
10. Crutchley, S.J.A.P., Light detection and ranging (lidar) in the Witham Valley, Lincolnshire: an assessment of new remote sensing techniques. 2006. 13(4): p. 251-257.
11. Davenport, M., A drone with a nose for methane. c&en, 2016. Volume 94 Issue 15 – Available from: https://cen.acs.org/articles/94/i15/drone-nose-methane.html.
12. https://ulcrobotics.com/services/uav-gas-leak-detection .
13. https://www.dji.com/no/zenmuse-h20-series .
14. https://www.ugcs.com/news-entry/detecting-a-methane-leak-faster-and-more-safely .