RU2771575C1 - Дистанционный способ обнаружения утечек пропана - Google Patents
Дистанционный способ обнаружения утечек пропана Download PDFInfo
- Publication number
- RU2771575C1 RU2771575C1 RU2021125369A RU2021125369A RU2771575C1 RU 2771575 C1 RU2771575 C1 RU 2771575C1 RU 2021125369 A RU2021125369 A RU 2021125369A RU 2021125369 A RU2021125369 A RU 2021125369A RU 2771575 C1 RU2771575 C1 RU 2771575C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- propane
- wavelengths
- leaks
- laser
- topographic
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к газоанализу, а именно к обнаружению утечек пропана или ШФЛУ из магистральных трубопроводов с помощью приборов, устанавливаемых на борт летательных аппаратов. Дистанционный способ обнаружения утечек пропана включает регистрацию отраженного излучения, прошедшего слой пропана, на двух лазерных длинах волн. При этом используется лазерное зондирование с авиационного носителя на длинах волн λ1=13 080 и λ2=12 190 нм, для которых атмосферные газы практически не вызывают поглощения излучения (для их концентраций, характерных для земной атмосферы). Способ основан на регистрации отраженного от топографического отражателя (например, земной поверхности) лазерного излучения на длинах волн 13 080 и 12 190 нм и позволяет проводить мониторинг независимо от времени суток и в широком диапазоне концентраций водяного пара. Достигается возможность обнаружения утечек пропана из трубопроводов. 4 ил., 2 табл.
Description
Область техники
Изобретение относится к газоанализу, а именно к обнаружению утечек пропана или ШФЛУ из магистральных трубопроводов с помощью приборов, устанавливаемых на борт летательных аппаратов.
Уровень техники
Пропан (С3Н8) - один из основных компонент широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), которая является продуктом переработки попутного нефтяного газа и газового конденсата. ШФЛУ относится к сжиженным углеводородным газам и представляет собой легкокипящую и легковоспламеняющуюся, пожаро- и взрывоопасную жидкость.
Большой объем ШФЛУ транспортируется до нефтехимических предприятий по трубопроводам. Утечки таких трубопроводов приносят не только экономические потери, но и чрезвычайно опасны.
Контроль за трубопроводами, транспортирующими ШФЛУ, осуществляется с помощью внутритрубных датчиков давления. Однако, они неэффективны для обнаружения утечек небольшой интенсивности.
Оптические методы являются наиболее перспективными для оперативного обнаружения утечек газопроводов и газоанализа загрязнений атмосферы.
В настоящее время разработаны оптические детекторы для контроля утечек пропана (см., например, [1-3]).
Известны также способы и устройства для дистанционного обнаружения утечек пропана [4-8].
Среди процессов взаимодействия лазерного излучения с газами, которые используют для обнаружения утечек газов, наибольшее сечение имеет эффект поглощения.
Обычно в лидарах, предназначенных для дистанционного газоанализа (в том числе и в [4,5]), используется метод дифференциального поглощения (ДП). В этом методе для контроля содержания в атмосфере одного газа используют две длины волны зондирования (это могут быть или два разных лазера или один лазер, перестраиваемый по длине волны [4, 5]). Одна λ1 выбирается в максимуме линии поглощения газа (для нее за счет поглощение газа на трассе зондирования происходит максимальное ослабление сигнала, регистрируемого приемником лидара), а другая λ2 - рядом с первой на краю или вне линии поглощения (для нее ослабление сигнала, регистрируемого приемником лидара за счет поглощения газа, мало). Сравнение лидарных сигналов на двух длин волн зондирования позволяет измерять концентрацию контролируемого газа и обнаруживать его выбросы в атмосферу.
Выбор длин волн зондирования контролируемого газа определяется прежде всего его полосами поглощения.
Наиболее близким к предлагаемому способу обнаружения утечек пропана является способ [4].
Согласно методу дифференциального поглощения для одного газа, включающему выбор длины волны λ1 в максимуме линии поглощения зондируемого газа, а длины волны λ2 - рядом с первой на краю или вне линии поглощения, лазерное зондирование проводится с использованием топографического отражателя на длинах волн λ1=3370 нм и λ2 около 3370 нм вне линии поглощения пропана, а концентрация пропана С вычисляется по формуле
где
С - концентрация пропана (средняя на трассе «лидар - топографический отражатель») в миллионных долях;
α=[α(λ1)-α(λ2)], α(λ1), α(λ2) - коэффициент поглощения пропана на длинах волн λ1 и λ2, соответственно;
Е(λ1), Е(λ2) - энергии принимаемых от топографического отражателя лазерных импульсов на длинах волн λ1 и λ2, соответственно;
R - расстояние от лидара до топографического отражателя.
Недостатком этого способа обнаружения утечек пропана является влияние на данные мониторинга изменчивости концентрации атмосферных газов (в основном паров воды), которые имеют в этом диапазоне линии поглощения.
Раскрытие изобретения
Избежать этих недостатка можно тем, что согласно методу дифференциального поглощения для одного газа, включающему выбор длины волны λ1 в максимуме линии поглощения зондируемого газа, а длины волны λ2 - рядом с первой на краю или вне линии поглощения, лазерное зондирование проводится с использованием топографического отражателя на длинах волн λ1=13 080 нм и λ2=12 190 нм, для которых атмосферные газы практически не вызывают поглощения излучения (для их концентраций характерных для земной атмосферы), а концентрация пропана С вычисляется по формуле
где
С - концентрация пропана (средняя на трассе «лидар - топографический отражатель») в миллионных долях;
Е(λ1=13080 нм), Е(λ2=12190 нм) - энергии принимаемых от топографического отражателя лазерных импульсов на длинах волн λ1=13 080 и λ2=12 190 нм;
R - расстояние от лидара до топографического отражателя (земной поверхности).
Перечень фигур
На Фиг. 1 схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.
На Фиг. 2 показан спектр поглощения пропана в широком спектральном интервале 1000-18000 нм.
На Фиг. 3 показаны спектральные зависимости коэффициентов поглощения пропана (Фиг. 3а) и атмосферного воздуха в приземном слое (Фиг. 3б) на длине волны 13 080 нм.
На Фиг. 4 показаны спектральные зависимости коэффициентов поглощения пропана (Фиг. 4а) и атмосферного воздуха в приземном слое (Фиг. 4б) на длине волны 12 190 нм.
Осуществление изобретения
Устройство содержит (см. Фиг. 1) источник лазерного излучения 1, облучающий земную поверхность на двух длинах λ1=13 080 и λ2=12 190 нм;
фотоприемник 2, регистрирующий излучение прошедшее слой атмосферы с возможной повышенной концентрацией пропана и отраженное от земной поверхности на двух длинах λ1=13 080 и λ2=12 190 нм; блок обработки 3, который по данным измерений Е(λ1) и Е(λ2) проводит вычисление средней на трассе «лидар - топографический отражатель» концентрации пропана.
Устройство работает следующим образом.
Источник лазерного излучения 1 облучает исследуемую земную поверхность 4 на двух длинах волн λ1=13 080 и λ2=12 190 нм (источник лазерного излучения 1 находится на авиационном носителе). Облучение земной поверхности осуществляют, например, с авиационного носителя вертикально вниз (для увеличения полосы обзора возможно сканирование поперек направления полета носителя). Фотоприемник 2 регистрирует излучение, отраженное от земной поверхности на двух длинах волн λ1=13 080 и λ2=12 190 нм. Сигналы с фотоприемника 2 поступают в блок обработки 3. В блоке обработки по данным измерений Е(λ1) и Е(λ2) проводится вычисление средней на трассе «лидар - топографический отражатель» концентрации пропана С.При полете вдоль трубопровода результатом работы блока 3 является массив данных о участках с повышенной концентрацией пропана - утечкой пропана (карта положения утечек пропана вдоль трубопровода).
Исходными данными для разработки способа лазерного обнаружения утечек пропана являются спектры поглощения пропана и атмосферных газов утечек пропана из трубопровода. Длины волн зондирования полагались равными или λ1=13 080 нм, λ2=12 190 нм. Высота полета авиационного носителя -100 м. Относительный шум измерения задавался равным 3%. Математическое моделирование проводилось для 1 млн реализаций шума измерения.
Результаты, приведенные в Таблицах 1 и 2, показывают, что при содержании пропана в утечке не менее 0,6% (почти в 3 раза меньше концентрационного предела распространения пламени в пропане - 1,7%) задача дистанционного обнаружения утечек пропана из трубопровода может быть решена с вероятность правильного обнаружения близкой к единице и вероятностью ложных тревог порядка сотых долей при толщине слоя пропана на земной поверхности не менее 80 см.
В качестве лазерного источника для длин волн зондирования λ1=13 080, λ2=12 190 нм может быть использован перестраиваемый по длине волны источник излучения, например, Hedgehog Mid-IR Laser [10].
Предлагаемый способ дистанционного обнаружения утечек пропана из трубопроводов основан на регистрации отраженного от топографического отражателя (например, земной поверхности) лазерного излучения на длинах волн 13 080 и 12 190 нм, для которых атмосферные газы практически не вызывают поглощения излучения (для их концентраций характерных для земной атмосферы), и позволяет проводить мониторинг независимо от времени суток и в широком диапазоне концентраций паров воды при высотах полета носителя до 300 м.
Источники информации
1. P. Kluczynski, S. Lundqvist, S. Belahsene, Y. Rouillard, L. Nähle, M. Fischer & J. Koeth Detection of propane using tunable diode laser spectroscopy at 3.37 urn // Applied Physics B. 2012. V. 108, P.183-188.
2. N. Kasai, C. Tsuchiya, T. Fukuda, K. Sekine, T. Sano, and T. Takehana, Propane gas leak detection by infrared absorption using carbon infrared emitter and infrared camera // NDT & E International. 2011. V. 44. No. 1. P. 57-60.
3. M. Jiang et al. Research on propan leak detection system and device based on mid infrared laser// Proc. SPIE. 2017. V.10464. P. 104641Y.
4. N.S. Prasad A.R. Geiger. Remote sensing of propane and methane by means of a differential absorption lidar by topographic reflection // Opt. Eng. 1996. V.35. N 4. P. 1105-1111.
5. Патент RU 2461815. Способ и устройство для обнаружения газов, частиц и/или жидкостей газообразных/жидких углеводородов в диапазоне длин волн 1,0-10,0 мкм. Дата действия патента 26.05.2006. МПК G01N 21/39.
6. Патент RU 2086959 С1. Авиационный лазерный газоанализатор для обнаружения утечек из трубопроводов. Дата действия патента 10.08.1997. МПК G01N 21/39, 21/61.
7. Патент RU 2091759. Авиационное устройство для обнаружения утечек газа из трубопроводов. Дата действия патента 27.09.1997. МПК G01N 21/00.
8. Патент RU 64 779 U1. Лазерный газоанализатор для обнаружения утечек газообразных углеводородов из техногенных объектов. Дата действия патента 28.09.2005. МПК G01N 21/61.
9. I.E. Gordon et al. The HITRAN2016 Molecular Spectroscopic Database // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. Available online 5 July 2017, ISSN 0022-4073, DOI 10.1016/j.jqsrt.2017.06.038.
10. Hedgehog Compact, Rapid-Scan, Tunable Mid-IR CW/Pulsed Lasers. Available at: www.laser2000.co.uk.
Claims (7)
- Дистанционный способ обнаружения утечек пропана путем регистрации отраженного излучения, прошедшего слой пропана, на двух лазерных длинах волн, отличающийся тем, что используют лазерное зондирование на длинах волн λ1=13 080 и λ2=12 190 нм, для которых атмосферные газы практически не вызывают поглощения излучения, а концентрация пропана С вычисляется по формуле
- где:
- С - концентрация пропана (средняя на трассе «лидар - топографический отражатель») в миллионных долях;
- R - расстояние от лидара до топографического отражателя (земной поверхности).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021125369A RU2771575C1 (ru) | 2021-08-27 | 2021-08-27 | Дистанционный способ обнаружения утечек пропана |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021125369A RU2771575C1 (ru) | 2021-08-27 | 2021-08-27 | Дистанционный способ обнаружения утечек пропана |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2771575C1 true RU2771575C1 (ru) | 2022-05-05 |
Family
ID=81459009
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021125369A RU2771575C1 (ru) | 2021-08-27 | 2021-08-27 | Дистанционный способ обнаружения утечек пропана |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2771575C1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2073816C1 (ru) * | 1994-09-27 | 1997-02-20 | Научно-производственная фирма "Оптоойл" | Способ дистанционного обнаружения утечек нефти из магистрального трубопровода |
RU2086959C1 (ru) * | 1995-06-07 | 1997-08-10 | Игорь Александрович Жученко | Авиационный лазерный газоанализатор для обнаружения утечек из трубопроводов |
RU2091759C1 (ru) * | 1995-06-07 | 1997-09-27 | Игорь Александрович Жученко | Авиационное устройство для обнаружения утечек газа из трубопроводов |
RU64779U1 (ru) * | 2005-09-28 | 2007-07-10 | ООО "Центр делового сотрудничества "Селена-Аэро" | Лазерный газоанализатор для обнаружения утечек газообразных углеводородов из техногенных объектов |
RU2461815C2 (ru) * | 2005-05-31 | 2012-09-20 | Интегрейтид Оптоэлектроникс АС | Способ и устройство для обнаружения газов, частиц и/или жидкостей |
-
2021
- 2021-08-27 RU RU2021125369A patent/RU2771575C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2073816C1 (ru) * | 1994-09-27 | 1997-02-20 | Научно-производственная фирма "Оптоойл" | Способ дистанционного обнаружения утечек нефти из магистрального трубопровода |
RU2086959C1 (ru) * | 1995-06-07 | 1997-08-10 | Игорь Александрович Жученко | Авиационный лазерный газоанализатор для обнаружения утечек из трубопроводов |
RU2091759C1 (ru) * | 1995-06-07 | 1997-09-27 | Игорь Александрович Жученко | Авиационное устройство для обнаружения утечек газа из трубопроводов |
RU2461815C2 (ru) * | 2005-05-31 | 2012-09-20 | Интегрейтид Оптоэлектроникс АС | Способ и устройство для обнаружения газов, частиц и/или жидкостей |
RU64779U1 (ru) * | 2005-09-28 | 2007-07-10 | ООО "Центр делового сотрудничества "Селена-Аэро" | Лазерный газоанализатор для обнаружения утечек газообразных углеводородов из техногенных объектов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6822236B1 (en) | Method of optimizing a response of a gas correlation radiometer to a trace amount of a target gas | |
US8345250B1 (en) | System and method for detecting chemical species from a remote sensing platform | |
Ferrare et al. | Evaluation of daytime measurements of aerosols and water vapor made by an operational Raman lidar over the Southern Great Plains | |
US20060246592A1 (en) | Identification of low vapor pressure toxic chemicals | |
Li et al. | Measurement of formaldehyde, nitrogen dioxide, and sulfur dioxide at Whiteface Mountain using a dual tunable diode laser system | |
Herndon et al. | Airborne measurements of HCHO and HCOOH during the New England Air Quality Study 2004 using a pulsed quantum cascade laser spectrometer | |
PL236747B1 (pl) | Sposób i urządzenie do zdalnego wykrywania par alkoholu w atmosferze | |
US11867618B2 (en) | Systems and methods using active FTIR spectroscopy for detection of chemical targets | |
Fanchenko et al. | LED-based NDIR natural gas analyzer | |
US7420172B2 (en) | System and method for measuring water vapor in natural gas | |
Fried et al. | Formaldehyde over North America and the North Atlantic during the summer 2004 INTEX campaign: Methods, observed distributions, and measurement‐model comparisons | |
Quagliano et al. | Quantitative chemical identification of four gases in remote infrared (9–11 µm) differential absorption lidar experiments | |
RU2771575C1 (ru) | Дистанционный способ обнаружения утечек пропана | |
US8445850B2 (en) | Optical remote sensing of fugitive releases | |
Christopher et al. | Satellite remote sensing analysis of the 2010 Eyjafjallajökull volcanic ash cloud over the North Sea during 4–18 May 2010 | |
Rothe | Monitoring of various atmospheric constituents using a cw chemical hydrogen/deuterium laser and a pulsed carbon dioxide laser | |
Robinson et al. | DIAL measurements for air pollution and fugitive-loss monitoring | |
Firsov et al. | The computer code SAGDAM for simulating the laser sounding of atmospheric gases | |
EP3667296B1 (en) | Optical detection system and method | |
Benmebrouk et al. | Chemical detection of certain greenhouse gases by the LIDAR Technique | |
Gelfusa et al. | Detection of pollutant sources in the atmosphere with Lidar/Dial techniques: Results of an experimental campaign in the south of Italy | |
Min et al. | A broadband cavity enhanced absorption spectrometer for aircraft measurements of glyoxal, methylglyoxal, nitrous acid, nitrogen dioxide, and water vapor | |
Verkhoshentseva et al. | Modeling of a Differential Laser Sensing System for Detecting Low Concentrations of Methane in the Surface Layer | |
Soskind et al. | Tomographic methane leak localization via chirped laser dispersion spectroscopy | |
Vasil’chenko et al. | Spectral system for measuring gaseous atmospheric components with a fiber-optic tracking system, and certain analysis results of atmospheric spectra |