خطوط لوله، حیاتی‌ترین و معمول‌ترین روش مورد استفاده در انتقال سوخت، آب و گاز می‌باشد. هر نوعی از نشتی در خط لوله می‌تواند برای انسان فاجعه بار باشد و ضرر و زیان مالی بزرگی را تحمیل کند. در این نوشتار، یک مطالعه به‌صورت تجربی با توجه به یک پایش بی‌درنگ، بر روی تغییرات فشار و جریان سیال در لوله انجام شده است. در این روش، یک آزمون بسامان برای تجزیه و تحلیل بی‌نظمی‌های ناشی از نشت ترتیب داده شده است.
خطوط لوله، حیاتی‌ترین و معمول‌ترین روش مورد استفاده در انتقال سوخت، آب و گاز می‌باشد. هر نوعی از نشتی در خط لوله می‌تواند برای انسان فاجعه بار باشد و ضرر و زیان مالی بزرگی را تحمیل کند. در این نوشتار، یک مطالعه به‌صورت تجربی با توجه به یک پایش بی درنگ[1]، بر روی تغییرات فشار و ترتیب داده شده است. یک قسمت کوچک از خط لوله همراه با روزنه‌هایی برای تولید یک نشت مصنوعی در یک خط لوله در نظر گرفته شده است. تنظیم این روزنه‌ها به منظور پایش اثرات نشتی روی پارامترهای فشار و جریان گاز شهری مورد استفاده قرار می‌گیرد. گاز شهری به طور گسترده‌ای در دستگاه‌های خانگی و کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش، یک آزمون بسامان [2]برای تجزیه و تحلیل بی‌نظمی‌های ناشی از نشت انجام شده است. عملکرد و بزرگی سیگنال‌ها در تعریف اثرات ناشی از موقعیت میزان نشتی روزنه کمک خواهد کرد.
- مقدمه
شبکه‌ی گاز سنگاپور بهره‌برداری از بیش از 2900 کیلومتر خط لوله را که انتقال و توزیع گاز را تسهیل کرده، بر عهده دارد. کل شبکه عمدتاً زیر زمین است، به جز مواردی که در آن لوله‌ها از داخل کانال‌ها عبور کرده‌اند و یا جهت بهره‌برداری مصرف کنندگان، وارد ساختمان‌ها شده‌اند. شبکه‌ی مورد نظر با فشار متوسط عمل میکند، جایی که خطوط انتقال با فشار بالا به میزان BarG 40 عمل میکند. سنگاپور دارای تقریباً 180 کیلومتر شبکه‌ی خط فشار بالا می‌باشد.
این خطوط انتقال در مرحله بعد به خطوط فشار متوسط با گستره فشار BarG 3 کاهش یافته است. این فشار به طور معمول برای کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود. شبکه توزیع متوسط که در مرحله بعد به فشار پایین تبدیل می شود، به سامانههای تأمین گاز خانگی با یک محدوده فشار KPa 2 تا KPa 20 هدایت می‌شود.
سامانههای خودکار پیشرفته استفاده شده در شبکه‌های خط لوله گاز، اطلاعات برخط [3] ناشی از تغییرات در پارامترهای فرآیند را به نمایش می‌گذارند. حسگرها و عملگرهای مختلف برای مقابله با هر نوع شرایط اضطراری در این سامانه‌ها نصب شده‌اند. با افزایش پیچیدگی در یک شبکه خط لوله، نظارت به روش برخط این‌گونه سامانه‌ها برای تشخیص هر نوع اختلال احتمالی در این شبکه ضروری است. یک نشتی در سامانههای خط لوله می‌تواند اثرات مخرب و نامطلوبی را روی محیط زیست و انسان داشته باشد. بنابراین هر شکلی از نشتی در خطوط باید شناسایی، جایابی و متوقف شود.
یک روش تعمیر و نگهداری پیشگیرانه و پیش‌بینی کننده‌‌ی مناسب باید اجرا شود، به طوری که وقوع نشتی به حداقل برسد. این روزها در بسیاری از کاربردها بکارگیری روش‌های تعمیر و نگهداری پیشگیرانه‌ی پیشرفته تبدیل به یک بخش از چرخه‌ی صنعتی روزمره شده است. تشخیص آسان نشتی خط و محل آن در رابطه با عملکرد مناسب و تولیدات صنایع فرآیندی بسیار مهم است. مطالعات بسیاری برای تشخیص نشتی در خطوط لوله گاز فشار پایین در حال انجام است. کامپانلا [4] و همکاران، روش فیبر نوری توزیع شده را برای نظارت بر وضعیت و تشخیص ناهنجاری گزارش داده‌اند [3].
یک مطالعه بر روی تشخیص نشتی سامانه‌ی توزیع گاز خانگی با استفاده از روش اندازه‌گیری افت فشار در [4] ارایه شده است.
یک مطالعه‌ی شبیه‌سازی روی تشخیص نشتی در خط لوله‌ی فشار پایین مورد مطالعه قرار گرفته و در [5] گزارش شده است. در این مقاله از یک روش مبتنی بر نرم‌افزار برای تشخیص و مکان‌یابی یک نشتی در لوله استفاده شده است. در [6] روش پاسخ فرکانسی برای تشخیص نشتی در شبکه خط لوله استفاده شده است. در [7] شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی [5] (CFD) روی آشفتگی‌های فشار تولید شده به وسیله یک خط لوله گاز انجام شده است.
در مطالعه‌ی حاضر، یک بستر آزمایشی با توجه به یک بخش کوچک از خط لوله آماده شده است. متوسط جریان، گاز شهری با فشار عملکردی KPa 2 می‌باشد. تشخیص نشتی خط به وسیلهی تغییر در مشخصات جریان و فشار پایش می‌شود. زمانی‌که یک نشتی در قسمت خاصی از خط لوله به وجود آید، مشخصات جریان گاز بسته به موقعیت حسگر تمایل به افزایش یا کاهش دارد. همچنین، در این شرایط یک افت ناگهانی فشار می‌تواند مورد بررسی قرار گیرد.
آزمایشات بر روی یک بستر آزمایشی با فشارسنج‌ها و جریان‌سنج‌های نصب شده در داخل و خارج لوله انجام شده است. اطلاعات حسگرها به واحد ثبت اطلاعات که تغییرات در پارامترهای فرآیند را نظارت میکند، ارسال می‌شود.
- آزمایش
الف. برپایی بستر آزمایش
شکل 1 طراحی نموداری از بستر یک آزمایش را نشان می‌دهد. بستر آزمون آماده و در شرایط آب و هوایی باز در سطح زمین نصب شده است. خط لوله، یک لوله‌ی آهنی (هادی) mm 150 با ضخامت mm 10 دارای شیرهای جدا کننده در فاصله‌ی 10 متری از ورودی و خروجی لوله است. دو حسگر فشار (PT1, PT2) در ورودی و خروجی لوله برای پایش بر قرائت‌های فشار، نصب شده است.
همچنین و به‌طور مشابه، دو جریان‌سنج (FT) در ورودی و خروجی نصب شده است. در زمان نصب جریان‌سنج‌ها، فاصله‌ی مناسبی از ورودی و خروجی حفظ می‌شود. برای هر دو جریان‌سنج فاصله‌ی تقریبی پنج برابر قطر لوله در ورودی و سه برابر قطر لوله در خروجی حفظ می‌شود. شیرهای V1 تا V4 از نوع دروازه‌ای [6] بوده که جهت جداسازی پیش‌بینی شده‌اند؛ در حالی‌که شیرهای LV1 تا LV6 از نوع توپی [7] هستند.
شیرهای نشتی LV1 تا LV6 در داخل خط لوله نصب شده‌اند تا نشتی خط را شبیه‌سازی کنند. فاصله میان هر شیر نشتی 2.5 متر است. قطر شیر شبیه‌ساز نشتی می‌تواند صفر تا mm 25 باشد تا بتوان نسبت به تنظیم حجم نشتی عمل نمود. هدف از نسب سه شیر برای شبیه‌سازی نشتی، نظارت بر تغییرات در ویژگی‌های فرآیند در زمان نشتی خط در مکان‌های مختلف در لوله می‌باشد.
ب. انتخاب حسگر
از آن‌جا که تغییرات فشار و جریان به صورت لحظه‌ای اتفاق می‌افتد، انتخاب نوع ابزاردقیق باید به عنوان یک ویژگی مهم در نظر گرفته شود. ابزاردقیق باید دارای حساسیت بالا و با پاسخ زمانی سریع (در بازه میلی ثانیه) باشد. فشارسنج، از نوع دیافراگمی و پر شده از روغن سیلیکونی است، درحالی‌که جریان‌سنج یک حسگر اختلاف فشار است و قرائت‌های جریان را به‌وسیله‌‌ی اندازه‌گیری ریشه‌ی دوم اختلاف میان فشار بالادست و پایین‌دست عنصر اختلاف فشار اندازه‌گیری و محاسبه میکند. جریان خروجی حسگرهاmA 20-4 بوده و به واحد ثبت کننده اطلاعات می‌رود.
ارتباط همبستگی بین اختلاف فشار (Δp) و نرخ جریان از معادله‌ی برنولی محاسبه می‌شود. با استفاده از قانون بقای جرم و همانطور که در معادله‌ی 1 نشان داده شده است، معادله‌ی برنولی، نرخ جریان به صورت ریشه‌ی دوم اختلاف فشار، به دست می‌آید:
دستگاه‌های اندازه‌گیری اختلاف فشار موجود، براساس این اصل اندازه‌گیری اختلاف فشار میان بالادست و پایین‌دست دستگاه عمل می‌کنند. لوله پیتوت [8] با چند ورودی سنجش، برای میانگین‌گیری و محاسبه‌ی جریان است که گاهی هم به‌عنوان آنوربار[9] یا توربار[10] نامیده می‌شود. این عمل برای جبران‌سازی ویژگی‌های یک جریان غیر ایده‌آل انجام می‌شود. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، آنوربار به طور مستقیم در داخل لوله قرار داده شده است. نصب و راه‌اندازی جریان‌سنج در راستای جهت جریان بسیار مهم است. آن بخش از دستگاه که در خط لوله گاز وارد شده است دارای دو محل اتصال جهت اندازه‌گیری اختلاف دو فشار «میانگین فشار بالادست» و فشار «پایین‌دست» می‌باشد.
این وسیلهی اندازه‌گیری دارای یک خروجی در سمت بیرونی دستگاه است که برای اندازه‌گیری فشار استاتیکی ناچیز خط به کار برده می‌شود. اختلاف میان فشار کل و فشار استاتیک تخمین سرعت سیال را به‌طور قابل قبولی به ما می‌دهد که با داشتن آن، می‌توان جریان حجمی سیال را در امتداد لوله تعیین نمود.
دلایل عمده برای انتخاب این نمونه از جریان‌سنج‌های اختلاف فشاری ایجاد افت کم فشار در خط لوله، راحتی نصب و قیمت پایین است.
ج. روش‌ها و شرایط آزمایشگاهی
بستر آزمایشی به لوازم خانگی گازسوز متصل بوده که در فشار عملیاتی KPa 2 کار میکند. دمای محیط بستر آزمایشی حدود 32 درجه سانتیگراد است. هنگامی‌که خط لوله کاملاً پر است، هر نوع آزمایشی با مراقبت بسیار زیاد انجام می‌شود. گاز شهری بی رنگ و بسیار قابل اشتعال است. نرخ جریان متوسط اندازه‌گیری شده از یک گاز شهری m3/Hr 100 می‌باشد. عکس‌های بستر آزمایشی در شکل 4 نشان داده شده است. راه‌اندازی آزمایشی آماده شده و برای اجرای آزمایش روی سطح زمین نصب شده است.
براساس آزمون‌های انجام شده و نتایج به دست آمده در سطح زمین، این آزمایشات باید به سطح پایین‌تر از زمین که حدود 1.2 متر زیر زمین است، هدایت شود. باز بودن شیرهای نشتی موجب افزایش تغییراتی در قرائت جریان و فشار می‌شود. این شیرها بیانگر شرایط واقعی از نشتی خط در لوله خواهد بود. شیر به مدت 10 ثانیه برای شبیه‌سازی نشتی باز می‌شود. درجه باز بودن شیر نشتی ( بین 0 تا90 درجه ) بیانگر شدت نشتی و مقدار گاز بیرون آمده از نقطه فرضی نشتی خط است. آزمون‌ها در دو روش برای ثبت تغییرات در فشار سنج‌ها و جریان‌سنج‌ها عمل می‌کنند:
- باز بودن شیر نشتی در مقادیر مختلف (10 تا90 درجه) و باز نگه داشتن آن برای ده ثانیه در هر تکرار؛
- باز کردن آنی شیر نشتی از 0 تا 100% و باز نگه داشتن آن برای 10 ثانیه.
- نتایج
همانطور که پیش از این گفته شد ویژگی‌های جریان و فشار با نشتی گاز تغییر می‌کنند. آزمون نشتی به مدت 20 تا 25 ثانیه برای هر نقطه نشتی خط LV1 و LV2 و LV3 انجام شد. یک افت ناگهانی فشار زمانی‌که شیرهای نشتی کاملاً باز هستند در شکل 5 قابل مشاهده است. این مسأله واضح است که دامنه‌‌ی افت فشار برای هر سه شیر نشتی متفاوت است. افت فشار برای LV1 بالا است زیرا به ورودی نزدیک‌تر است و کمترین تأثیر را از شیر LV3 می‌گیرد. زمانی که نشتی تنها 2.5 میلی متر با نقطه اندازه‌گیری فاصله دارد، اختلاف مقادیر کوچک است، اما زمانی که نقاط ایجاد نشتی خطوط در فواصل دورتری باشد، یک اختلاف بزرگ در اندازه‌گیری محتمل است. درصد باز بودن شیر نشتی و محل قرار گرفتن شیر نشتی تأثیر بسیار زیادی در اندازه اختلاف فشار ایجاد شده خواهد داشت.
زمانی‌که نقاط نشتی خطوط به ورودی نزدیک‌تر باشد، فشار بالا است بنابراین اختلاف فشار میان گاز و اتمسفر نیز هم‌چنان بالاتر است. شکل 6 تغییر در جریان ورودی و جریان خروجی را می‌دهد. نمودار LV1 و LV2 باز و بسته شدن ناگهانی شیر نشتی را نشان می‌دهد. برای شیر LV3 شیر نشتی فوراً تا 100% باز شد و پس از آن برای 30 ثانیه باز نگه داشته شد و دوباره بلافاصله از 100% تا صفر درصد بسته شد.
اثر نشتی خطوط همچنین عملکرد قرائت نرخ جریان را تحت تأثیر قرار می‌دهد. جریان ورودی با باز شدن شیر نشتی افزایش می‌یابد. به طور مشابه یک کاهش در جریان در خروجی جریان‌سنج در زمان باز بودن شیر نشتی خطوط مشهود است. این تغییرات تدریجی در مشخصات می‌تواند بروز نشتی را در یک خط لوله نمایش دهد.
بازکردن ناگهانی شیر ایجاد نشتی، یک تأثیر آنی در مقادیر قرائت شده فشار خواهد داشت، اما پارامترهای جریان تغییرات تدریجی داشته و به زمان بیشتری نیاز دارد. برای این‌که تغییرات قابل درک باشد و همانطور که در شکل 7 نیز نشان داده شده است، شیر LV2 به تدریج از صفر درصد تا 100% باز شد. این آزمایش برای نظارت بر تأثیرات بازبودن شیر نشتی به اندازه 50% و سپس باز کردن آن به اندازه 100% انجام شد. اختلاف در قرائت‌های فشار برای مقادیر متفاوت باز بودن شیر مشهود است. مقدار باز بودن شیر نشتی در قرائت های جریان خروجی نیز قابل مشاهده است. تغییر در قرائت‌های فشار و جریان در شبکه‌های بزرگ نیز قابل مشاهده است و برای مکان‌یابی نشتی خطوط یک الگوریتم بهتر ارایه شده است.
این آزمون‌ها، ایده مختصری درباره اثرات مقدار باز بودن نقطه نشتی و اثرات محل نشتی بر روی سیگنال‌های فشار و نرخ جریان در یک خط لوله را به ما می‌دهد. این داده‌ها در پیدا کردن محل ایراد در خط لوله دارای ناهنجاری کمک خواهد کرد.
- چشم انداز آینده
آزمایش‌ها روی سطح زمین اجرا می‌شود. انجام آزمون‌های متفاوت و جمع‌آوری بی درنگ داده‌ها درک بهتری از تغییرات در مشخصات جریان و فشار به ما می‌دهد. از آن‌جا که این مطالعه روی قسمت کوچکی از خط لوله انجام شده است می‌تواند به عنوان معیاری برای گسترش روش پردازش اطلاعات جمع‌آوری شده توسط ادوات اندازه‌گیری متعدد برای یک شبکه با چندین کیلومتر خط لوله استفاده کرد. یک شبکه‌ی گاز، مشخصات جریان و فشار متفاوتی را نشان خواهد داد و می‌تواند به عنوان یک زمینه‌ی تحقیقاتی جالب در نظر گرفته شود.
روش‌ها و الگوریتم‌های مختلف آماری می‌تواند بر روی نتایج داده‌های به دست آمده از ابزار دقیق‌ها برای مکان‌یابی نقطه نشتی در شبکه اجرا شود. اگر یک مطالعه‌ی وابسته به زمان یک راه مؤثر برای تجزیه و تحلیل ناهنجاری را اعتبارسنجی کند تجزیه و تحلیل کارآمدی برای پردازش سیگنال بی‌درنگ و الگوریتم‌های مکان‌یابی نشتی خواهد بود. فعالیت‌ها و تلاش‌های گسترده‌ای در این زمینه صورت پذیرفته است.
- نتیجه گیری
در این مقاله یک راه‌اندازی آزمایشی برای تشخیص نشتی در سامانه‌ی خط لوله‌ی گاز فشار پایین ارایه شده است. انتخاب ابزاردقیق مناسب برای به‌دست آوردن نتایج دقیق و قابل اعتماد، حیاتی است. ابزاردقیق براساس حساسیت، پاسخ زمانی خروجی و قابلیت اطمینان انتخاب شده‌اند. نتایج به دست آمده بسیار واضح توضیح می‌دهد که یک نشتی تولید شده به علت باز بودن شیر باعث افزایش تقاضا از منبع گاز در ورودی لوله می‌شود. فشار خط به علت بازبودن شیر نشتی افت میکند. تغییرات زمان و بزرگی تغییر در فشار و جریان می‌تواند به‌عنوان ویژگی‌های کلیدی و تأثیرگذار برای فرموله کردن هر الگوریتم آماری در مکان‌یابی نشتی در خط لوله استفاده شود. دستیابی به تکرارپذیری در نتایج به دست آمده می‌تواند اعتبارسنجی تغییر در اندازه‌ی پارامترهای فشار و جریان را تأیید کند. علاوه بر این، این‌گونه آزمایش‌ها می‌توانند برای تجزیه و تحلیل شبکه مورد استفاده قرار بگیرد.
مراجع:
[1] Singaporepower.com.sg, ‘Singapore Power’, 2015. [Online] .Available: http://www.singaporepower.com.sg. [Accessed:13-march-2016].
[2] J. Szoplik, ‘The Gas Transportation in a Pipeline Network’, Advances in Natural Gas Technology, 2012.
[3] C. E. Campanella, G. Ai, A. Ukil, “Distributed Fiber Optics Techniques for Gas Network Monitoring,” 16th IEEE Int. Conf. on Industrial Technology-ICIT, Taipei, Taiwan, 2016.
[4] L.G. Harus, N. Nagai, C. Youn, H. Furusawa, T. Kagawa, “A study on leak detection of a household gas supply system using pressure decay method,” In proc. SICE Annual conference, pp. 2987-2992, 2008.
[5] R. S. Reddy, P. Gupta, K. Pugalenthi, H. Mishra, A. Ukil, J. Dauwels, “Pressure and Flow Variation in Gas Distribution Pipeline for Leak Detection,” 16th IEEE Int. Conf. on Industrial Technology-ICIT, Taipei, Taiwan, 2016.
[6] W. Mpesha, S. L. Gassman, M. H. Chaudhry, “Leak detection in pipes by frequency response method,” Journal of Hydraulic Engineering, vol. 127, no. 2, pp. 134-147, 2001.
[7] C. Liu, Y. Li, L. Meng, W. Wang, F. Zhao, J. Fu, “Computational fluid dynamic simulation of pressure perturbations generation for gas pipelines leakage,” Computers & Fluids, vol. 119, pp. 213-223, 2015.
[8] ABB, “Datasheet for 266GSH Gauge pressure transmitter ,” 2015.
[9] ABB, “Datasheet for 266DSH Differential pressure transmitter, TORBAR 400 series ,” 2015.
[10] ABB, “Datasheet for RVG200 Screen master paperless recorders,” 2015.
[11] Z. Yang, M. Liu, M. Shao, Y. Ji, “Research on leakage detection and
analysis of leakage point in the gas pipeline system,” Open journal of safety science and technology, vol. 1, no. 03, pp. 94, 2011.
