Skomentuj 
Podziel się!
Udostępnij
Twittnij
Wyślij
Drukuj
Możliwości współczesnych dronów przedstawione są w kontekście ich wykorzystania w gazownictwie w porównaniu z dotychczas używanymi załogowymi pojazdami lotniczymi. Zaprezentowane są stosowane techniki zdalnego wykrywania wycieków metanu w oparciu absorpcję promieniowania elektromagnetycznego w podczerwieni oraz możliwość ich zastosowania na platformie pojazdów bezzałogowych.
Drony (bezzałogowe pojazdy latające)
Obloty sieci gazowniczej przy użyciu samolotów lub śmigłowców (nie wspominając o próbach wykorzystywania satelitów) prowadzone są już od wielu lat. Nie są one jednak tak intensywnie stosowane jak obloty sieci elektroenergetycznej ze względu na ograniczenie możliwości obserwacji optycznej samego gazociągu. Nie dotyczy to gazociągów znajdujących się na powierzchni, gdzie obloty są normą (USA, Kanada), głównie śmigłowcami.
Zastosowanie dronów do oblotów obiektów gazowniczych rozpoczęło się około dekadę temu. W gazownictwie używa się głównie platform opartych o drony wirnikowe (wiropłaty), przede wszystkim do monitorowania (oglądu) ograniczonych obszarowo obiektów. Drony skrzydlate ze względu na stosowane w nich rozwiązania umożliwiające samodzielny lot (lot autonomiczny) mogą być używane na dużych dystansach, podlegają jednakże ograniczeniom formalnym nakładanym przez krajowe zarządy nadzoru ruchu lotniczego. Zasadnicza różnica między oboma typami z punktu widzenia zastosowań, oprócz możliwości samodzielnego lotu, to zasięg i nośność.
Wiropłaty dające możliwość pionowego startu i lądowania mają ładowność zwykle około jednego kilograma przy wadze własnej od 3 do 7 kg. Przy napędzie elektrycznym utrzymują się w powietrzu najwyżej kilkadziesiąt minut, operując na wysokości od 5 do 200 metrów. Zasięg operacyjny (kontrolowany) wynosi na ogół do 1 km. Tego typu drony nie mają możliwości lotu autonomicznego, czyli operator powinien mieć pojazd w zasięgu wzroku. Należy dodać, że istnieją także wiropłaty spalinowe, większe,
1. znacznie wyższych osiągach, z możliwością lotu samodzielnego, ale są używane podobnie jak drony skrzydlate.
W znanych zastosowaniach przemysłowych najczęściej używa się drony skrzydlate o wadze kilkunastu kilogramów, niewymagające pasa startowego (start z ręki lub z katapulty) i lądujące na spadochronie (lub łące o długości co najmniej kilkudziesięciu metrów). Przy ładowności do około 5 kg pojazd ma zasięg do 200 km (czas trwania lotu 2-3 godziny), przy zastosowaniu napędu elektrycznego. Nieco cięższe drony o napędzie spalinowym lub hybrydowym mają zasięg 2-3 krotnie większy, podobnie jak
2. czas lotu. Zwykle do około 50 km lot może być kontrolowany (monitorowany) bezpośrednio ze stacji naziemnej (online wideo), dalej lotem steruje system pokładowy (lot autonomiczny). Wysokość przelotowa zwykle wynosi od 100 metrów do 4 km.
Najważniejszym użytkowym elementem dronów (obu typów) jest stabilizowana we wszystkich kierunkach głowica z zainstalowanymi różnymi typami kamer. Obecnie najpopularniejsze jest instalowanie kamer wizyjnych (o rozdzielczości do 4K) dających możliwość obserwacji online. W bardziej zaawansowanych zestawach używa się także zoomu optycznego oraz kamer mogących wykonać fotografie o wysokiej rozdzielczości. W dronach, zwłaszcza po-chodzących z wojska używa się kamer na podczerwień (IR) dających możliwość pracy online. W wersjach skrzydlatych obrazy i dane mogą być przekazywane online do stanowiska naziemnego i tam zapisywane lub być rejestrowane na pokładowych nośnikach pamięci, w sytuacji lotu samodzielnego. W wiropłatach zapis jest na ogół tylko online w stacji naziemnej.
Zalety użycia dronów w stosunku do samolotów czy śmigłowców to:
• Bardzo niskie koszty zarówno sprzętu jak i jego eksploatacji, co pozwala na znacznie częstsze jego stosowanie, a co za tym idzie zwiększenie zakresu jego użycia (np. oblot nie tylko sieci przesyłowych, ale też i dystrybucyjnych).
• Zastosowanie wiropłatów (w opcji nie autonomicznej) umożliwia wykonywanie oblotów przez służby własne przedsiębiorstwa gazowniczego (po odpowiednim przeszkoleniu), a więc dostęp do takiej usługi według dowolnych potrzeb firmy. Wiropłaty stwarzają możliwość oblotu obiektów stałych takich jak budynki, instalacje, wieże, i tak dalej, co nie było możliwe do realizacji, ze względu bezpieczeństwa, przez duże pojazdy załogowe.
• Istotną zaletą dronów jest możliwość ich nieplanowanego użycia np. skontrolowanie korytarza przesyłowego po wystąpieniu nietypowych zjawisk pogodowych stwarzających zagrożenie dla funkcjonowania gazociągu, czy po awarii obiektu o wysokiej konstrukcji jak np. wieża wiertnicza. Możliwość oglądu korytarza czy konstrukcji online przez operatora sieci (wizualnie i/lub w podczerwieni) daje możliwość wczesnej reakcji na ewentualne zagrożenia.
• Ze względu na niewielki wpływ dronów na otoczenie (hałas) i niewielkie ryzyko szkód w przypadku awarii pojazdu, możliwy jest oblot sieci również na obszarach zurbanizowanych.
• Należy także podkreślić znacznie mniejsze ryzyko szkód będących skutkiem awarii dronu. Sprzęt jest bezzałogowy o stosunkowo niewielkiej masie, nie zawiera żadnych niebezpiecznych (wybuchowych) materiałów. Konstrukcje dronów (w tym poszycie) na ogół wykonywane są z materiałów kompozytowych. Awaria sprzętu i upadek na ziemię, o ile nie dojdzie do kolizji z innym obiektem, to wyłącznie strata sprzętu.
Należy podkreślić, że drony mogące latać samodzielnie podlegają krajowym przepisom dotyczącym ruchu powietrznego. Każdy kraj po-
siada w tym zakresie własne przepisy. Przykładowo koncern BP dopiero w ubiegłym roku uzyskał zgodę na wykorzystanie dronów skrzydlatych do oblotu sieci rurociągów na Alasce od FAA. W Polsce obowiązujące przepisy wymagają, aby drony, które poruszają się poza zasięgiem wzroku operatora były zgłoszone do nadzoru ruchu lotniczego i powinny uzyskać formalną zgodę na taki lot w ściśle określonym obszarze powietrznym, z czym na ogół nie ma problemu.
Zastosowanie dronów w gazownictwie
Drony można stosować wszędzie tam, gdzie dotychczas używano pojazdów załogowych, o ile używane dotychczas urządzenia obserwacyjne mogą być zainstalowane na dronie ze względu na ograniczenia wynikające z jego konstrukcji lub nośności.
Obecnie najczęściej używane są systemy wyposażone w wysokorozdzielcze kamery rejestrujące obiekt w świetle widzialnym. Dostarczany obraz wideo umożliwia ogląd obiektu online, a wraz z fotografiami o jeszcze wyższej rozdzielczości późniejszą obróbkę offline. Systemy takie mają zastosowanie w:
• Tworzeniu w połączeniu z danymi GPS szczegółowych fotomap. Ma to istotne znaczenie przy planowaniu inwestycji oraz później w rejestrowaniu zmian.
• Monitorowaniu stanu urządzeń na stacjach gazowych, polach wydobywczych i tym podobnych zamkniętych obiektach. Szczególne znaczenie ma łatwa możliwość oglądu trudno dostępnych obiektów jak np. ogląd konstrukcji wieży wiertniczej pozwalającej na wykrycie uszkodzeń konstrukcji, odkształceń, rdzy, czy też np. stanu technicznego pochodni spalającej gaz.
• Monitorowaniu stanu korytarza przesyłowego sieci gazowniczej. Istnieją specjalne programy komputerowe umożliwiające (offline) przetworzenie obrazów kamery w trzech wymiarach, co ułatwia ocenę zmian w korytarzu przesyłowym wywołane zmianami naturalnymi (zmiany wegetacyjne, przesunięcia gruntu, zmiana cieków wodnych, itp.) oraz zmianami związanymi z działalnością osób trzecich.
Należy podkreślić, że dostarczenie obrazu wideo, czy fotografii online daje możliwość natychmiastowej reakcji na wykryte zagrożenia, o ile zachodzi taka konieczność.
Rozwój oprogramowania do obróbki offline otrzymanych informacji systematycznie zwiększa zarówno zakres jak i jakość finalnych informacji. Oprócz wspomnianej obróbki umożliwiającej tworzenie map przestrzennych istnieje oprogramowanie umożliwiające automatyczną analizę i wychwytywanie zmian w aktualnych danych w porównaniu do poprzednich, np. przy regularnym oblocie korytarza przesyłowego oprogramowanie automatycznie dostarczy informacje o zmianach w stosunku do poprzedniego oblotu. Daje to możliwość włączenia kolejnego parametru opisującego dynamikę zmian, to jest czasu.
Drony wyposażone w kamery wizyjne często w tej samej głowicy mają zainstalowane kamery na podczerwień (IR najczęściej 8 - 14 jUm). Obraz termowizyjny jest na ogół o niższej rozdzielczości (maksymalnie w standardzie SD) daje jednak w sprzężeniu z obrazem wizyjnym informacje o rozkładzie temperatur danego obiektu. Obecnie używa się termowizji w zastosowaniu do naziemnych części gazociągów (tłocznie), jednakże taka informacja uzyskana przy oblocie sieci (np. obszar gruntu o podwyższonej temperaturze) także może być wskazówką wymagającą bardziej szczegółowego wyjaśnienia.
Najważniejszą czynnością zdalnego monitoringu wykonywanego przez drony, która jest obecnie we wstępnej fazie rozwoju, jest możliwość wykrywania wycieków gazu (nieszczelności gazociągu) z powietrza. Obecnie dominują techniki naziemne (np. objazd samochodami terenowymi wyposażonymi w specjalne czujniki) oraz techniki powiązane bezpośrednio z gazociągami (np. roboty poruszające się w gazociągu, metody akustyczne, itd.). Największy rozwój technik teledetekcji nastąpił w ciągu ostatnich 10 lat i najbardziej perspektywiczne z nich zostały opisane poniżej.
Wykrywanie wycieków gazu (teledetekcja z powietrza)
Zdalne (teledetekcja) wykrywanie wycieków metanu z gazociągu bazuje generalnie na detekcji interakcji cząsteczek metanu z promieniowaniem elektromagnetycznym. Niestety czułość takiego pomiaru zależy w dużym stopniu od poziomu stężenia metanu w powietrzu a co za tym idzie jest zależna od warunków pogodowych (wiatr i słońce), przy jakich pomiar ten jest przeprowadzany. Należy także pamiętać, że za pomocą tych metod wykrywa się obszar, w którym znajduje się gaz, a niekoniecznie miejsce uszkodzenia gazociągu.
Zdalne techniki wykrywania metanu dzielimy na pasywne i aktywne. Obie bazują na istnieniu silnych linii absorpcyjnych metanu w podczerwieni w zakresie 1.6, 2.4, 3.3 i 7 um.
Wykonanie pomiarów wymaga radiacyjnego kontrastu pomiędzy otoczeniem i gazem. Każdy z zakresów absorpcyjnych jednakże różni się pod względem dostępności źródła promieniowania podczerwonego. Dla zakresów 1.2 i 2.4 um większość energii dostarczana jest przez słońce, dla 3.3 um w połowie przez słońce, zaś w połowie przez promieniowanie radiacyjne ziemi (otoczenia), zaś dla 7 um dostępna jest tylko radiacja termalna otoczenia.
Metody aktywne wymagają własnego źródła promieniowania elektromagnetycznego oświetlającego obszar pomiarowy, jest to zwykle laser, a następnie detekcji poziomu absorpcji promieniowania przez gaz znajdujący się w obszarze pomiarowym.
Techniki aktywne to:
• Differential Absorption Lidar (DIAL) używa strojonego lasera podczerwieni oraz detektora podczerwieni w obszarze absorpcji i poza nią. Różnica w intensywności odbitego promieniowania obu pomiarów jednocześnie daje informacje
• stężeniu metanu. Technika używana w Europie (Niemcy; e.on/ruhrgas)). Maksymalna odległość około 500 m. Ze względu na rozmiar aparatury oraz wysokie zapotrzebowanie na energię montowana na śmigłowcach.
• Tunable Diode Laser Absorption (TDLA, TDLAS(spectrum)) używa pulsującego lasera podczerwieni emitującego wiązkę 1.65 um, odpowiadającą pierwszemu pasmu absorpcji metanu. Rozproszone
• odbite światło wiązki jest porównywane z sygnałem referencyjnym. Deformacja sygnału jest proporcjonalna do koncentracji metanu wzdłuż wiązki lasera. Sprzężone z laserem kamery obrazują precyzyjnie miejsce pomiaru. Maksymalna odległość około 150 m. Ze względu na rozmiar aparatury urządzenie montowano dotychczas na śmigłowcach, jednakże jesienią 2014 firma Pergam-Suisse AG poinformowała o zakończonych sukcesem próbach urządzenia TDLA zamontowanego na dronach.
Metody pasywne polegają na pomiarze promieniowania emitowanego przez gaz lub pomiaru absorpcji promieniowania tła poprzez gaz w obszarze badanym w relacji do pomiaru bez gazu. Dla zakresu 7 um kontrast zależny przede wszystkim od różnicy temperatur tła i gazu, z tego też powodu brak tej różnicy uniemożliwia detekcję. Inaczej jest dla pozostałych trzech zakresów, a zwłaszcza dla 1.6 i 2.4 jum. Pasywna detekcja metanu używając rozproszonego promieniowania słonecznego w bliskiej podczerwieni omija wymóg kontrastu temperatury, ponieważ promieniowanie Słońca jest znacznie większe niż emisja radiacyjna gazu lub otoczenia. Komponent energii słonecznej zapewnia wymagany radiacyjny kontrast.
Techniki pasywne to:
• Forward Looking Infrared (FLIR). Użycie kamer na podczerwień wysokoczułych w obszarze linii absorpcyjnych metanu. Niektóre typy klasycznych kamer IR obejmują jeszcze zakres 7 um jednakże detekcja wymaga istotnej różnicy w temperaturze gazu i otoczenia. Bliska podczerwień wymaga bardziej wyrafinowanych technologii. Dzisiaj komercyjnie są dostępne kamery czułe w obszarze 3.3 um oparte na matrycach z chłodzonego InSb, także w wersji umożliwiającej instalacje na dronach firmy FLIR Systems Inc. (USA).
• Gas Filter Correlation Radiometer (GFCR). Jedna z najwcześniejszych technik oparta na badaniu rozproszonego światła słonecznego modulowanego próbką badanego gazu przy zmiennej jego gęstości i precyzyjnych chłodzonych (ciekły azot) detektorach bliskiej podczerwieni. Używana od kilkudziesięciu lat przy pomiarach satelitarnych. Obecnie odmiana tej techniki nazwana realSens® używana jest przez firmę Synodon Inc. (Kanada) głównie w Ameryce Płn. Ze względu na rozmiary aparatura montowana jest na śmigłowcach.
Wszystkie powyższe metody wymagają dobrych warunków pogodowych, przede wszystkim nie za silnego wiatru (do 25_km/godz.). Przy technice FLIR wysokość przelotu nie powinna przekraczać 100_m.
Podsumowanie
Należy oczekiwać, że zastosowanie dronów w przemyśle, także w naftowym i gazownictwie, będzie coraz bardziej powszechne. Już obecnie, zwłaszcza wiropłaty, są coraz popularniejsze w zastosowaniach związanych z oglądem (monitoringiem) obiektów znajdujących się na wysokościach trudno dostępnych dla człowieka. Zastosowanie wiropłatów na obiektach naftowych czy gazowniczych nie stanowi żadnego problemu, zaś efekty biznesowe wynikające z zastosowania kamer wizyjnych czy termowizyjnych zależą już tylko od samego przemysłu.
Znacząco bardziej atrakcyjne wydają się być możliwości zastąpienia dotychczasowych oblotów sieci śmigłowcami, czy samolotami, poprzez autonomicznie poruszające się drony. Istnieją przeszkody formalne, ale zyski wynikające z nisko kosztowych, a przez to zdecydowanie częstszych oblotów, pozwalających poznać dynamikę zmian w obszarze korytarza przesyłowego i wynikających z tego zagrożeń dla sieci, warte są pokonania tych przeszkód.
Polska, jest obecnie jednym z kilku głównych ośrodków na świecie projektujących i produkujących profesjonalne drony. W ubiegłym roku na polskim rynku funkcjonowało ponad 80 podmiotów zajmujących się różnymi zastosowaniami lotnictwa bezzałogowego, przy czym ponad połowa z nich to firmy lub jednostki badawcze projektujące i produkujące drony. W Polsce znajdują się też kilka certyfikowanych ośrodków szkolących operatorów dronów.
Jest tylko kwestią czasu wyposażenie dro-nów w skuteczne narzędzia detekcji wycieków gazu, co znacząco podniesie atrakcyjność tego narzędzia monitoringu. Dostępna obecnie technika FLIR (3.3 um) ma niską czułość, ale pod względem kosztów jest bardziej atrakcyjna niż pozostałe metody. Polska też nie pozostaje w tyle w rozwoju aparatury możliwej do zastosowania na dronach. Detektory podczerwieni używane w marsjańskim łaziku Curiosity zostały zaprojektowane i wyprodukowane przez polską firmę. Czyż nie byłyby interesujące wspólne badania typu R&D z firmami sektora gazowniczego nad opracowaniem kamery typu FLIR pracującej na długości 2.4 /im (lub nawet 1.6 um). Takiego sprzętu nie ma jeszcze na rynku, a więc sukces biznesowy wydaje się być bardzo realny.
7
KOMENTARZE (0)
Do artykułu: Wykorzystanie dronów w gazownictwie