Диссертация (Беспроводная сенсорная телекоммуникационная система контроля утечек метана из магистралей газотранспортной сети)

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшегопрофессионального образования«Сургутский государственный университет Ханты-Мансийскогоавтономного округа - Югры»иФедеральное государственное автономное образовательное учреждениевысшего профессионального образованияНациональный исследовательский университет«Высшая школа экономики»На правах рукописиБушмелев Петр ЕвгеньевичБеспроводная сенсорная телекоммуникационная система контроляутечек метана из магистралей газотранспортной сетиСпециальность: 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникацийДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительд.т.н., профессорУвайсов Сайгид УвайсовичМосква – 2014ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………4Глава 1.

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКАЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ……………………………………………...191.1. Место и роль линейных участков в газотранспортнойсистеме………………………………………………………………………..191.2. Дефекты, методы и средства контроля техническогосостояния линейных участков газопровода………………………………..Применение1.3.беспроводныхсенсорныхсетей45вгазотранспортной отрасли…………………………………………………..321.4.

Постановка задачи исследования……………………………….401.5. Вывод по главе…………………………………………………...42Глава2.СЕНСОРНАЯТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННАЯСИСТЕМА КОНТРОЛЯ УТЕЧЕК ГАЗА……………………………….Требования,2.1.предъявляемыек44сенсорнойтелекоммуникационной системе контроля утечек газа…………………..442.2. Концепция построения системы автоматического контроляутечек газа и управления состоянием магистрального газопровода…….482.3. Структура распределенной системы контроля утечек газа….672.4. Аналитическая оценка сенсорной телекоммуникационнойсистемы………………………………………………………………………792.5. Выводы по главе……………………………………………….89Глава3.АППАРАТНЫЕСРЕДСТВАСЕНСОРНОЙТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ………………………913.1. Требования к аппаратным средствам…………………………913.2. Структура беспроводного модуля контроля утечек газа……933.3.

Принцип размещения беспроводных модулей ………………10523.4. Разработка измерительного преобразователя………………...1203.5. Приемо-передающий модуль………………………………….1283.6. Характеристика информационного потока сенсорной сети… 1433.7. Разработка системы электропитания беспроводного модуля.3.8.Оценкакачествааппаратныхсредств149сенсорнойтелекоммуникационной системы…………………………………………..1553.9. Выводы по главе………………………………………………..168Глава4.ПРОГРАММНЫЕСРЕДСТВАСЕНСОРНОЙТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ………………………..1704.1. Требования к программным средствам……………………….1704.2.

Автоматизированная система мониторинга и управлениясостояния магистральных газопроводов…………………………………...1714.3. Программное средство «Проектирование СТС»……………..1804.4. Программное средство «Оператор СТС»……………………..1964.5. Инженерная методика автоматизированного мониторингамагистральных газопроводов……………………………………………….2024.6. Выводы по главе………………………………………………..206ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………. 208СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………...210ПРИЛОЖЕНИЯ:…………………………………………………………… 222ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Свидетельство о регистрации программы…………… 222ПРИЛОЖЕНИЕ 2.

Акты внедрения в отрасль и учебный процесс……… 2233ВВЕДЕНИЕМагистральныйтрубопроводныйтранспортявляетсяважнейшейсоставляющей топливно-энергетического комплекса России. В стране созданаразветвленная сеть магистральных нефтепроводов, нефтепродуктопроводов игазопроводов, которые проходят по территории большинства субъектов.Магистральныетрубопроводыявляютсясамымикапиталоемкимисооружениями нефтегазового комплекса, и продление их функционированияобеспечивает огромный выигрыш для экономики страны. Одной из важнейшихпроблем трубопроводного транспорта является сохранение нормального состояниялинейных участков (ЛУ) промысловых и магистральных газопроводов (МГ).Подземные газопроводы, эксплуатируемые при нормальных режимах, могутсохраняться несколько десятков лет в рабочем состоянии.

Этому способствуетбольшое внимание, которое уделяется систематическому контролю техническогосостояния (ТС) подземных и надземных МГ и своевременная ликвидацияпоявляющихся дефектов.Как правило, чаще дефекты на МГ появляются в результате коррозии и режеиз-за механических воздействий. Определение места коррозии и поврежденийвсегда связаны с большими трудностями и материальными затратами. Вскрытиегазопровода, для его непосредственного визуального обследования, экономическиневыгодно.

Кроме того, обследование только внешней поверхности трубы, какправило, ничего не дает. Поэтому, актуальной является проблема мониторингатехнического состояния подземных и надземных промысловых, магистральныхпродуктопроводов без их вскрытия. Эта проблема связана с большимитехническими трудностями, однако бурно развивающиеся современные методы исредства измерительной техники, позволяют её решить. Данные техническиесредства в свою очередь отличаются заложенными в методы исследованияфизическими явлениями, принципом действия устройств, чувствительностью,4областью применения, локальностью или глобальностью диагностирования, всмыслемасштабовохватагеографическойтерриториипрокладкигазотранспортной сети, и другими характеристиками.Однако именно огромная протяженность и разветвленность газопроводов вРФ, прохождение их по сложным территориям и различным климатическимзонам, а также отсутствие развитой и разветвленной системы коммуникаций,существенноограничиваетприменениемногихизэтихметодовпридиагностировании технического состояния магистралей.Решение этой проблемы лежит в том, что дополнительно к существующимметодам и средствам ввести в работу распределенную сеть дополнительныхустройств, которые, не нарушая технологических режимов эксплуатациигазовыхкоммуникаций,врежимереальноговременипозволилибыконтролировать утечки газа (КУГ) из объектов газотранспортной сети (ГТС) ипередаватьданнуюинформациюпосредствомбеспроводныхтелекоммуникационных технологий.Имеяпреимуществапоосновнымтехнико-эксплуатационнымхарактеристикам, в настоящее время наиболее интенсивно развиваются методыи средства беспроводных сенсорных сетей.

Большой вклад в развитие этогонаправления внесли Плюснин И.И., Демко А.И., С.С. Баскаков, В.И. Органов,Л.С. Восков, М.М. Комаров, Бушмелева К.И., Увайсов С.У. и др.Успешно работают коллективы научно-технического центра уникальногоприборостроения РАН, института проблем нефти и газа РАН, Московскогогосударственногоинженерно-физическогоинститута,Московскогогосударственного технического университета им. Н.Э. Баумана, Национальногоисследовательскогоуниверситета«Высшаяшколаэкономики»,Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Сургутскогогосударственного университета, Томского государственного университета5системуправленияирадиоэлектроники,Тюменскогогосударственногоуниверситета, ООО «БИТ» и др.В настоящее время использование сенсорных сетей, представляющихсобой распределенные самоорганизующиеся сети, устойчивые к отказуотдельных устройств и передающих информацию используя технологиюбеспроводной связи, является актуальной областью исследований.

Каждыйэлемент данной сети имеет автономный источник энергии, приемо-передающееустройство, микрокомпьютер и составляет область покрытия от несколькихметров до десятков и сотен километров, в зависимости от типа беспроводногомодуля и антенны, а также за счет ретрансляции пакета данных от одногоэлемента к другому с учетом топологии сети. Для расширения радиуса действиясенсорной сети между конечными устройствами используются ретрансляторы,позволяющие увеличить дальность работы и качество принимаемого сигнала.В связи с этим, объектом исследования является процесс мониторингатехнического состояния ГТС.Предметомисследованияявляютсяметодыисредстваавтоматизированного контроля утечек газа из протяженных линейных участковМГ, а также способы передачи информации в беспроводных сетях.Целью диссертационной работы является повышение эффективностиэксплуатации и обслуживания линейных участков МГ на основе созданиясредствавтоматическогоконтроляутечекгазасиспользованиемтелекоммуникационных средств беспроводной связи.Для достижения цели в работе решены следующие задачи:1.Анализ проблемы, методов и средств контроля состояния ГТС.2.Разработка концепции системы автоматического контроля утечек газа измагистрали, со сроком эксплуатации, превышающим нормативный.3.Разработка метода контроля ТС МГ, основанного на применениебеспроводных модулей (БМ) сенсорной телекоммуникационной системы (СТС).64.Разработка алгоритма функционирования БМ.5.Разработка сенсорного устройства детектирования утечек метана.6.Разработка способа и метода передачи информации, а также системыэлектроснабжения БМ.7.Разработка алгоритма влияния розы ветров, при размещении БМ вблизигазопровода.8.Разработкаучитывающей:автоматизированнойрозуветров;рельефсистемыпроектированияместностивдольтрассыСТСМГ;чувствительность датчика метана; мощность приемопередатчика.9.Апробация и внедрение результатов исследования.Методы исследования.

В процессе решенияпоставленныхзадачиспользованы принципы системного подхода и методы общей теории систем итехническойдиагностики,теорииматематическогоидиагностическогомоделирования, теория чувствительности и возмущений, теория оптимизации иметоды математического программирования, теории управления, вероятностейи математической статистики, теории систем массового обслуживания, теориипринятия решений, методы численных и экспериментальных исследований,методы построения телекоммуникационных систем и методы объектноориентированного программирования.В диссертационной работе получены следующие новые научныерезультаты.1.ПредложенаконцепцияпостроениясистемыконтроляТСМГ,выработавших номинальный срок службы, которая в отличие от известныхоснована на технологиях и средствах беспроводных сетей телекоммуникаций.2.Разработана автоматическая система, которая в отличие от известныхпозволяет контролировать утечки метана в непрерывном режиме и при этомучитываетрозуветров,чувствительностьдатчикаметана,мощность7приемопередатчикабеспроводнойсетииограничения,накладываемыеособенностями рельефа местности вдоль трассы газопровода.3.РазработаналгоритмфункционированияБМсенсорнойтелекоммуникационной системы, который заложен в аппаратно–программнуюреализацию детектора утечки метана.4.Предложено решение по организации электропитания БМ сенсорнойтелекоммуникационнойсистемы,включающеговсебявозобновляемыеисточники энергии.5.Дляоценкиразработанаэффективностиимитационнаямодельиспользованияраспределеннойаппаратныхресурсовбеспроводнойсети,учитывающая возможность моделирования взаимодействующих параллельныхпроцессов с реализацией логики преобразований во времени.6.На основе результатов теоретических и экспериментальных исследованийпредложена инженерная методика контроля утечек метана из газовыхмагистралей беспроводными модулями сенсорной телекоммуникационнойсистемы.Практическая значимость результатов работы состоит в том, чторазработанная в ней сенсорная телекоммуникационная система контроля утечекгаза позволит, объединить в едином пространстве территориально разнесенныетехнические, телекоммуникационные, диагностические и информационныесредства, а также автоматизировать процесс сбора, обработки и визуализацииинформации, оценки объемов утечки метана в реальном масштабе времени, дляорганизацииэффективногоцентрализованногоуправлениятехническимсостоянием, обслуживанием и ремонтом ЛУ МГ.Реализацияивнедрениерезультатовработы.Разработанныевдиссертационной работе методы, алгоритмы, аппаратно-программный комплексиметодическоеобеспечениеиспользованыпривыполнениинаучно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, в рамках федеральной8целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационнойРоссии» на 2009-2013 годы, государственный контракт № 14.740.11.0068 от 6сентября 2010г.