Kombiniertes Monitoring-System Provista

PIPELINETECHNIK / GASVERSORGUNG Fachbericht
Kombiniertes Monitoring-System
­Provista: Pipelineüberwachung mit
Glasfaser und Drohnen
Die Auffassung, dass es gegenwärtig kein ideales Überwachungssystem für Pipelines gibt, ist allgemein verbreitet [1].
Das bedeutet, dass die Lösung für einen komplexen Schutz der Erdöl-, Erdölprodukte- und Erdgastransportadern vor
diversen Gefahren immer ein Kompromisses zwischen technischen, ökonomischen und politischen Faktoren ist. Daher
soll im Folgenden ein kombinierter Monitoringansatz vorgestellt werden, der die spezifischen Vorteile verschiedener
Technologien miteinander verbindet.
In den letzten Jahrzehnten nahm der Einsatz von Drohnen bei
der Überwachung von Pipelines und anderen längeren Objekten immer weiter zu. Das russische staatliche Unternehmen für
den Transport von Erdöl und Erdölprodukten „Transneft“, das
mit 73.000 km Pipelines operiert, verwendet solche Apparate
z. B. für den Schutz der Fernerdölleitungen im Ostsibirischen
Raum. Mini-Flugzeuge, die mit Photo- und Videokameras
mit mehrfacher optischer Vergrößerung ausgerüstet sind,
übertragen das Bild in Echtzeit auf Monitore der Bodenleitungsstation. Das GPS-System der Koordinaten erlaubt eine
sehr sensible Ortung in einem Radius von 25-30 km um die
Station und bis zu einer Höhe von 500 m [2].
Neben der Drohnenüberwachung wurde aber auch vermehrt
auf die Glasfaser-Technologie zurückgegriffen, die für das
Monitoring, z. B. bei der Lecküberwachung, eine wichtige
Rolle spielt. Unter anderem rüstete das Moskauer Unternehmen PetroLight über die 2010 gemeinsam mit Transneft
gegründete OMEGA Company über 5500 km Rohrleitung
mit dem Leak Detection und Activity Control System (LDACS
OMEGA) aus [3].
Das System basiert auf der Verwendung des längs der Rohrleitung verlegten faseroptischen Kabels als Sensor. LDACS
Omega spürt geringste vibroakustische und thermische Veränderungen in und in unmittelbarer Nähe der Pipeline. Der
Betreiber erhält so direkt und schnell Online-Informationen
über Leckagen sowie über potentiell gefährliche Aktivitäten
in der Schutzzone (Tabelle 1).
Vorteile verbinden: Drohnentechnologie und
Glasfasertechnologie
Bei der Erstellung eines „neuen“ Monitoring-Systems sollen die Vorteile der beiden oben beschriebenen Ansätze
verbunden werden. Dafür sollen einige Hauptvorteile des
LDACS Omega beschrieben werden. Der faseroptische Sensor kann relativ leicht und kostengünstig installiert werden
– im Vergleich zu ganzen Apparatkomplexen wie bei vielen
konventionellen Überwachungssystemen. Der Sensor ist
dabei unsichtbar und erfordert keine Verlegung des elektrischen Kabels längs der Pipeline, was auch in Bezug auf
die Sicherheit des Rohres ein großer Vorteil ist. Der optische
Tabelle 1: Technische Daten des Omega-Systems
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Äußerer Durchmesser des faseroptischen Kabels
16 mm
Baulänge des faseroptischen Kabels
4 - 6 km
Maße abgeschirmter Schrank für das logische Modul
Max. 800x800x2100 mm
Zulässige Arbeitstemperatur des faseroptischen Kabels
Von -40 bis +60 °C
Zulässige Arbeitstemperatur des logischen Moduls
Von +1 bis +40 °C
Zeit des Ansprechens des vibroakustischen Kanals
Max. 10 s
Zeit des Ansprechens des Kanals der Registrierung der Temperaturänderung bei 2°C
Max. 60 min
Frequenzbereich der zu registrierenden Signale
150 - 500 Hz
Spannung und Frequenz des Versorgungsnetzes
220 ± 37 V, 50 Hz
Einsatzzeit bei unterbrochener Stromversorgung
Mind. 3 h
Lineares Auflösungsvermögen
2-5m
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Bild 1: Die Verlegung des faseroptischen Sensors des Leak
Detection und Activity Control Systems (LDACS) OMEGA in der
Fernerdölleitung „PurPe – Samotlor“
Bild 2: Das neue Modell des Logischen Moduls wird im
Prüflabor von Dmitrij Pleschkow, Geschäftsführer der Firma
OMEGA, präsentiert
Sensor ist in elektromagnetischer Hinsicht passiv und eignet
sich dadurch auch für aggressivste Medien [4].
Das System LDACS basiert auf der Verwendung des akustischen Sensors (Distributed Acoustic Sensor, DAS), der unter
anderem die Signale vom thermalen Sensor (DTS) bestätigt.
Der OMEGA-DAS kann das tatsächliche akustische Signal
bis zu 50 km im Leitungsabschnitt zurückverfolgen und
zwar in beide Gegenrichtungen von der Auswerteeinheit.
Die Ergebnisse werden für den Betreiber in der Messwarte
reproduziert und bewertet. Die Einheit sendet ein optisches
Signal in das Glasfaserkabel und analysiert die natürlich
auftretenden Schwingungen bzw. Reflektionen, die entlang
des installierten Glasfaserkabels zurückgestreut werden.
Die Empfindlichkeit der Phasenumwandlung beträgt dabei
0,1 bis 0,2 Radiant und die Bandbreite der analysierten Fre-
quenzen reicht von 1 bis 500 Hz bei einer Impulsfolge von
1 kHz. Ähnlich wie beim verteilten Vibrationssensor (DVS)
verwendet die OMEGA DAS-Architektur die faseroptischen
Sensoren als virtuelle Mikrophone sowie als Übertragungsmedium für Messinformationen. DAS verwendet Coherent
Optical Time Domain Reflectometry (COTDR), um die Rückstrahlung von Rayleigh-gestreutem Licht zu analysieren und
um Vibrationen in virtuellen Kanälen aufzuzeichnen [5].
LDACS Omega ist also ein Kontroll- und Messkomplex, ein
hocheffektives und „kluges“ Signalsystem, das dem Betreiber Informationen über ein herannahendes gefährliches
Ereignis anzeigt oder ein bereits eingetroffenes meldet.
Der Betreiber muss dann entscheiden, was zu tun ist. Die
Entsendung einer Notgruppe an die ermittelte Position
kann eine Lösung sein. Allerdings ist die technische Ausrüs-
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Bild 3: Lokale Änderungen des Reflektogramms zeigen externe vibroakustische Einwirkungen.
Mit Drohnen kann dies schnell überprüft werden
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Bild 4: Prinzipielles Arbeitsschema des Systems PROVISTA: vom Signal des optischen Sensors
bis zur Luftbildaufnahme und Beschlussfassung
tung, die man in einer solchen „schnellen Engreiftruppe“
vorhalten muss, teuer. Außerdem ist die Entsendung von
Technikern in teils unwegsames Gelände auch eine logistische Herausforderung.
Das Monitoring-System Provista
Das komplexe Monitoring-System Provista, dessen Konzeption von den russischen Firmen PetroLight und Omega
und der schweizerischen Aratos-Swiss Homeland Security
AG (5) ausgearbeitet wurde, ist eine Antwort auf diese
Herausforderung. Das Wesen der in diesem Jahr konzipierten und vorgestellten Entwicklung besteht darin,
dass die primäre Analyse eines möglichen Vorfalls an der
Pipeline (sowie an dem besonders bewachten Perimeter,
einer Eisenbahnlinie oder einer Stromtrassen-Querung) auf
der Grundlage einer Luftbildaufnahme, die von Drohnen
operativ gemacht wird, durchgeführt wird.
Wenn z. B. am automatisierten Arbeitsplatz des LDACSOperators Informationen einlaufen, dass an einem der
virtuellen 5-Meter-Abschnitte, in die die Strecke eingeteilt
ist, eine für diesen Ort nicht charakteristische physische
Aktivität erkannt wird, kann der Ort des wahrscheinlichen
Ereignisses weit entfernt sein – ein logisches LDACSModul bedient bis zu 50 Kilometer in jede Richtung. Das
Steuerungsprogramm der Drohnen, das automatisch
gestartet wird, verbindet durch die Geolokalisation dann
sofort die Stelle des wahrscheinlichen Ereignisses mit der
Geländekarte und der jüngsten Aufnahme, die während
des Routineabfliegens einer Drohne gemacht wurde. Es
gibt dank der hohen Auflösung die Möglichkeit, den Punkt
POI (Point of Interest) im Detail zu sehen. Der Dispatcher
kann dann ggf. veranlassen, ein unbemanntes Flugzeug
zum POI zu senden. Der Operator des PROVISTA-Systems
sieht parallel automatische Handlungsempfehlungen –
einschließlich der Indexbezeichnung der Stelle, wo ein
Hubschrauber landen kann, und die eventuelle Bewegungsroute zum POI.
Der Flugkörper, der mit Akkus oder Kerosin betrieben
wird, hat eine Reichweite von bis zu 100 km. Das heißt,
dass er den entferntesten Punkt, der von dem Logischen
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Modul bedient wird, erreichen kann. Die Drohne übermittelt dabei ständig Foto- und Videoaufnahmen. Dies
passiert nicht nur bei menschlichem, kriminellen Eingriff
in die Schutzzone einer Pipeline, sondern auch bei Leckagen: auch diese werden von DTS, DAS und speziellen
Aufnahmetechniken der Drohne erkannt.
Die Drohne kann neben dem manuellen Modus auch im
Half-Control- und Circle-Modus arbeiten. Im ersten Fall
kann ein speziell ausgebildeter Operator die Drohne mit
Hilfe eines gewöhnlichen Joysticks steuern und den Flug
des Apparats lenken, um bessere Bilder zu bekommen.
Im Half-Control-Modus kreist die Drohne um den POI
herum und behält ihn ständig im Visier ihrer Kameras.
Somit können die Handlungen möglicher Täter verfolgt
und dokumentiert werden. Der Flugkörper kann auch
Transportmittel mit einer Geschwindigkeit von 120 km/h
verfolgen und mit Hilfe einer speziellen Software Gesichter
erkennen, die sich am POI befinden.
Tabelle 2: Technische Daten der Drohne D-18, die im ProvistaSystem verwendet werden kann
Spannweite
1,8 m
Länge des Rumpfes
1,2 m
Kreuzergeschwindigkeit
50 km/h
Maximale Geschwindigkeit
80 km/h
Start – Landung
Vom Arm des Operators
oder vom Katapult.
Erste Anfragen und Einsätze für Provista
Pipeline-Betreiber sowie Schutzbehörden einiger Regionen der Welt haben bereits Interesse für den praktischen
Einsatz des Provista-Systems gezeigt. Im Sommer 2015 hat
Aratos-Swiss das System in Nigeria und Algerien erfolgreich präsentiert. Im August 2015 wurde dieses integrierte
Pipeline-Überwachungssystem ein Dialogthema während
des Moskau-Besuches einer Shell-Delegation bei Omega.
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Bild 5: Aleksej Turbin von der OMEGA
Company bei einem Test der Drohnen in
der Stadt Izhevsk, Russland
Bild 6: OMEGA-Ingenieure zeigen den Vertretern von öltransportierenden Gesellschaften
aus Zentraleuropa das Fernzugriffsverfahren an einer 5000 km entfernten TransneftPipeline in der Nähe der sibirischen Stadt Irkutsk
Vor kurzem, am 5.September, wurde Provista den Partnergesellschaften von Transneft – der tschechischen MERO,
der slowakischen Transpetrol und der ungarischen MOL
– ebenfalls in Moskau vorgestellt.
Dieses Interesse ist auf eine Reihe von Vorteilen zurückzuführen, die vor allem wirtschaftlicher Art sind. So
kann der teure Einsatz einer Notgruppe oft überflüssig
sein, hingegen man mit einer Drohne den POI wesentlich effizienter überwachen kann. Die Ausstattung mit
dem Provista-System kann sogar die Notwendigkeit der
Entsendung einer bewaffneten Notgruppe zum Tatort
vermeiden, falls
»» sich das Ereignis am POI als nicht gefährlich zeigt,
»» eine weitere Kontrolle durch Routineinspektionen
möglich ist oder
»» bereits vorhandene Foto- bzw. Videoaufnahmen ausreichend für die Planung eines Sicherheitseinsatzes
oder Gerichtsverfahren sind.
Das System Provista eröffnet Pipelinebetreibern neue
wirtschaftliche Möglichkeiten für den technologischen
Schutz wichtiger Infrastrukturobjekte.
Literatur
[1] Psel, N.; Pleshkov, D.; Akhmedov E.; Turbin, A.: OMEGA-LDACS:
Safer Detection with the Distributed Acoustic Sensor, in: 3R,
Technical Journal for Piping System Integrity and Efficiency.
Pipeline Special 2013, S. 43-46.
[2] Klintsewitsch, L.; Kisseljow, G.: Das innovative Monotoringsystem
kann Leckagen aus der Pipeline “hören” und potentiell gefährliche
Ereignisse lokalisieren, in: Zeitschrift “Ekologitscheskij Westnik
Rossii”, Mai 2014, S.20-22.
[3] Psel, N.; Turbin, A.: Innovative Response to Technologic and
Anthropogenic Challenges: Omega’s Fibre-Optic Cable-Based
Monitoring System for Pipelines, in: Pipelines International Digest,
11/2012, pp.18-19.
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[4] Internet-Review UAS Vision. http://www.uasvision.
com/2014/08/05/integrated-pipeline-border-monitoringsolution/#more-32676/ .
[5] Psöl, N.; Pleschkow, D.; Achmedow, E.: LDACSLeckerkennungssystem: Mehr Sicherheit durch verteilte akustische
Sensoren, in: 3R 10/2013, S.86-89.
SCHLAGWÖRTER: Pipelinetechnik, Online-Monitoring, Drohnen
AUTOREN
Dr. STANISLAWA WASJUTINSKAJA
Moskauer Staatsuniversität für Geodäsie
und Kartographie
Tel. +7 499 2621953
[email protected]
WIKTORIA MALKINA
Moskauer Gubkin-Staatsuniversität für Erdol
und Erdgas
Tel. +7 495 6182983
[email protected]
Dr. HANS-CHRISTIAN STUBER
ARATOS-SWISS Homeland Security AG
Tel. +41 792504744
[email protected]
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