Каталог продукции/ Система температурного мониторинга мерзлых, промерзающих и протаивающих грунтов/ Статьи

ПРИМЕРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРОИЗВОДСТВА АО "НПП "ЭТАЛОН"

Цена и срок изготовления
по запросу

Авторы: В.Н. Пугач, И.И. Еремин
Аннотация. В статье описываются комплексы оборудования для полевого определения температуры вечномерзлых грунтов в оперативном режиме, в режиме реального времени и в автономном режиме. Рассматриваются примеры применения систем мониторинга температуры на функционирующих НГКМ и протяженных магистральных объектах, расположенных в криолитозоне.
Ключевые слова: криолитозона, многолетние изменения, мониторинг, температура грунтов, термокоса.

В Российской Федерации общая площадь вечномерзлых грунтов составляет около 63% территории. На этой территории существует и развивается почти весь газодобывающий комплекс, значительная часть нефтедобычи, добыча цветных металлов, золота и алмазов; проходят газо- и нефтепроводы, железные и автомобильные дороги; расположены города и поселки с аэродромами и другой инфраструктурой. Многолетнемерзлые основания при приложении тепловых и механических нагрузок оказываются неустойчивыми при техногенном воздействии. Считавшиеся ранее твердомерзлыми грунты переходят в пластичномерзлое состояние, изменяется их водный режим, появляются таликовые зоны, увеличиваются глубина сезонно-талого слоя, идет процесс техногенного обводнения и засоления, активизируются опасные криогенные процессы.
Для предотвращения рисков возникновения негативных последствий (деформаций зданий и сооружений) и затрат на их ремонт и восстановление, необходимо вести постоянный геотехнический мониторинг и внедрять различные методы обеспечения эксплуатационной надежности объектов на всех стадиях жизненного цикла сооружений.
Для этих целей АО «НПП «Эталон» разработало системы мониторинга температур протяженных объектов, которые предназначены для полевого определения температуры грунтов согласно ГОСТ 25358-2012. Внедрение разработанных технических решений позволяет повысить точность измерений и надежность, упростить существующие системы мониторинга температур, расширить области их применения.
Разработчики АО «НПП «Эталон» предприняли попытку устранить недостатки известных систем мониторинга температур, таких как: сложность, дороговизна, низкая точность измерений и слабая герметичность, которая приводит к отказу устройств в условиях промышленной применяемости.
Архитектура разработанных измерительных систем очень гибкая и позволяет в зависимости от поставленной задачи осуществлять оперативный, автономный или непрерывный мониторинг температуры грунта под основаниями зданий и сооружений, вдоль земляного полотна железных дорог, тем самым обеспечивая работоспособность и безопасность функционирования объектов в условиях вечной мерзлоты.
Для проведения оперативных замеров используется комплект оборудования состоящий из контроллера ПКЦД-1/100 и термокосы МЦДТ 0922. ПКЦД-1/100 позволяет устойчиво считывать показания термокос с интервалом опроса от 10 секунд до 1 часа, а также сохранять информацию об измеренной температуре каждого датчика в термокосе в энергонезависимую память прибора. Термокоса МЦДТ 0922 обладает малой тепловой инерцией, кабель сохраняет гибкость при эксплуатации даже в условиях отрицательных температур.
Таким образом, пользователь может разместить на различных объектах (в термометрических скважинах) несколько десятков термокос и в течении 10…40 мин провести замеры, оценить результаты и сохранить данные с термокос о температуре каждого объекта с помощью одного контроллера ПКЦД-1/100 с последующей передачей и обработкой на ПК.
Для проведения автономных замеров температурных полей удаленных и труднодоступных объектов (термометрических скважин) используется комплект оборудования, состоящий из логгеров ЛЦД-1/100-СД и термокос МЦДТ 0922 или МЦДТ 1201. Логгер совместно с термокосой размещается в термометрической скважине ниже уровня земли и работает автономно в течение нескольких лет.
Измеренные значения температуры с термокосы записываются на карту памяти формата MicroSD, расположенную внутри логгера. Сбор данных проводится путем извлечения карты из логгера, либо ее заменой на новую, либо копированием файла с данными на ПК виде архива.
Время непрерывной работы логгера с термокосой без замены элемента питания зависит от количества одновременно подключаемых датчиков и периода проведения измерений. Например, при сохранении измерений два раза в сутки с термокосы, состоящей из 10 датчиков, логгер автономно без замены питания проработает около 10 лет.
Для решения задач непрерывного мониторинга температуры и оповещения об ее критических изменениях под зданиями и сооружениями, рекомендуется использовать систему СТМ ПО, представляющую собой совокупность контроллеров СКЦД-6/200, подключенных к распределительному блоку БРИЗ с использованием линии связи RS-485, и термокос МЦДТ 0922 и (или) МЦДТ 1201. К каждому контроллеру можно подключить от одной до шести термокос, содержащих суммарно до 200 датчиков.
Порядок подключения термокос произвольный, контроллер сам определяет конфигурацию получившейся системы и проводит сканирование каналов для обнаружения подключения/отключения термокос с интервалом 5 секунд.
Связь между СТМ ПО и компьютером обеспечивается путем подключения БРИЗ к ПК при помощи кабеля интерфейсного USB. Информация об измеряемой температуре выводится на ПК с помощью специально разработанного программного обеспечения «VIPER”, позволяет в реальном времени отслеживать малейшие изменения температуры и сигнализировать, если ее величина превысила допустимую норму.
Для решения задач по автономному мониторингу и передаче данных по беспроводной линии связи используется вариант на базе логгеров ЛЦД-1/100-РМ.
В октябре 2012 г. совместно со специалистами Мерзлотной станции Центра ИССО АО РЖД в скважины установлены логгеры ЛЦД-1/100-СД и термокосы МЦДТ 0922 на объекте земляного полотна «Км 2339» перегона Курьян-Тында.
Анализ работы системы показал высокую точность и надежность приборов, получена качественно новая информация о температурном режиме объекта земляного полотна. За прошедший период не зафиксировано ни одного сбоя.
Информация с логгеров ЛЦД-1/100-СД и термокос МЦДТ 0922 необходима для последующей оценки динамики изменения среднегодовой температуры грунтов с целью прогноза изменения температурного режима оснований сооружений, оценки эффективности охлаждающих мероприятий за один годовой цикл, корректировки исходных данных для повышения точности теплотехнических прогнозов и т. д.
По результатам температурного мониторинга были выполнены определённые практические мероприятия по предотвращению деформаций насыпи.
В мае 2014 г. установлены в опытную эксплуатацию логгеры ЛЦД-1/100-РМ, позволяющие уже без извлечения самих логгеров из скважин получать информацию о температурных режимах грунтов по беспроводной связи. Частоты передачи данных находятся в разрешённом диапазоне (434МгГц), мощность также не высокая (10мВт), что не требует получения дополнительных разрешений. Время на переоборудование двух скважин (замена логгеров, установка усиленных оголовков с антеннами) составило порядка полутора часов. Устойчивая работа по передаче данных с логгеров на нетбук с помощью радиомодема (дальность связи) осуществлялась на расстоянии 1500 метров. Кроме этого разработано новое программное обеспечение «Radiomania”, которое выложено на сайте АО «НПП «Эталон».
Аналогичная система температурного мониторинга установлена на поворотном круге станции Обская ООО «ГазпромТранс», г. Лабытнанги в октябре 2014 г. Там же получены предложения об оснащении передвижной матрисы подобным комплектом оборудования, для организации системы мониторинга непосредственно в движении.
На основе логгера ЛЦД-1/100-СД, преобразователей и датчиков теплового потока ДТП 0922 была разработана и поставлена на опытную эксплуатацию система измерения тепловых потоков в грунтах на площадке Института Физико-Химических и Биологических проблем почвоведения г. Пущино. Данная система эксплуатируется уже более трех с половиной лет. Подобная система смонтирована осенью 2014 г. в республике Саха-Якутия.
По заказу Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН разработаны и выпущены СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ В ПОЧВЕ. Система предназначена для измерения температуры и тепловых потоков в грунтах. Измерения проводятся для оценки эффективных величин теплоёмкости и теплопроводности почвы в природных условиях в районе сплошного распространения многолетнемерзлых пород.
Изучение тепловых потоков в системе «мерзлотная почва – многолетнемерзлая порода» на территории Колымской низменности начато в октябре 2014 года. На сегодняшний день обработаны данные двух полных годовых циклов измерения плотности теплового потока и температуры почвы. Исследования проводились в окрестностях пос. Черского, на Северо-восточной научной станции ТИГ ДВО РАН, расположенной в подзоне северной тайги (рис. 1). В качестве объекта мониторинга выбрана криометаморфическая палево-метаморфизованная легкосуглинистая почва на пологом склоне (4-5о) южной экспозиции в лишайниково-бруснично-зеленомошном лиственничном редколесье.

ПРИМЕРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРОИЗВОДСТВА АО "НПП "ЭТАЛОН"

Рис. 1 – Участок мониторинга - в окрестностях пос. Черского, на Северо-восточной научной станции ТИГ ДВО РАН
Система измерения температуры и тепловых потоков в почве представляет собой комплекс из термокосы (5 датчиков температуры МЦДТ 1301), 3-х датчиков теплового потока ДТП 0924 с преобразователями и двух логгеров цифровых данных ЛЦД-1-100. Система установлена в точке мониторинга почвенных режимов на наблюдательной площадке Северо-Восточной научной станции Тихоокеанского института географии Дальневосточного отделения РАН в 2 км к ю-в от пос. Черский (респ. Саха Якутия) на участке с лесной растительностью. Датчики теплового потока устанавливались в почвенный профиль на глубинах 0 см (под растительный покров), 40 см и 85 см (на подошву деятельного слоя) (рис. 2). Температурные датчики помещались на глубины: 0, 20, 40, 80 и 85 см. (рис.3).

ПРИМЕРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРОИЗВОДСТВА АО "НПП "ЭТАЛОН"

Рис. 2 - Динамика тепловых потоков

ПРИМЕРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРОИЗВОДСТВА АО "НПП "ЭТАЛОН"

Рис. 3 - Динамика температуры почвы

Результаты мониторинга теплового потока хорошо согласуются с тенденцией к повышению температур в системе «почва-мерзлота» и увеличению мощности деятельного слоя, установленной для изучаемой территории и отражающей глобальное изменение климата в сторону потепления.
Система работает в настоящее время, наблюдения продолжаются.
Итак, датчики системы обладают достаточно хорошей дискретностью, чтобы получать высококачественные данные по температуре и тепловому потоку в почвах. Уровень защиты конструкции датчиков, преобразователей и логгеров позволяет использовать их в натурных условиях в районах сплошного распространения многолетнемерзлых пород. Опыт годовой эксплуатации системы показал ее высокую надежность. Это позволяет рекомендовать систему для ее включения в состав комплексов оборудования при выполнении программ почвенного, инженерно-геологического и геокриологического мониторинга.
Начиная с 2014 года, специалистами службы геотехнического мониторинга инженерно-технического центра ООО “Газпром добыча Надым” применяется термометрическое оборудование производства АО “НПП “Эталон” в составе термокос МЦДТ 0922, логгеров ЛЦД-1/100 РМ, а так же контроллеров портативных ПКЦД – 1/100 для контроля температуры грунтов оснований объектов газопромысловой инфраструктуры.
К настоящему времени на объектах газоконденсатных месторождений общества (Бованенковское, Юбилейное, Медвежье) используется порядка 150 комплектов радиоканального термометрического оборудования (в составе термокос МЦДТ и логгеров ЛЦД – 1/100 РМ) (рис. 4, 5), а так же порядка 90 термометрических кос МЦДТ, используемых в режиме периодического опроса с контроллера ПКЦД.

ПРИМЕРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРОИЗВОДСТВА АО "НПП "ЭТАЛОН"

Рис. 4 – Дожимная компрессорная станция Медвежьего НГКМ

ПРИМЕРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРОИЗВОДСТВА АО "НПП "ЭТАЛОН"

Рис. 5 - Дожимная компрессорная станция Юбилейного НГКМ

 

Так же на участках газопровода устанавливают радиоканальное термометрическое оборудование (в составе МЦДТ 1301 и логгеров ЛЦД – 1/100 РМ, фото местности с сетью термометрических скважин представлено на рисунке 6. Где ТС – термометрические скважены.

ПРИМЕРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРОИЗВОДСТВА АО "НПП "ЭТАЛОН"

Рис. 6 – Сеть термометрических скважин

 

За время эксплуатации специалистами службы геотехнического мониторинга отмечена высокая эффективность данного оборудования для решения задач геотехнического мониторинга инженерных сооружений в криолитозоне. Отмечено удобство и легкость настройки оборудования, и высокий уровень развития сопутствующего программного обеспечения.

По мере эксплуатации оборудования, вырабатываются рекомендации и пожелания по совершенствованию и расширению возможностей оборудования и программного обеспечения.

 

Так же системы мониторинга температуры и тепловых потоков применяется на экспериментальных участках нефтепроводов, где для стабилизации грунтов применяются навесы. На рисунке 7 представлена схема расположения навесов и систем мониторинга температуры (термометрическая скважина) и тепловых потоков (тепломеров) на опорах надземного нефтепровода. На рисунке 8 представлено фото одной из опор нефтепровода с навесом.

ПРИМЕРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРОИЗВОДСТВА АО "НПП "ЭТАЛОН"

Рис. 7 – Схема размещения термометрических скважин и датчиков теплового потока под навесами над опорами надземного нефтепровода

ПРИМЕРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРОИЗВОДСТВА АО "НПП "ЭТАЛОН"

Рис. 8 – Опора нефтепровода без навеса, и с навесом и системами мониторинга температуры и тепловых потоков

 

Аналогичная система была расположена на участке подземного нефтепровода, схема расположения представлена на рисунке 9, фото данного участка представлено на рисунке 10. Сами навесы (различные по конструктиву и материалам изготовления) отмечены различной цветной штриховкой. Под одним из навесов (на схеме это в центральном навесе) располагаются три датчика теплового потока на разных уровнях: на грунте; в середине (по высоте) навеса и на уровне самого навеса. Под оставшимися навесами располагаются по одному датчику теплового потока. Один из датчиков теплового потока необходимо расположили вне навесов - для оценки «естественных» потоков, в которые не вносят изменения сами навесы. Влияние потоков от самого трубопровода необходимо учитывать ещё одним датчиком, установленным непосредственно над трубой также вне навесов.

Термометрические скважины обозначены красными овалами. Первые скважины располагаются на минимально-возможном расстоянии от трубопровода. Далее на расстоянии 1-2 метра от первых. Скважины возле леса необходимы для более точного определения температур грунтов на экспериментальном (проблемном) участке трубопровода. Скважины в верхнем правом участке рисунка необходимы для учёта влияния температуры трубопровода на температуру грунта вне навесов.

ПРИМЕРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРОИЗВОДСТВА АО "НПП "ЭТАЛОН"

Рис. 9 – Схема размещения навесов, термометрических скважин и датчиков теплового потока подземного нефтепровода

ПРИМЕРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРОИЗВОДСТВА АО "НПП "ЭТАЛОН"

Рис. 10 – Размещенные навесы, термометрические скважины и датчики теплового потока подземного нефтепровода

 

В настоящее время на данных участках продолжаются работы по сбору и обработке данных.

Таким образом, системы мониторинга температуры и тепловых потоков являются необходимыми составляющими, как для эксплуатируемых объектов, так и для проведения новых изысканий в области строительства и стабилизации вечномерзлых грунтов.

Кроме этого, оборудование АО «НПП «Эталон» для мониторинга позволяет использовать в качестве датчиков любые датчики с цифровым или аналоговым выходом (инклинометры, датчики уровня, влажности).

В развитие вышеперечисленных систем, АО «НПП «Эталон» разрабатывает Систему удаленного сбора данных. Рисунок 11. Система позволяет опрашивать радиологгеры ЛЦД-1/100-РМ в радиусе 1,5 км в прямой видимости, обеспечивает возможность подключения двух термокос, также имеются 2 канала RS-485 для подключения СКЦД 1/100, СКЦД 6/200 или другого оборудования с данным интерфейсом передачи данных.

ПРИМЕРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРОИЗВОДСТВА АО "НПП "ЭТАЛОН"

Все полученные данные система передает по GSM связи на сервер, доступ к данным и работу с ними планируется реализовать через WEB интерфейс. Система работает от питания 220 Вольт. Корпус прибора утеплен и имеет обогрев. Рабочий диапазон температур - от минус 60 до +60 °С.

Таким образом данная система позволяет удаленно производить сбор данных с систем температурного мониторинга грунтов, без необходимости выезжать на объект.

 

Ведется разработка устройств для обогрева скважин. Нагреватели вмонтированы в цилиндр. Электропитание осуществляется от автомобильного аккумулятора.

 

Следует также отметить АО «НПП «Эталон» является разработчиком и производителем эталонного метрологического оборудования для поверки всевозможных датчиков температуры, и готово оснастить метрологические лаборатории термометрии полными комплектами этого оборудования. Возможно также рассмотрение вопроса создания и оснащения мобильных термометрических лабораторий.

 

Заключение

1. Системы мониторинга температуры и тепловых потоков являются необходимыми составляющими, как для эксплуатируемых объектов, так и для проведения новых изысканий в области строительства и стабилизации вечномерзлых грунтов.

2. Разрабатываемая система позволяет удаленно производить сбор данных с систем температурного мониторинга грунтов, без необходимости выезжать на объект, что значительно повышает эффективность работы с системами температурного мониторинга грунта.

 

Библиографический список

1. Корниенко С.Г. Изучение и мониторинг мерзлых грунтов с использованием данных космической съемки // Материалы 11-й Всероссийской научно-практической конференции «Геоинформатика в нефтегазовой отрасли».

2. Минкин Марк Строительство нефтегазовых объектов на Севере // Материалы семинара «Вопросы проектирования фундаментов на особых грунтах. Новые геотехнические конструкции и методы их расчетов», 2010.

3. Никоненко В.А., Кропачев Д.Ю., Сиротюк В.В., Иванов Е.В., Мониторинг температуры на транспортных объектах в регионах с сезонно промерзающими и многолетнемерзлыми грунтами / Приборы — Москва: Союз общественных объединений "Международное научно-техническое общество приборостроителей и метрологов", 2015 — Выпуск 9 (183). - с. 7-13.