Моделирование и прогноз техногенных катастроф в нефтегазовой отрасли

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ

УДК 519.713;519.711:53

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗ ТЕХНОГЕННЫХ КАТАСТРОФ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

Рассмотрены причины и источники возникновения чрезвычайных ситуаций техногенного характера. Предложены структурные решения задач автоматизированного мониторинга, моделирования и прогнозирования чрезвычайных ситуаций.

Ключевые слова: моделирование, прогноз, мониторинг, техногенный, чрезвычайная ситуация, надежность, автоматизация технологических процессов.

В настоящее время в нефтегазовой отрасли России налицо системный кризис, поскольку затронута вся система отрасли вместе с внутренними и внешними связями, как горизонтальными, так и вертикальными. Причем управление рисками не может выступать некой панацеей, способной смягчить последствия аварий и катастроф, а также прогнозировать и предупреждать их в будущем. Сегодня требуется системный подход к решению системных задач, т. е. необходим анализ всей системы на предмет как генерирования управляющих воздействий, так и получения значимого отклика от системы.

Существующая система сбора, хранения и анализа информации не дает возможности решить задачи управления стратегическими рисками, прогнозирования и предупреждения аварий и катастроф в нефтегазовой отрасли. Только научный мониторинг с привлечением широкого круга ученых позволит разрешить поставленные задачи. Очевидно, что ключевую роль в этом процессе будет играть моделирование (в частности, компьютерное), а также анализ информационных потоков на базе новых информационных технологий.

Рассмотрим обозначенные выше задачи в более узком интервале, а именно для объектов нефтяных и газовых промыслов. Чрезвычайно высокий уровень добычи, суровые климатические условия, бездорожье, трудности доставки оборудования и высокая стоимость строительно-монтажных работ обуславливают необходимость разработки экономичных,

© Борзых В. Э., ЛапикН. В., 2010

эффективных и надежных методов и средств для промысловой обработки нефти и газа и применения их при обустройстве нефтяных и газовых промыслов.

За последние годы в законодательстве ужесточены требования к эксплуатации месторождений и установок подготовки нефти и газа. Например, были введены новые правила (нормы), ограничивающие общее количество выбрасываемых в окружающую среду вредных веществ и устанавливающие штраф за сверхнормативные выбросы. Не менее важным требованием является повышение надежности и бесперебойности работы установок.

К безопасности объектов нефтегазовой отрасли предъявляются наиболее повышенные требования. Это касается надежности и исправности оборудования для добычи, хранения, переработки и транспортирования нефти и газа, обеспечения взрыво-безопасности и пожарной безопасности объектов, экологической безопасности.

К опасным и вредным производственным факторам, которые могут возникнуть при обслуживании объектов нефтяных и газовых промыслов, относятся: повышенная загазованность, повышенная или пониженная температура рабочей зоны, повышенные уровни шума и вибрации на рабочем месте, недостаточная освещенность, движущиеся детали машин и механизмов и др. Эти факторы в основном обусловлены:

• необходимостью работы во взрыво- и пожароопасных помещениях;

0869-7493 ООЖАРОВЗРЫВОБЕЗООАСООСТЬ 2010 ТОМ 19 №3 |31

• необходимостью обслуживания фонтанной арматуры, сепараторов, компрессоров, нефте- и газопроводов и другого оборудования, находящегося под высоким давлением;

• выделением из газа и конденсата компонентов, которые представляют опасность для здоровья людей, а при определенных условиях становятся взрыво- и пожароопасными;

• применением в некоторых технологических процессах легковоспламеняющихся жидкостей, пожароопасных материалов, вредных веществ (метанола, диэтиленгликоля и др.);

• необходимостью выполнения работ с применением газа и открытого огня.

Большое значение для обеспечения безопасности и оздоровления условий труда работников, обслуживающих нефтяные, газовые и газоконденсат-ные скважины, установки комплексной подготовки газа, компрессорные станции, установки подготовки нефти и другие объекты, имеет:

• качественная проводка скважин;

• обустройство месторождений в строгом соответствии с проектом, с соблюдением требований охраны труда, пожарной безопасности;

• применение автоматизации и телемеханизации в технологических процессах добычи нефти и газа и подготовки их к дальнейшему транспортированию;

• строгое соблюдение правил техники безопасности и пожарной безопасности при обслуживании и ремонте добывающих объектов и системы транспортирования нефти и газа. Объектами мониторинга и прогнозирования

чрезвычайных ситуаций являются потенциальные источники чрезвычайных ситуаций, например пожароопасные процессы сепарации, подготовки и транспортирования нефти и газа по трубопроводам. На любой из этих операций возможна разгерметизация оборудования и трубопроводов, что может стать причиной выброса легковоспламеняющихся жидкостей и воспламеняющихся газов в производственные помещения и на территорию промышленного объекта с возможностью последующего воспламенения или взрыва их от источника воспламенения. Основными взрыво- и пожароопасными, вредными и токсичными веществами, находящимися в производстве, являются нефть с попутным нефтяным газом, деэмульгаторы, метанол.

Причины возникновения аварийных ситуаций и неполадок технологического процесса можно условно объединить в следующие группы:

1. Отказы (износ) оборудования, которые, по мнению аналитиков, составляют 30-40 %. Коснов-ным причинам отказа оборудования относятся:

• прекращение подачи энергоресурсов (электроэнергии, газа и т. п.), что может привести к нарушению нормального режима работы установки, выходу параметров за критические значения и созданию аварийной ситуации;

• коррозия и эрозия оборудования, трубопроводов оборудования и трубопроводов, что может стать причиной их разгерметизации (чаще всего подобные разрушения имеют локальный характер и не приводят к серьезным последствиям);

• физический износ, механические повреждения или температурная деформация оборудования и трубопроводов, что может привести как к частичному, так и полному разрушению конструкций и возникновению аварийной ситуации любого масштаба;

• эксплуатация аппаратов, оборудования и трубопроводов при параметрах, выходящих за пределы, указанные в технических условиях или паспортах;

• неисправность предохранительных клапанов и несоблюдение сроков их ревизии;

• пропуск газонефтяной смеси во фланцевых соединениях в результате разрыва прокладок; трещины, значительное уменьшение толщины стенок трубопроводов и аппаратуры из-за коррозии, пропуски через дефекты в сварных швах, чрезмерные пропуски в сальниковых и торцевых уплотнениях насосов и т. д.;

• неисправность контрольно-измерительных приборов и средств автоматики;

• несвоевременное и некачественное проведение ремонтных работ;

• неисправность средств пожаротушения и приборов определения взрывоопасных концентраций.

2. Ошибочные действия персонала, которые представляют особую опасность при пуске и остановке оборудования, ведении ремонтных и профилактических работ, связанных с неустойчивыми переходными режимами, освобождением и заполнением оборудования опасными веществами. В случае неправильных действий обслуживающего персонала существует возможность разгерметизации системы и возникновения крупномасштабной аварии.

3. Внешние воздействия природного и техногенного характера:

• грозовые разряды и разряды от статического электричества;

• смерчи, ураганы, лесные пожары;

• снежные заносы и понижение температуры воздуха;

• опасности, связанные с опасными промышленными производствами, расположенными в районе объекта;

32

0869-7493 ООЖАРООЗРЫООБЕЗООАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №3

• опасности, связанные с перевозкой опасных грузов в районе расположения объекта;

• специально спланированная диверсия. Важную роль в функционировании объектов нефтяной и газовой промышленности играют информационно-измерительные системы, так как успех процесса зависит от строгого контроля и поддержания в заданном режиме основных технологических параметров, а также от контроля качества выходного продукта. Поддержание с заданной точностью на заданном уровне параметров быстротекущих технологических процессов при ручном управлении оказывается невозможным. Следовательно, технологический процесс, отвечающий современным требованиям, немыслим без оснащения технологических установок соответствующими системами автоматического управления.

Применение автоматизированных систем управления и контроля за технологическим процессом позволяет до минимума сократить степень участия в нем человека. Это повышает не только уровень надежности и качества процесса (снижается количество выбросов вредных веществ в окружающую среду), но и уровень безопасности работ, выполняемых персоналом.

При проектировании сложных управляющих комплексов встает задача обеспечения требований как по точности и качеству управления, так и по надежности и эффективности их функционирования. Особенность функционирования систем обеспечения безопасности и противоаварийных систем состоит в том, что, постоянно находясь в рабочем режиме, они контролируют состояние объекта управления, не оказывая на него никакого воздействия до возникновения аварийной ситуации. При возникновении такой ситуации системы должны оперативно распознать и сформировать управляющее воздействие по ее предотвращению. Для выполнения возложенных на систему функций она должна периодически получать сигналы с датчиков физических параметров объекта, на их основе оценивать состояние объекта и область его допустимых значений и только при выходе из этой области формировать противоаварийные воздействия [1].

В связи с этим основными функциями противо-аварийной автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) являются:

• сбор и первичная обработка (аналого-цифровое преобразование, измерение, масштабирование) информации о технологическом процессе и технологическом оборудовании;

• регистрация контролируемых параметров и событий в соответствии с технологическим процессом;

• автоматическое регулирование технологических параметров;

• дистанционное управление технологическим оборудованием, насосными агрегатами, компрессорами, исполнительными механизмами;

• сбор информации о состоянии и работе исполнительных механизмов, схем автоматического управления, регулирования и технологической защиты;

• распознавание предаварийных и аварийных ситуаций;

• распознавание отказов функций управления и сигнализация при их возникновении;

• управление системами пожаротушения и про-тивоаварийной защиты;

• диагностика технических средств системы;

• регистрация аварийных событий, запись параметров, приведших к этому;

• обмен информацией между уровнями системы и вышестоящей системой управления.

Для обеспечения надежности функционирования автоматизированных систем управления широко применяются различные методы резервирования (структурная или аппаратурная избыточность), информационная и временная избыточность, системы диагностики и самодиагностики.

Данные о технологическом объекте, получаемые противоаварийной АСУТП, являются основой для оценки воздействия, прогнозирования, планирования и управления процессом. Отказ системы представляет собой случайное событие и неизбежно ведет к экономическим, производственным, экологическим потерям (остановка или сокращение производства, ремонт отказавшей системы, ликвидация последствий аварий или катастроф). Риск является неизбежным атрибутом эксплуатации техники и одним из важнейших показателей безопасности [2].

Одна из важнейших задач совершенствования технологического процесса — внедрение таких систем автоматизированного и автоматического управления, которые устраняли бы случайный характер изменений параметров. Математическое моделирование позволяет в некоторых случаях предсказать ход технологического процесса и может использоваться как инструмент прогнозирования.

При любой аварии или катастрофе важно понимать, что время осмысления информации, принятия и реализации решений управляющей системой не коррелирует со временем развития процессов в объекте управления, а это может привести к необратимости процесса.

Главное в разрабатываемой концепции — это предвидение и предупреждение, основанные на научном прогнозировании.

0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №3

33

Самым неблагоприятным исходом аварии (или цепочки аварий) в нефтегазовой отрасли является экологическая катастрофа. Для экологических катастроф техногенного происхождения применяют следующую классификацию [3]:

• катастрофы, связанные с загрязнением природной среды;

• катастрофы, связанные с механическими нарушениями природной среды;

• катастрофы, связанные с потерей генофонда и

биоразнообразия.

С экологической катастрофой в нефтегазовой отрасли можно справиться либо проводя реабилитационные мероприятия (постфактум), либо предвидя возможность их возникновения (предфактум). Прогнозирование экологических катастроф в нефтегазовой отрасли требует дальнейших научных изысканий на основе широкого использования 1Т-технологий. В крайне опасном состоянии находится инфраструктура: технологический парк нефтегазовой отрасли, трубопроводы, дороги, геологоразведка, буровое, эксплуатационное, коммунальное хозяйство. Возникает замкнутый круг: на полноценный ремонт, поддержку и обновление инфраструктуры не хватает средств, поскольку значительную часть ресурсов приходится направлять на ликвидацию последствий бедствий, аварий и катастроф, а эти затраты растут, так как инфраструктура не обновляется.

Одним из решений проблем оценки рисков, связанных со стратегическими решениями на разных уровнях, может стать развертывание в высшей школе, в частности в Тюменском нефтегазовом университете, исследований, ориентированных на получение соответствующих методик. Кроме того, создание таких методик позволит поднять на новый качественный уровень подготовку практически всех специалистов нефтегазовой отрасли. Организация междисциплинарных исследований, направленных на разработку математических и алгоритмических средств, адекватных сложности поставленной проблемы, позволит решить проблему оценки системной устойчивости развития и обеспечения экспертизы ряда стратегически важных технологических проектов. Перспективным направлением можно считать разработку научно-методических основ сценарного подхода к решению задачи.

Первым шагом на этом пути может стать создание проблемного центра с привлечением большого количества научно-педагогических сотрудников университета, установление тесных связей с Институтом проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, Институтом прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН, ООО "Газобезопасность", учеными-кол-

легами из Томска, Новосибирска, Екатеринбурга, Уфы, Санкт-Петербурга, Иркутска, Перми, Москвы.

Краткосрочная перспектива выглядит следующим образом. Системный подход, как метод научного поиска, позволяет структурировать задачу и установить пути ее решения. Решение задачи имеет смысл разбить на составляющие, а затем найти определяющие системные связи для установления необходимых воздействий.

Структурный вид задачи моделирования и прогнозирования ЧС может быть представлен следующим образом:

1. Анализ и накопление фактического материала о происшедших авариях и кризисных явлениях. На этом этапе создается банк данных с элементами базы знаний и с привлечением экспертов.

2. Построение на основе банка данных физических, математических и экономических моделей процессов. Ввиду относительной быстротечности большинства процессов полученная система будет системой реального времени. Следовательно, необходимы модели, основанные на параллельных вычислениях. Численно модели необходимо развернуть на распределенном кластере с возможностью терминального доступа через дублируемые линии связи.

3. Регулярное проведение многовариантных расчетов с применением этих моделей и пополнение базы знаний.

Таким образом реализуется сценарная модель развития ситуации. В качестве примера можно рассмотреть задачу ликвидации фонтана на газовой скважине. Известно, что для ее решения обычно применяется метод отсекания пламени. Однако он может быть дополнен тремя инновациями:

• введением в водяную струю веществ с эндотермическим эффектом при нагреве и использованием ударных волн в качестве оттесняющих экранов фронта пламени. Ударную волну можно сгенерировать двумя способами — электроразрядом в газожидкостной среде и с помощью взрывчатых веществ;

• использованием пористого жидкостного охлаждения для защиты теплонагруженных конструкций. Пористые материалы могут быть получены в результате самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в режиме так называемого электротеплового взрыва (ЭТВ);

• применением различных высокосорбционных материалов для уменьшения экологической нагрузки, так как при авариях имеет место значительное загрязнение окружающей среды углеводородами. Для этих целей могут быть использованы новые материалы, получаемые из отходов полипропилена во вращающемся реакторе.

34

0869-7493 ООЖАРОВЗРЫВОБЕЗООАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №3

Решение всех задач, конечно же, подразумевает привлечение большого количества специалистов в различных областях науки и техники. Предложенная структура решения проблемы основывается на эвристическом предположении, что наибольшие воздействия можно осуществить при быстром протекании процессов и локализации объемов. Кроме того, это предположение объединяет столь разрозненные на первый взгляд задачи. Решая круг поставленных задач, мы будем вынуждены рассмотреть и ряд научных проблем, связанных с ними. Это вопросы экспертного анализа сложных систем, физического и математического моделирования быст-ропротекающих процессов (горения, взрыва, тепловой и огневой защиты, получения новых материалов с уникальными свойствами, электрофизических процессов, получения нанопорошков и т. д.). Многие из этих проблем на определенном этапе становятся самостоятельными, как то автоматизированный мониторинг состояния опасных объек-

тов, организация высокопроизводительных параллельных вычислений, методы инициирования СВ-синтеза, разработка способов оттеснения фронта пламени при пористом и струйном охлаждении, получение термокинетических эффективных параметров при горении и взрыве, термохимическая деструкция полимеров с образованием коксового остатка, зарождение и распространение ударной волны в газожидкостных системах, сорбция нефтепродуктов в частично термически деструктирован-ных полимерных материалах, движение пленки расплава в поле действия массовых сил и т. п.

Как уже было отмечено выше, для реализации проекта необходимо интегрированное усилие многих научно-педагогических кадров университета, поэтому важно создание скоординированного реестра потенциальных возможностей для этих кадров.

В заключение хотелось бы отметить, что реализация проекта позволит осуществить тесную связь науки, производства и образовательного процесса.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Половко А. М., Гуров С. В. Основы теории надежности. — 2-е изд., перераб. и доп. — СПб.: БХВ - Петербург, 2006. — 704 с.:ил.

2. Дианов В. Н. Диагностика и надежность автоматических систем : учебное пособие. — 2-е изд., стереотипное. — М. : МГИУ, 2005. — 160 с.

3. Владимиров В. А., Воробьев Ю. Л. и др. Управление риском. Риск, устойчивое развитие, синергетика. — М. : Наука, 2000. — 432 с.

Материал поступил в редакцию 2 февраля 2010 г. Электронный адрес авторов: kafedra5@yandex.ru.

Издательство «П0ЖНАУКА»

Представляет новую книгу

А. А. Антоненко, Т. А. Буцынская, А. Н. Членов. ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ : учебно-справочное пособие / Под общ. ред. д-ра техн. наук А. Н. Членова. -

М.: 000 "Издательство "Пожнаука", 2010. - 250 с.

В учебно-справочном пособии изложены основы современного подхода к проблеме комплексного обеспечения безопасности объектов хозяйствования с помощью технических средств и систем, приведены сведения о технической эксплуатации комплексных систем безопасности, а также справочно-методическая информация для решения практических задач эксплуатации. Дано основное содержание эксклюзивной разработки — ГОСТ Р 53704-2009 "Системы безопасности комплексные и интегрированные", входящего в отраслевой комплект нормативно-технической документации поданной проблеме.

Книга предназначена для практических работников в области систем безопасности и может быть использована как учебное пособие для подготовки и повышения квалификации специалистов соответствующего профиля.

121352, г. Москва, ул. Давыдковская, д. 12, стр. 7; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru

ISSN 0869-7493 ПОЖАРООЗРЫООБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №3

35