Моделирование процесса обращения с нефтезагрязненными грунтами

Я. С. Мухтаров, Р. Ш. Суфиянов, Н. И. Гданский,

В. А. Лашков

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАЩЕНИЯ С НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫМИ ГРУНТАМИ

Ключевые слова: нефтезагрязненный грунт, транспортная логистика, алгоритм Дейкстры.

На условном примере нефтедобывающего региона рассмотрен процесс обращения с нефтезагрязненнъми грунтами, образующимися в нефтедобывающих регионах.

Keywords: Oil soil, logistics, Dijkstra’s algorithm.

As a conditional example the process of oily soils treatment is considered for the oil-producing region.

При авариях на объектах, связанных с добычей, подготовкой и транспортированием нефти [1], образуется значительное количество нефтезаг-рязненных грунтов, которые являются источниками загрязнения биосферы.

Масштабность, важность и актуальность проблемы обезвреживания этих опасных отходов отмечается в принятом Постановлении Правительства РФ [2], согласно которому при авариях, связанных с разливом нефти, предписано объявлять чрезвычайную ситуацию. Такое внимание к магистральным нефтепроводам, вызвано как высокой пожарной опасностью разлитой нефти, так и отрицательными негативными последствиями для окружающей природной среды из-за возникающих при этом масштабных загрязнений экосистемы.

Неблагополучная экологическая ситуация усугубляется ещё и тем, что в нефтяной отрасли, по мере удаленности разрабатываемых месторождений «от центра к периферии», прослеживается негативная тенденция к снижению экологических требований и, соответственно, техногенная нагрузка на экосистему этих отдаленных регионов существенно возрастает [3].

В зависимости от количества разлитой нефти, чрезвычайные ситуации подразделяют на:

- локального значения (до 100 т);

- муниципального значения (от 100 до 500 т);

- территориального значения (от 500 до 1000 т);

- регионального значения (от 1000 до 5000 т);

- федерального значения (свыше 5000 т).

Первоочередной задачей в этих чрезвычайных обстоятельствах является оперативный сбор разлитой нефти и ликвидация последствий аварии в максимально сжатые сроки. В соответствии с Постановлением время на ликвидацию последствий негативного воздействия на окружающую природную среду не должно превышать 6 ч с момента получения информации об аварии. При этом почву, пропитанную нефтью, необходимо безотлагательно собирать и вывозить для обезвреживания на специальные полигоны, оснащенные необходимым для этого оборудованием.

Образование нефтезагрязнённых грунтов (НЗГ) носит вероятностный характер, при этом определяющими факторами являются тип используемого оборудования (нефтепровод, резервуар для хранения нефти, установка для подготовки нефти и

т.д.), вид местности, где располагаются эти потенциальные источники загрязнения окружающей природной среды, и другие обстоятельства.

В методическом руководстве по оценке степени риска аварий на нефтепроводах [4, 5], для повышения промышленной и экологической безопасности на магистральных нефтепроводах, предложено осуществлять оценку степени риска аварий по частоте их возникновения.

При оценке риска аварий, сопровождающихся разливом нефти, как правило, используются следующие подходы:

- статистический, основанный на анализе данных об аварийности и надежности подобных объектов;

- графоаналитический, заключающийся в применении «деревьев отказов» и «деревьев событий»; экспертный, включающий оценку экспертов;

- комплексный, сочетающий различные вариации вышеперечисленных подходов.

Проведенный анализ статистических данных по аварийности в нефтяной промышленности [6] показывает: что большинство аварий (около 71%), происходит по организационным причинам, среди них: 17,5 % из-за несоблюдения технологии; 15,4% вызваны причинами нарушения производственной дисциплины; 13,4% неэффективностью производственного контроля за соблюдением требований промышленной безопасности; 12,4% неправильной организацией производства; 10,5% низким уровнем знаний требований промышленной безопасности и др. Остальные 29% связаны: с неисправностью технических устройств и оборудования 16%, с несоответствием проектных решений условиям проведения работ и конструктивным несовершенством используемой аппаратуры и технических устройств 13%.

Одной из основных целей законодательства в сфере охраны природы является предотвращение загрязнения почв, но, несмотря на применяемые превентивные меры, не удается полностью предотвратить возникновение аварий, наносящих значительный ущерб земельным ресурсам, при этом существенные финансовые расходы несут службы, задействованные в ликвидации этих аварий и их последствий.

При проведении работ по обезвреживанию нефтезагрязнённых грунтов, образовавшихся в ре-

зультате аварийного разлива нефти, значительную долю составляют транспортные расходы, и для снижения себестоимости их обезвреживания важно выбрать место размещения полигона с учётом вероятности и масштабности аварий, принимая во внимание инфраструктуру нефтедобывающего региона.

Целью исследования является разработка концептуальной модели нефтедобывающего региона, позволяющей на основе вероятностной оценки экологических рисков возникновения аварийного разлива нефти определиться с местом размещения полигона для обезвреживания нефтезагрязненных грунтов и разработать транспортную логистику их перевозки с места аварии до полигона по существующим автодорогам. Работы, проводимые в рамках поставленных задач, должны внести свой вклад в снижение себестоимости обезвреживания образующихся нефтезагрязненных грунтов.

Безусловно, при оценке риска существует неопределенность, связанная с недостаточностью статистических данных, с неполной достоверностью полученной информации и с субъективными предположениями при интерпретировании данных, поэтому одним из важных этапов, способствующим снижению неопределенности при оценке риска аварий на магистральных нефтепроводах, является условное разделение нефтепровода на определенные участки, при этом их границами могут быть места установления задвижек, пересечения с транспортными коммуникациями, расположения населенных пунктов и т.д. Для этих участков проводят оценка частоты утечек нефти, рассчитывают вероятные количества пролитой нефти и для каждого из них определяют «тяжесть риска» потенциальной аварии. По ожидаемым объемам потерь нефти (в тоннах за год на 1000 км трассы) значения степеней риска аварий на нефтяных магистралях разделяют на: а) низкую, < 0,10; б) среднюю, в пределах от 0,10 до 100,00; в) высокую > 100,00.

Длина участков, в зависимости от перечисленных факторов, может варьироваться от 200 до 3000 м, при этом очевидно, что уменьшение длины участка позволяет повысить точность оценок риска, но одновременно возрастают и затраты, вызванные необходимостью проведения работ по сбору и анализу дополнительных данных. При расчете рисков возникновения аварийных разливов нефти используют различные руководящие материалы и методики [7, 8], как правило, направленные на поиск решений по предотвращению аварий, что является важной природоохранной задачей. Вместе с тем требуют внимания и сами «продукты» ликвидации последствий аварийных разливов нефти, о чем свидетельствуют огромные количества замазученных земель и нефтезагрязненных грунтов, накопленных в нефтедобывающих регионах. Для количественной оценки экономического риска (тяжести) 1Чд потенциальной аварии, учитывают вероятность возникновения аварии Р(Д).

Расчет Р(Д) производят на основе анализа причин, способствующих возникновению аварии, с

использованием статистических данных по аварийности, а также анализа дерева отказов, а при определении последствий возможных аварий применяют метод дерева событий.

При проведении оценок необходимо обладать значительной исходной информацией, собираемой из различных источников, о влияющих факторах, объединяемых в 8 следующих групп:

1) внешние антропогенные воздействия (17 факторов);

2) коррозия (7 факторов);

3) качество производства труб (3 фактора);

4) качество строительно-монтажных работ (6 факторов);

5) конструктивно-технологические факторы (4 фактора);

6) природные воздействия (4 фактора);

7) условия эксплуатации (5 факторов);

8) дефекты тела трубы и сварных швов (3 фактора).

Рис. 1 - Условная схема расположения экологически опасных объектов нефтедобывающего региона

Рассмотрим «типовую» условную схему нефтедобывающего региона (рис.1), с магистральными нефтепроводами, кустами скважин и др., с указанием населенных пунктов, технологических объектов со связывающими их дорогами. Известно, что для удобства монтажа и обслуживания, трассы трубопроводов проектируют вдоль проездов, автодорог или железнодорожного полотна.

На схеме представлены потенциально опасные объекты, при этом нефтепроводы условно можно разделить на участки по частотам возникновения на них аварий (на основании статистических данных), и эти участки рассчитывают в соответствии с методическим руководством [5].

Для построения транспортной логистики, представим нефтедобывающий регион в виде ориентированного целочисленного графа (рис.2). В качестве вершин рассмотрим населенные пункты и места возможных аварий. В круглых скобках указаны условные значения , а в квадратных значения весов ребер (дорог) графа, соответствующие ус-

ловной стоимости перевозки по ним 1 т нефтезаг-рязненных грунтов.

Первоначально для минимизации транспортных расходов рассчитаем «центр тяжести» (на схеме точка, обозначенная буквой «О»), т.е. координаты оптимального места нахождения полигона. При расчёте этих координат может быть использована, в частности, программа расчёта центра тяже-

Рис. 2 - Схема графа

сти грузовых потоков [9]. Но для обустройства полигона и его деятельности необходима соответствующая инфраструктура, которая с меньшими финансовыми вложениями может быть обеспечена в том случае, если полигон будет расположен в населенном пункте, ближайшем к «центру тяжести».

В РФ все автодороги подразделяются в зависимости от дорожной одежды и наличия встречного движения на три основные группы, при этом очевидно, что стоимость перевозки зависит не только от расстояния, но и от качества дорог, в особенности, когда речь идёт о дорогах проселочных.

В работе [10] приведены коэффициенты, оценивающие технический уровень и эксплуатационное состояние автомобильных дорог в зависимости от их потребительских свойств, к которым отнесены: скорость, непрерывность, безопасность, удобство движения, пропускная способность и некоторые другие параметры, которые влияют на стоимость перевозки.

Обобщающий показатель качества и состояния дороги Пд определяется по следующей формуле

Пд = КПдК об К э,

где кпд - комплексный показатель транспортноэксплуатационного состояния дороги; Коб - показатель инженерного оборудования и обустройства; К э - показатель уровня эксплуатационного содержания.

При этом значения КПд могут меняться в

интервале от 0,15 до 1,25, и значения весов ребер графа могут задаваться в зависимости от состояния

автодороги, т.е. с учетом КПД.

Общие затраты на утилизацию нефтезагряз-ненных грунтов складываются из:

а) расходов на их транспортирование от места образования до полигона для обезвреживания;

б) затрат на обезвреживание.

Затраты первого рода существенно зависят от выбора места расположения полигона. Очевидно, из условий минимизации затрат на развитие необходимой инфраструктуры для функционирования полигона, он должен быть размещен в населенном пункте или вблизи него.

Для определения места расположения полигона разработаны алгоритм и программа, состоящие из трех основных шагов:

Шаг. 1. Определение координат Ox и Oy

«центра тяжести» O .

Расчет проводится по формулам

Ox = Zjrj

i=1 / i

m / m

Oy = I]r

i=i / i

где m - количество учтенных потенциальных источников образования НЗГ; Г - риск (вероятность) аварийного разлива нефти (нефтепродуктов); X -математическое ожидание количества НЗГ.

Шаг. 2. Определение населенных пунктов, ближайших к «центру тяжести».

Вводим рамку с центром в точке О размерами {0,0.01-Lix ; 0,0.01-Liy } и задаем число населенных пунктов k . Если в исследуемой области число населенных пунктов меньше k , то размеры рамки увеличиваем. Процедура повторяется до тех пор, пока в выбранной рамке не окажется k населенных пунктов - альтернатив для выбора месторасположения полигона.

Шаг. 3. Поиск «перспективного» населенного пункта.

Для данных k населенных пунктов проводится уточненный анализ. Выполняем прямой ход метода Дейкстры по определению минимального маршрута, на котором на всех остальных пунктах, характеризующихся значениями Pj, проставляем метки Му, отражающие стоимость перевозок из Pj

в Pj. Находим полную стоимость перевозок из k населенных пунктов с учетом качества дорог

Sj = i]

j=i

Из всех пунктов выбираем тот, для которого Sj = min.

Таким образом, выбор места размещения полигона для обезвреживания НЗГ, должен проводиться с учетом оценок рисков аварийных разливов

нефти и транспортной логистики конкретного нефтедобывающего региона, что позволит не только снизить себестоимость обезвреживания НЗГ, но и более оперативно решать задачи ликвидации аварий на объектах нефтяной отрасли.

Литература

1. Алексеев, В.А. Моделирование процесса разлива нефти и нефтепродуктов при разгерметизации на подводных переходах магистральных нефтепродуктопроводов /

B.А. Алексеев, С.В. Алексеев, А.Н. Минегалеев, Р.Р. Ахметов // Вестн. Казан. технол. ун-та. - 2011. - №8. -

C. 172-176.

2. О порядке организации мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской Федерации. Пост. Правительства РФ №240, 15.04.02.

3. В.В. Тетельмин, В.В. Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе / В.В. Тетельмин, В.А. Язев. М.: Изд. дом «Интеллект», 2011. - 126 с.

4. Методическое руководство по оценке степени риска аварий на магистральных нефтепроводах: 2-е изд.. испр.- М.: Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России. - 2002. - 24 с.

5. Хамидуллина, Ф.Ф. Методика выполнения расчетов

технологических потерь нефти / Ф.Ф. Хамидуллина, Р.Ф. Хамидуллин // Вестн. Казан. технол. ун-та. - 2011.

- №18. - С. 265-267.

6. Катасонов, Ю.И. Обеспечение экологической безопасности в нефтяной промышленности России / Ю.И. Катасонов, С.Н. Рыбаков, Д.А, Зимин // Нефтяное хозяйство.

- 2005. - №3. С 4-7.

7 Гражданкин, А.И Современные подходы обеспечения безопасности и предупреждения аварийности и производственного травматизма на опасных производственных объектах трубопроводного транспорта на основе процедуры анализа риска / А. И Гражданкин, Д.В.Дегтярев, М.В. А.С. Лисанов, Печеркин, В.С. Сафонов, В.И. Сидоров, С.И. Сумской, А.А. Швыряев. - М.: ВНИИГАЗ, 2004. - 568 с.

8. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов: РД 03-418-01: утв. Пост. Госгортехнадзора Рос. Федерации 01.09.01: ввод. в действие с 01.10.01. - М.: ЭНАС, 2001. - 20 с.

9. Гаджинский, А.М. Выбор места расположеня склада /

A.М. Гаджинский //Справочник экономиста. - 2004. -№8. - С.36-42.

10. Пеньшин, Н.В. Государственное регулирование автотранспортной деятельности в регионе / Н. В. Пеньшин,

B.П. Бычков. - М.: Акад. проект, 2007. - 186 с.

© Я. С. Мухтаров - д-р техн. наук, проф. каф. машиноведения КНИГУ; Р. Ш. Суфиянов - канд. техн. наук, доц. кафедры переработки природных материалов МГУИЭ; Н. И. Гданский - д-р техн. наук, проф. каф. информатики РГСУ; В. А. Лашков - д-р техн. наук, проф., зав. каф. машиноведения КНИГУ ,1а8Ькоу_ііт@к8І:и.га.