автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Экологическая оценка химического воздействия объектов транспорта и хранения газа на окружающую среду

На правах рукописи

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ХИМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ОБЪЕКТОВ ТРАНСПОРТА И ХРАНЕНИЯ ГАЗА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (химическая технология)

О 8г, ОД

^ СЕН

Дедиков Евгений Васильевич

Москва 1998 г.

Работа выполнена в РАО ГАЗПРОМ и Московской Государственной Академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель —

доктор технических наук, профессор Ярыгин ПА.:;

Официальные оппоненты —

доктор физико-математических наук, профессор Карташов Э.М.

доктор технических наук, профессор Одишария Г.Э.

Ведущая организация

П "Мострансгаз".

Защита состоится « Ю у> « й/М^» 1998 г. в ^ час. на заседании диссертационного совета К063.41.02 в Московской Государственной Академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова по адресу: Москва, проспект Вернадского, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ .(Москва, Малая Пироговская, 1)

, / //

Реферат разослан «/у » « ¿¿/¿.к-¿у'^» 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ¡7

кандидат технических наук О^^^Д^ Бурляева Е.В.

Общая характеристика работы. Актуальность темы.

РАО ГАЗПРОМ является одной из крупнейших в мире газовых компаний, доля которой в общемировой добыче составляет 22%. В составе РАО ГАЗПРОМ разрабатывается 69 газовых и конденсатных месторождений, эксплуатируется разветвленная сеть магистральных газопроводов, протяженностью 145 тыс. км., 245 компрессорных станций, 23 подземных хранилища газа. Одной из важнейших задач РАО ГАЗПРОМ в России является активное формирование современного, общественно-приемлемого топливно-энергетического баланса, удовлетворяющего критериям экономической и экологической безопасности. Экологические преимущества природного газа столь значительны, что отказ от использования природного газа и замена его углём и мазутом по оценкам ВНИИГАЗ увеличит количество выбрасываемых в атмосферу вредных веществ в 24 раза. Тем не менее и газовая индустрия имеет собственные проблемы в деле охраны окружающей среды, связанные с негативным воздействием объектов добычи, транспортировки и переработки газа.

Специальным постановлением РАО ГАЗПРОМ от 12 апреля 1995 года утверждена программа направления экологической политики минимизации техногенного воздействия на -окружающую среду за счёт использования безотходных и безвредных технологий, жесткого контроля за выбросами вредных веществ.

Программа экологической политики РАО ГАЗПРОМ определила следующую систему приоритетов природоохранной деятельности:

• предотвращение загрязнений окружающей среды;

• оценка воздействия объектов газовой промышленности на окружающую среду;

• производственный экологические мониторинг;

• создание систем обеспечения экологической безопасности;

• управление экологическим риском;

• экологическое страхование и аудит.

Таким образом, оценка воздействия объектов газовой промышленности на окружающую среду является приоритетным направлением деятельности РАО "АЗПРОМ.

В рамках этого направления необходимо решить следующие основные 1роблемы:

• обоснование методик анализа воздействия объектов ГАЗПРОМа на окружающую среду;

• анализ, моделирование и оценка объёмов выбросов загрязняющих веществ;

• учёт и контроль распространения и переноса загрязнений в почве, воде и атмосферном воздухе.

Анализ выбросов вредных веществ при добыче, подготовке и транспорте аза объектами РАО ГАЗПРОМа показывает, что более 70% выбросов падает на ранспорт и подземное хранение газа и менее 30% на добычу и переработку, "аким образом, при решении экологических проблем газовой промышленности ^следование воздействия объектов транспорта и подземного хранения газа на 1кружающую среду, безусловно, является актуальной проблемой.

Целью работы является: экологическая оценка воздействия объектов транспорта и подземного хранения газа на окружающую среду на основе математических моделей оценивания и прогнозирования объёмов утечек. Для достижения цели в диссертации решаются следующие задачи:

• статистический анализ и экологическая оценка объёмбв и химического состава выбросов объектами РАО ГАЗПРОМ;

• анализ особенностей процессов утечек газа из транспортных систем и ПХГ (подземных хранилищ газа) и химического воздействия утечек на атмосферу, почву и поверхностные воды;

• разработка статистических методов прогнозирования объёмов утечек в линейных частях магистральных газопроводов;

• разработка методов оценивания объёмов-утечек в сетях магистральных газопроводов.

Научная значимость и новизна работы заключается в:

• оценке объемов и состава выбросов загрязняющих веществ основных подотраслей ГАЗПРОМа и анализе их распределения по регионам России;

• результатах статистического анализа объёмов и химического состава утечек газа из транспортных систем и ПХГ и оценке воздействия утечек на атмосферу, почву и поверхностные воды;

• создании комплексных методик статистического анализа и прогнозирования объёмов утечек в линейных частях магистральных газопроводов, основанных на вероятностном распределении Вейбулла;

• предложенных в диссертации методах использования математических моделей оценивания объёмов утечек в сетях магистральных газопроводов, основанных на приведении утечек линейной части магистрального газопровода к узлам топологически эквивалентной распределительной сети.

Практическая значимость работы заключается в:

• выявлении основных технологических операций при транспорте и хранении газа, определяющих выбросы загрязняющих веществ компрессорных станций;

• установлении основных причин, приводящих к утечкам в линейных частях МГ и анализе распределения аварий ЛЧ МГ по объёмам выбросов в атмосферу;

• результатах анализа воздействия объектов подземного хранения и транспорта газа Московской ПХГ на воздушную и водную среды Подмосковья;

• обосновании основных мероприятий по снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при работе компрессорных станций Мострансгаза. Апробация работы: Работа над диссертацией выполнялась в рамках

комплексной программы РАО ГАЗПРОМ «Программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по охране окружающей среды и рациональному природопользованию в газовой промышленности». Основные результаты работы были представлены на презентации экологической концепции РАО ГАЗПРОМа, на Международной конференции по подземным хранилищам газа (Москва, 1995г.), на секции «Охрана окружающей среды» в Научно-техническом Совете РАО ГАЗПРОМ, на нескольких семинарах по экологическому мониторингу в ДИЭМ, МГГУ и др.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 7 статей и монография: (Анализ воздействия объектов подземного хранения газа на окружающую фиродную среду», М., 1997 г., написанная в соавторстве.

Структура и объём диссертации: Работа состоит из введения, четырех Лав и заключения, изложенных на 90 страницах, включая библиографию из 84 1сточников, 12 рисунков и 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.,

В России, в последние десятилетия, особое внимание уделялось развитию 1 надежности энергетической системы на основе широкого использования |риродного газа, что обеспечило устойчивый рост экономики, возрастающую отребность людей в энергетических услугах по приемлемым ценам и снижение агрузки на окружающую среду, благодаря тому, что природный газ является еизмеримо более экологически чистым видом ископаемого топлива по равнению с углём и жидким топливом.

Конечно, и газовая индустрия имеет собственные проблемы в деле охраны кружающей среды от негативного воздействия объектов добычи, транспорта и ереработки. Эти проблемы в настоящее время решаются благодаря ложившейся практике отрасли, ~ позволяющей финансировать научные азработки, их реализацию, а также проводить социально ориентированную кологическую политику акционерного общества.

Экологическая политика Российского акционерного общества "ГАЗПРОМ", гвержденная специальным Постановлением Правления 14 апреля 1995 г., эключается в охране здоровья и безопасности его работников, в охране рироды и здоровья человека вблизи объектов отрасли, в минимизации зхногенного воздействия на среду обитания за счет использования безотходных безвредных технологий, в реализации жесткого и открытого контроля за сбросами вредных веществ, в реализации оздоровительных мероприятий. Она азработана с учетом опыта ведущих зарубежных фирм и в соответствии с еждународными экологическими стандартами и является первым документом эдобного рода в топливно-энергетическом комплексе России. Среди основных грвоочередных экологических проблем, которые необходимо решать в отрасли, шжение выбросов загрязняющих веществ при добыче, транспорте, хранении и греработке природного газа.

Во второй главе диссертационной работы дана экологическая оценка >здействия объектов РАО ГАЗПРОМ на окружающую среду. С этой целью ;следуются особенности экологического воздействия систем газоснабжения на .ружающую среду. Отмечается, что одним из главных объектов газовой юмышленности является Единая система газоснабжения (ЕСГ) - совокупность аимосвязанных систем дальнего транспорта, подземных хранилищ газа (ПХГ) и ютем распределения, осуществляющих непрерывный процесс подачи газа >требителям. Одним из наиболее опасных негативных воздействий объектов <Г на окружающую среду является утечка газа из пласта-коллектора. Механизм юникновения газов к поверхности весьма сложен, Газ, попадающий в шележащие проницаемые пласты, задерживается от дальнейшего спространения в вертикальном направлении перекрывающими их проницаемыми слоями. Точное определение потерь газа путем прямого счета зачастую невозможно в силу недостаточной информации об объекте зовой залежи, площади контакта с водой, проницаемости и др. Поступление

газа в водоносные горизонты пресных вод при эксплуатации ПХГ происходит вс многих случаях без фиксации аномалий в контрольных пластах. Поэтому для контроля пластовых потерь требуется большой комплекс промысловых, геолого-физических и гидрохимических наблюдений.

Выполненный при участии автора анализ имеющихся данных по воздействию ПХГ на окружающую среду показал, что общее количество углеводородов, выделяющихся в мире при хранении газа (в хранилищах всех типов), составляет 10-60 тыс. т в год, при общих утечках в газовой промышленности 2,18 -4,26 млн. т и утечках во вс§х отраслях 354 млн. т.

Основными веществами, загрязняющими воздушный бассейн при эксплуатации ПХГ, являются:

- природный газ, составляющий более 60 % общего количества выбросов, (в составе природного газа 90-98 % составляет метан);

• одорант (смесь природных меркаптанов);

• оксиды азота;

• оксид углерода;

• сероводород и диоксид серы, если природный газ содержит соединения серы.

Основные источники выбросов - компрессорные станции (КС), газораспределительные пункты (ГРП), скважины и котельные.

Постоянных выбросов природного газа в атмосферу на ПХГ нет, они носят эпизодический характер и определяются режимом работы топливоиспользующего оборудования. На некоторых ПХГ (Полторацкое ПХГ) наблюдались небольшие утечки газа на некоторых скважинах (от 4 до 22 мг/м3). Установлено, что потери природного газа в атмосферу для различных хранилищ находятся в интервале 0,7-3% активного объема. При этом соотношение потерь газа от организованных и неорганизованных источников выбросов составляет 1:1,5. В диссертации подробно описаны основные результаты анализа •химического воздействия ПХГ на воздушную и водные среды, на почву и на гидросферу. Далее показано, что транспортировка газа всегда сопровождается воздействием на окружающую среду. Загрязняющие вещества выделяются в атмосферу на всех компрессорных и газораспределительных станциях при эксплуатации как основного, так и вспомогательного оборудования. Кроме атмосферы загрязняющие вещества попадают в гидросферу, оказывая уже в минимальных концентрациях токсичное, бластогенное и мутагенное воздействие, а также резко изменяют органолептические свойства воды. Воздействуя на литосферу, загрязняющие вещества даже в незначительных количествах вызывают деградацию почвы и другие необратимые явления. Основными операциями, связанными с выбросами природного газа и продуктов его сгорания в атмосферу, являются продувки, стравливание газа, а также его сжигание в камерах технологического оборудования. На компрессорных станциях не исключена также возможность аварийных и залповых выбросов. По результатам многолетних наблюдений, выполненных при участии автора на компрессорных станциях и дальнейшей статистической обработки наблюдений выявлено, что наибольшие объемы загрязняющих веществ в течение года для всех КС дают продукты сгорания природного газа (%),: оксид углерода - 53, оксиды азота - 24,5 (диоксид и оксид азота). Вторым по величине годовых выбросов является природный газ (метан+одорант СПМ) - 22,3. Все остальные загрязняющие вещества от вспомогательного оборудования составляют незначительную

величину - 0,2. В табл.1 перечислены максимально разовые ПДК загрязняющих веществ, которые наиболее часто выбрасываются в атмосферу при эксплуатации КС.

Использование метанола при транспорте газа необходимо для 1редотвращения гидратообразования и ликвидации гидратных пробок дросселирующих устройствах на газораспределительных станциях при переходе на газопроводы низкого давления. Кроме этого, при транспорте газа в жружающую среду попадает большая гамма загрязняющих веществ, эбразующихся за счет работы различного газокомпрессорного оборудования.

Для исследования характера, особенностей и интенсивности химического юздействия объектов РАО ГАЗПРОМ на окружающую среду в 1993-1997 гг., с 'частием автора был собран и обработан значительный объём информации об 1сновных источниках и характере химических загрязнений окружающей среды »бъектами газовой промышленности. В табл.2 приведены статистические данные ю выбросам загрязняющих веществ объектами РАО ГАЗПРОМ, собранные за !яд лет. Анализ таблицы показывает, что наибольшие объёмы загрязняющих еществ в окружающую среду поступают от транспорта и подземного хранения зза.

- " Таблица 1.

Перечень загрязняющих веществ, наиболее часто выбрасываемых

в атмосс эеру при эксплуатации КС

[Наименование вещества Используемый критерий Значение, мг/м3 Класс опасности Примечания

винец и его еорганические эединения ПДК м/р 0,001000 1 При использовании этилированного бензина

арганец и его эединения ПДК м/р 0,010000 2 При сварочных работах

зота диоксид ПДК м/р 0,085000 2

ториды сообразные ПДК м/р 0,020000 2 При сварке

елеза оксид ПДК м/р 0,040000 3

юта оксид ПДК м/р 0,400000 3

зжа ПДК м/р 0,150000 3 От дизельного автодвигателя

;ры диоксид ПДК м/р 0,500000 3

1ирт ;тиловый ПДК м/р 1,000000 3 При сливе метанола

лерода оксид ПДК м/р 5,000000 4

!нзин нефтяной ПДК м/р 5,000000 4

емния диоксид ОБУВ 0,020000 0 При сварке

гган ОБУВ 50,000000 0

*орант - СПМ ОБУВ 0,000050 0 При сдориризаи^и газа

Пыль абразивная ОБУВ 0,040000 0

Пыль древесная ОБУВ 0,100000 0 При деревообработке

' >' Т''

В диссертации исследованы средние по годам процентные содержания выбросов, по основным подотраслям газовой . промышленности России, исследована динамика ^изменения процентного состава выбросов ' и распределение объёмов выбросов по регионам России.

Таблица 2.

Объёмы выбросов по подотраслям газовой промышленности.

Подотрасли Добыча и Транспорт

Газовая Год подготовка газа и Переработка Всего

промышленность газа хранилища газа

1 2 3 4 5 6

Всего 1992 446,3 1779,0 263,7 2489

1993 404,5 1612,8 238,7 2256

1994 402,5 "1605,0 237,5 " 2245

1995* 402,4 1572,8 224,8 2200

Ыох 1992 0,55 392,6 2,85 396

1993 0,45 314,5 2,25 317

1994 0,34 237,8 1,80 239,9

1995* 0,33 233,4 1,67 235,4

СО 1992 2,60 344,3 181,10 528,0

1993 2,56 334,9 176,24 513,7

1994 2,50 326,0 171,46 499,96

1995* 2,40 319,9 '168,30 490,60

Б02 1992 2,10 41,60 43,7

1993 1,90 36,80 38,7

1994 2,05 _ 40,55 42,6

1995* 2,00 39,70 41,7

СН4 1992 337,6 950,6 35,8 1324

1993 351,9 990,8 37,3 1380

1994 369,7 1041,1 39,2 1450

Другие: 1992 ** ** 5,29/** 5,29/*'

твердые 1993 ** ** 4,88/** 4.88Г

газообразные + 1994 ** ** 4,77/** 4,77/*'

жидкие 1995* ** ** ** **

В третей главе диссертации решается принципиально важная задача-разработка методов анализа и прогнозирования объёмов утечек в магистральных газопроводах. С этой целью рассмотрены особенности утечек в ЛЧМГ. В качестве статистического" материала использована статистика аварийных ситуаций на магистральных газопроводах/приводящих к утечкам, за 15 лет наблюдений. В ходе статистического анализа было выявлено пять основных причин утечек:

• дефекты материала, которые могут быть обусловлены как развитием уже существующих дефектов в исходном материале, так и дефектами, образовавшимися в процессе изготовления труб и сооружений трубопроводов. К таким дефектам могут относиться, например, дефекты сварки, слоистость и т.п.;

• коррозия, вызывающая разрушение металла стенок трубопроводов в процессе их эксплуатации; г

• ошибки операторов в процессе эксплуатации и технического обслуживания трубопроводов;

• воздействия внешних сил, например, землеройного оборудования;

• воздействия окружающей среды. К этой категории причин относятся такие явления, как осадка грунта, вымывание грунта в результате сильных дождей и т.п.

По данным за последний пятилетний период эксплуатации трубопроводов эпределена вероятность возникновения утечек го отдельным категориям причин ;10"5/(км*год), (рис.1):

Дефекты материала

Рис.1. Доля причин возникновения аварий, приводящих к утечкам в ЛЧМГ

В табл.3 приведены данные, характеризующие вероятность возникновения утечек каждой категории.

" Таблица 3.

Вероятности утечек по различным причинам.

Причина утечек Относительная вероятность утечек

0... 70 70 ... 300 более 300

Дефекты материала 0,56 0,20 0,24

Коррозия 0,86 0,08 0,06

Ошибки оператора 0,83 0,15 0,02

Воздействие внешних сил 0,45 0,41 0,14

Воздействие окружающей среды 0,17 0,20 0,53

Как видно из табл.3, при коррозионных повреждениях трубопроводов наиболее вероятны небольшие утечки. При авариях, обусловленных воздействием внешних сил, наиболее "Вероятны крупные утечки. Для оценки и анализа экологических нагрузок на окружающую среду, вызванных утечками трубопроводов необходимо разработать методику прогнозирования объемов утечек.

Один из возможных подходов к решению данной проблемы заключается в том, что прогнозирование объемов утечек основано на модели статистических данных. С этой целью был собран и обработан значительный объём статистического материала. Статистические данные по утечкам собирались в течении 15 лет на магистральных газопроводах диаметром более 400 мм. Общий объем наблюдений составил более 300. Результаты анализа подробно представлены в диссертационной работе.

Среднее значение объемов утечек и среднеквадратические отклонения равны:

У = 243,5 т;

¡=1

С7 = ^Е(У;-У)2*Р;=552,3 Т ; (1)

где: к - число интервалов в вариационном ряду; V, - значение середины ¡-го интервала; Р, - эмпирическая зависимость ¡-го интервала.

Для построения статистической модели распределения утечек, позволяющей выполнить аналитический прогноз объёмов утечек, выдвинем гипотезу о том, что рассматриваемые статистические данные подчиняются закону Вейбулла, функция распределения Р(\/) которого имеет вид:

Р(У) = 1 - ехр

где: а- параметр масштаба; Ь - параметр формы.

Выполненные расчёты показали, что параметры закона распределения Вейбулла соответственно равны Ь =0,5; а =120 м3.

Проверка гипотезы о ' статистической правомерности использования распределения Вейбулла была выполнена с помощью критерия согласия (Пирсона). Рассчитанное по экспериментальным данным значение критерия х составляет 2,0,и показывает, что экспериментальные данные не противоречат выдвинутой гипотезе. (Критическое значение х для имеющегося объема выборки, при доверительной вероятности Р=0.95 составляет 15.5)

На рис.2 представлены построенные эмпирические функции распределения объемов утечек линейных частей на магистральных трубопроводах и их приближение распределением Вейбулла.

Рис.2. Эмпирическое распределение объемов утечек ЛЧМГ

Пользуясь полученным распределением, легко прогнозировать объемы утечек ЛЧМГ.

Полученные результаты справедливы для отдельных трубопроводов, однако для более сложных конфигураций магистральных газопроводов и систем они не применимы. Для разработки методов анализа сетей газопроводов рассмотрим теперь совокупность магистральных трубопроводов, компрессорных станций, газодобывающих предприятий, подземных хранилищ, установок для покрытия пиковых и аварийных нагрузок, которые вместе образуют сеть, имеющую достаточно сложную топологическую структуру. Схемы газопроводных систем могут быть самыми различными, сводясь в простейшем случае к системам: собирающего типа, раздающего типа и кольцевого типа.

В общем же случае газопроводную систему можно описать, используя фундаментальные законы гидравлических сетей. Общий вид уравнений, описывающих газопроводную систему имеет вид:

I + =1ч(Ч1|(1)); к. = 1,2,...,гп (3) ,

¡емД а1 3

£ч,(1) = 0; 3 = 1,2,...,а " (4)' '

где: Мк - множество индексов ветвей, входящих в к-ый контур; I, - множество индексов ветвей, входящих в ¡-ый узел;

у, - коэффициент, характеризующий "емкость" ¡-ой ветви; 4,(0 - расход газа в ¡-ой ветви (м3/сек); г,(Ц - аэродинамическое сопротивление ¡-ой ветви; т - число независимых контуров; а - число узлов сети:

- напор компрессорной станции, установленной в ветви е. Уравнения (3) и (4) описывают процессы, происходящие в газопроводных системах, содержащих ПХГ, КС и магистральные газопроводы.

Если рассматривать только магистральные газопроводы и компрессорные станции, то для установившегося режима уравнения (3) и (4) могут быть упрощены и записаны в виде:

£г,Я?(№&1(ъ(1)) = Ьк(ъ); (5)

16.4^

Хч,(0 = 0; (6)

где использованы те же обозначения, что и в (3), (4).

Предположим теперь, что в газопроводной системе имеются утечки. Тогда, очевидно, что уравнения (3),(4) уже не будут правильными, так как на топологической схеме появятся, вообще говоря, новые ветви. В работе показано, что утечки могут быть приведены к узлам сети, в результате чего система уравнений с учетом случайных возмущений запишется в виде :

*

1г,(1) Я,- (0 з1ёп(Ч!) = Ьк(0 ; (7)

|еМк

■£Ч5(О + Че(О = 0 ; # (8)

'де:

г, (0 = г, (I) + Аг1({); ЛгД^- вероятностное отклонение ¡-го аэродинамического отклонения сопротивления ¡-ой ветви от среднего значения;

11к(0 = Ьк(1) + ЛЬк(0; Д11к(0- вероятностное отклонение репрессии в к-ом контуре от среднего значения;

С}е(1)- невязка ¡-го узлового уравнения из-за наличия утечек в

филегающих ветвях (суммарная утечка).

В диссертации показано, что после ряда преобразований, выполненных с гчетом вероятностных характеристик Дгь АЬ>, можно получить следующее 1ыражение для суммы квадратов отклонений (невязок контурных и узловых »тклонений):

к ^ еМ2 i2

/ \ -2Х 1гЛч,2^п(Ч]) + ^+а2(11к)+ =0 (9)

к Ч|еМк / е,е||е2е|}

це: а2(Г|),ст2(Ьк)-дисперсии отклонений г, и Ик;

5(1,,12) = 0 при и 5(5,,12> = 1 при ¡|=12-

Для нахождения утечек и реальных расходов в ветвях необходимо 1инимизир0вать (9) по переменным {Ц1, q2, . ■ • -Чр}. Для решения этой задачи в иссертации предложен алгоритм, основанный на классическом методе 1ьютона-Рафсона.

Полученные в диссертации теоретические расчеты были использованы для нализа влияния объектов Мострансгаза на окружающую среду, выполненого в етвёртой главе диссертационной работы.

Газотранспортная система "Мострансгаз", включает в себя разветвленную еть магистральных и распределительных газопроводов, КС, ГРС, ПХГ. Объем эанспортируемого в год газа составляет более 290 млрд.куб.м. азотранспортная система формировалась в течение длительного времени;

около 25% основных фондов работает более 30 лет, еще 30% служат от 20 до 30 лет. Общая протяженность магистральных газопроводов - 16170 км, из них срок службы:.свыше 30 лет - 25%, от 20 до 30 лет - 32%. Протяженность газопроводов-отводов составляет 8769,5 км. Из 25000 магистральных и распределительных газопроводов 10800 км телемеханизировано. Эксплуатируется 27 систем телемеханики (6 видов). Находится в эксплуатации 803 ГРС, что составляет 25% от всех эксплуатируемых в РАО "ГАЗПРОМ" ГРС. Из них -. 207 ГС эксплуатируется более 20 лет. Загрузка ГРС: от 0 до 25% - 544 шт., от 25 до 50% -154 шт., более 50% - 48 шт. В предприятии "Мострансгаз" эксплуатируется 39 КС с установленной мощностью 3,5 млн. кВт, более 17 типов ГПА.

Московское управление подземного хранения газа (МУПХГ), созданное для компенсации повышенного газопотребления в Москве и Московской области в зимний период, обеспечивает дЪ 20% от всего объема газа, потребляемого в этом регионе. Московское УПХГ расположено на окраине г.Щелково, примерно в 30 км к северо-востоку от Москвы. Работая в циклическом режиме, МСПХГ в летнее время закачивает газ из газотранспортной системы, хранит его, а зимой выдает в магистральный газопровод. Природный газ поступает по газопроводу Пермь - Нижний Новгород - Центр с месторождений севера Тюменской области.

Учитывая значительную потенциальную опасность эксплуатации МСПХГ для окружающей природной среды, с 1993 по 1997 год при участии автора были выполнены комплексные научные исследования по оценке и минимизации неблагоприятного экологического воздействия МУПХГ на воздушную среду Подмосковья.

Исследования показали, что особенностью эксплуатации ПХГ является то, что технология закачки и отбора газа не исключает постоянные выбросы вредных веществ в атмосферу. В атмосферу газ может выделяться через неплотности в запорной и регулирующей арматуре ГРП-1,2 (неорганизованные выбросы); в результате проведения технологических операций (организованные выбросы). Как было обнаружено, основными веществами, выбрасываемыми в атмосферу являются природный газ, одорант и продукты сгорания природного газа (СО, N0, БО, бенз(а)пирен). Природный газ, состоящий на 98% и более из метана, выбрасывается в атмосферу при следующих эпизодических операциях:

• отбор газа (газ дегазации);

• планово-предупредительный ремонт (ППР) ГМК (в период закачки газа);

• освоения и режимные испытания скважин: стравливание газа.

Исследования, выполненные с участием автора позволили получить

детальную картину способов, объёмов и химического состава выбросов, попадающих в окружающую среду.

На рис.3 показаны способы попадания и объемы выбросов загрязняющих веществ на компрессорной станции "Октябрьская" Ростовского линейного производственного управления Мострансгаза.

выбросы в гидросферу_выбросы в литосферу

Рис.3. Воздействие загрязняющих веществ компрессорной станции "Октябрьская" Ростовского ЛПУ на окружающую среду

В табл.4 приведены оценки объемов выбросов загрязнений окружающей среды КС "Октябрьская".

_Таблица 4.

Наименование вещества Выброс вещества, т/год

Двуокись азота 2637,127

Окись азота 0,453

Ангидрид сернистый 4,502

Окись углерода 7913,299

Метан 917,047

Одорант 0,020

Сероводород 0,003

Экспериментальное определение выбросов из газовой трубы на территории КС в газе после котельной проводили по стандартной методике хроматографическим методом на приборе "Хром-5" (Чехословакия). Метанол в конденсате перед пылеуловителем на входе в КС определяли методом хромато- ■ масс-спектрометрии (прибор ХМС МАТ 112 "\/апсеко" 3740, Япония). Для обнаружения метанола и углеводородов до. СО в пробах земли у склада метанола и в поле на границе жилой зоны (1,5-2,0 км от КС) вначале проводили жидкостную экстракцию гексаном, а затем проводили хромато-масс-спектрометрию.

Анализ полученной информации для нормирования выбросов показал, что максимальные расчетные концентрации загрязняющих веществ данной компрессорной станции составляют менее 0,1 соответствующих ПДК и лишь по отдельным точкам объекта наблюдается превышение нормативов качества атмосферного воздуха (по метану и одоранту).

По результатам исследования загрязнения атмосферы в случае превышения предельно допустимых выбросов в диссертации предлагаются мероприятия по их снижению (рис.4). .'■,

Рис.4. Основные мероприятия по снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при работе КС

Полученные в диссертации результаты были использованы:

• в основополагающем документе «О концепции в области охраны труда и повышении безопасности», утвержденном специальным Постановлением Правления Российского акционерного общества "ГАЗПРОМ", 14 апреля 1995 г.;

• при разработке «Программы экологической безопасности РАО ГАЗПРОМ», предусматривающей комплекс мероприятий по охране здоровья и безопасности его работников, в охране природы и здоровья человека вблизи объектов отрасли, в минимизации техногенного воздействия на среду обитания за счет использования безотходных и безвредных технологий, в реализации жесткого и открытого контроля за выбросами вредных веществ, в реализации оздоровительных мероприятий в соответствии с международными экологическими стандартами и нормами;

• в проекте отраслевой системы экологического мониторинга за выбросами загрязняющих веществ, сбросами сточных вод и загрязнением почвы и гидросферы объектами РАО ГАЗПРОМ, являющимся составной частью Единой государственной системы экологического мониторинга России;

• в Технико-Экономическом Обосновании: "Производственный экологический мониторинг (ПЭМ) газовой промышленности", основные положения которого были одобрены на заседании Правления РАО "ГАЗПРОМ";

• в планах организационно-управленческих, технологических и организационных решений по снижению выбросов ЗВ при эксплуатации КС и других объектов ПО «Мострансгаз».

Выводы.

В диссертационной работе изложено научно-обоснованное решение эоблемы экологической оценки объёмов и особенностей химического эздействия объектов транспорта и хранения газа на окружающую среду, азработки методов, моделей и алгоритмов анализа экологического воздействия эъектов транспорта и подземного хранения газа на окружающую среду. Для обоснования решения проблемы в диссертации :

• рассмотрены основные экологические проблемы газовой промышленности и вопросы формирования программы экологической безопасности РАО ГАЗПРОМ. Показано, что одной из основных экологических проблем являются выбросы загрязняющих веществ при транспортировке, добыче и переработке газа;

• дан анализ выбросов загрязняющих веществ основных подотраслей ГАЗПРОМа и распределение выбросов по регионам России. Наибольшие объёмы выбросов загрязняющих веществ в газовой промышленности приходится на Уральский, Поволжский и Центральный регионы России. Наибольшее процентное содержание выбросов РАО ГАЗПРОМ составляют углеводороды (69%), окислы азота (12%), окислы углерода (12%). Показано, что наибольший вклад внося объекты транспорта и подземного хранения газа, на долю которых приходится 72% общих загрязнений;

• рассмотрены особенности функционирования и дана экологическая оценка воздействия объектов транспорта и хранения газа на окружающую среду. Установлены основные технологические операции транспорта и хранения и состав загрязняющих веществ, связанные с выбросами загрязняющих веществ компрессорных станций;

выполнен анализ основных причин, приводящих к утечкам в линейны* частях МГ и проанализировано распределение аварий ЛЧ МГ по объёмам выбросов в атмосферу;

разработана методика статистического "прогнозирования ожидаемых объёмов-утечек ЛЧ МГ, основанная на распределении Вейбулла; разработаны методы, модели и алгоритмы оценивания утечек в системе магистральных газопроводов и сетей, основанные на топологической эквивалентности газовых и гидравлических сетей. В основе алгоритма оценивания лежит преобразование утечек ЛЧ МГ к узлам топологической сети и минимазация сумм квадратов невязок узловых и контурных уравнений с помощью известного метода Ньютона-Рафсона; выполнен анализ воздействия объектов подземного хранения и транспорта газа Московской СПХГ на воздушную и водную среды Подмосковья. Установлено процентное содержание и объёмы выбросов компрессорных станций. По результатам исследований разработан план организационно-управленческих и технологических решений по снижению выбросов ЗВ при работе КС;

эффективность предлагаемых методов оценивания и прогнозирования подтверждена при исследовании периодичности, характера, объёмов и химического состава выбросов в атмосферу, почву, поверхностные воды загрязняющих веществ объектами ПО «Мострансгаз».

Основные публикации по теме диссертации

Р 1.Дедиков Е.В., Бухгалтер Л.Б., Будников Б.О., Хабаров A.B., Бухгалтер Э.Б. Анализ воздействия ^объектов подземного хранения газа на окружающую природную среду. -М": ИРЦ ГАЗПРОМ, 1997, 116 с.

2.Дедиков Е.В., Бухгалтер Л.Б., Бухгалтер Э.Б., Хабаров A.B., Ильякова Е.Е. Экологическая оценка воздействия работы объектов транспорта газа на окружающую среду. -М,: ИРЦ ГАЗПРОМ, 1997

3.Дедиков Е.В., Кобзев Ю. В., Годунова Т.С., Чугунов Л.С. Утилизация пработанных буровых растворов в рекультивации земель. -М,: ИРЦ ГАЗПРОМ, I997.,

4.Дедиков Е.В., Гусева Н.В., Исаев Ю.С., Яковлев Д. В. Концепция >беспечения геодинамической и геологической безопасности эксплуатации чагистральных газопроводов. -М,: ИРЦ ГАЗПРОМ, 1996.

б.Дедиков Е.В. Программа экологической безопасности объектов РАО АЗПРОМ. -М,: ИРЦ ГАЗПРОМ, 1997.

6.Дедиков Е.В., Клименко Е.Т., Максимов В.М. Эффективность системы 1ЭМ при контроле за выбросами нескольких вредных веществ. // Газовая ромышленность.-№ 1, 1998., с. 64-65. -

7.Дедиков Е.В., Бекиров Т.М. О влиянии глубины осушки газа на кологическую характеристику газотранспортных систем. И Охрана человека и кружающей среды в газовой промышленности. - М.: ИРЦ ГАЗПРОМ. 1995.

8.Dedikov. Science and technology advancements minimise gas industry azards.- Ecology in the Gas Industry, A special Report to the Russian Gas Industry lagazine, 1997, pp 8-10.

Введение.

Глава 1. Основные проблемы экологии в газовой промышленности.

1.1. Основные экологические проблемы газовой промышленности.

1.2. Программа экологической безопасности объектов РАО Газпром.

1.3. Цель работы. Задачи исследований.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Экологическая оценка воздействия объектов РАО Газпром на окружающую среду.

2.1. Особенности экологического воздействия систем газоснабжения.

2.1.1. Функционирование подземных хранилищ газа.

2.1.2. Утечки газа в ПХГ.

2.2. Экологическая оценка химического воздействия транспорта газа на окружающую среду.

2.2.1. Валовые выбросы при транспорте газа.

2.2.2. Химические трансформации выбросов.

2.3. Экологическая оценка химического воздействия объектов ПХГ газа на окружающую среду.

2.3.1. Валовые выбросы ПХГ в атмосферу.

2.3.2.Основные источники выбросов ЗВ ПХГ.

2.3.3.Оценка химического воздействия ПХГ на водную среду.

Производственные сточные воды.

Сточные пластовые воды.

Сточные воды компрессорных станций.

2.3.4. Специфичные загрязнители производственных сточных вод.

2.3.5. Химическое загрязнение почвенного покрова.

2.4. Анализ объёмов и состава выбросов загрязняющих веществ по газовой промышленности России.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Статистические модели оценивания и прогнозирования объемов утечек при транспорте газа.

3.1. Особенности утечек в линейных частях магистральных газопроводов.

3.1.1. Утечки ЛЧМГ, вызванные отказами.

3.1.2. Статистические уравнения установившегося газораспределения в сети МГ.

3.1.2. Преобразование сетевых уравнений для определения утечек.

3.2. Алгоритм оценивания утечек газа в сети магистральных газопроводов.

3.2.1. Условия определения утечек магистральных газопроводов.

3.2.2. Оценивание утечек с помощью метода Ньютона-Рафсона.

3.3. Статистическое прогнозирование объемов утечек в магистральных газопроводах.

3.3.1. Статистический анализ данных об утечках.

3.3.2. Статистические модели прогнозирования утечек на основе анализа потока отказов.i.

3.3.3. Статистическое моделирование утечек в магистральных газопроводах, связанных с дефектами материала.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Анализ воздействия объектов ПХГ Московского управления ПХГ.

4.1. Основные характеристики МУПХГ.

4.2. Воздействие МУПХГ на воздушную среду Подмосковья.

4.3.Воздействие МУПХГ на водную среду Подмосковья.

4.3.1. Общая характеристика загрязнения.

4.3.2.Организованные сбросы в канализационную сеть.

4.3.3.Влияние на подземные воды.

4.4.Воздействие МУПХГ на почвенный покров Подмосковья.

Выводы по главе 4.

Актуальность темы.

РАО ГАЗПРОМ является одной из крупнейших в мире газовых компаний, доля которой в общемировой добыче составляет 22%. В составе РАО ГАЗПРОМ разрабатывается 69 газовых и конденсатных месторождений, эксплуатируется разветвленная сеть магистральных газопроводов, протяженностью 145 тыс. км., 245 компрессорных станций, 23 подземных хранилища газа. Одной из важнейших задач РАО ГАЗПРОМ в России является активное формирование современного, общественноI приемлемого топливно-энергетического баланса, удовлетворяющего критериям экономической и экологической безопасности. Экологические преимущества природного газа столь значительны, что отказ от использования природного газа и замена его углём и мазутом по оценкам ВНИИГАЗ увеличит количество выбрасываемых в атмосферу вредных веществ в 24 раза. Тем не менее и газовая индустрия имеет собственные проблемы в деле охраны окружающей среды, связанные с негативным воздействием объектов добычи, транспортировки и переработки газа.

Специальным постановлением РАО ГАЗПРОМ от 12 апреля 1995 года утверждена программа направления экологической политики минимизации техногенного воздействия на окружающую среду за счёт использования безотходных и безвредных технологий, жесткого контроля за выбросами вредных веществ.

Программа экологической политики РАО ГАЗПРОМ определила следующую систему приоритетов природоохранной деятельности:

• предотвращение загрязнений окружающей среды;

• оценка воздействия объектов газовой промышленности на окружающую среду;

• производственный экологические мониторинг;

• создание систем обеспечения экологической безопасности;

• управление экологическим риском;

• экологическое страхование и аудит.

Таким образом, оценка воздействия объектов газовой промышленности на окружающую среду является приоритетным направлением деятельности РАО ГАЗПРОМ. В рамках этого направления необходимо решить следующие основные проблемы:

• обоснование методик анализа воздействия объектов ГАЗПРОМа на окружающую среду;

• анализ, моделирование и оценка объёмов выбросов загрязняющих веществ;

• учёт и контроль распространения и переноса загрязнений в почве, воде и атмосферном воздухе.

Анализ выбросов вредных веществ при добыче, подготовке и транспорте газа объектами РАО ГАЗПРОМа показывает, что более 70% выбросов падает на транспорт и подземное хранение газа и менее 30% на добычу и переработку. Таким образом, при решении экологических проблем газовой промышленности исследование воздействия объектов транспорта и подземного хранения газа на окружающую среду, безусловно, является актуальной проблемой.

Целью работы является: экологическая оценка воздействия объектов транспорта и подземного хранения газа на окружающую среду на основе математических моделей оценивания и прогнозирования объёмов утечек.

Для достижения цели в диссертации решаются следующие задачи:

• статистический анализ и экологическая оценка объёмов и химического состава выбросов объектами РАО ГАЗПРОМ;

• анализ особенностей процессов утечек газа из транспортных систем и ПХГ (подземных хранилищ газа) и химического воздействия утечек на атмосферу, почву и поверхностные воды;

• разработка статистических методов прогнозирования объёмов утечек в линейных частях магистральных газопроводов;

• разработка методов оценивания объёмов утечек в сетях магистральных газопроводов.

Научная значимость и новизна работы заключается в:

• оценке объемов и состава выбросов загрязняющих веществ основных подотраслей ГАЗПРОМа и анализе их распределения по регионам России;

• результатах статистического анализа объёмов и химического состава утечек газа из транспортных систем и ПХГ и оценке воздействия утечек на атмосферу, почву и поверхностные воды;

• создании комплексных методик статистического анализа и прогнозирования объёмов утечек в линейных частях магистральных газопроводов, основанных на вероятностном распределении Вейбулла;

• предложенных в диссертации методах использования математических моделей оценивания объёмов утечек в сетях магистральных газопроводов, основанных на приведении утечек линейной части магистрального газопровода к узлам топологически эквивалентной распределительной сети.

Практическая значимость работы заключается в:

• выявлении основных технологических операций при транспорте и хранении газа, определяющих выбросы загрязняющих веществ компрессорных станций;

• установлении основных причин, приводящих к утечкам в линейных частях МГ и анализе распределения аварий ЛЧ МГ по объёмам выбросов в атмосферу;

• результатах анализа воздействия объектов подземного хранения и транспорта газа Московской ПХГ на воздушную и водную среды Подмосковья;

• обосновании основных мероприятий по снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при работе компрессорных станций Мострансгаза.

Апробация работы: Работа над диссертацией выполнялась в рамках комплексной программы РАО ГАЗПРОМ «Программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по охране окружающей среды и рациональному природопользованию в газовой промышленности». Основные результаты работы были представлены на презентации экологической концепции РАО ГАЗПРОМа, на Международной конференции по подземным хранилищам газа (Москва, 1995г.), на секции «Охрана окружающей среды» в Научно-техническом Совете РАО ГАЗПРОМ, на нескольких семинарах по экологическому мониторингу в ДИЭМ, МГГУ и др.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 7 статей и монография: «Анализ воздействия объектов подземного хранения газа на окружающую природную среду», М., 1997 г., написанная в соавторстве.

Структура и объём диссертации: Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 85 страницах, включая библиографию из 84 источников, 12 рисунков и 19 таблиц.

Выводы по главе 4

1. Газотранспортная система ПО «Мострансгаз», включающая в себя разветвленную сеть магистральных и распределительных газопроводов, КС, ГРС, ПХГ с объемом транспортируемого газа более 290 млрд. куб. м. является одной из крупнейших в мире систем газораспределения.

2. Особенностью эксплуатации объектов ПО «Мострансгаз» является то. что технология закачки и отбора газа не исключает постоянные и залповые выбросы вредных веществ в атмосферу.

3. Основными веществами, выбрасываемыми в атмосферу при эксплуатации объектов ПО «М[острансгаз, являются природный газ, одорант и продукты сгорания природного газа.

4. Природный газ, состоящий на 98% и более из метана, выбрасывается в атмосферу при отборе газа (газ дегазации), при планово-предупредительном ремонте ГМК (в период закачки газа), при освоения и режимных испытаниях скважин, при стравливание газа.

5. Исследованы периодичность , характер , объёмы и химический состав выбросов в атмосферу, почву, поверхностные воды загрязняющих веществ объектами ПО «Мострансгаз».

6. По результатам исследования загрязнения атмосферы в диссертации предлагается комплекс технологических и организационных мероприятий по снижению выбросов загрязняющих вешеств компрессорными станциями ПО «Мострансгаз».