автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Информационно-аналитическая система сбора и обработки данных о химических загрязнениях природной среды для управления экологической ситуацией на объектах газотранспортных систем

ой *

На правах рукоинсп

Лещинский Владимир Борисович

Информационно-аналитическая система сбора и обработки данных о химических загрязнениях природной среды для управления экологической ситуацией на объектах газотранспортных систем

05.13.16 Применение вычислительном техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (химическая технология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена на предприятии "Оргэнергогаз" ОАО "Газпром" и в Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова

Научный руководитель - д.т.н., проф. Ярыгин Г.А.

Официальные оппоненты - д.т.н., проф. Бахвалов Л.А.,

д.т.н. Соболев А.И.

Ведущая организация - Гипроспецгаз

Защита состоится в ' ~> часов на заседании

диссертационного совета К 063.41.02 в Московской государственной академии тонкой химической технологии нм.М В Ломоносова по адресу Москва, проспект Вернадского, 86

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

Реферат разослан "_"_ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Бурляева Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

На современном этапе развития нефтегазовой промышленности функционирование объектов добычи, переработки и транспорта нефти и газа невозможно без учета состояния природной среды в местах размещения таких объектов, оценки влияния этих объектов на состояние природной среды. Необходимым условием управления безопасностью строительства и эксплуатации объектов нефтегазового комплекса является комплексный анализ экологической ситуации, инженерно-технологических решений, состояния технологического оборудования, реальных режимов эксплуатации объектов, источников техногенного воздействия на природную среду. Такой анализ требует своевременного и эффективного информационного обеспечения, включающего обработку разнородных данных, технических, экологических, диспетчерских, управленческих и др., причем обрабатываемые данные носят как оперативный, так п ретроспективный характер

В настоящее время ОАО "Газпром" разрабатывается система производственного экологического мониторинга (ПОМ), включающая в себя комплекс информационно-аналитическую структур для контроля за состоянием природной среды в местах размещения объектов газовой промышленности. Дальнейшим развитием этой системы является интеграция систем экологического .мониторинга, технической диагностики оборудования н автоматизированных систем управления технологическим процессами в единые комплексные системы управления производством и природоохранной деятельностью предприятий газовой промышленности.

В связи с этим представляется актуальной разработка информационно-аналитической системы, реализующей интегрированную информационную технологию сбора, накопления и обработки данных о всех аспектах состояния природной среды в местах размещения объектов газовой промышленности

Целыо работы является создание интегрированной информационно-аналитической системы сбора, накопления и обработки данных, обеспечивающей комплексную информационную поддержку управления экологической ситуацией на объектах газотранспортных систем.

Для достижения указанной цели ставятся и решаются следующие задачи.

• анализ современных методических, программных и технологических средств сбора, накопления, обработки и распространения информационных ресурсов;

• разработка принципов построения и архитектуры интегрированной информационно-аналитической системы (НАС) сбора, накопления и обработки данных;

• программно-техническая реализация ИЛС;

• практическое применение НАС. Научная новизна

В работе впервые получены следующие новые результаты:

о на основе анализа загрязняющих химических веществ, контролируемых в настоящее время на газотранспортных предприятиях, п методик их химико-аналитического контроля выявлена специфика воздействия газотранспортных предприятий на различные компоненты природной среды; разработана методика структурирования подлежащих контролю химических веществ и методик контроля,

• разработана методика комплексной оценки источников выбросов и сбросов загрязняющих веществ обьектов газотранспортных систем;

• разработана информационно-аналитическая система сбора и обработки данных о химических загрязнениях природной среды в местах расположения объектов газотранспортных систем;

• разработана система поддержки принятия решений для управления экологической безопасностью эксплуатации компрессорных станций магистральных газопроводов

Практическая значимость

Результаты, полученные в работе, использованы

• в нормативных и методических документах, в том числе стандартах газовой промышленности,

• при ;проектировании систем производственного экологического мониторинга магистрального газопровода Ямал-Европа и магистрального газопровода "Россия - Турция" (кавказское направление);

• для экологического мониторинга строительства газопровода - отвода к гг. Архангельску и Северодвинску;

• при создании Надымского регионального информационно-аналитического центра производственного экологического мониторинга РАО "Газпром".

Апробация работы

Результаты работы обсуждались на:

• 7-м международном коллоквиуме по проблемам безопасности газопроводов высокого давления после длительной эксплуатации (Прага, март 1998);

• 8-й международной деловой встрече "Диагностпка-98" (Сочи, апрель 1998),

• заседании секции "Экология и охрана окружающей среды" Научно-технического совета РАО "Газпром" (Саратов, июль 1998);

• ряде отраслевых научно-технических совещаний. Публикации

Полученные в работе результаты изложены в 11 опубликованных работах. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, дана общая характеристика рабогы.

Первая глава посвящена постановке задачи разработки интегрированной информационно-аналитической системы сбора, накопления и обработки данных, обеспечивающей комплексную информационную поддержку управления экологической ситуацией при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов газотранспортных систем С этой целью в работе выполнен анализ современных методических, программных и технических средств сбора, хранения, обработки и распространения информационных ресурсов. В рамках такого анализа в работе выявлены и структурированы законодательно-нормативные требования к производственному экологическому мониторингу, оценены возможные последствия воздействия строительства и эксплуатации объектов газотранспортных систем на отдельные компоненты природной среды (атмосферу, гидросферу, литосферу и т.п.), собраны и систематизированы данные о химических загрязняющих веществах, выделяемых в природную среду при строительстве и эксплуатации газотранспортных предприятий, методиках, используемых для обнаружения и контроля эгнх веществ, а также о применяемых в рамках этих методик химических реагентах Составлен структурированный перечень загрязняющих веществ, подлежащих контролю на предприятиях газотранспортных систем, и методик их аналитического контроля.

Проанализированы сведения о ряде снегом производственного экологического мониторинга в России и за рубежом, их функциях, архитектуре, организации сбора и обработки данных, используемых технических средствах. Рассмотрены функциональные возможности и технические характеристики различных элементов сети мониторинга: стационарных автоматических постов, передвижных экологических лабораторий, переносных приборов и пробоотборных устройств

В работе выполнен анализ используемых в настоящее время методов и моделей распространения химических загрязнений в различных компонентах

Л'

природной среды. Показано, что существенной особенностью моделирования экологических процессов является пространственная привязка . данных о распространении химических загрязнений. С учетом этой особенности рассмотрены методы интеграции геоинформационных технологий с современными технологиями управления данными. Осуществлена оценка объемов оперативной и архивируемой информации, обрабатываемых как на уровне отдельных производственных объектов (компрессорных станций), так и на уровне^предпрнятий по транспортировке газа. Рассмотрены проблемы реализации моделей экологических процессов в рамках современных геоинформационных технологий.

Существенное внимание уделено в работе анализу методов управления экологической ситуацией. Рассмотрены используемые в настоящее время методы прогнозирования распространения загрязняющих веществ и возможности изменения режимов работы компрессорных станций магистральных газопроводов с целью уменьшения концентрации загрязняющих веществ до допустимых пределов.

На основе анализа современных методических, программных и технологических средств сбора, хранения и обработки информации поставлена задача разработки интегрированной информационно-аналитической системы, обеспечивающей комплексную информационную поддержку проектирования л эксплуатации объектов газотранспортных систем.

Во второй главе диссертации разработаны принципы построения и архитектура ИАС производственного экологического мониторинга объектов газотранспортных систем. Сформулированы основные задачи ИАС, а именно:

• мониторинг состояния природном среды и инженерных сооружений;

• предоставление интегрированной информации по экологической ситуации в районе промышленного объекта по запросам пользователей;

• расчеты оценок воздействий строительства и эксплуатации объектов газотранспортных систем на природную среду; экологический прогноз;

• информационная поддержка разработки мероприятий по уменьшению опасных воздействий промышленных объектов на природную среду;

• информационная поддержка принятия решений по управлению экологической безопасностью эксплуатации промышленных объектов.

Показано, что исходные данные для НАС достаточно разнородны и включают в себя, в частности:

• данные о состоянии природной среды, характеризующие экологическую обстановку в районе промышленных объектов (оперативные и ретроспективные);

• данные об источниках загрязнения природной среды на контролируемых объектах;

• технические и технологические характеристики промышленных объектов,

• сведения о технических средствах экологического мониторинга;

• нормативную и законодательную информацию, необходимую при принятии решений.

Кроме того, показано, что ИАС должна оперировать базой методов и моделей расчета характеристик состояния природной среды (состав этой базы зависит от особенностей исследуемого региона и может пополняться в процессе эксплуатации системы) и базой методов и технологии сбора и первичной обработки оперативных данных (состав этой базы определяется особенностями решаемых системой задач и различен, например, для задач мониторинга и управления безопасностью).

Структурный анализ и проектирование структур данных для ИАС выполнены в работе на базе расширенных Е^моделей Иордона Этот метод является одной из современных модификаций метода ЕЯ-диаграмм Чена и широко используется в специализированных программных комплексах, ориентированных на поддержку концептуального моделирования. Фрагмент структуры данных в виде расширенной ЕЯ-модели Иордона и в линейной нотации для участка Ямал-1 газопровода Ямал-Европа приведен на рис. 1.

У

1 идрология ИОД и геоморфология суши

Рис.1 Фрагмент структуры данных в виде расшипеппоп FR-мппоип i-'lnnimim /rbnnr ^oi.-тл

Исследуемый район (ISA, а: Территория,

о 1: Полуостров Ямал, о2: БаГщарацкая губа) Природная среда (assoc, а: Территория,

о: Характеристики природной среды) Виды характеристик (ISA, а: Характеристики природной среды,

о 1: Общие характеристики, о2: Характеристики района) Виды общих характеристик (ISA, а: Общие характеристики,

ol: Картографическая основа, о2: Метеоусловия, оЗ: Инж.-геологические условия) а: Характеристики района, ol: Гидрология вод суши о2: Химич.загрязн. прир. среды, оЗ: Биологические условия, о4: Соц.- эконом, условия) а: Характеристики района, о 1: Гидрология и динамика вод

моря, о2: Ледовые условия, оЗ: Геоморфология моря, о4: Гидрохимия, о5: Гидробиология)

Виды характеристик суши (ISA,

Виды характеристик моря (ISA,

гк.

В работе сформулированы основные требования к разработке системы, такие как:

• структурно-иерархический подход к разработке;

• использование единых технических, информационных н программных средств разработки; ;

• эффективность;

• открытость, то есть возможность пополнения и модификации в процессе эксплуатации.

На основе згнх требований выработана концепция разработки НАС, основанная наследующих основных принципах:

• разделение процесса разработки на взаимно-независимые этапы;

• использование в качестве архивных материалов уже существующих данных, например, метеорологических;

• разделение централизованного управления данными и интерпретации данных;

• выделение нескольких уровней организации данных.

Архитектура НАС производственного экологического мониторинга объектов газотранспортных систем приведена на рнс.2.

Управление пшегрпроьашкш базой данных

Проблемно-ориентированные приложении

Информационная сеть

V

Исходные данные

Система управления базами данных

_к

Й

^информационная система

Блок ввода и первичной обработки данных

Запросы

5£

-л

Блок формирования отчетов

Оценка состояния природной среды

Оценка воздействия на природную среду

Расчетно-модельпый блок

Система поддержки принятия решений

* Экологический \

мониторинг"

Мероприятия по уменьшению воздействий

Интегрированная база данных

Управление безопасностью

Рис.2. Архитектура ЙАС производственного экологического мониторинга объектов газотранспортных систем

1л

При создании ИАС разработана технология построения информационно-аналитической сети мониторинга экологической ситуации для обьектон газотранспортных систем. С учетом специфики объектов транспортировки газа и в соответствии с нормативными документами в работе составлен перечет, измеряемых компонентов и диапазонов их измерения Сформулированы требования и выработаны рекомендации по размещению и применению технических средств контроля, разработаны программы организации наблюдений для различных технологических обьсктов с учетом мстеопарамегров.

Разработана методика комплексной оценки источников выбросов и сбросов загрязняющих веществ на производственных объектах газотранспортных систем в зависимости от категории источников загрязнений с учетом возможного наложения загрязнений, вызванных различными источниками.

Разработана система поддержки принятия решений для управления экологической безопасностью эксплуатации промышленных объектов. Управление экологической безопасностью рассматривается на примере управления режимом работы компрессорной станции при неблагоприятных метеоусловиях на основе расчетов рассеивания выбросов дымовых газов в атмосфере (рис. 3). Методика основана на определении допустимого выброса, при котором предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в границах санптарно-защитных зон не превышаются, и подборе мощности и режимов работы агрегатов компрессорной станции для обеспечения необходимой производительности с учетом ограничений на выброс

В третьей главе описана реализация ИАС производственного экологического мониторинга объектов газотранспортных систем. В соответствии с принципами концептуального моделирования, при реализации системы выделено 3 уровня общности: внешний, логический и физический (рпс.4)

Рис.3. Алгоритм управления компрессорной станцией (КС) пои неблагоприятных метеоусловиях

Внешний уровень

Совокупность автоматизир. рабочих мест

Разработчик приложения

Диспетчер объекта

Пользователь приложения

Логический уровень

Совокупность интеф.фушец. подсистем

Подсистема сбора данных

Подсистема первичной обработки данных

Подсистема иитегрир. базы данных

Подсистема проблемно-ориент. приложений

Физический уровень

Совокупность компонент

Науч по-методическая]

Лингвистическая

Аппаратно-вычислит.

Программ ио-тсхнологич.

Коммуникационная

л

Рис.4. Реализация НАС

Внешний уровень является совокупностью представлений различных пользователей системы. На этом уровне система рассматривается как совокупность автоматизированных рабочих мест (АРМ) для реализации операций с данными. Выделено несколько типов АРМ для администратора, разработчиков и пользователей отдельных проблемно-ориентированных приложений, таких, как получение характеристик текущего состояния природной срсды, оценка воздействия промышленных объектов на окружающую среду но различным сценариям и т.н.

На логическом уровне НАС представляет собой совокупность интегрированных функциональных подсистем, а именно'

» подсистемы сбора данных;

» подсистемы первичной обработки данных;

о подсистемы интегрированного банка данных;

* подсистемы проблемно-ориентированных приложений.

Подсистема первичной обработки данных обеспечивает ввод, структуризацию, стандартизацию, документирование и долговременное хранение данных различных категорий. Подсистема интегрированного банка данных служит для ведения комплексной базы информационных ресурсов, включая контроль и восстановление данных, регламентации доступа к данным и операций обработки данных. Подсистема проблемно-ориентированных приложений обеспечивает анализ и интерпретацию данных посредством решения прикладных задач обработки данных, а также подготовку выходных документов по запросам пользователей.

На физическом уровне ПАС состоит из различных компонент, представляющих собой среду реализации системы. Научно-методическая компонента включает в себя базу нормативной и законодательной информации, систему классификации п кодирования, средства унификации данных (стандарты на форматы фактографических ц текстовых данных), методики расчетов Лингвистическая компонента включает в себя язык описания

архивных данных, язык запросов н информационный интерфейс для нроблемно-ориептированних приложении.

Аппаратно-вычислптельная компонента включает в себя аналитические приборы экологического мониторинга и компьютерные средства. В качестве основы программно-технологической компоненты в работе предложено использование операционных систем семейства Windows фирмы Microsoft, работающих на персональных компьютерах н серверах с CISC-процессорами фирмы Intel. В настоящее время реализация И АС выполняется в рамках операционной системы Microsoft Windows N'T Server В перспективе предполагается использование распределенной обработки данных в рамках глобальной информационно-вычислительной среды на основе Internet/Intranet технологий. Языки программирования С++, Delphi 3.0 и Visual Basic 4 О используются для интеграции функциональных программных продуктов и построения интерфейсов, Fortran32 и Digital Fortran для реализации вычислительных процедур. Дчя поддержки интегрированной базы данных в работе предложено использование СУБД Oracle 8.0, для разработки проблемно-ориентированных приложений для этой СУБД - программ Oracle Desitiner и Oracle Developer В качестве базовых геоинформационных систем выбраны Arclnfo 7.1 и ArcGIS 3.1 вместе с соответствующими расширениями, необходимыми для разработки специализированных приложений.

Коммуникационная компонента обеспечивает оперативную передачу данных между структурными элементами ссги. Передача обеспечивается с использованием телефонной сети, радиоканалов, систем спутниковой связи В работе представлена схема потоков информации в региональной системе экологического мониторинга, на основе этой схемы рассчитаны средние и максимальные объемы информации, передаваемой в сети На основе анализа основных характеристик существующих средств связи выработаны рекомендации по техническому оснащению элементов системы мониториша. Выполнен анализ существующего сетевого программного обеспечения по критериям производительности, безопасности и надежности, обоснован выбор платформы Microsoft Internet Information Server.

В четвертой главе представлены результаты использования выполненных в диссертации разработок. Результаты, полученные в работе, использованы при подготовке нормативных и методических документов, в частности.

• стандарт отрасли "Система производственного экологического-мониторинга газовой промышленности" (в состав этого документа включено 'описание разработанной автором структуры информационно-аналитической системы производственного экологического мониторинга объектов газотранспортных систем);

• "Руководство по проектированию, монтажу и эксплуатации систем производственного экологического мониторинга" , (использованы архитектура и принципы построения ИАС, выбор и применение технических и программных средств для сбора и обработки информации)",

• стандарт отрасли "Перечень загрязняющих веществ, подлежащих

контролю на объектах газовой промышленности и методик для их

определения" (содержит разработанный автором структурированный перечень химических веществ, отражающий специфику предприятий газовой

промышленности, и методик для их контроля).

Результаты работы использованы при проектировании систем производственного экологического мониторинга магистрального газопровода Ямал-Европа и магистрального газопровода "Россия - Турция" (кавказское направление). При создании этих систем отдельно рассматривался мониторинг при строительстве и эксплуатации. Основной задачей систем производственного экологического мониторинга при строительстве газопровода являлся анализ изменений фонового состояния природной среды и поддержка принятия оперативных решений по охране природной среды в районе строительства. В качестве основных факторов, влияющих на состояние природной среды, рассматривались выбросы в атмосферу выхлопных газов строительной техники, сброс промывочных и бытовых сточных вод, загрязнение почв химическими реагентами и нефтепродуктами по трассе строительства. В рамках разработки системы экологического мониторинга при эксплуатации газопровода выполнялся анализ:

• выбросов в атмосферу от промышленных и вспомогательных объектов на площадках компрессорных станций,

• качества очистки сточных вод, сбрасываемых с площадок компрессорных станции в водоемы;

• загрязнения водоемов в зоне действия промышленных объектов;

• загрязнения атмосферного воздуха на промплощадках и в самитарпо-зашитных зонах компрессорных станций, а также в населенных пунктах, расположенных в прилегающих к трассам газопровода районах.

При разработке системы производственного мониторинга газопровода -отвода к гг. Архангельску и Северодвинску рассматривались только экологические проблемы, связанные со строительством газопровода.

В рамках Надымского регионального информационно-аналитического центра производственного экологического мониторинга РАО "Газпром" выполняется сбор и обработка экологической информации с 5 действующих предприятии газовой промышленности Надым-Пур-Тазовского газодобывающего района. Особенностью этого района является чрезвычайная восприимчивость природного комплекса к техногенным воздействиям, вызванная расположением месторождений в крайне суровых арктических условиях. Поэтому оценка воздействия на окружающую среду технических сооружений газотранспортных систем в этом районе включает в себя ряд специфических задач. В связи с этим в рамках НАС выполнено расширение функций приложений, обеспечивающих мониторинг природной среды и расчеты опенок воздействия на среду объектов газотранспортных систем.

В настоящее время введена в эксплуатацию первая очередь центра. В перспективе предусмотрена возможность увеличения объема информации, обрабатываемой Надымским региональным центром производственного экологического мониторинга, при строительстве новых газотранспортных систем на полуострове Ямал. Пример результатов, полученных с ломошыо одного из проблемно-ориентированных приложений, связанного анализом распространения пятна загрязнения морской воды взвесями грунтов в Байдарацкой губе, представлен на рис.5.

ориентированного приложения НАС: распространение

пятна загрязнения морской воды взвесями грунтов в Байдарацкой губе

выводы

В работе получены следующие основные результаты

« выявлена специфика воздействия газотранспортных предприятии п.. различные компоненты природной среды; на основе разработанной методики составлен структурированный перечень подлежащих коыро.тю химических веществ и методик контроля,

• разработана методика комплексной опенки источников выбросов н сбросов загрязняющих веществ для объектов газотранспортных систем,

• разработана информационно-аналитическая система (НДС) сбора и обработки данных о химических загрязнениях природной среды и местах расположения объектов газотранспортных систем,

• разработаны модели данных для НАС производственною экологического мониторинга объектов газотранспортных систем;

• разработана система поддержки принятия решений для управления экологической безопасностью эксплуатации компрессорных станции магистральных газопроводов;

• результаты, полученные в работе, использованы в нормативных и методических документах, в том числе отраслевых стандартах, при проектировании систем экологического мониторинга магистральных газопроводов Ямал-Европа и "Россия - Турция" (кавказское направление). строительстве газопровода - отвода к гг. Архангельску и Северодвинску, а также при создании Надымского регионального пнформапионно-аналитнческого центра производственного экологического мониторинга РАО "Газпром".

Публикации по теме диссертации

) Лощннс'кмн В.Б. Средства контроля окружающей природной среды. Экспресс-информация "Зарубежная техника". ВНИИЭгазпро.м, М, ¡975 .Ys22(284) С, 14-IS

2 Лещпнский В Б , Солодовников А В Защита окружающей среды на объектах добычи и переработки природного газа. Научно-технический обзор. Серия: природный газ h защита окружающей среды ВНИНЭгазпром, М, 1977, 48 с.

.V Лещпнский В,Б Мероприятия по охране окружающей среды при сооружении и эксплуатации магистральных газопроводов в районах Западной Сибири и Крайнего Севера. Тезисы докладов 1-й Всесоюзной конференции "Экология нефтегазового комплекса". М., ВПИППКтехоргнефтегазстрой, 1988, c.66-6S

4 Мелетпев А.В , Лсщинский В.Б., Кобяков A.B. Перспективы использования авиационного обследования состояния магистральных трубопроводов ДГ! "Мосфаисгаз" для оценки состояния различных трубопроводов РАО "Газпром" л нефтяных компаний России. Тезисы докладов Всероссийской на\ чно-технической конференции "Химия, технология и экология переработки природного газа" ГАГНГ, М., 1996, с. 117

5. Лещпнский В.Б. Информация о проектировании Надымского РИАЦ системы производственного экологического мониторинга РАО "Газпром". ГИС-ассоциация, ¡4.,1997, информационный бюллетень №2(9), с.63.

0. Белошапков A.B., Лещпнский В.Б. Оценка воздействия строительства и эксплуатации перехода на природную среду. Подходы к оценке воздействия В кн : Природные условия Байдарацкой губы. Основные результаты для строительства подводного перехода. M ,Геос, 1997, с.З 2.1-3.2.8

7 Beloshapkov АЛ'., Leshinsky V.B., Tsvetsinsky AS., Kashunin К.A., environmental impact assessment for the Baydaraiskay Bay crossing The JamalWest Europe Gas pipeline system. Processings of the 7-th international Offshore and Polar Engineers Conference. Honolulu, Hawaii, USA, 1997, vol. 1, pp 582-586.

5 Усошин В.А., Козлов CH., Лещинский В.Б. "Организация работ по созданию систем производственного экологического мониторинга объектов

газовой промышленности". Материалы отраслевого научно-технического совещания (г. Москва, 11-13 марта 1997 г.) М , ИРЦ Газпром, 1997, с 47-55 9. Одишария Г.Э., Шершнева Л В., Цвсцинскнй A.C., Тужилкин ВС'.. Михайлов H.H., Лещпнскпй В.Б. Специализированная информационная система "Ямал" как технологическая основа для решения задач ОВОС и экологического мониторинга Материалы 8-й международной деловой встречи "Диагностика-98" М., ИРЦ Газпром, 1998, том II Ю.Усошин В.А., Лещинскнй В.Б. Экологический контроль - мера опенки воздействия объектов газовой промышленности на окружающую природную среду. Материалы 8-й международной деловой встречи "Диагностика-98"" М., ИРЦ Газпром, 1998, том II П.Дедиков Е.В., Егоров И.Ф., Лещинскнй В.Б Научно-методические основы создания системы производственного экологического мониторинга газовой промышленности. ¡Материалы секции НТС по теме "Основные направления создания системы производственного экологического мониторинга РАО "Газпром", ее разработка и опытно-промышленное внедрение" М., ИРЦ Газпром, 199S

Оргэнергогаз ОАО "Газпром"

Московская государственная академия тонкой химической технологии

им.М.В.Ломоносова

На правах рукописи

Лещинский Владимир Борисович

Информационно-аналитическая система сбора и обработки данных о химических загрязнениях природной среды для управления экологической ситуацией на объектах газотранспортных систем

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Ярыгин Г.А.

Москва -1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ_4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОБЪЕКТОВ ГАЗОТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ_7

1.1 Законодательно-нормативные требования к производственному экологическому мониторингу объектов газотранспортных систем_7

1.2 Анализ воздействия объектов газотранспортных систем на отдельные компоненты природной среды_10

1.3 Обнаружение и контроль химических загрязняющих веществ, выделяемых в природную среду объектами газовой промышленности_14

1.4 Общие принципы разработки систем производственного экологического мониторинга_28

1.5 Сбор, накопление и обработка данных для управления экологической ситуацией на объектах газотранспортных систем __33

Краткие выводы_3 6

ГЛАВА 2. ИАС ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОБЪЕКТОВ ГАЗОТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ_37

2.1 Цели и задачи разработки. Функции ИАС._37

2.2 Анализ и формализация данных, обрабатываемых ИАС_39

2.3 Архитектура ИАС_52

2.4 Технология построения информационно-аналитической сети мониторинга ИАС_56

2.5 Комплексная оценка источников выбросов и сбросов загрязняющих веществ _60

2.6 Управление экологической безопасностью работы компрессорной станции при неблагоприятных метеоусловиях_62

Краткие выводы_65

ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ ИАС ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОБЪЕКТОВ ГАЗОТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ_66

3.1 Общая схема реализации_66

3.2 Внешний уровень реализации_68

3.3 Логический уровень реализации_76

3.4 Физический уровень реализации_78

Краткие выводы _______83

ГЛАВА 4. ВНЕДРЕНИЕ ИАС_84

4.1 Внедрение в нормативных и методических документах газовой промышленности_84

4.2 Внедрение в системы производственного экологического мониторинга газопроводов __84

4.3 Внедрение в Надымском региональном информационно-аналитическом центре производственного экологического мониторинга РАО "Газпром"_87

Краткие выводы_93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ _94

ЛИТЕРАТУРА

95

Введение

На современном этапе развития нефтегазовой промышленности функционирование объектов добычи, переработки и транспорта нефти и газа невозможно без учета состояния природной среды в местах размещения таких объектов, оценки влияния этих объектов на состояние природной среды. Необходимым условием управления безопасностью строительства и эксплуатации объектов нефтегазового комплекса является комплексный анализ экологической ситуации, инженерно-технологических решений, состояния технологического оборудования, реальных режимов эксплуатации объектов, источников техногенного воздействия на природную среду. Такой анализ требует своевременного и эффективного информационного обеспечения, включающего обработку разнородных данных: технических, экологических, диспетчерских, управленческих и др., причем обрабатываемые данные носят как оперативный, так и ретроспективный характер.

В настоящее время ОАО "Газпром" разрабатывается система производственного экологического мониторинга (ПЭМ), включающая в себя комплекс информационно-аналитическую структур для контроля за состоянием природной среды в местах размещения объектов газовой промышленности. Дальнейшим развитием этой системы является интеграция систем экологического мониторинга, технической диагностики оборудования и автоматизированных систем управления технологическим процессами в единые комплексные системы управления производством и природоохранной деятельностью предприятий газовой промышленности.

В связи с этим представляется актуальной разработка информационно-аналитической системы, реализующей интегрированную информационную технологию сбора, накопления и обработки данных о всех аспектах состояния природной среды в местах размещения объектов газовой промышленности.

Целью работы является создание интегрированной информационно-аналитической системы сбора, накопления и обработки данных, обеспечивающей комплексную информационную поддержку управления экологической ситуацией на объектах газотранспортных систем.

Для достижения указанной цели ставятся и решаются следующие задачи:

• анализ современных методических, программных и технологических средств сбора, накопления, обработки и распространения информационных ресурсов;

• разработка принципов построения и архитектуры интегрированной информационно-аналитической системы (ИАС) сбора, накопления и обработки данных;

• программно-техническая реализация ИАС;

• практическое применение ИАС.

В работе впервые получены следующие новые результаты:

• на основе анализа загрязняющих химических веществ, контролируемых в настоящее время на газотранспортных предприятиях, и методик их химико-аналитического контроля выявлена специфика воздействия газотранспортных предприятий на различные компоненты природной среды; разработана методика структурирования подлежащих контролю химических веществ и методик контроля;

• разработана методика комплексной оценки источников выбросов и сбросов загрязняющих веществ объектов газотранспортных систем;

• разработана информационно-аналитическая система сбора и обработки данных о химических загрязнениях природной среды в местах расположения объектов газотранспортных систем;

• разработана система поддержки принятия решений для управления экологической безопасностью эксплуатации компрессорных станций магистральных газопроводов.

Результаты, полученные в работе, использованы

• в нормативных и методических документах, в том числе стандартах газовой промышленности,

• при проектировании систем производственного экологического мониторинга магистрального газопровода Ямал-Европа и магистрального газопровода "Россия - Турция" (кавказское направление);

• для экологического мониторинга строительства газопровода - отвода к гг. Архангельску и Северодвинску;

• при создании Надымского регионального информационно-аналитического центра производственного экологического мониторинга РАО "Газпром".

Результаты работы обсуждались на:

• 7-м международном коллоквиуме по проблемам безопасности газопроводов высокого давления после длительной эксплуатации (Прага, март 1998);

• 8-й международной деловой встрече "Диагностика-98" (Сочи, апрель 1998);

• заседании секции "Экология и охрана окружающей среды" Научно-технического совета РАО "Газпром" (Саратов, июль 1998);

• ряде отраслевых научно-технических совещаний. Публикации

Полученные в работе результаты изложены в 11 опубликованных работах.

Глава 1. Анализ особенностей производственного экологического мониторинга объектов газотранспортных систем

За последние десятилетия масштабы и физические особенности техногенных воздействий на природную среду порождают значительные отрицательные последствия в экосистеме. Неуправляемое техногенное воздействие на природную среду приводит к существенному загрязнению среды обитания, питьевой воды и продуктов питания, неблагоприятному воздействию этих факторов на здоровье населения. В связи с этим проблемы снижения экологического риска, обеспечения экологической безопасности и рационального управления экологической ситуацией приобретают первостепенное значение.

Вклад основных отраслей экономики в загрязнение природы различен. Так, доля выбросов в общем объеме загрязняющих природу веществ объектами газовой промышленности составляет 4%. Природный газ является наиболее экологически чистым по сравнению с другими видами топлива. Однако большая часть газодобывающих и газотранспортных предприятий находится в экологически уязвимых регионах с крайне неблагоприятными природно-климатическими условиями, характеризующихся слабыми защитными функциями к любому антропогенному воздействию. Поэтому на предприятиях газовой промышленности необходимо постоянное наблюдение за качеством жизненно важных природных сред, обработка и анализ полученных данных.

1.1 Законодательно-нормативные требования к

производственному экологическому мониторингу объектов газотранспортных систем

Правовую основу управления экологической безопасностью на предприятиях газовой промышленности составляют законы и нормативы. Законодательная и нормативная информация может быть сгруппирована в 3 блока:

• нормативно-правовой (законы, подзаконные акты и пр.);

• нормативно-технический (стандарты и приведенные к ним документы:

ГОСТы, ОСТы, СНиПы и др.);

• инструктивно-методический (инструкции, пособия, рекомендации и т.п.).

К нормативно-правовым документам относятся:

• Федеральные законы;

• решения Государственной Думы;

• правовые акты Президента Российской Федерации;

• правовые акты Правительства Российской Федерации.

Кроме перечисленных выше общегосударственных правовых актов, имеются еще ведомственные нормативно-правовые документы, которые могут являться подзаконными актами или самостоятельными документами.

Применительно к газовой промышленности это:

• распорядительная документация соответствующего федерального органа

исполнительной власти - Министерства топлива и энергетики Российской

Федерации (распоряжения, приказы и др.);

• решения Правления Российского акционерного общества "Газпром".

К нормативно-правовым документам необходимо отнести указания Минприроды (Госкомэкологии) России, подготовленные в соответствии с законом РСФСР "Об охране окружающей среды" и другими законами России, а также других ведомств природоохранной компетенции: Росгидромета, Роскомзема и др. Документы федерального уровня (положения, инструкции) утверждаются Советом Министров и регистрируются в Министерстве юстиции. Ведомственные документы (нормативы, рекомендации, письма) утверждаются руководством соответствующего комитета.

Нормативно-техническая информация включает в себя:

• систему нормативных документов в строительстве;

• стандарты;

• другие нормативные документы.

К системе нормативных документов в строительстве относятся:

• строительные нормы и правила (СНиП);

• своды правил по проектированию и строительству (СП);

• нормативные документы, утвержденные Госстроем РСФСР;

• нормативные документы, утвержденные Госстроем СССР и другими его подразделениями, применяемые в качестве рекомендуемых документов;

• руководящие документы системы;

• территориальные строительные нормы (ТСН).

Наряду с нормативными документами системы Минстроя в строительстве применяют:

• государственные стандарты и другие документы по стандартизации, метрологии и сертификации Госстандарта России; нормы, правила и нормативы органов государственного надзора;

• стандарты отраслей, нормы технологического проектирования и другие нормативные документы, принимаемые отраслевыми министерствами, государственными комитетами в соответствии с их компетенцией (по Положениям).

К стандартам относятся:

• государственные и межгосударственные стандарты (ГОСТ) и стандарты СЭВ (СТ СЭВ), введенные в действие на территории Российской Федерации в качестве государственных стандартов;

• государственные стандарты Российской Федерации.

Кроме того, к нормативно-технической информации относятся требования органов государственного надзора за строительством (Госгортехнадзора, Госсанэпиднадзора и др).

1.2 Анализ воздействия объектов газотранспортных систем на отдельные компоненты природной среды

Объекты газовой промышленности (промыслы, газотранспортные системы, газоперерабатывающие заводы) обустраиваются и сооружаются в различных природно-климатических зонах, отличающихся геологией, геокриологией, географическим ландшафтом, освоенностью, чувствительностью биогеоценоза к техногенным воздействиям, характером и размером их последствий и т.п. В процессе изысканий, строительства и эксплуатации этих объектов происходит воздействие как на человека, так и на среду его обитания (ландшафты, почву, геологическую среду, растительный покров, животный мир, подземные и поверхностные воды и приземный слой атмосферы) [5,30].

Следуя концепции экологического воздействия, предложенной ЮНЕСКО, экологическим воздействием считается не только прямое, непосредственное введение сторонних веществ или энергии в окружающую среду, но и косвенное воздействие, которое может привести к нарушению экологической целостности природного ландшафта, к быстро или медленно проявляющемуся отрицательному воздействию в отношении человека, и различных популяций флоры и фауны [33].

Воздействия по направленности могут быть прямыми и косвенными, а по времени - длительными и кратковременными.

Прямым воздействием на окружающую среду, например, на землю, является нарушение почвенно-растительного покрова, в результате чего могут развиваться эрозионные процессы, оврагообразования. При этом уменьшение пастбищных угодий окажет негативное влияние на животных, что является косвенным воздействием [50].

Примером длительного воздействия является загрязнение атмосферы дымовыми газами компрессорных станций, кратковременного - уплотнение пород при строительстве.

При воздействиях на природную среду могут наблюдаться:

• обратимые последствия, которые можно ликвидировать, а окружающая среда при этом может быть восстановлена до исходного состояния (например, восстановление растительности);

• необратимые последствия, приводящие к качественному изменению окружающей среды (термокарст, оползни, деформация русла рек, нарушение гнездовий, путей миграции и пр.)

Изменения природной обстановки при строительстве объектов газовой промышленности связаны, в первую очередь, с нарушениями гидрологического режима, почвенно-растительного слоя и т.д. Так, значительное воздействие на природную среду оказывается в процессе бурения скважин при разведке и освоении месторождений углеводородов. Процесс строительства скважин связан с использованием земельных участков, воды, применением в бурении различных по физико-химическому составу, свойствам и токсичности материалов и химических реагентов, которые содержатся в буровом растворе, буровых сточных водах и выбуренной породе. Последствия строительства скважин - нарушение гидрологического режима водных объектов, ухудшение качества подземных, подрусловых и поверхностных вод и др.

В зонах продуктивного сельского хозяйства нарушения, вызванные строительством, выводят на длительный срок из активного землепользования обширные территории и осложняют инженерную подготовку территорий и производство земляных работ из-за повышенных водопритоков в траншею в весенний и осенний периоды года.

Нитки газопроводов, грунтовые и бетонные дороги, проложенные без учета движения поверхностных вод, нарушают существующий гидрогеологический режим, затрудняют поверхностный сток и способствуют заболачиванию отдельных участков, образованию подпруженных озер.

Несоблюдение технологии промысловой обработки газа является причиной частого загрязнения различными химическими соединениями почв, воздуха и воды в районах, непосредственно прилегающих к газодобывающему комплексу. Неотъемлемой частью газодобывающих комплексов на основе месторождений,

содержащих в больших количествах сероводород, углекислый газ и углеводородный конденсат, являются газоперерабатывающие заводы. В процессе работы различных технологических циклов газоперерабатывающих заводов происходит загрязнение воздуха продуктами горения непрореагированного сероводородного газа (сжигаемого в печи дожига), которые выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу, а в дальнейшем выпадают с осадками на почву. Загрязнение атмосферы происходит также при продувке различных аппаратов. Отрицательное воздействие оказывают утечки газа, содержащего сероводород, которые возникают в период несоблюдения технологического режима заводских установок, продувок скважин, особенно сероводородосодержащих. Наряду с этим происходит загрязнение почв и водоемов утечками конденсата, метанола, других жидкостей.

Перечислим экологические проблемы, связанные с распространением химических загрязняющих веществ в различных компонентах природной среды, причинами которых являются строительство и функционирование п