автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка метода обнаружения источника аварийного выброса по физико-химическим характеристикам выбрасываемой смеси

На правах рукописи

Сосновцева Елена Викторовна

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОБНАРУЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА АВАРИЙНОГО ВЫБРОСА ПО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ВЫБРАСЫВАЕМОЙ СМЕСИ

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2012

Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Волго-Уральский научно-исследовательский и проектный институт нефти и газа» (ООО «ВолгоУралНИПИгаз»),

Научный руководитель - доктор технических наук

Клейменов Андрей Владимирович

Официальные оппоненты: — Нугаев Раис Янфурович,

доктор технических наук, профессор, Государственное унитарное предприятие «Институт проблем транспорта энергоресурсов», главный научный сотрудник отдела «Гидродинамическое моделирование технологических процессов в добыче нефти»

— Тляшева Резеда Рафисовна,

доктор технических наук, доцент, Уфимский государственный нефтяной технический университет, доцент кафедры «Технологические машины и оборудование»

Ведущее предприятие - Закрытое акционерное общество

«Индустриальный риск» Волгоградский филиал

Защита состоится 30 октября 2012 г. в Ю30 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ТУП «ИПТЭР») по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУЛ «ИПТЭР».

Автореферат разослан 28 сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Худякова Лариса Петровна

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА 2012

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На территории Российской Федерации расположено множество крупных областей, базовыми отраслями экономики которых являются нефтегазодобывающая и перерабатывающая отрасли. Территории данных областей насыщены объектами нефтяной, газовой, нефтехимической промышленности, в непосредственной близости от которых действуют предприятия машиностроения, металлургии, горнодобывающей отрасли. Такие технологические комплексы идентифицируются как потенциальные источники выделения в атмосферу аварийно химически опасных веществ и являются взрывопожароопасными производствами.

Как правило, объекты добычи, промысловой подготовки, транспорта углеводородов, газохимических комплексов занимают значительные площади. Особенно это характерно для объектов транспорта, представляющих собой сеть промысловых и магистральных трубопроводов.

Большая часть территорий функционирующих газодобывающих и газохимических комплексов густонаселенна. Поэтому актуальной задачей является своевременное обнаружение источника аварийного (несанкционированного) выброса смеси аварийно химически и взрывопожароопасных веществ, произошедшего в результате криминальной врезки в трубопровод, аварии или при проведении нерегламентных операций, включая место расположения и характеристики выбрасываемой смеси. Это позволит своевременно определить потенциальную опасность и избежать человеческих жертв, сократить зоны токсического поражения, снизить материальный ущерб предприятию и ущерб окружающей среде.

Актуальность представленного исследования подчеркивается теми обстоятельствами, что обнаружение виновников несанкционированных выбросов аварийно химически опасных веществ и места расположения источника серьезно осложнено принадлежностью близкорасположенных объектов по добыче, транспорту и переработке углеводородного сырья различным хозяйствующим субъектам. Это затрудняет координацию действий аварийных формирований,

увеличивает время с момента появления субъективных и объективных данных о загрязнении воздуха до обнаружения его источника, соответственно, увеличивает объемы выброса, размеры зон токсического поражения, что ставит под угрозу безопасность персонала, работающего на объектах добычи, переработки и транспорта углеводородного сырья, и жителей близлежащих населенных пунктов.

Цель работы - повышение уровня пожарной и промышленной безопасности объектов нефтегазовых комплексов путем обнаружения источника аварийного выброса взрывоопасных веществ по физико-химическим характеристикам выбрасываемой смеси.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

• систематизация и анализ существующих методов обнаружения источников аварийных (несанкционированных) выбросов на производственных объектах нефтегазовой отрасли, выявление ограничений их применения;

• экспериментальное обоснование применимости положений теории атмосферной диффузии для оценки устойчивости соотношения концентраций основных химически и взрывоопасных веществ в облаке выброса на различных расстояниях от источника с учетом состава выброса и метеоусловий;

• разработка метода обнаружения источника аварийного выброса химически и взрывоопасных веществ в атмосферу с использованием данных инструментальных замеров и информационной базы данных предприятий и метеопараметров;

• анализ эффективности способа обнаружения аварийного (несанкционированного) выброса по физико-химическим характеристикам выбрасываемой смеси и его практическая реализация.

Методы решения поставленных задач

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследований: теоретико-экспериментальные методы - инструментальные методы определения метеопараметров и концентраций примесей в атмосферном

воздухе; теоретические методы - метод математического моделирования распределения концентраций примесей в атмосферном воздухе.

Научная новизна результатов работы

1. Усовершенствованы методы математического моделирования диффузионного распространения примесей в атмосфере применительно к решению задачи обнаружения источника аварийного выброса по физико-химическим характеристикам выбрасываемой смеси.

2. На основе экспериментальных исследований установлено, что соотношения концентраций основных веществ в облаке выброса устойчивы и не зависят от расстояния, на которое удалено облако выброса от источника выброса.

3. Разработан и обоснован алгоритм обнаружения источника аварийного выброса на основе теории атмосферной диффузии.

4. Разработан метод обнаружения аварийного (несанкционированного) источника выброса по соотношению концентраций основных компонентов в облаке выброса. Определены приемлемые соотношения концентраций веществ в выбросах, характерных для объектов газового комплекса и смежных отраслей.

На защиту выносятся:

1. Полученные расчетным путем соотношения концентраций аварийно химически и взрывопожароопасных веществ в облаке выброса объектов газового комплекса;

2. Результаты натурных исследований, подтверждающие применимость теории атмосферной диффузии для быстропротекающих процессов поступления аварийных выбросов химически и взрывоопасных веществ в атмосферу;

3. Алгоритм обнаружения источника несанкционированного выброса аварийно химически опасных веществ;

4. Метод обнаружения источника аварийного (несанкционированного) выброса химически и взрывопожароопасных веществ в атмосферу, базирующийся на соотношениях концентраций основных компонентов смеси в облаке выброса, с использованием модели атмосферной диффузии примесей в атмосферном воздухе.

Практическая ценность результатов работы

1. Разработан и опробован метод обнаружения источника аварийного выброса химически опасных веществ на территориях с большим количеством опасных производственных объектов, расположенных в непосредственной близости друг от друга и принадлежащих различным хозяйствующим субъектам.

2. Предложенный метод позволяет ускорить принятие организационных решений и мероприятий по управлению аварийной ситуацией, сократить время с момента появления субъективных и объективных данных о загрязнении воздуха до обнаружения его источника, а следовательно, сократить размеры зон токсического поражения, ускорить ликвидацию негативных последствий аварийных выбросов для персонала, населения, имущества предприятий и окружающей природной среды на производственных объектах нефтегазовой отрасли.

3. Разработанный метод обнаружения отличает универсальность и возможность его применения для любых промышленных комплексов, на территориях которых плотно расположены производственные объекты с идентичными аварийно химически опасными веществами.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались на: IV Молодежной научно-технической конференции с международным участием «Основные проблемы поиска, освоения и обустройства нефтегазовых месторождений и пути их решения» (23-24 сентября 2010 г., г. Оренбург), П1 Общероссийской научной конференции «Актуальные вопросы науки и образования» (11-13 мая 2010 г., г. Москва), научной конференции «Новые технологии, инновации, изобретения» (5-7 июля 2010 г., г. Иркутск), X международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (25-27 октября 2011 г., г. Оренбург), Молодежной научно-технической конференции с международным участием «Инновационные решения для нефтегазовой отрасли (Опыт и перспективы)» (19-20 апреля 2012 г., г. Оренбург), научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (23 мая 2012 г., г. Уфа).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 научных трудах, в том числе в 4 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка, включающего 101 наименование, 2 приложений. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц, 32 рисунка.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам ООО «Волго-УралНИПИгаз» за помощь в проведении инструментальных исследований, Осиповой Л.В. - руководителю отдела аккредитации Всероссийского научно-исследовательского института метрологии им. Д.И.Менделеева.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, приведены положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе представлены аналитический обзор и сравнение методов обнаружения аварийно химически и взрывопожароопасных веществ в атмосфере и определения их принадлежности к источнику выброса, литературных источников по распространению примесей в атмосфере.

Российская Федерация имеет значительное количество территорий, на которых достаточно плотно расположены объекты предприятий нефтяной, газовой, нефтехимической промышленности, действуют предприятия машиностроения, металлургии, горнодобывающей отрасли с обращающимися на предприятиях аварийно химически опасными веществами и относящиеся к взрывоопасным производствам.

Нефтегазовые комплексы представляют собой сложную технологическую структуру, в состав которой входят объекты добычи, переработки и транспорта

углеводородного сырья. Объекты транспорта обычно представлены развитой сетью промысловых и магистральных трубопроводов. Работа на объектах добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья является достаточно опасной. Технологии, применяемые на объектах нефтегазового комплекса для добычи и переработки углеводородного сырья, предусматривают большое количество токсичных, пожаро и взрывоопасных материалов. В связи с этим возникновение аварий на данных объектах зачастую приводит к человеческим жертвам и огромному материальному ущербу. Поэтому на нефтегазовых комплексах одной из приоритетных задач является обеспечение промышленной и пожарной безопасности.

Наиболее характерными веществами на объектах нефтегазовых комплексов являются компоненты углеводородного сырья, а также продукты его переработки, представленные веществами 2-ого, 3-его, 4-ого классов опасности: оксид и диоксид азота, диоксид серы, сероводород, оксид углерода, смесь природных меркаптанов и другие.

Опасность аварийно химически и взрывопожароопасных веществ для человека и окружающей среды может проявляться при основном технологическом режиме эксплуатации объектов нефтегазовых комплексов. Это связано с регламентными выбросами и сбросами технологических сред в атмосферу со сжиганием и без сжигания, а также утечками опасных веществ через уплотнения фланцевых соединений и запорно-регулирующей арматуры.

Наибольшую опасность объекты нефтегазового комплекса представляют в аварийных случаях. При возникновении аварии поражение людей может произойти не только на данном объекте, но и в близлежащих населенных пунктах. Аварийно химически и взрывопожароопасные вещества вызывают поражение людей путем переноса по направлению ветра на большие расстояния, проникновения в негерметизированные помещения. Это может приводить к поражениям людей со смертельным исходом. Ситуация усугубляется еще и тем, что большая часть освоенных нефтегазовых регионов насыщена населенными пунктами.

Кроме этого, к угрозе пожарной и промышленной безопасности объектов нефтегазовой отрасли приводят несанкционированные выбросы частными компаниями при сливе-наливе, проливе (разливе) нефтепродуктов, последствия криминальных врезок в трубопроводы, проведение нерегламентных технологических операций. Это приводит к превышению, по сравнению с допустимыми, концентраций аварийно химически и взрывоопасных веществ в воздухе, что негативно сказывается на здоровье персонала объектов нефтегазовых комплексов, а также загрязняет атмосферный воздух населенных пунктов, приводит к вторичному загрязнению почв, воды, негативно воздействует на растительность.

Для сокращения на объектах нефтегазовых комплексов аварийных ситуаций, несанкционированных выбросов предприятиями разрабатываются мероприятия и программы по противоаварийной защите производственных объектов, однако исключить несанкционированные выбросы аварийно химически и взрывопожароопасных веществ невозможно. Зачастую определить виновника данных выбросов очень трудно, сложность обнаружения виновников аварийно химически и взрывопожароопасных веществ заключается в том, что немало объектов по добыче, транспорту и переработке углеводородного сырья, принадлежащих различным компаниям, находятся в непосредственной близости друг от друга. В связи с этим актуальным является поиск способа идентификации и определения местоположения данных источников выбросов.

К существующим методам обнаружения поступления аварийно химически и взрывопожароопасных веществ в атмосферу в случае аварии, несанкционированного выброса или криминальной врезки, а также определения принадлежности к источнику выброса относятся: визуальные; автоматизированные системы обнаружения аварий; косвенные; тепловая аэросъемка; лидарные комплексы; беспилотные аварийные системы. Положительные стороны и недостатки методов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнение методов обнаружения

Наименование метода Плюсы метода Минусы метода

Визуальные (патрулирование) - достоверное обнаружение видимой аварии - очень трудоемкий (привлечение значительного количества работающего персонала); - зависит от погодных условий, времени суток; - трудно точно оценить затраты

Автоматизированные системы обнаружения аварий - обнаружение довзрывоопасных концентраций горючих паров и газов в месте азарии - не применим при несанкционированном выбросе

Косвенные: 1. Метод акустико-эмиссионной диагностики 2. Метод сравнения расходов и изменения скоростей 3. Метод линейного баланса 4. Метод точного измерения давления 5. Метод виброакустического контроля 1. Имеет достаточно высокую чувствительность, позволяет обнаруживать развивающиеся дефекты (трещины). 2. Позволяет контролировать герметичность с помощью расходомеров в двух сечениях контролируемого участка трубопровода. 3. Позволяет контролировать герметичность по приборам учета количества поданного продукта в трубопровод и пришедшего на конечный пункт. 4. Позволяет определить утечку по разнице между фактическим и установленным давлением. 5. Дает возможность классификации регистрируемого события, позволяет осуществлять непрерывный анализ. 1. Трудность выведения сигналов акустической эмиссии из помех. 2. Неудовлетворительный контроль в переходных режимах работы трубопровода. Неприменим в случае малых утечек. 3. Зависит от надежности и точности приборов измерения. При проведении оперативного учета можно установить лишь крупную аварию. 4. Различия в давлениях имеют место по другим причинам - при запарафи-нивании, не полностью открытой задвижке и прочее. 5. Снижение чувствительности системы при росте производительности трубопроводов.

Беспилотные авиационные системы (БПЛА) -контроль технического состояния протяженных объектов - существует ряд факторов, снижающих качество аэросъемки; - требуется значительное количество разрешительной документации на проведение аэросъемки; - необходимость получения беспилотными аппаратами статуса воздушного судна.

Тепловая аэросъемка - обнаружение места аварий на трубопроводах значительной протяженности, производственных объектах, находящихся на значительном удалении от эксплуатирующей организации - велик уровень тепловых помех; - возможность проведения аэросъемки только в благоприятные периоды: утро, вечер, пасмурные или ясные осенние и зимние дни.

Лидарные комплексы - определение местоположения аэрозольных образований в атмосфере, их размера и концентрации частиц, слежение за их эволюцией; - измерение концентраций газов, высокомолекулярных загрязняющих примесей; - измерение параметров атмосферной турбулентности и метеопараметров. - метод дорогостоящий.

Результаты анализа позволяют сделать следующие вводы:

- перечисленные методы обнаружения имеют ряд ограничений;

- часть методов не позволяет на ранней стадии без масштабных поисковых работ на территориях расположения разнотипных объектов обнаружить источник и определить виновника данного выброса;

- наиболее эффективные методы с точки зрения достоверности обнаружения источника выброса весьма затратные и требуют сложного аппаратурного исполнения;

- предлагаемый метод обнаружения источника выброса при аварии, криминальной врезке, несанкционированном выбросе может использоваться как альтернативный.

Вторая глава содержит методы математического моделирования прогноза распределения концентраций примесей в атмосферном воздухе, методы и результаты экспериментальных измерений концентраций основных компонентов в облаке выброса.

Основу исследований в диссертации составили теоретические и практические работы в области распространения примесей от источника выброса (несанкционированного, регламентного, криминальной врезки) в атмосферном воздухе, в числе которых: Берлянд М.Е., Генихович Е.Л., Безуглая Э.Ю., Они-кул Р.И., Зашимин М.Н., Матвеев Л.Т., Ламли Дж., Пановский Г., Стетгон О.Г., Тейлор Д., Гиффорд Ф. и др.

Изучение литературных источников по распространению примесей в атмосфере позволило выявить, что коэффициент турбулентной диффузии в атмосфере на несколько порядков (в десятки и сотни тысяч раз) превышает коэффициент молекулярной диффузии, и перенос примесей в условиях тропосферы осуществляется главным образом посредством турбулентного перемешивания, а не молекулярной диффузии. В связи с этим при распространении примесей в нижнем слое атмосферы процесс седиментации практически отсутствует, и при прогнозировании уровней загрязнения коэффициент, учитывающий скорость оседания газообразных примесей и мелкодисперсных аэрозолей в атмосферном воздухе, принимается равным 1, т.е. скорость их упорядоченного оседания

практически равна нулю. Соответственно, расслоение по компонентам в движущемся облаке выброса в период его образования и трансформации в поле гравитационных сил будет незначительно, и реализуется только его разбавление атмосферным воздухом.

Развитие методов прогноза распространения аварийно химически и взры-вопожароопасных веществ в воздухе основывается на результатах теоретического и экспериментального изучения закономерностей распространения примесей от их источников. Теория атмосферной диффузии позволяет исследовать распространение примесей от источников различного типа при разных характеристиках среды, дает возможность использовать параметры турбулентного обмена.

Для описания процессов распространения примесей в атмосфере и изменения их концентраций во времени используется возможность отделения пульсаций от средних значений концентраций примеси.

В общем виде прогноз распространения примесей математически представлен прогностическим уравнением М.Е. Берлянда:

з з

Эц/й + (Эц/ЭхО = Цд/ЭхОк^Эя/ахО - щ, (1)

где t - время; Х| - координаты; и, и 1с; - составляющие средней скорости перемещения примеси и коэффициента обмена, относящиеся к направлению оси Х| (I = 1,2, 3); а - коэффициент, определяющий изменение концентрации за счет превращения примеси.

При решении практических задач вид уравнения упрощается. Исходное прогностическое уравнение сводится к уравнению атмосферной диффузии:

и(ЭЧ/Эх) - \ЧдЧ/дх) = {д/дъШдц/дт) + (д/ду) ку(ЭЧ/ду) - щ. (2)

Из уравнения диффузии следует, что при фиксированных параметрах источника сохраняющейся примеси изменение концентрации ее в атмосфере над сушей определяется турбулентным обменом и скоростью ветра.

При малых скоростях ветра и малом коэффициенте турбулентности значительно возрастает продолжительность времени переноса примеси от источника до точки наблюдений. Это требует решение нестационарного уравнения диффузии.

Если использовать основную концепцию теории атмосферной диффузии, что гравитационное расслоение по компонентам в облаке выброса при его движении незначительно, а реализуется только его разбавление атмосферным воздухом, что отражено в трудах Главной геофизической лаборатории им. А.И. Воейкова, в частности в работах М.Е. Берлянда, то можно установить наиболее значимые по степени негативного воздействия источники выбросов загрязняющих веществ, спрогнозировать их воздействия на жилую зону при нештатной ситуации и обнаружить источник в случае аварийной ситуации или несанкционированного выброса.

Для подтверждения положений теории атмосферной диффузии в части неизменности соотношения концентраций основных веществ в облаке выброса на различных расстояниях проведены замеры концентраций основных компонентов на экспериментальном стенде в лабораторных условиях и на местности. Проведение инструментальных измерений концентраций основных загрязняющих веществ в воздухе проведено с помощью воздухоотборников, газоанализаторов, газовых хроматографов.

1) Определение соотношений концентраций основных компонентов в лабораторных условиях

Для определения соотношений концентраций исследуемых компонентов (метана и сероводорода) и подтверждения их устойчивости при разбавлении использовалась газовая смесь «сероводород + метан в воздухе». Приготовленная газовая смесь, содержащая исследуемые компоненты, разбавлялась с помощью генератора воздухом в 2, 5, 10 раз. После каждого разбавления проводились замеры концентрации исследуемого компонента газохроматографиче-ским методом. Схема проведения эксперимента приведена на рисунке 1.

Газовоздушная смесь (воздух + Н23 + СН4)

Газовоздушная смесь, разбавленная воздухом в 2,5 раза

генератор газовых

Ш ы

воздух

сероводород

газовый хроматограф

Рисунок 1 - Схема проведения замеров концентраций Н28 и СН4

Для подтверждения неизменности соотношения концентраций веществ с молекулярной массой больше молекулярной массы воздуха (ароматических углеводородов) выполнена имитация разлива смеси толуола, ксилола и ацетона в соотношении 1:1:1. Экспериментальное исследование проведено в лабораторных условиях. Замеры концентраций толуола и ксилола проведены на различных расстояниях от источника выброса— 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 метра. Отбор проб воздуха проведен с помощью воздухоотборников, результаты замеров получены на газовом хроматографе. Схема отбора приведена на рисунке 2.

точка отбора фоновых концентраций

направление ветра

облако паровоздушной смеси

смесь толуол +'ксилол + ацетон (1:1:1)

Рисунок 2 - Схема отбора проб паров ароматических углеводородов

По результатам всех выполненных замеров проводились вычисление соотношения между основными компонентами исследуемой газовой смеси и анализ устойчивости данных соотношений при снижении концентраций исследуемых компонентов.

2) Определение соотношений концентраций основных компонентов на местности

Инструментальные замеры концентраций углеводородов, диоксида серы и сероводорода были проведены при сжигании газа в амбаре во время ремонтных работ на трубопроводе Оренбург - Салават - Уфа на территории Республики Башкортостан. Замеры концентраций сероводорода и углеводородов при выбросе газа в атмосферу со сжиганием проводились на местности на различных расстояниях от источника выброса - 5, 10, 15 метров. Все замеры проводились с помощью аспираторов и газоанализаторов. По полученным результатам замеров вычислены соотношения концентраций замеряемых веществ в облаке выброса. Также проведен анализ результатов химико-аналитического контроля выбросов при проведении ремонтных работ на трубопроводах Оренбургской области.

Анализ полученных данных показывает, что в облаке выброса соотношение концентраций основных компонентов (сероводорода, метана, диоксида серы) достаточно устойчиво и сохраняется на всей протяженности шлейфа рассеивания, несмотря на удаленность от источника выброса. При этом погрешность не превышает стандартной погрешности, равной 25 %.

Таким образом:

- проверена на практике применимость теории атмосферной диффузии для процессов рассеивания смесей аварийных выбросов, характерных для объектов нефтегазового комплекса;

- экспериментально доказано, что соотношения концентраций аварийно химически и взрывопожароопасных веществ с плотностью не только меньше, но и больше плотности воздуха в выбросах типовых нефтегазовых объектов сохраняются на протяжении всего процесса рассеивания в воздухе газообразных компонентов.

Третья глава содержит обоснование выбора в облаке выброса основных компонентов для определения соотношений их концентраций, алгоритм обнаружения источника при аварийном (несанкционированном) выбросе и способ его реализации.

На значительной площади территорий нефтегазоконденсатных месторождений достаточно плотно расположены химически опасные объекты - объекты добычи, переработки и транспорта углеводородного сырья, содержащего сероводород и смесь природных меркаптанов.

Анализ статистических данных по аварийности на предприятиях нефтегазовой отрасли и трубопроводного транспорта России показал следующее. В 2009 году на предприятиях нефтегазодобычи произошло 13 аварий, из них 46 % -взрывы, 39 % - пожары, 15 % - выброс опасных веществ (разрушения). На объектах трубопроводного транспорта - 28 аварий, из них 14 % - криминальные врезки, 25 % - коррозионные разрушения, 61 % - ошибочные действия персонала и брак изделий/работ.

Динамика уровня аварий на объектах трубопроводного транспорта и нефтегазодобывающих предприятиях приведена на рисунках 3 и 4.

■ 2005т Ш2006т

■ 2007 г

■ 2008 Г • 2009т

2010 г

Рисунок 3 - Динамика уровня аварий на объектах трубопроводного транспорта

- Открытые фонтаны и ' выбросы

- Взрывы и пожары |

I

_ Падение (разрушение) , буровых вышек ;

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Рисунок 4 - Распределение по видам аварий на предприятиях нефтегазодобычи за период с 2004 по 2010 гг.

Параметры окружающей среды (скорость и направление ветра, температура и влажность воздуха, характеристика грунта, рельеф местности и др.) влияют на варианты распространения аварийно химически и взрывопожароопасных веществ в атмосфере.

Таким образом, в зависимости от параметров окружающей среды поступление углеводородных сред в атмосферу возможно либо с возгоранием, либо с рассеиванием.

В связи с этим на объектах нефтегазового комплекса и смежных отраслей для идентификации источника выброса аварийно химически и взрывопожароопасных веществ выбраны следующие соотношения концентраций веществ в выбросах:

- без горения СнгБ^Ссп® const, Co/Ccar~ const;

- при горении выброса const, Ch2S/CSoг~ const.

Для определения места расположения вероятного источника выброса аварийно химически и взрывопожароопасных веществ предлагается способ обнаружения данного источника по соотношению основных веществ, содержащихся в выбросах, характерных для конкретного предприятия. При несанкционированном

выбросе углеводородной смеси в атмосферу без сжигания достаточно определить соотношение между двумя компонентами в облаке выброса. В качестве основных веществ принимаем сероводород и сумму углеводородов. В случае несанкционированного выброса в атмосферу углеводородной смеси с возгоранием, кроме сероводорода и сумм углеводородов, образующихся в результате недожога, для определения соотношения концентраций необходимо ввести еще один компонент, характерный для процесса горения, например диоксид серы.

Согласно теории атмосферной диффузии, соотношения концентраций основных веществ, рассчитанные по составам технологических сред, должны соблюдаться и в облаке выброса.

Информационной составляющей способа обнаружения источника выброса аварийно химически и взрывопожароопасных веществ является информационная база данных, включающая систематизированные сведения о производственных объектах, которые могут быть наиболее вероятными источниками аварийных, несанкционированных выбросов (несанкционированные операции на объектах нефтяной и газовой промышленности, терминалах, трубопроводах и т.п.). Информационная база данных охватывает конкретную территорию и включает в себя сведения о перечне, составах и соотношениях основных компонентов смеси в обращающихся углеводородных потоках предприятий, расположенных на данной территории.

Для предварительного обнаружения места расположения источника несанкционированного выброса (определения сектора возможного расположения данного источника) необходимо использовать сведения информационной базы данных и результатов оперативных инструментальных измерений компонентного состава выброшенной смеси, а также учитывать фоновые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и метеоусловия на момент загрязнения атмосферы. Необходимое при этом оперативное проведение замеров метеопараметров и концентраций примесей в атмосферном воздухе в момент загрязнения может осуществляться с использованием общедоступных методик

и оборудования, в том числе стационарных автоматических и передвижных экологических постов контроля.

Поиск сектора возможного расположения источника аварийного (несанкционированного) выброса аварийно химически и взрывопожароопасных веществ осуществляется исходя из метеорологических параметров. Используя данные о зафиксированных скоростях и направлениях ветра в момент выброса, а также данные метеопараметров, предшествующих получению сведений о предполагаемом аварийном выбросе, определяется сектор, на территории которого возможно был осуществлен данный выброс. Исходными данными для расчета соотношений концентраций основных компонентов в облаке выброса являются фоновые концентрации, собранные данные о несанкционированном выбросе (инструментальные замеры концентраций основных компонентов в воздухе). Далее полученное соотношение концентраций основных компонентов выброса сравнивается с соотношением компонентов смеси в обращающихся углеводородных потоках предприятий, расположенных в данном секторе.

Таким образом определяется возможная принадлежность источника аварийного (несанкционированного) выброса к тому или иному объекту (предприятию), расположенному на территории сектора, определенного расчетами рассеивания.

Алгоритм обнаружения источника аварийного выброса представлен на рисунке 5.

Таким образом:

- обоснован выбор наиболее приемлемых для объектов нефтегазового комплекса аварийно химически и/или взрывопожароопасных веществ, соотношение концентраций которых необходимо для определения принадлежности несанкционированных выбросов к источнику выброса;

- научно обоснован алгоритм обнаружения источника несанкционированного выброса;

- разработан инженерный метод на основе алгоритма обнаружения источника несанкционированного выброса.

Обнаружение превышения содержания аварийно химически и взрывоопасных веществ

Сбор и анализ данных о состоянии атмосферного воздуха и метеорологических условиях

Данные передвижных лабораторий

База данных, содержащая инфор-1 мацию о соотношениях компонентов технологических сред, обращающихся на производственных объектах

Данные о метеопараметрах

"I/

Определение соотношений концентраций основных компонентов в облаке выброса. Сравнение соотношений с имеющимися в базе данных

V

Определение предполагаемого сектора распространения аварийно химически и ^взрывопожавоопасных

Определение перечня производственных объектов, находящихся в пределах предполагаемого сектора

Проверка на местности производственных объектов, расположенных на территории предполагаемого сектора

Формирование заключения по результатам поиска источника -]/ аварийного (несанкционированного^ выбвоса

Рисунок 5 - Алгоритм идентификации источника несанкционированного выброса аварийно химически и взрывопоясароопасных веществ

Четвертая глава содержит данные о результатах проверки эффективности способа обнаружения аварийного (несанкционированного) выброса аварийно химически и взрывопожароопасных веществ в атмосферный воздух по характерному соотношению компонентов смеси, обращающейся на производственном объекте, и его применимости.

Экспериментальная проверка

Проверка применимости теории атмосферной диффузии в части незначительного гравитационного расслоения по компонентам в облаке выброса при его движении и отсутствия седиментации была проведена посредством инструментальных замеров при проведении сбросов технологических сред с участков трубопроводов УЭСП и на объектах ГПУ.

Инструментальные замеры проводились с помощью аспираторов, газоанализаторов по определению обладающих аварийно химически и взрывопо-жароопасными свойствами веществ - сероводорода, метана и диоксида серы -при сбросе технологической среды в атмосферу со сжиганием.

Замеры проводились на различных расстояниях от источника выброса.

Исходя из полученных результатов были вычислены соотношения концентраций замеряемых компонентов. Анализ полученных данных показывает, что в облаке выброса соотношение концентраций основных веществ (H2S, SO2, £С„Нп+2) сохраняется несмотря на удаленность от источника выброса.

Проверка на практике

Апробация предложенного способа обнаружения аварийного (несанкционированного) выброса по физико-химическим характеристикам выбрасываемой смеси была осуществлена при поиске возможного места расположения источника аварийного (несанкционированного) выброса аварийно химически и взрывопожароопасных веществ, зафиксированного в августе 2007 года в г. Оренбурге и с. Черноречье.

В период с 23 по 25 августа 2007 г. на Оренбургском газоперерабатывающем заводе (ОГПЗ) проводилось предремонтное опорожнение установок 3-ей очереди со сбросом сред на факел. В этот же период проводили сброс газа

из газопровода «УКПГ-16 - ОГПЗ» на свечу. По сведениям, опубликованным в средствах массовой информации, в с. Черноречье в б00 часов 24.08.2007 г. было зафиксировано превышение содержания по сероводороду в 2...8 раз.

Были изучены результаты инструментальных измерений концентраций в воздухе следующих веществ: сероводорода, оксида углерода, диоксида азота, оксида азота, диоксида серы, метана, а также суммы углеводородов на территории г. Оренбурга, проведенные ФГУ «Оренбургский областной центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» в период, когда облако несанкционированного выброса достигло города. В качестве основных веществ в облаке выброса были приняты сероводород и сумма углеводородов.

В таблице 2 представлены результаты замеров в местах контроля и данные по соотношению концентраций основных веществ.

Таблица 2 - Результаты замеров в местах контроля и данные по соотношению концентраций основных компонентов газовоздушной смеси

Место отбора проб воздуха Время отбора проб воздуха H2S, мг/м3 Сумма углеводородов, мг/м3 HS / сумма углеводородов

ул. Советская/ул. Правды 8чи 0,033 5,12 0,0064

ул. Чичерина (ЛВЗ) 9'и 0,018 4,64 0,0039

ул. Чапаева/ул. Деповская 10ии 0,017 4,46 0,0038

Мебельная фабрика 10зи 0,038 4,34 0,0087

Среднее значение 0,0057

Соотношение концентраций основных компонентов газовоздушной смести находится в пределах 0,0038...0,0087. С использованием информационной базы данных было установлено:

- в данный период выброс аварийно химически и взрывопожароопасных веществ в атмосферу от источников Оренбургского газоперерабатывающего завода и источников газопровода «УКПГ-16 - ОГПЗ» маловероятен, поскольку соотношение концентраций в выбросах от данных объектов при сжигании очищенного газа находится в диапазоне 0,00003...0,00013 и 0,068...0,071 при сжигании газа с высоким содержанием сероводорода;

- из всех объектов по добыче, транспорту и переработке углеводородного сырья, расположенных в районе с. Черноречье, учитывая также направление и скорость ветра (практически штилевые условия), данное соотношение концентраций основных аварийно химически опасных веществ возможно в газовой составляющей нефти, транспортируемой по трубопроводу «УКПГ-10 - ОГПЗ», где и была осуществлена в этот период криминальная врезка (рисунок 6).

Рисунок 6 — Схема распространения примесей при несанкционированном выбросе

Результаты замеров в местах контроля ФГУ «Оренбургский областной центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» после осуществления криминальной врезки и данные по соотношению концентраций основных аварийно химически опасных веществ представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Результаты замеров в местах контроля и данные по соотношению концентраций основных аварийно химически опасных веществ после осуществления криминальной врезки

Место отбора проб воздуха Время отбора проб воздуха Н23, мг/м3 Сумма углеводородов, мг/м3 НгБ / сумма углеводородов

ул. Заречная/ул. Илекская 2т 0,185 15,0 0,0123

ул. Заречная/ул. Илекская 82и 0,005 3,8 0,0013

ул. Заречная/ул! Илекская 16" 0,004 3,2 0,0013

ул. Пролетарская, 4 0,050 5,0 0,0100

ул. Пролетарская, 4 6зи 0,005 4,7 0,0011

УКПГ-10 (1,5 км от места

врезки) 9ю 0,006 4,0 0,0015

Среднее значение 0,0046

Таким образом, было сделано предположение, что 24.08.07 г. в результате криминальной врезки на нефтепроводе «УКПГ-10 - ОГПЗ» произошел выброс продукта, образовалось устойчивое облако смеси углеводородов и сероводорода, которое достигло с. Черноречье, а впоследствии, при усилении ветра и изменении его направления на преимущественно западное, облако, двигаясь по пойме р. Урал, достигло г. Оренбурга. Тем самым на экспериментальных моделях и реальных авариях подтверждено, что установленное соотношение концентраций сохраняется в облаке выброса на различном удалении от источника выброса и с достаточной точностью определяется принадлежность источника аварийного (несанкционированного) выброса к тому или иному производственному объекту.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Решена задача обнаружения источников аварийных (несанкционированных) выбросов химически опасных веществ в атмосферу на территориях, насыщенных объектами различных отраслей.

Выполненные натурные и лабораторные исследования технологических и залповых выбросов подтвердили применимость теории атмосферной диффузии для быстропротекающих процессов, согласно которой соотношения основных компонентов выброшенной смеси с плотностью не только меньше, но и больше плотности воздуха в выбросах типовых нефтегазовых объектов сохраняются на протяжении всего процесса рассеивания в воздухе газообразных компонентов.

2. Обоснован выбор соотношений концентраций основных аварийно химически и взрывоопасных веществ, характерных для объектов нефтегазового комплекса. Сформированы требования к информационной базе данных предприятий и проведен расчет соотношений концентраций основных веществ в технологических потоках, обращающихся на предприятиях, и их продуктах сгорания.

3. Разработан алгоритм обнаружения источника при аварийном (несанкционированном) выбросе аварийно химических и взрывоопасных веществ путем определения сектора расположения источника с учетом метеорологических параметров и соотношения концентраций примесей в облаке выброса с использованием результатов замеров качества атмосферного воздуха, базы данных

предприятий. На основе данного алгоритма разработан способ обнаружения аварийного выброса.

4. Определены основные критерии для оценки эффективности применения способа обнаружения аварийного (несанкционированного) выброса аварийно химически и взрывопожароопасных веществ.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы

1. Гендель Г.Л., Сосновцева Е.В., Клейменова И.Е., Клейменов A.B. Способы идентификации источников несанкционированных выбросов как инструмент повышения экологической и промышленной безопасности объектов ОГХК // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2010. - № 10. - С. 6-10.

2. Гендель Г.Л., Сосновцева Е.В., Клейменова И.Е., Клейменов A.B. Создание информационной базы данных по регламентным выбросам технологических сред в атмосферу для объектов ОАО «Газпром добыча Оренбург» // Нефтепромысловое дело.-2010,-№ 12.-С. 82-83.

3. Сосновцева Е.В., Клейменова И.Е., Гендель Г.Л., Клейменов A.B. Идентификация источников несанкционированных выбросов // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2010. - № 4 (82).-С. 122-127.

4. Сосновцева Е.В., Клейменова И.Е., Клейменов A.B. Способ обнаружения аварийного выброса по физико-химическим характеристикам выбрасываемой смеси // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2012. - № 8. - С. 24-26.

Положительное решение о выдаче патента на изобретение

5. Положительное решение о выдаче патента на изобретение от 21.06.2012. Способ идентификации источника выброса вредных веществ в атмосферу / Г.Л. Гендель, Е.В. Сосновцева, И.Е. Клейменова, A.B. Клейменов (РФ). -201112895/28(042793); Заявлено 12.07.2011.

Прочие печатные издания

6. Гендель Г.Л., Сосновцева Е.В., Клейменова И.Е., Клейменов A.B. Идентификация источника несанкционированного выброса опасного производственного объекта // Современные наукоемкие технологии. - 2010. - № 7. - С. 174-176.

7. Клейменов A.B., Сосновцева Е.В., Клейменова И.Е. Подход к определению местоположения источников несанкционированных выбросов в районе расположения объектов добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Проблемы и методы рационального использования нефтяного попутного газа. Матер, научн.-практ. конф. 26 мая 2010 г. в рамках Нефтегазового форума и XVIII междунар. специализир. выставки «Газ. Нефть. Технологии -2010».-Уфа, 2010,- С. 317-318.

8. Сосновцева Е.В., Клейменова И.Е., Клейменов A.B. Повышение эффективности системы обнаружения несанкционированных выбросов на объектах трубопроводного транспорта // Прогрессивные технологии в транспортных системах. Сб. ст. X междунар. научн.-практ. конф. - Оренбург, 2011. - С. 284-288.

9. Сосновцева Е.В., Клейменова И.Е., Клейменов A.B. Метод сокращения потерь газа при несанкционированных выбросах // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. XI Всеросс. научн.-практ. конф. в рамках XI Российского энергетического форума. - Уфа, 2011. - С. 243-245.

10. Киселев С.Ю., Сосновцева Е.В., Ягудина JI.B.. Клейменова И.Е., Герасименко В.В. Комплексный подход к обеспечению промышленной и пожарной безопасности на объектах трубопроводного транспорта // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер, научн.-практ. конф. 23 мая 2012 г. в рамках Нефтегазового форума и XX Юбилейной междунар. специализир. выставки «Газ. Нефть. Технологии - 2012». -Уфа, 2012,- С. 326-327.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 27.09.2012 г. Бумага писчая. Заказ № 256. Тираж 100 экз. Ротапринт ГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

1 2- 2 0 29 7

2012350361

2012350361