Оперативное диспетчерское управление и прогнозирование аварийных ситуаций при эксплуатации подземного хранилища газа

Геологический потенциал России позволяет осуществлять строительство подземных резервуаров в различных регионах. В этих регионах сосредоточена значительная часть эксплуатирующихся и строящихся подземных хранилищ для хранения газа и газовых конденсатов.

В настоящее время в подземных резервуарах освоено хранение природного газа, нефти, бензина, реактивного и дизельного топлив, сжиженных углеводородных газов (пропан, этан, бутан, пропилен, этилен), широкой фракции легких углеводородов, газового конденсата, концентрата гелия.

К подземным хранилищам газа предъявляются жесткие требования обеспечения безопасности обслуживающего персонала и населения, предотвращения экологических нарушений окружающей среды, способности противостоять значительным избыточным давлениям и коррозионному воздействию хранимых продуктов. Решить проблему хранения большого объема жидких и газообразных углеводородов путем строительства металлических резервуаров при соблюдении требований безопасности, надежности и экономической эффективности практически невозможно.

Подземный способ хранения газа является «экологически чистым» поскольку сводит к минимуму загрязнение окружающей среды. При этом современные способы сооружения и эксплуатации подземных хранилищ также исключают попадание газа в водоносные горизонты, используемые как источники водоснабжения.

В настоящее время Общество ведет работы по созданию подземных хранилищ газа в отложениях пород в Калининградской и Волгоградской областях с использованием средств автоматизации процессов создания ПХГ, закачки и отбора газа, контроля работоспособности узлов и агрегатов на площадке ПХГ.

Важнейшей задачей общества является обеспечение безопасности при эксплуатации подземных хранилищ газа. Эксплуатация любого опасного производственного объекта, так или иначе, сопровождается рядом инцидентов, в отдельных случаях приводящих к аварийным ситуациям, и подземные хранилища газа не являются в этом смысле исключением.

Оценка опасности этих объектов необходима и при переходе к управлению промышленной безопасностью по критериям приемлемого риска, и исходя из законодательного требования «постоянно осуществлять прогнозирование вероятности возникновения аварий и катастроф» в отношении каждого опасного производственного объекта систем газоснабжения [1].

Являясь составной частью управления промышленной безопасностью, прогнозирование аварий объекта заключается в систематическом использовании всей доступной информации для идентификации опасностей и оценки вероятности нежелательных событий.

В данный момент этот участок не автоматизирован в должной мере, поэтому безопасность эксплуатации подземных хранилищ газа зависит от профессионализма диспетчера, но не всегда решения по определению причин и методов локализации аварийных ситуаций бывают своевременны и точны.

Основной задачей оценки опасности является идентификация возможных сценариев развития аварийных ситуаций. Несмотря на казалось бы большое разнообразие происшествий на подземных хранилищах газа, для цели прогнозирования желательно среди всего многообразия аварий выбрать наиболее типовые и часто встречающиеся. Для этого была проанализирована доступная база по аварийности [5].

В качестве типовых объектов ПХГ рассмотрены распределительные газопроводы, газорегуляторные пункты и газорегуляторные установки.

Анализ аварий на ПХГ показал, что за последние 10 лет на подземных хранилищах газа произошло 25 аварий, приводящих к значительным капитальным затратам на восстановление оборудования и ликвидации последствий аварии. В этот список входят 17 утечек, 5 пожаров, 3 взрыва, газа или газовоздушной смеси, что в процентном соотношении составляет в 68%, 20 % и 12 % случаев (рис. 1). Средний ущерб за 10 лет от утечки газа составил 0,15 млн. руб., от пожара на ПХГ – 0,54 млн. руб. и от взрыва – 0,8 млн. руб. Общий среднегодовой ущерб составил 1,49 млн. руб.

Взрыв в помещениях

Рис. 1. Распределение основных видов аварий.

Утечка газа с последующим воспламенением

Анализ сведений об известных авариях показывает, что на надежность резервуаров, трубопроводов и технологического оборудования влияют различные факторы, а аварии с тяжелыми последствиями происходят при сочетании ряда факторов – повышенном износе оборудования (трубопровода), отклонении от нормального режима эксплуатации или нарушениях правил эксплуатации. Возгорание происходит при наличии источника воспламенения после разрушения и выброса. Возгорание и взрыв на трубопроводах, заполненных газовоздушной смесью, может произойти при разрыве трубопровода без наличия постороннего источника воспламенения.

Основной причиной разрушения трубопроводов является коррозия, а также последствия применения некачественных труб и низкого качества строительно-монтажных работ. Прогноз времени и места разрушения затруднителен, т. е. при отсутствии реального мониторинга технического состояния оборудования разрушение можно трактовать только как случайное событие, и для определения частоты той или иной аварии следует использовать вероятностно-статистический подход.

Разгерметизация скважин приводит к утечкам хранимого продукта. При утечках газа происходит их выход на земную поверхность, а при образовании скопления газа и наличии источника воспламенения имеется возможность взрыва и пожара.

Аварии, связанные с разрушением скважин, происходят, как правило, при проведении работ на скважине, находящейся под давлением, при повреждении и разгерметизации которой происходит выброс. Разрушение устьевой обвязки скважин происходит, как правило, вследствие исчерпания прочности конструкционных материалов из-за коррозии, эрозии и т. д. Это справедливо и для скважин подземных резервуаров.

Аварии, связанные с разрушением установок и оборудования, приводят к выбросу газа и образованию топливно-воздушной. При наличии источников воспламенения возможен взрыв и пожар. Причинами, приводящими к аварии, являются, как правило, нарушения технологического режима эксплуатации и упущения со стороны персонала.

Основные причины, по которым происходят аварии в комплексах подземного хранения газа. Эти причины следующие: низкий уровень организации работ - 60%; неисправность оборудования - 25%; прочие (нарушение технологии, недостаток средств обеспечения безопасности, низкая квалификация персонала) - 15% (рис. 2).

■ Низкий уровень организации

pauoi

• Неисправность оборудования

■ Прочие

Рис. 2. Диаграмма распределения причин аварий по группам.

Оперативное диспетчерское управление (ОДУ) при эксплуатации ПХГ занимается вопросами, связанными непосредственно с эксплуатацией подземных хранилищ, а так же разработкой и совершенствованием технологий эксплуатации подземных хранилищ для хранения жидких и газообразных углеводородов, нового поколения аппаратуры для контроля и диагностики подземных резервуаров, разработка технологии безаварийной эксплуатации ПХГ, прогнозирование аварийных ситуаций, их предотвращение, разработка комплексов мероприятий по устранению причин возникновения аварийных ситуаций. Так же к обязанностям относятся: разработка технологий захоронения промышленных отходов с использованием подземных резервуаров, приготовления газовоздушных смесей для регулирования потребления газа; проведение аналитического и экспериментального исследования режимов эксплуатации подземных резервуаров и наземного оборудования; разработка нормативно- технической базы по организации и проведению комплексного технического диагностирования оборудования подземного хранилища.

Хранилища работают в сезонном циклическом режиме. В теплое время года (для Европейской части РФ, как правило, апрель-сентябрь) осуществляется закачка газа в ПХГ. В холодное время года (октябрь – март) ПХГ работают в режиме отбора. Таким образом, технологический режим эксплуатации ПХГ разделяется на два процесса – закачка и отбор (рис. 3 и 4).

Автоматизации и создание комплекса «Прогнозирование аварийных ситуаций при эксплуатации подземных хранилищ газа» является одной из важнейших задач при ОДУ, помогающего диспетчеру в случае угрозы возникновения аварийной ситуации быстро и эффективно оценить последствия и вероятность их наступления, принять правильное решение по выходу из данной ситуации и ликвидации возможных последствий, в том числе аварий с возможным выбросом в окружающую среду.

Анализ причин аварий показывает, что возникновение и развитие крупных аварий, как правило, характеризуется комбинацией случайных локальных событий, возникающих с различной частотой на разных стадиях аварии. Для выявления причинно-следственных связей между этими событиями используют логико-графические методы деревьев отказов и событий, которые являются в сущности графами с ветвящейся структурой и с дополнительными логическими условиями. Анализ дерева связан с определением возможности появления или не появления головного события – происшествия конкретного типа. Данные условия устанавливаются путем выделения из всего массива исходных предпосылок двух подмножеств, реализация которых либо приводит, либо не приводит к возникновению головного события. Такие подмножества делятся на аварийные сочетания предпосылок, образующие в совокупности с условиями их появления каналы прохождения сигнала до этого события, и отсечные сочетания, исключающие условия формирования таких путей к головному событию. Самым удобным способом выявления условий возникновения и предупреждения происшествий является выделение из таких подмножеств так называемых «минимальных сочетаний событий», т.е. тех из них, появление которых минимально необходимо и достаточно для появления предпосылок развития аварийной ситуации.

Рис. 3. Технологическая схема ПХГ в режиме закачки.

магистральный газопровод

Рис. 4. Технологическая схема ПХГ в режиме отбора.

В зависимости от конкретных целей анализа дерева неисправностей для построения последнего специалисты по надежности обычно используют либо метод первичных отказов, либо метод вторичных отказов, либо метод инициированных отказов.

Метод первичных отказов. Отказ элемента называется первичным, если он происходит в расчетных условиях функционирования системы. Построение дерева неисправностей на основе учета лишь первичных отказов не представляет большой сложности, так как дерево строится только до той точки, где идентифицируемые первичные отказы элементов вызывают отказ системы.

Метод вторичных отказов. Чтобы анализ охватывал и вторичные отказы, требуется более глубокое исследование системы. При этом анализ выходит за рамки рассмотрения системы на уровне отказов ее основных элементов, поскольку вторичные отказы вызываются неблагоприятным воздействием окружающих условий или чрезмерными нагрузками на элементы системы в процессе эксплуатации.

Дерево отказов отображает первичные события, стандартным символом. Вторичные отказы изображаются прямоугольником как промежуточное событие. Вторичные отказы происходят вследствие неудовлетворительного технического обслуживания, неблагоприятного воздействия внешней среды, стихийного бедствия и т. д.

Метод инициированных отказов. Подобные отказы возникают при правильном использовании элемента, но в неустановленное время или в неположенном месте. Другими словами, инициированные отказы - это сбои операций координации событий на различных уровнях дерева неисправностей: от первичных отказов до завершающего события (нежелательного либо конечного).

Типичным примером инициированного отказа является поступление ошибочного сигнала на какое-либо электротехническое устройство (например, двигатель или преобразователь).

Многообразие причин аварийности и травматизма наиболее полно и удобно представляется в виде диаграммы-дерева причин, отражающей процесс появления и развития цепи предпосылок. Основными компонентами диаграммы причин или опасностей являются узлы (или вершины) и взаимосвязи между ними. В качестве узлов подразумеваются события, свойства и состояния элементов рассматриваемой системы, а также логические условия их трансформации (сложение « ИЛИ » и перемножение « И »).

В результате анализа вышеуказанных методов было принято решение использовать метод первичных отказов, так как он вполне отвечает требованиям задачи, известны все вероятности первичных событий и могут быть построены логические цепи (сценарии) аварийных ситуаций с последующим вычислением вероятности наступления конечного события.

С целью мониторинга опасностей - определения состояния системы в пространстве эрготехнической системы и выявления областей пространства работоспособных и не работоспособных состояний -проведен анализ подземного хранилища газа.

Подземное хранилище газа включает следующие объекты: резервуарный парк, компрессорная станция, блоки осушения, сепарации газа, дросселирующие установки, вентиляционная камера. Для подготовки газа и перекачке между емкостями используется семь насосов.

При анализе риска выявлены наиболее опасные события на ПХГ -Пожар на территории резервуарного парка и взрыв газа на компрессорной станции. Рассчитана вероятность этих событий с помощью «деревьев отказов». «Дерево отказов» для события «Пожар на территории резервуарного парка» представлено на рис. 5.

Раз» ерме г изация фланцевых соединений

Объем закачки выше нормы

Увеличение давления выше допустимого

Неплотности в сварных швах

Ошибка оператора при обслуживании

Неоткрытое предохранительного клапана

Отказ резьбового соединения

Отказ системы блокировки и сигнализации

Наличие источника

■*. зажигания

S1 (7,6*10’)

57(1,8*10')

58(1,7*10*)

510 (5.6*10*)

56 (5.6*10')

54(8,4*10’)

53(1*10")

59(5,6*10')

Рис. 5. «Дерево отказов» для события «Пожар на территории резервуарного парка»

S2 (3.4*10’)

55(7,9*10)

Значения вероятностей появления базовых событий «дерева отказов» для головного события «Пожар на территории резервуарного парка» приведены в табл. 1.

Таблица 1

Событие	Обозначение	Вероятность событий	Источник
Неплотности в сварных швах	S1	7,6·10-3	[3]
Отказ манометра	S2	3,4·10-3	[4, 5]
Ошибка оператора при обслуживании	S3	1·10-2	Экспертно
Не открытие предохранительного клапана	S4	8,4·10-5	Экспертно
Отказ термометра	S5	7,9·10-2	[4, 5]
Отказ резьбового соединения	S6	5,6·10-4	[4]
Отказ прокладки	S7	1,8·10-4	[4]
Отказ фланца	S8	1,7·10-4	[3]
Отказ системы блокировки и сигнализации	S9	9·10-4	[3-5]
Наличие источника зажигания	S10	5,6·10-4	[4]

Значения вероятностей аварийных событий

Элементы, отвечающие за реализацию базовых событий, находятся либо в исправном состоянии, и тогда расчет проводится по данным значений вероятностей базовых событий, либо в состоянии отказа, и тогда вероятность базового события принимается равной единице и вероятность головного события увеличивается. Мероприятия по устранению базовых событий перечислены в табл. 2.

Мероприятия по устранению аварийных событий

Таблица 2

Событие	Мероприятие	Стоимость (руб.)
Неплотности в сварных швах	Ремонт	2000
Отказ манометра	Замена	2000
Ошибка оператора при обслуживании	Проведение дополнительного инструктажа	20000
Не открытие предохранительного клапана	Ремонт (замена)	3000
Отказ термометра	Замена	2000
Отказ резьбового соединения	Ремонт (замена)	3000
Отказ прокладки	Ремонт (замена)	3000
Отказ фланца	Ремонт (замена)	3000
Отказ системы блокировки и сигнализации	Ремонт	50000
Наличие источника зажигания	Профилактические работы	60000

Вероятность пожара на территории резервуарного парка зависит от состояния 10 элементов (рисунок 5). При условии исправности всех элементов оборудования, отсутствия внешних и других нерасчетных воздействий вероятность взрыва можно рассчитать следующим образом:

F общ =F 4 S 10 =5,27∙10^-6

F 4 =S 1 +F 2 +F 3 =9,4∙10^-3

F 2 =F 1 +S 9 =9∙10^-4

F 3 = S 6 S 7 S 8 =9∙10^-4

F1=S 2 S 3 S 4 S 5 =2,26∙10^-10

Итоговая вероятность наступления события «Пожар на территории резервуарного парка», исходя из данных о вероятностях начальных событий, будет равна 5,27∙10-6.

Отказ уровнемера или манометра при состоянии системы в области приемлемого риска не приведет к увеличению вероятности взрыва. Однако отказ системы блокировки и сигнализации приведет к увеличению вероятности взрыва на порядок, что приведет систему в область контролируемого риска (5,6 10-4). Мероприятия по устранению аварийной ситуации на данном этапе потребуют вложения 50 000 руб. При отказе манометра, а также при наличии источника зажигания вероятность взрыва составит 9,4 10-3, что соответствует области повышенного риска. Мероприятия по устранению аварийной ситуации на данном этапе потребуют вложения 62 000 руб. Отказ термометра и неоткрытие предохранительного клапана, в этой ситуации приведет к переходу состояния системы в граничную область (вероятность взрыва 0,019). Затраты на устранение сложившейся аварийной ситуации составят 80 000 руб. Если при данном состоянии системы оператор допустит ошибку при обслуживании, то гарантирован пожар на территории резервуарного парка (переход в неработоспособное состояние). Ликвидация последствий пожара может потребовать вложения 700 000 руб. В целях управления выделены минимальные проходные сочетания взрыва на территории резервуарного парка.