В статье представлен порядок реализации системного подхода к обеспечению промышленной безопасности магистрального нефтепровода, расположенного в Арктической зоне Российской Федерации. Предлагаемый системный подход основан на анализе риска и компьютерном моделировании возникновения и развития аварийной ситуации на опасном производственном объекте.
Обеспечение промышленной безопасности опасных производственных объектов (ОПО), которыми, в частности, являются и магистральные трубопроводы, – одна из основных задач, стоящих перед организациями топливно-энергетического комплекса (ТЭК) [1,2]. Мероприятия по предупреждению, прогнозированию возникновения и развития аварийных ситуаций, а также планированию локализации и ликвидации последствий аварий позволяет организациям не только экономить на сокращении ущерба (природным ресурсам, окружающей среде, третьим лицам), избегать человеческих жертв, но и восстанавливать функционирование ОПО в кратчайшие сроки (а при удачном раскладе – не допускать остановки работы). Комплекс таких мероприятий требует системного подхода для рационального распределения ресурсов, правильной оценки риска возможных аварий, а также поиска возможных решений, направленных на увеличение эффективности всех указанных выше процессов.
Данная статья посвящена применению подобного системного подхода для разработки мероприятий и сооружений с целью защиты территорий от разлива нефти (или нефтепродуктов) при возможной аварии на магистральном трубопроводе. Объектом исследования настоящей работы является первый в России магистральный трубопровод, расположенный за Полярным кругом, «Заполярье – Пурпе» (рисунок 1), самый северный трубопровод системы «Транснефть». Выбор обусловлен несколькими причинами: во-первых, доступностью информации, поскольку проект достаточно новый (ввод трубопровода в эксплуатацию состоялся в начале 2017 года), и при его проектировании и строительстве использовались современные методы обследования, что позволило создать достаточно большой пласт оцифрованных данных; во-вторых, преимущественно надземный способ прокладки, что позволяет пренебречь нюансами выхода нефти на земную поверхность, влиянием этого процесса на распространение разлива; в-третьих, сложность локализации и ликвидации разливов нефти в условиях Арктической зоны делает задачи прогнозирования возникновения и развития аварий и планирования мероприятий по минимизации или недопущению ущерба окружающей среде наиболее остро стоящими и требующими комплексного решения.
РИС. 1. Магистральный нефтепровод «Заполярье – Пурпе»
В статье представлен алгоритм системного подхода, разработанный специалистами ООО «НИИ Транснефть» с целью повышения промышленной безопасности объектов трубопроводного транспорта; результаты оценки обстановки на окружающей местности и оценки риска возникновения аварийной ситуации; методика построения цифровой модели местности (ЦММ) исследуемого объекта, методика и результаты моделирования разливов нефти; основанные на комплексном анализе имеющихся и полученных в ходе исследований данных предложения по организации защитных сооружений с целью минимизации ущерба, наносимого хрупкому природному равновесию Российской Арктики. Представляемая вниманию читателя работа носит методический характер и призвана показать один из путей повышения промышленной безопасности ОПО с применением современных программных средств.
Методы
Исследование было построено по алгоритму, который был предложен в работах [3, 4] и получил развитие в работах [5-7]. В общем виде последовательность действий системного подхода представлена на рисунке 2. Дадим несколько пояснений к каждому из этапов.
РИС. 2. Алгоритм системного подхода
При анализе рельефа и местности производится поиск и определение исходных данных для реализации последующих этапов. Исходными данными для построения ЦММ могут служить (в зависимости от возможностей и целей организации при реализации системного подхода, а также определённой точности): данные из источников, находящихся в свободном доступе в сети Интернет (например, для грубых расчётов – SRTM с точностью по высоте 18-90 м и пр.), результаты инженерных изысканий (в т.ч. лазерного сканирования), генеральные планы расположения ОПО с высотными отметками (в зависимости от качества данных точность может быть до 20 см и выше). Анализ местности расположения ОПО позволяет определить характер поведения нефти при разливе, в частности климатические условия и природа грунтов позволяют учитывать при моделировании аварийной ситуации испаряемость легких фракций, глубину и скорость впитывания нефти в грунт, что позволяет более детально определять форму и местоположение зеркала разлива. Создание ЦММ в рамках данной работы осуществлялось в программных комплексах Autodesk Map3D, ESRI ArcGIS и Quantum GIS путём импорта материалов инженерных изысканий (данных лазерного сканирования) и дальнейшей частичной актуализацией отдельных планово-высотных данных.
По итогам анализа рельефа и местности определяются также зоны и объекты приоритетной защиты, т.е. такие участки местности, попадание на которые разлива нефти в перспективе наносит наиболее тяжёлый ущерб. В общем случае к объектам приоритетной защиты относятся расположенные вблизи ОПО населённые пункты, автомобильные и железные дороги, природоохранные зоны и территории заповедников, водные объекты (реки, озёра, моря). Определение указанной группы территорий имеет основополагающее значение при планировании защитных мероприятий, поскольку защита перечисленных объектов становится первоочередной задачей при возникновении аварийной ситуации. Оценка зон и объектов приоритетной защиты осуществляется визуально на основе имеющейся актуальной картографической информации, данных из сети Интернет.
Моделирование разлива нефти – процесс достаточно длительный, в особенности на участках с подробной и точной ЦММ, поэтому для сокращения времени и оптимизации трудозатрат в системный подход включен анализ риска возникновения аварийных ситуаций. Анализ риска позволяет определить наиболее опасные с точки зрения вероятности и потенциального ущерба участки трубопровода. В ходе оценки риска рассматриваются различные сценарии протекания аварии, оценка возможности их реализации и анализ возможных последствий. В рамках расчёта показателей риска также проводится оценка объёмов нефти, вытекающих из трубопровода при аварии, которые лягут в основу моделирования распространения разливов. Оценка риска возникновения аварии, оценка объёмов вытекшей нефти, проводилась в соответствии с [8] с использованием таких программных средств, как «TOXI+Risk» (версия 5.2) и «Риск-нефть-трубопровод» (версия 1.3). Стоит отметить, что в методику оценки объёмов истечения закладываются особенности режима эксплуатации трубопровода, степень его автоматизации, технические характеристики, профиль трассы. В общем виде суммарный объём истечения нефти при аварии рассчитывается по формуле:
где V1 – объем нефти, вытекшей с момента повреждения до остановки перекачки, т.е. в напорном режиме, м3;
V2 – объем нефти, вытекшей с момента остановки перекачки до закрытия трубопроводной арматуры, т.е. в безнапорном режиме, м3;
V3 – объем нефти, вытекшей с момента закрытия трубопроводной арматуры до прекращения утечки (до момента прибытия аварийно-восстановительной бригады и ликвидации утечки или до полного опорожнения отсеченной части МН), м3.
Компьютерное моделирование проводится для участков, отобранных по итогам реализации предыдущих этапов системного подхода. Количество точек моделирования и расстояние между ними определяется целями моделирования и точностью исходных данных ЦММ. Для моделирования распространения разливов нефти применялся модуль «Разлив нефтепродуктов (суша)» для программного комплекса ArcGIS [9], разработанный на основе [10].
Распространение нефти во времени и пространстве описывается нелинейным дифференциальным уравнением:
решением которого является разностная аппроксимация уравнения:
где H (x,y,t) – абсолютная высота поверхности нефтяного разлива в конкретный момент времени;
h – абсолютная глубина нефтяного слоя;
– константа 1, где
