Разработка и создание информационно-измерительной системы обеспечения промышленной безопасности переходов магистральных газопроводов через автомобильные и железные дороги

Газовая отрасль России является одной из важнейших отраслей топливно-энергетического комплекса страны и в значительной степени определяет ее национальную безопасность. Основополагающие задачи, которые ставит общество перед отраслью — бесперебойное газоснабжение населения и промышленных объектов с одновременным обеспечением социально приемлемого уровня всех видов рисков, наличие которых неизбежно в силу свойств транспортируемой среды [18, 19].

В настоящее время и в перспективе до середины XXI века главной газодобывающей базой страны являются регионы Западной Сибири. Основные разрабатываемые месторождения природного газа — Медвежье, Уренгойское, Ямбургское, Песцовое, Заполярное — располагаются в Надым-Пур-Тазовском регионе, поэтому исключительно важным для Российской Федерации является обеспечение надежной и бесперебойной транспортировки природного газа к местам потребления (в том числе в рамках выполнения обязательств по экспортным поставкам газа), осуществляемой по не имеющей аналогов в мире Единой системе газоснабжения (ЕСГ) РФ. Основой ЕСГ являются сложные комплексы инженерных сооружений, обеспечивающие транспортировку всего добываемого в стране газа. На рисунке 1 представлены основные газодобывающие регионы России в XXI веке.

Единая система газоснабжения страны сооружена и эксплуатируется в экстремальных природных условиях, определяемых исключительно суровым климатом северных регионов (продолжительном периоде с отрицательными температурами воздуха до 9 месяцев в годусильных ветрах и большом количестве дней с метелямизначительных температурных перепадах — до 90 100 °C между летом и зимой при абсолютных минимумах температуры ниже -60 °С). На рисунке 2 приведена карта России, на которой согласно [2] отмечены регионы с холодным климатом.

Шельф Баренцева. Карского и Печорского морей.

Полуострова Ямал Гыдан и Тазовский с пр1"егающими <�"4 территориями .•'•Ц.-ч,.

V * V Дальневосточный Ф0 4 кО.

1—, V УШ Уральским ФО ^ «Ол^олАкикФО дат" — - Г» —. ;

Рисунок I — Газодобывающие регионы России в XXI веке.

Рисунок 2 — Регионы России с холодным климатом.

Газовые месторождения полуострова Ямал с прилегающими территориями (на рисунке отмечены кругом) относятся к регионам с холодным климатом.

Требования, предъявляемые Обществом к безопасности функционирования ЕСГ РФ опред показателям надежности и шяют допустимый уровень социальных и техногенных рисков, неизбежно возникающих при эксплуатации.

1 / всех ее компонентов, поэтому обеспечение промышленной безопасности объектов ЕСГ представляет собой актуальную научно-техническую проблему, I входящую в «Перечень приоритетных научно-технических проблем ОАО „Газпром“ на 2006;2010 годы» [20].

В настоящее время основным средством доставки газа потребителям являются подземные стальные магистральные газопроводы (МГ) диаметром до 1420 мм. Эксплуатация ряда МГ осуществляется в сложных условиях периодического промерзания-оттаивания грунтов и существенных механических нагрузок, связанных с температурными перепадами.

В последнее время внимание мировой общественности притягивают проблемы изменения климата, которые в ряде регионов выражаются как повышение среднегодовых температур с одновременным ростом температурной динамики в рамках годовых наблюдений. Рядом исследований отмечено, что данные изменения более ярко выражены в северных регионах [22]. Наличие отклонений от устоявшейся многолетней динамики температурных режимов ведет к изменению характеристик процессов промерзания-оттаивания грунтов.

Проведение точных инженерных расчетов возникающих изменений невозможно в силу сложности происходящих в грунте процессов, а их математическое моделирование представляет собой крайне сложную задачу. Поэтому в настоящее время одним из основных способов обеспечения промышленной безопасности объектов ЕСГ является реализация методов периодического измерительного контроля информативных параметров опасного производственного объекта, являющихся «индикаторами» его технического состояния, и реализацией корректирующих мероприятий (ремонтов, изменения режимов эксплуатации и др.) при их выходе за допустимые интервалы.

Организационные мероприятия по обеспечению промышленной безопасности производственных объектов предусматриваются в той или иной форме во всех отраслевых стандартах предприятий, осуществляющих эксплуатацию объектов повышенной опасности, однако зачастую такие мероприятия имеют обобщенный декларативно-административный характер, а отсутствие четких критериев оценки показателей качества обеспечения промышленной безопасности не позволяет проводить объективный анализ эффективности реализуемых мероприятий — обычно оценивается качество реализованной на предприятии системы обеспечения промышленной безопасности путем проверки ее соответствия требованиям стандартов [23], а не качество обеспечения промышленной безопасности конкретных объектов. Проводится проверка протоколов измерений параметров, связанных с безопасностью, наличия свидетельств о метрологической аттестации измерительного оборудования, квалификации персонала. К сожалению, проверка действий конкретных работников на объектах, как правило, невозможна, а протокол измерений параметров может по ряду причин не соответствовать реальности.

Одной из причин подобного положения является отсутствие критериев численной оценки показателей качества обеспечения промышленной безопасности производственных объектов по результатам анализа поступающей измерительной информации.

Связь числа зафиксированных инцидентов на опасных производственных объектах в единицу времени с качеством обеспечения промышленной безопасности имеет косвенный характер и не учитывает граничные случаи, характеризующиеся приближением к предельному состоянию, поскольку практика показывает, что эксплуатирующий персонал обычно не заинтересован в открытии данной информации.

В последнее время в государствах с развитыми сетями газоснабжения и газораспределения наблюдается рост внимания к проблемам безопасной эксплуатации МГ, иллюстрацией чего служит доклад Главного бюджетноконтрольного управления США Конгрессу от сентября 2006 г., в котором отмечается, что «текущее состояние обеспечения промышленной безопасности магистральных газопроводов, расположенных вблизи от густонаселенных районов, приносит пользу общественной безопасности, но качество данного обеспечения должно быть улучшено», что мотивируется большим количеством газопроводов, расположенных поблизости от населенных районов вкупе со значительным количеством обнаруживаемых неисправностей (по данным эксплуатирующих организаций), из чего вытекает повышенные уровни рисков возникновения инцидентов, несовместимые с относительно высоким качеством жизни в современном обществе [25]. В схемах процессов обеспечения безопасной эксплуатации МГ США также четко прослеживаются элементы структуры обеспечения промышленной безопасности, основанной на периодических измерениях [25, 50].

Одними из наиболее критичных, с точки зрения безопасной эксплуатации, объектов газотранспортной системы являются участки сближения и пересечения МГ с дорогами различного типа и назначения. Промышленный характер большинства регионов РФ определяет наличие разветвленной сети автомобильных и железных дорог и большого количества газопроводов-отводов к населенным пунктам, предприятиям, объектам теплоэнергетики. Данные факторы определяют обилие взаимных пересечений МГ с дорогами [52, 79].

Причинами возникновения аварийных ситуаций на переходах магистральных газопроводов могут быть:

— коррозионные повреждения газопровода [14, 15, 47];

— деформации, возникающие от температурных колебаний и смещения грунта, в котором располагается газопровод, карстовых процессов, а также от механических нагрузок на данный участок трубопровода, вызванный воздействиями от транспорта [22, 46, 48];

— утечка газа, как следствие развития различных дефектов [10−12].

Серьезной проблемой при эксплуатации магистральных газопроводов является обеспечение безопасности при эксплуатации переходов через электрифицированные железные дороги. Здесь, в случае образования взрывоопасной концентрации горючих газов, высока вероятность воспламенения из-за искры, возникающей в токосъемнике проходящего локомотива, последствия которого могут быть катастрофическими (авария в Башкирии 4 июня 1989 г., когда в результате утечки из продуктопровода и последующего взрыва погибло более 500 человек [63]). С ростом плотности транспортных потоков вероятность тяжелых последствий при аварии возрастает.

Одним из способов повышения качества обеспечения промышленной безопасности производственных объектов является реализация мероприятий, направленных на уменьшение влияния человеческого фактора на процессы измерения параметров, связанных с безопасной эксплуатацией.

Отмеченные выше положения определяют высокую актуальность разработки на основе современных технологий информационно-измерительных систем (ИИС) обеспечения промышленной безопасности переходов МГ через дороги, осуществляющих не зависящий от времени суток и погодных условий автоматический контроль информативных параметров, связанных с безопасной эксплуатацией, а также содержащих встроенные средства оценки показателей качества обеспечения промышленной безопасности.

Целью настоящей работы является разработка и создание информационно-измерительной системы обеспечения промышленной безопасности переходов магистральных газопроводов через автомобильные и железные дороги, позволяющей:

— повысить качество обеспечения промышленной безопасности переходов;

— существенно уменьшить влияние человеческого фактора на процессы обеспечения промышленной безопасности переходов;

— реализовать автоматические процедуры анализа показателей качества обеспечения промышленной безопасности с передачей сводной информации в вышестоящую организацию.

Основными задачами работы являются:

— синтез общей структуры информационно-измерительной системы обеспечения промышленной безопасности переходов магистральных газопроводов через автомобильные и железные дороги, интегрированной в процессы обеспечения промышленной безопасности переходов;

— разработка способа численной оценки показателей качества обеспечения промышленной безопасности переходов, основанного на методах теории распознавания образов;

— создание на основе современных технологий автоматических аппаратно-программных комплексов контроля информативных параметров переходов;

— внедрение информационно-измерительных систем обеспечения промышленной безопасности переходов магистральных газопроводов через автомобильные и железные дороги в ряде дочерних обществ ОАО «Газпром» и анализ результатов их эксплуатации.

Решение задач настоящей диссертационной работы осуществлялось автором в рамках цикла НИОКР. Результаты работ внедрены в крупных газотранспортных и газодобывающих обществах РФ — ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург», ООО «Газпром трансгаз Чайковский», ООО «Газпром трансгаз Югорск», ООО «Газпром трансгаз Ставрополь», ООО «Газпром добыча Уренгой» [35−37, 77, 80]. Технические решения по привязке систем контроля переходов к строящимся и реконструируемым объектам разрабатывались проектными организациями ОАО «Гипроспецгаз», ООО «Центр комплексного проектирования», ЗАО «Санкт-Петербургский институт теплоэнергетики», ООО «Проектнефтегаз», ООО «Проектно-строительное управление», ОАО «Гипродорнии», ОАО «НИПИгазпереработка» и др. при непосредственных консультациях автора настоящей диссертации. На различных этапах автор принимал активное участие/ во всех отмеченных выше I работах как исполнитель. '.

Разработанная система имеет сертификат соо гветствия в системе ГОСТ Р и разрешение Федеральной службы экологического, технологического и атомного надзора РФ на применение на опасных производственных объектах. Оснащение переходов осуществляется в соответствии с Регламентом, утвержденным ОАО «Газпром» и устанавливающим единые корпоративные правила выполнения работ по установке и эксплуатации системы. Изготовление систем осуществляется в соответствии с техническими условиями, согласованными ОАО «Газпром», ООО «ВНИИГАЗ» и Госстандартом РФ [39].

Практический опыт внедрения подтвердил, что информационно-измерительную систему обеспечения промышленной безопасности переходов МГ через дороги невозможно рассматривать отдельно от существующих процессов, связанных с обеспечением безопасной эксплуатации объектов транспорта газа, поскольку ее функционирование немыслимо без глубокой интеграции в существующие производственные процессы (очевидно, что при возникновении неисправностей на переходах, система не способна самостоятельно осуществлять компенсационные мероприятия, т. е необходимо участие персонала).

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Перед началом изложения приводятся список используемых терминов и определений, а также список основных обозначений и сокращений.

1.6 Выводы.

Проведенный обзор показал, что в настоящее время существуют четкие критерии классификации технического состояния переходов МГ через автомобильные и железные дороги. Также существуют первичные преобразователи информативных параметров переходов, необходимых для проведения классификации их технического состояния. Реализована и действует замкнутая система обеспечения промышленной безопасности переходов МГ через автомобильные и железные дороги, основанная на периодических выездах на объект диагностических бригад, проведении измерений информативных параметров, их обработке в ручном режиме и выработке корректирующих мероприятий, направленных на контролируемый переход.

Существующая система обеспечения промышленной безопасности переходов МГ обладает рядом недостатков:

— наличие существенных временных задержек при передаче информации между функциональными узлами;

— существенная роль человеческого фактора на всех этапах преобразования информации;

— отсутствие четких математических критериев оценки качества обеспечения промышленной безопасности;

— алгоритмы классификации технического состояния переходов на основе данных измерений распределены по различным нормативным документам;

— измерения различных информативных параметров могут проводиться в различное время и с различной периодичностью, хранение результатов измерений осуществляется в различных местах, как правило, в виде бумажных отчетов, резервное копирование не осуществляется.

Необходимо подчеркнуть, что при возникновении утечки газа задержка принятия решения по выводу объекта в ремонт может достигать 6 мес. За столь длительный срок не исключается прогрессирование неисправности, что может инициировать аварийную ситуацию [63].

Глава 2. Синтез информационно-измерительной системы обеспечения промышленной безопасности переходов магистральных газопроводов через автомобильные и железные дороги.

2.1 Постановка задачи синтеза информационно-измерительной системы обеспечения промышленной безопасности переходов магистральных газопроводов через дороги.

Отмеченные в первой главе настоящей диссертационной работы основополагающие недостатки существующей системы обеспечения промышленной безопасности переходов МГ через дороги определяют необходимость их максимально полного устранения средствами информационно-измерительной системы (ИИС).

В таблице 2.1 приведены недостатки существующих методов обеспечения промышленной безопасности переходов и способы их устранения, которые реализуются в рамках предложенной ИИС.

Заключение

.

В настоящей диссертационной работе на основе осуществленных автором исследований проведена разработка и создание информационно-измерительной системы обеспечения промышленной безопасности переходов магистральных газопроводов через автомобильные и железные дороги, а также получено практическое решение важной научно-технической проблемы обеспечения безопасности переходов магистральных газопроводов ЕСГ РФ через автомобильные и железные дороги.

В рамках обозначенной проблематики получены следующие основные теоретические и практические результаты:

1) проведен синтез структуры информационно-измерительной системы обеспечения промышленной безопасности переходов магистральных газопроводов через автомобильные и железные дороги, интегрированной в процессы обеспечения промышленной безопасности переходов;

2) разработан способ численной оценки показателей качества обеспечения промышленной безопасности переходов, основанный на методах теории распознавания образов с использованием меры близости на базе евклидовой нормы и позволяющий проводить не зависящую от человеческого фактора оценку качества обеспечения промышленной безопасности переходов, что позволяет повышать уровень качества обеспечения промышленной безопасности;

3) на основе современных технологий создана информационно-измерительная система обеспечения промышленной безопасности переходов МГ с выпуском комплекта конструкторской и программной документации на серийное производство, получен сертификат соответствия, разрешение Ростехнадзора на применение, 7 патентов на изобретение, ряд положительных решений о выдаче патентов, 1 диплом выставкисистемой оснащено более 200 переходов через дороги в различных регионах РФ;

4) проведен анализ результатов промышленного внедрения информационно-измерительных систем обеспечения промышленной безопасности переходов магистральных газопроводов через автомобильные и железные дороги в ряде дочерних обществ ОАО «Газпром» на основе массивов измерений, полученных от установленных на переходах систем.

Отмеченные выше результаты позволили унифицировать решения по технической диагностике переходов и ее метрологического обеспечения, уменьшить влияние человеческого фактора на процессы обеспечения промышленной безопасности переходов, существенно уменьшить время получения эксплуатирующим персоналом информации о выходе информативных параметров переходов за область допустимых значений.

Все установленные системы приняты в промышленную эксплуатацию и продолжают накопление информации о техническом состоянии переходов, которая может быть использована в дальнейшем в научных исследованиях происходящих на данных объектах процессов.