CC BY
34
РЕГИОНАЛЬНАЯ ОЦЕНКА РИСКА ЭКСПЛУАТАЦИИ ОРЕНБУРГСКОГО ГАЗОКОНДЕНСАТНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
A.A. Швыряев
Химический факультет, Московский Государственный Университет,
Воробьевы горы, 119899, Москва, Россия
Проведена оценка опасностей и риска эксплуатации Оренбургского газоконденсатного месторождения (ОГКМ). Показано, что из возможных аварийных ситуаций на объектах ОГКМ наибольшую опасность для населения региона представляют сборные трубопроводы газа и конденсата. При этом наибольший вклад в потенциальное негативное воздействие могут дать аварии с токсическим поражением за счет выброса конденсата, содержащего сероводород. Уровень риска для населения не превысил 10_б в год.
Данная работа представляет собой исследование риска функционирования объектов Оренбургского газоконденсатного месторождения (ОГКМ). В данном регионе России осуществляется добыча газа и конденсата, содержащего от 2 до 5% сероводорода. Из технологической схемы добычи и переработки углеводородного сырья ОГКМ можно выделить следующие объекты, представляющие потенциальную опасность для населения региона:
1. Система скважин (~700 газовых и нефтяных скважин);
2. Система сборных шлейфов (выкидные линии) от скважин к УКПГ (~2000 км);
3. Установки комплексной подготовки газа (11 УКПГ) и дожимные ком-прессроные станции (ДКС);
4. Система соединительных 11 газопроводов Ду=700мм Рраб=58-64 атм и 5 конденсатопроводов Ду=300-377 мм от УКПГ к ОГПЗ, протяженностью 30 -50 км.
Каждая из этих систем характеризуется своей технологической спецификой и составом сырья, а также спецификой возникновения и развития возможных аварийных ситуаций.
В зоне горного отвода ОГКМ (рис.1) проживает более 37 тыс. жителей населенных пунктов. Поэтому кроме пожаровзрывоопасности необходимо учитывать и токсическую опасность воздействия сероводорода на население при авариях на объектах ОГКМ. Предварительное ранжирование объектов ОГКМ по показателям токсического и пожаровзрывоопасного воздействия на население региона показало, что из всей системы промысловых объектов: эксплуатационные скважины, сборная сеть трубопроводов, УКПГ и сеть соединительных газопроводов и конденсатопроводов, лишь последние представляют опасность для населения региона, приводящую к летальным исходам.
На рис. 1 представлено распределение по территории ОГКМ потенциально опасных объектов (трубопроводов) и населенных пунктов.
Квадратами на рис.1 выделены анализируемые районы, в которых система трубопроводов проходит вблизи населенных пунктов. Следует отметить, что расстояния до населенных пунктов от трубопроводов превышают нормативные разрывы, поэтому термическая опасность от возникновения пожаров на трубопроводах не представляет непосредственной опасности доя населения.
Рис.1. Схема расположения магистральных газо- и конденсатопроводов- ОГКМ и 11 анализируемых районов проживания населения (выделены квадратами)
Поскольку основная опасность аварийных процессов на объектах ОГКМ связана с возможными токсическими поражениями населения, в соответствии с [1], были выделены следующие группы населения, неодинаково реагирующие на токсическое воздействие сероводорода:
1 группа - 25% от всего населения - особо чувствительные к сероводороду индивидуумы, дети до 9 лет, пожилые люди (>70 лет), люди с хроническими заболеваниями органов дыхания, сердца и ограниченной подвижностью, слепые.
2 группа - 75% от всего населения - взрослые и подростки.
Для каждой группы населения были выбраны свои критерии токсического поражения (коэффициенты пробит-функции С(Рг-5): Рг = а +Ь*1п(Сп с), С - концентрация, I - время воздействия):
1 группа: а = -6,5, Ь = 1, п = 1,9; 2 группа: а = -36,8, Ь = 2,4, п = 2,5
Набор параметров токсического поражения для первой группы характеризует наименьший уровень токсического воздействия на людей. Набор параметров для взрослых и подростков взят из работ канадских исследователей риска в провинции Альберта.
При дальнейших расчетах риска учитывали также, что в среднем 10% времени население находится на открытой местности, а в остальных случаях в помещении со средней кратностью воздухообмена 2 раза в час.
Соединительные газопроводы. В соответствии с причинами возникновения аварий на газопроводах, рассмотренными в работе [1], на рис.2 представлена логическая схема выделения моделей для анализа таких аварий применительно к системе газопроводов ОГКМ.
Из возможных сценариев развития аварийных процессов на газопроводах принимались во внимание только разрывы на полное сечение без загорания с вариантами двух настильных струй или одной вертикальной струи, поскольку в остальных случаях сырой газ за счет эжекционного эффекта разбавляется до безопасных концентраций по сероводороду, а в случае горения максимальная зона влияния ограничена радиусом менее 250 м. Интенсивность аварий на магистральных газопроводах оценена на уровне 1,0 на 1000 км в год, что выше средней по стране в 5 раз (в среднем по региону - 0,66 аварий на
1000 км). Частота возникновения потенциально опасных аварийных выбросов составляет 6,25 * 10~5 на км в год.
Разгерметизация газопровода
Характеристика разрыва
Малые и средние (87,5%)
Не рассматривается из-за отсутствия выраженного эффекта поражения или малой зоны негативного влияния
Разрыв на полное сечение (12,5%)
Пожар в котловане (50%)
Струевой выброс без горения (50%)
12000 кг (33,3%)
Масса выброса І ~
15000 кг (33,3%)
т
18000 кг (33,3%)
Рис.2 Логическая схема выделения моделей для анализа последствий аварий на газопроводе сырого газа с концентрацией сероводорода 3%
Анализ динамики истечения газа из трубопровода показал, что практически 90% содержимого газопровода опорожняется за 4-6 минут. Учитывая, что процесс дрейфа может составлять по времени до 2 часов, в качестве консервативного подхода использовали модель рассеяния «мгновенного» источника. При этом расчет поражения проводили для 8 скоростей ветра и 6 классов устойчивости атмосферы. Полученные зоны поражения суммировали с учетом вероятности их реализации и повторяемости ветров по 8-румбовой розе для получения поля потенциального риска токсического поражения.
Расчеты показали, что возможное поражение населения от аварий на газопроводах может наблюдаться на удалении до 4-6 км от места аварии только для человека на открытой местности. Суммарное поле потенциального риска, получаемое суммированием с учетом схемы анализа, показало, что опасность токсического поражения для населения уменьшается с удалением от места аварии на 300 м в 100 раз, на 1000 м в 1000 раз, на 2400 м в 10000 раз и на 4500 м в 100000 раз.
Соединительные конденсатопроводы. Аварии на конденсатопроводах развиваются иначе, чем на газопроводах. Прежде всего это связано с физико-
химическими особенностями транспортируемой среды. В результате аварийного разрыва нестабильный конденсат вымывает почву вокруг трубопровода, при этом практически все легкие углеводороды (~9,2-9,5%), до пропана включительно, и серосодержащие компоненты сразу переходят в паровую фазу с образованием облака со средним молекулярным весом -26 и температурой около 0° С. Плотность облака сравнима с плотностью воздуха, что позволяет использовать стандартные модели дисперсии невзаимодействующих газов в атмосфере. Основная особенность физико-химического превращения многокомпонентного состава конденсата при аварии заключается в том, что доля серосодержащих токсических веществ в облаке значительно выше их содержания в самом конденсате и для парового облака составляет 15-17 %. Кроме того, само облако формируется непосредственно на поверхности земли, что в значительной мере сказывается на масштабах поражения. Следует отметить, что по мере развития аварии будет образовываться лужа разлития, которая будет испаряться (в основном бутан-пентановая фракция) за счет теплопритока из атмосферы и грунта. Поэтому кроме опасности токсического поражения при авариях на конденсатопроводах существует опасность взрывных процессов, связанных с продолжительным дрейфом, загоранием и дефлаграционным сгоранием паровоздушных облаков углеводородов. В результате этих процессов будет возникать пожар разлития конденсата, но расчеты эпюр теплового потока показали, что опасность для человека при этом ограничена радиусом менее 200-250 м. Поскольку население региона находится на удалениях выше этого значения, то сценарий термического воздействия пожара разлития на население в дальнейших расчетах не учитывали.
Для сценариев со взрывами паровых облаков считали, что летальной опасности подвергаются все попавшие в зону горения облака. Это предположение носит консервативный характер и отражает наихудшие последствия в результате взрывных явлений.
В дальнейшем весь спектр потенциальных утечек был пронормирован с определением относительной доли их возникновения [2] Р(О): 35% (20 кг/с), 25% (50 кг/с), 20% (100 кг/с), 20% (300 кг/с), при этом суммарная частота возникновения всех утечек оценена на уровне 0,4 на 1000 км в год.
Сценарии развития аварий на конденсатопроводах рассматривали в соответствии рекомендациями [1|. Логическая схема анализа представлена ниже на рис.З. На первом шаге проведено ранжирование возможного спектра аварийных утечек по интенсивности их истечения, поскольку статистическая информация в основном опирается на данные по утечкам на нефтепроводах [2], а масштабы поражения для данной технологической системы в основном зависят от интенсивности и времени истечения в напорном режиме. Так как в среднем длина продуктопроводов не выше 50 км, то время отклика разгерметизации на насосной станции составит не более 1-2 минут, то, учитывая неадекватную реакцию оператора, максимальное время срабатывания запорной арматуры принималось равным 12-15 минутам. После срабатывания запорной арматуры будет происходить истечение конденсата под давлением упругости паров (-3-4 атм) из отсеченного участка. Среднее расстояние между арматурой на конденсатопроводах не более 5 км, а в районах вблизи населенных пунктов — 2,5-3 км. Учитывая возможность отказа запорной арматуры, среднее расстояние между арматурой принимали равное 5 км. Динамика истечения из отсеченного участка описывается убывающей экспоненциальной зависимостью. Сценарии аварий со скоростью истечения менее 10 кг/с не рассматривались в силу протяженности зон ущерба менее 500 м.
Рис.З. Логическая схема выделения моделей для анализа последствий аварий на конденсатопроводе с концентрацией сероводорода по массе 3%
Скорость поступления токсичных паров принимали прямо пропорциональной скорости истечения конденсата по причине практически полного перехода серосодержащих компонентов в паровую фазу. Для описания динамики испарения углеводородов и формирования облака взрывоопасных паров использовали методику ВНИИГАЗа, учитывающую постепенное нарастание скорости испарения за счет увеличения радиуса разлития и теплопритока от грунта. Так, при скорости истечения 300 кг/с скорость испарения составит через 10 минут ~60 кг/с.
В дальнейшем расчеты поражения при дрейфе токсического и взрывоопасного облака проводили для каждой скорости истечения в спектре с учетом характеристик метеорологии региона. Расчеты показали, что зона ущерба для населения внутри помещений в 5-6 раз меньше по площади по сравнению с аналогичными для условий нахождения человека на открытой местности. Различие в восприимчивости для различных групп населения дает соотношение площадей зон ущерба в соотношении 1:7.
На следующем этапе проводили построение полей потенциального риска для всех рассмотренных сценариев развития аварий (рис.4). Процедура оценки риска проводилась на картографической основе в соответствии с рекомендациями [1].
А Б
В
д
Цвет
уровоя
риска
10 - 10
10 - 10
10"- іо-
ні - 10
Рис.4. Последовательность анализа риска. А - исходная карта (10.26x10.26 км); Б - легенда расположения инфраструктуры; В,ГД,Е - поля потенциальной опасности; В - токсическое воздействие от газопроводов; Г - токсическое воздействие от ковденсатопроводов; Д - взрывы паровых облаков;
Е - суммарное поле потенциальной опасности. Население пунктов - ~300 чел.
Для каждого из 11 выбранных районов была проанализирована исходная карта размером 10,26 км*10,26 км с позиций определения местоположения населения и объектов инфраструктуры, которые могут явиться источниками
зажигания парового облака углеводородов (рис.4). Далее рассматривали опасности различных видов для магистральных газопроводов (Ду=700 мм) и конденсатопроводов (Ду=300-377 мм):
- токсическое поражение населения серосодержащими компонентами газа и конденсата;
- термическое и барическое поражение населения от взрывов паровых облаков углеводородов.
На рис. 4А представлена исходная карта района. На рис.4Б приведена легенда расположения трубопроводов и населения, а также транспортной инфраструктуры района. На рис.4В дано поле потенциальной опасности от аварий на газопроводах, на рис.4Г - на конденсатопроводах, на рис.4Д - от взрывов паровых облаков углеводородов, на рис.4Е приведено интегральное поле потенциальной опасности, полученное как сумма полей ранее рассмотренных источников опасности. Все поля приведены в единой цветовой шкале, что позволяет легко провести сравнение различных источников опасности по их вкладу в интегральное поле риска.
На основании полей потенциальной опасности рассчитаны показатели риска для населения региона с учетом его фактического месторасположения относительно источников опасности. Суммарное количество населения в выбранных 11 районах составила -19 тыс. человек. В табл.1 даны результаты расчета коллективного риска для населения каждого района.
Из приведенных данных видно, что население региона ОГКМ находится в зоне с уровнем риска ниже 10'5 1/год, при этом лишь 3,6% всего населения пунктов (16500 чел) находится в зоне с уровнем риска от 10'6 до 10-5 1/год. В целом суммарный уровень риска для населения можно рассматривать как приемлемый.
Отдельно следует рассмотреть риск гибели при взрывах паровых облаков, отличающийся по механизму поражения от токсических эффектов от сероводорода. Практически для всех пунктов уровень риска ниже 10~7, что позволяет определить эффекты токсического поражения как доминирующие в исследованном регионе. При этом аварии на конденсатопроводах являются доминирующими по вкладу в риск (-90%) из-за специфики развития аварийного сценария и сценария токсического воздействия на населения.
Таблица 1
Показатели коллективного риска для населенных пунктов на территории ОГКМ
№ Район расположения пунктов Численность населения Коллективный риск, Вх *10000,1/год
1 п. Краснохолм 5400 чел. 0.497
2 п. Троицкий ~500 чел. 0.109
3 д. Краснополье, д.Рычовка ~600 чел. 0.246 1
4 д. Татищево ~800 чел. 3.948
5 д. Родничный Дол, д.Дубки. ~700 чел. 0.265
6 д. Дедуровка ~1650 чел 1.417
7 п .Шуваловский ^п.Савинский, п.Погромный. ~300 чел. 0.233
8 п.Чернореченское, д.Старица, п.Западный, Зауральный ~2500 чел. 7.584
9 д.Нижнепавловка 3500 чел. 0.060
10 д.Пруды, п.Чистый ~500 чел. 3.030
11 Район промзоны ОГПЗ ~2500 чел. 77.829
Проведенный анализ позволяет считать практику эвакуации населения при авариях на сборной системе трубопроводов ОГКМ, применявшуюся на ранних
этапах освоения месторождения, не адекватной сценариям развития аварий. Время существования опасных факторов сравнимо с временем начала проведения эвакомероприятий. Поэтому вполне оправдана практика поджигания аварийных выбросов, как это осуществляется на Астраханском ГКМ. Следует отметить, что аналогичные примеры «сверхреагирования» на аварийные ситуации практиковались ранее и в зарубежных странах. Так, 2.10.1973 г. в провинции Альберта (Канада) при разрыве газопровода с сероводородсодержащим газом была проведена эвакуация населения на площади более 300 км2. Поскольку не пострадали оставленные домашние животные и птица, то население предъявило иски транспортной компании за необоснованную эвакуацию и моральный ущерб.
Предлагаемый количественный подход к оценке опасности в регионе позволяет сравнивать экономическую эффективность мероприятий по обеспечению безопасности населения в регионе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Отраслевое руководство по анализу и управлению риском, связанным с техногенным воздействием на человека и окружающую среду при сооружении и эксплуатации объектов добычи, транспорта, хранения и переработки углеводородного сырья с целью повышения их надежности и безопасности. (1 редакция). РАО ГАЗПРОМ. - М., 1996. - 208 с.
2. Мазур И.И.,Иванцов О.М.,Молдованов О.И. Конструктивная надежность и экологическая безопасность трубопроводов. - М.: Недра, 1990. - 263 с.
REGIONAL RISK ESTIMATION OF ORENBURG GAS-CONDENSATE FIELD EXPLOITATION
A.A. Shvyryaev
Chemistry Department of Lomonosov Moscow State University Vorob’ovi hills, 119899, Moscow, Russia
Danger and risk of Orenburg gas-condensate field (OGCF) were evaluated. It was shown that major danger among all possible collision incidents on OGCF objects could release on the gathering lines of gas or condensate. And main input in the potential negative effect could by given by accidents with toxical affection cause by emission of condensate containing hydrogen sulfide. Risk level for population didn’t exceed I O'6 per year.
