Реферат: Информацирнно- аналитическая система геотехнического мониторинга и управления магистрального газопровода «ямал торжок» 05. 13. 01 Системный анализ, управление и обработка информации (химическая технология)

На правах рукописи

ДЗЮБА Светлана Анатольевна

ИНФОРМАЦИРННО- АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
ГЕОТЕХНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА
«ЯМАЛ - ТОРЖОК»

05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации
(химическая технология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Москва 2006 г.

Работа выполнена на кафедре Информационных технологий Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова"

Научный руководитель- доктор технических наук, профессор
Ярыгин Геннадий Андреевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор
Кузин Рудольф Евгеньевич

кандидат технических наук
Лукьянов Олег Викторович

Ведущая организация- Институт Проблем Нефти и Газа РАН

Защита состоится " 03 " " октября " 2006 года в 13.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.120.08 при Московской Государственной Академии тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова по адресу: 119571, г. Москва, пр. Вернадского, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им.М.В.Ломоносова
(119571, г. Москва, пр. Вернадского, 86).
Автореферат диссертации размещен на сайте www.mitht.ru.

Реферат разослан " 12 " июля 2006 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук Бурляева Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из важнейших проектов ОАО "Газпром", реализуемых в настоящее время, является «Программа комплексного промышленного освоения месторождений углеводородного сырья полуострова Ямал» и, в первую очередь, разработка наиболее крупных и подготовленных по запасам газоконденсатных месторождений – Бованенковского и Харасавэйского, а также строительство новой протяженной системы магистральных газопроводов с полуострова Ямал в центральные районы России и далее, на экспорт, в страны Западной Европы. Проект имеет высокую стратегическую и экономическую значимость, позволит обеспечить планируемое потребление газа внутри страны и выполнение экспортных обязательств России на длительную перспективу, во многом определяет место российского газа на европейском газовом рынке в целом, что ставит его реализацию в сферу основных геополитических интересов России.

Для транспортировки столь значительных объемов газа (до 250 млрд. м³ /г.) на дальние расстояния (около 2500 км) создается уникальная геотехническая система; причём, как при ее создании, так и при эксплуатации эта система оказывает воздействие на природную среду, активизируя многие негативные процессы и явления, а также подвергаясь негативным воздействиям со стороны природной среды, и, в первую очередь, геодинамическим или связанным с ними процессам.

Таким образом, геотехническая система (ГТС) – это совокупность природно-технических элементов, взаимодействующих между собой и образующих единый энергетически взаимоувязанный комплекс. В данном контексте природно-техническими элементами являются: природно-географическая среда (рельеф, аквасистемы, фитоценозы, почвы, биотические комплексы); геологическая среда (грунты и породы преимущественно верхней приповерхностной части геологического разреза); фундаменты и основания зданий и инженерных сооружений; надфундаментные конструкции зданий и сооружений.

Одной из важнейших особенностей строительства данной системы магистральных газопроводов является то, что территория, строительства, особенно в северных районах характеризуется крайне сложными инженерно-геологическими условиями, к которым относятся, прежде всего: многолетнемерзлые грунты, солифлюкция, криогенное сезонное и многолетнее пучение, криогенное растрескивание, наледеобразование, засоленность, оползнеобразование, термокарст, курумообразование, термоэрозия и термоабразия, дефляция, овражная и речная эрозия, просадки, расчлененность и заболоченность территории. Другой важной особенностью ямальской системы газопроводов является то, что она на головном участке пересекает акваторию Байдарацкой губы Карского моря.

Рекомендуемые технологические параметры ямальской системы транспорта газа, а именно: повышенное до 11,8 МПа рабочее давление, применение труб диаметром 1420 мм из высокопрочных марок стали, с внутренним гладкостным покрытием, подземная прокладка газопровода в многолетнемерзлых низкотемпературных грунтах, требует дополнительного исследования вопроса технологической подготовки газа для его транспортировки без образования гидратов.

Как показывает практика эксплуатации магистральных газопроводов в условиях Крайнего Севера, аварии и отказы оборудования, обусловленных геодинамическим или геотехническими факторами влекут за собой значительные последствия, особенностями которых являются:

· значительные масштабы экологических бедствий;

· непредсказуемость и значительные темпы развития аварийной ситуации;

· трудности ликвидации аварий и их последствий;

· возможность значительных разрушений и гибели людей.

В соответствии с российским природоохранным законодательством и действующими нормативно-правовыми документами, в целях обеспечения экологической безопасности в зоне возможного влияния объектов проектируемого газопровода, на всех этапах реализации проекта должен осуществляться производственный экологический мониторинг (ПЭМ). В настоящее время теория и практика построения ПЭМ для магистральных газопроводов развита достаточно хорошо. В научных и диссертационных работах Гриценко А.И., Дмитриевского А.Н., Максимова В.М. Захарова Ю.Ф., Белинского Б.И., Лукьянова О., Мещерина И.В., Бабенко А.В. и других авторов разработана теоретическая база, позволяющая решать основные проблемы, связанные с безопасностью и охраной окружающей среды, включая экологический мониторинг на этапах проектирования, строительства и эксплуатации магистральных газопроводов и обеспечить поддержку и принятие решений по снижению риска аварий на магистральных газопроводах. Однако вопросы синтеза одной из важнейших систем ПЭМ для магистральных газопроводов в условиях Крайнего Севера - сети геотехнического мониторинга (ГТМ) геотехнических систем (ГТС) магистральных газопроводов, исследованы недостаточно.

Таким образом, вопросы создания информационно- аналитической системы геотехнического мониторинга и управления состоянием ГТС магистрального газопровода «Ямал - Торжок», обеспечивающей поддержку и принятие научно-обоснованных решений по обеспечению надежности и эксплуатационной безопасности газотранспортных сооружений на всех фазах их жизненного цикла, по проведению природоохранных мероприятий и мероприятий по снижению риска аварий, является актуальной задачей.

Целью работы является разработка информационно- аналитической системы геотехнического мониторинга объектов систем магистральных газопроводов в условиях Крайнего Севера на основе методов системного анализа.

Цель работы определила следующие задачи исследований:

1. выполнить оценку сложности инженерно-геологической ситуации трассы газопровода в условиях Крайнего Севера и сформулировать основные требования к системе ГТМ, включая цели и средства управления природно-техническими геосистемами и основные этапы организации информационных потоков при геотехническом мониторинге;

2. выбрать методы и инструментально-программные средства математического моделирования и прогноза мерзлотно-температурной динамики грунтов в зоне влияния объектов газопровода;

3. выполнить прогноз теплового воздействия и мерзлотно-температурной динамики грунтов на период строительства и эксплуатации газопровода;

4. обосновать параметры технологической подготовки газа к магистральному транспорту, оптимальные давления и температурные режимы транспорта газа без образования гидратов для различных сценариев транспортировки газа;

5. разработать методические принципы синтеза систем геотехнического мониторинга при строительстве газопроводов в условиях Крайнего Севера, включая - синтез структуры сети геотехнического мониторинга, обоснование выбора технических средств, - порядок размещения средств автоматизации наблюдений за геотехническими процессами, методологию и порядок оборудования и эксплуатации сети мониторинга;

6. дать технико-экономическое обоснование сети геотехнического мониторинга и управления системы магистральных трубопроводов «Ямал - Торжок».

Научную новизну представляют собой следующие научные положения:

· Методика оценки взаимного влияния геологической среды и технических объектов газопровода «Ямал – Торжок», основанная на типизации техногенных воздействий факторов и специфических особенностей, характерных при строительстве газопроводов в условиях Крайнего Севера.

· Методы прогноза мерзлотно-температурной динамики грунтов в зоне влияния объектов газопровода на основе трехмерной осесимметричной задачи теплопроводности с подвижными границами раздела фаз в неоднородных средах.

· Технология низкотемпературной сепарацией переменного давления (НТС ПД) для подготовки апт-сеноманского газа Бованенковского и Харасавэйского к транспортированию и две её модификации: с использованием ТДА и парокомпрессионной холодильной машины (ПКХМ), которые оказались технологически особенно эффективны в случае транспортирования газа по МГ под высоким начальным давлением (свыше 7,45 МПа).

· Системный подход к проектированию, реализации и эксплуатации систем геотехнического мониторинга при строительстве газопроводов в условиях Крайнего Севера, который включает в себя: синтез структуры сети геотехнического мониторинга на площадках компрессорных станций и линейных частях газопровода, обоснование и выбор технических средств для автоматизации измерений и сбора информации, методологию и порядок оборудования и эксплуатации сети мониторинга.

Практическая значимость представляют собой следующие результаты:

1. Разработанное техническое обеспечение системы автоматизации наблюдений за температурами грунтов и деформациями сооружений подсистемы ГТМ системы магистральных газопроводов «Ямал – Торжок».

2. Рассчитанные параметры технологической подготовки газа, обеспечивающих однофазное транспортирование газа по МГ

3. Результаты прогноза теплового воздействия и мерзлотно-температурной динамики грунтов на период строительства и эксплуатации газопровода, которые применены в практике проектирования.;

4. Методика организации сети геотехнического мониторинга на объектах системы магистральных газопроводов «Ямал – Торжок».

5. Методика технико-экономического обоснования организации оборудования и эксплуатации сети геотехнического мониторинга природно-техническими объектами системы магистральных газопроводов «Ямал - Торжок»;

Научные положения, выводы и рекомендации , сформулированные в диссертации, обоснованы :

· корректным использованием идей и методов системного анализа при структуризации проблемы исследования влияния на экологию регионов проекта строительства системы магистральных газопроводов «Ямал - Торжок» и синтеза системы ГТМ;

· корректным использованием математических методов решения трехмерной осесимметричной задачи теплопроводности с подвижными границами раздела фаз в неоднородных средах;

· совпадением с точностью до 10-15% результатов математического моделирования и реальных экспериментальных данных, связанных с распространением тепла в зоне прокладки газопровода.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Юбилейной Международной научной конференции памяти В.В.Кафарова «Методы кибернетики в химии и химической технологии». (г.Москва, 2004 г.) и заседаниях научно-технических советов в Инженерно-техническом центре экологической безопасности газовой промышленности "Оргэкогаз" (г.Москва, 2005 г.), секции Автоматизации и секции Охраны окружающей среды в ОАО "Газпром" (г.Москва, 2002-2005 гг.), на семинарах по экологическому мониторингу НПО ДИЭМ (г.Москва, 2003-2005 гг.) и МГГУ (г.Москва 2003-2005 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 научных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного содержания, заключения, где сформулированы основные результаты, и библиографического списка из 49 наименований. Содержание диссертации изложено на 118 страницах текста и содержит 23 рисунков и 24 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертационной работы рассматривается состояние окружающей природной среды в районе расположения объектов системы магистральных газопроводов «Ямал - Торжок», дается характеристика инженерно-геологических условий и оценка экологического воздействия газопровода на окружающую среду. Обзорная схема трассы системы магистральных газопроводов Ямал-Центр представлена на рис. 1. Территория, строительства магистральных газопроводов, и, прежде всего, на участке Бованенково-Ухта, характеризуется сложными инженерно-геологическими условиями. Трасса проходит в трех природно-климатических зонах (с севера-востока на юго-запад): тундровой, лесотундровой и таежной и попадает в различные по тектоническому строению области. Первые 115 км трассы, относящихся к полуострову Ямал, расположены на крайнем северо-западе Западно-Сибирской плиты. Следующие 200 км трассы проходят по территории Полярного Урала и Предуральского краевого прогиба. Трасса газопровода на головном участке пересекает Байдарацкую губу протяженностью около 70 км. Остальная часть трассы до Ухты расположена на Печорской синеклизе Русской плиты. На участке Ухта-Торжок трасса проходит в одном коридоре с действующей системой газопроводов ОАО «Газпром».

Рис. 1. Схема расположения трассы магистрального газопровода Ямал-Центр.

Для головного участка трассы газопровода характерны следующие природные криогенные процессы и явления:

· криогенное пучение грунтов, которое распространено почти на всей территории выделенных геокриологических участков трассы Бованенково-Ухта;

· наледеобразование, которое развивается, в основном, в северной части исследуемой территории в пределах области развития вечномерзлых пород;

· процессы эрозии и термоэрозии, в разной степени развитые на ряде геокриологических участках и вызывающие возникновение процессов оседания, обрушения, осыпания, оползания и др;

· солифлюкция и оползнеобразование, развитые в пределах некоторых геокриологических участков и по воздействию на инженерные сооружения также относящихся к числу опасных;

· термокарст, который образуется в связи с оттаиванием льдонасыщенных грунтов и вытаиванием подземных льдов, приводящий к проседанию поверхности земли, возникновению отрицательных форм рельефа и их заболачиванием.

Игнорирование объективных закономерностей развития ландшафтов криолитозоны, обусловленных геодинамическим или геотехническими факторами и наличием многолетнемерзлых пород (ММП), при строительстве газопроводов в условиях Крайнего Севера, неизбежно приводит к нарушению нормального функционирования возведенных на них инженерных сооружений уже в первые годы их эксплуатации, что чревато возникновением значительных аварий, последствиями которых являются значительные разрушения и гибель людей, огромные экономические потери и значительные масштабы экологических бедствий. Основные потенциально опасные геотехнические процессы, требующие контроля при ГТМ объектов системы газопроводов на примере системы МГ "Заполярное-Уренгой" систематизированы в диссертации и представлены на рис. 2. На основании выполненной систематизации в диссертации показано, что в основе новой концепции строительства объектов газовой промышленности на Крайнем Севере должна быть положена смена принципа "контроль воздействия" на мерзлые ландшафты на принцип "предупреждение воздействия". Поставленная цель достигается посредством создания системы комплексного геотехнического мониторинга (ГТМ) как линейной части газопроводов, так и площадок КС и объектов инфраструктуры на этапах проектирования, строительства и эксплуатации. Система ГТМ позволяет осуществлять комплексную диагностику ГТС, своевременно выявлять отклонения от проектов, строительных норм и правил, которые могут повлечь за собой снижение эксплуатационной надежности строящихся объектов, возникновение аварийных ситуаций и нанести ущерб окружающей среде.

Для исследования и прогнозирования условий формирования геокриологической обстановки в зоне теплового влияния подземного газопровода Бованенково-Ухта на участке КС Байдарацкая-КС Ярынская (переход через Байдарацкую губу) были исследованы двухмерные математические модели нестационарного теплообмена в породах при наличии произвольного числа фронтов фазовых переходов в исследуемой области. Расчет температурных полей и пространственного перемещения фронтов промерзания-оттаивания осуществлялся по программе «Тепло», разработанной на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ под руководством профессора Л.Н.Хрусталева. Была выполнена калибровка модели, включающую в себя проверку и коррекцию всех исходных параметров (граничных и начальных температурных условий) на соответствие результатов математического моделирования мерзлотно-температурной обстановки реальным геокриологическим условиям. Для этого решалась серия упрощенных задач для различных участков выбранной расчетной области с использованием некоторого диапазона изменения набора входящих в модель параметров. В их числе: решение ряда одномерных задач для определения величины среднегодовой температуры пород и глубин их сезонного оттаивания или промерзания. На основе указанного предварительного моделирования при использовании в модели среднемноголетних данных по среднемесячным температурам воздуха проводился подбор

Рис.2. Систематизация техногенных воздействий на ММП при строительстве системы МГ “Заполярное – Уренгой”

теплоизоляционных свойств напочвенных покровов, при которых расчетная геокриологическая обстановка хорошо соответствует реально наблюдающимся условиям на площади участков береговых переходов. Такое соответствие достигнуто при средне зимнем значении термического сопротивления снежного покрова порядка 0,9-1,1 м² час град/ккал (что соответствует средне зимней мощности снежного покрова порядка 0,25-0,35 м) и термических сопротивлениях относительно маломощного напочвенного растительного покрова 0,1-0,2 м² час град/ккал.

Расчетная область математической двухмерной модели представляет собой вертикальную полуплоскость, перпендикулярную оси трубы, ограниченную сверху поверхностью земли. В силу симметричности тепловой задачи относительно вертикальной плоскости симметрии, проходящей через осевую линию трубы, расчетная область составляет половину полупространства грунтового массива.

Общее количество внутренних блоков составляло в разных вариантах модели 800-1100. Точность геометрического соответствия модели в пределах трубы и ближней ее окрестности составляет 0,1-0,2 м. В каждом блоке задаются свои теплофизические характеристики (5 параметров) и начальная температура пород. В случае засоленных грунтов в каждом блоке задается также важная шестая теплофизическая характеристика – температура фазового перехода влаги в порах пород. В граничных блоках назначаются переменные по времени (по месяцам) или постоянные граничные условия I, II или III рода. Ноль вертикальной и горизонтальной осей координат выбран на поверхности земли над осевой частью трубы.

Моделирование сценария развития геокриологических условий выполнялось для трех наиболее сложных на исследуемой территории вариантов природной обстановки Ямальского берегового участка с температурой на стенке трубы +8,0⁰ С, т. к. на Уральском участке (температура газа +0,2-+0,4⁰ С) условия формирования ореолов оттаивания несравненно менее благоприятны. Результаты моделирования для участка суши в пределах морской террасы, сложенной на глубине заложения трубы незасоленными и слабозасоленными песками, приведены в диссертации. В результате моделирования получены весьма важные выводы. Во-первых, в рассматриваемых достаточно суровых природных условиях весьма быстро наступает стабилизация теплообмена в грунтах в окрестностях греющей трубы. Практически температурное поле пород уже на 3-й год работы объекта стало стабильным и практически не отличается от такового на момент 50 лет (конец счета). Во вторых, при заданных теплофизических параметрах теплоизоляции трубы (толщина изоляции 0,05 м, коэффициент теплопроводности 0,26 ккал/(м*час*град)), формирования многолетнего ореола оттаивания не происходит . Даже сезонное оттаивание под трубой практически отсутствует, имеет место лишь небольшое сезонное боковое оттаивание на уровне оси трубы, достигающее 0,4 м в конце декабря. В период с середины февраля по середину июня породы вокруг трубы находятся полностью в мерзлом состоянии.

В районах сплошного распространения многолетнемерзлых грунтов – на полуострове Ямал - принята концепция круглогодичной транспортировки газа с отрицательной температурой, главной целью которой является минимальное воздействие на окружающую среду, предотвращение неконтролируемых деформаций местности и самого газопровода в процессе его эксплуатации. Температура газа минус 2,0⁰ С зимой и не выше минус 5,0⁰ С летом не меняет мерзлотных условий основания (рис. 3). Без устройства над верхней образующей газопровода теплозащитного экрана глубина сезонного оттаивания над трубой составляет 0,2 м. Устройство теплозащитного экрана над верхней образующей газопровода способствует увеличению глубины сезонного оттаивания над газопроводом с 0,2м до 0,4м÷0,8м, что в свою очередь обеспечивает пропуск сезонно-талых вод и является мероприятием инженерной защиты территории от подтопления (рис. 4). Глубина сезонного оттаивания при транспортировке газа с температурой минус 2,0⁰ С зимой и минус 2,0⁰ С летом без теплозащитного экрана сопоставима с режимом минус 2,0⁰ С зимой и минус 5,0⁰ С ÷ минус 7,0⁰ С летом с устройством теплозащитного экрана.

Рис. 3. Температурное поле в основании газопровода без теплозащитного экрана на сливающихся ВМГ 1-го участка при транспортировке газа минус 2˚С-зимой, минус 7˚С-летом. 10 год эксплуатации

Однако, при температуре транспортируемого газа минус 2,0˚С зимой и минус 2,0˚С летом, температура грунтов основания газопровода повышается с минус 2,5 °С до минус 1,5°С. Учитывая, что грунты участка засолены и температура начала замерзания глинистых грунтов составляет минус 1,3 ÷ минус 2,5°С, такая температура транспортировки ведет к изменению мерзлотных условий грунтов основания – растеплению мерзлой толщи, и, как следствие, к возможному нарушению устойчивости газопровода.

Рис.4. Температурное поле в основании газопровода с теплозащитным экраном на сливающихся ВМГ 1-го участка при транспортировке газа минус 2˚С-зимой, минус 7˚С-летом. 10 год эксплуатации

В пониженных местах и водотоках предусматривается теплоизоляция верхней половины газопровода сегментами "Пеноплэкс", чем достигается ограничение приноса холода из газопровода в направлении дневной поверхности и, следовательно, не будет создаваться препятствие из обмерзшего грунта для дренирования грунтовых вод в слое сезонноталого грунта в теплое время года.

В третьей главе рассматривалась проблема оптимизации технологических параметров газа для его транспорта без образования гидратов. Требования к качеству подготовки газа (точки росы газа по воде и углеводородам) для его дальнейшей транспортировки по магистральному газопроводу в особо сложных геологических условиях, являются определяющими при выборе технологии промысловой подготовки газа на Бованенковском ГКМ.

Промысловая подготовка газа к транспорту по МГ должна обеспечить выполнение следующих требований:

1. Точка росы по воде – не выше минус 20⁰ С, а по углеводородам – не выше минус 10⁰ С (ОСТ 51.40-93).

2. Способ транспортирования газа по МГ – в однофазном состоянии, исключающим выделение жидкой фазы в полости газопровода. При этом наихудшие термобарические условия транспортирования с точки зрения образования жидкой фазы составляют минус 17⁰ С и 5,2 МПа.

3. Температура газа на входе в МГ – от минус 2⁰ С зимой до минус 7⁰ С летом. В период максимально высоких температур атмосферного воздуха (выше 15⁰ С) допустимо повысить температуру на входе в МГ до минус 20⁰ С.

4. Давление газа на входе в МГ – 7,45 МПа и 11,8 МПа.

5. Объём добычи газа на одном условном ГП – 30 млрд.м³ /год
(82 млн.м³ /сут).

6. Номинальная производительность одной технологической линии принята равной 10 млн. м³ /сут, что определяет количество рабочих линий равное 8. Производительность одной технологической линии в зимний период принята равной 10,17 млн. м³ /сут, а летом – 9,5 млн. м³ /сут.

7. Средневзвешенный КФ пластовых газов составит около 2,5 г/м³ .

Рис. 5. Термобарические параметры НТС, обеспечивающие однофазный транспорт газа по МГ для различных давлений газа в МГ

Технолого-математическое моделирование системы "установка НТС – МГ" позволило выявить поле термобарических параметров НТС, обеспечивающих однофазное транспортирование газа по МГ для рассматриваемых давлений транспортирования газа по МГ: от 7,45 МПА в начале газопровода до 5,2 МПа в конце и от 11,8 до 8,3 МПа.

Результаты исследований системы углеводороды–метанол–вода для уноса равного 5 мг/м3 приведены на рисунке 5.

Согласно рисунку, любое сочетание термобарических параметров, определяющее точку ниже граничной линии, гарантирует однофазное транспортирование газа по МГ.

Из графика, в частности, следует, что при давлении НТС выше 6,4 МПа обеспечить однофазное транспортирование газа по МГ под давлением 7,45–5,2 МПа невозможно даже при самых низких температурах НТС (ниже минус 30...35⁰ С).

На рисунке 6 приведена зависимость абсолютной точки росы газа низкотемпературной сепарации (Рнтс=6 МПа и Тнтс= -25⁰ С) от давления (в МГ) и уноса. Из рисунка видно, что при давлении ниже Рнтс точка росы резко возрастает, что объяснимо явлением ретроградной конденсации углеводородов. При давлении выше Рнтс наблюдается обратная картина: точка росы снижается, т.к. здесь доминирует водная фаза (ВМР), и, в первую очередь, метанол (его содержание в газе сепарации на два порядка выше, чем воды). С повышением давления растворимость метанола и воды в газе возрастает, и газ сепарации оказывается во всё более ненасыщенном состоянии.

Описанные закономерности позволяют сделать важный вывод: транспортирование газа по МГ под высоким (11,8 МПа) давлением исключает негативное явление ретроградной конденсации и снижает требования к температуре НТС и величине уноса из концевого низкотемпературного сепаратора.

На рисунке 6 выделены области термобарических параметров транспортирования газа для двух вариантов: Рмг=7,45–5,2 МПа и Рмг=11,8–8,3 МПа.

Для подготовки апт-сеноманского газа Бованенковского и Харасавэйского месторождений низкотемпературной сепарацией в 2002 году была разработана технология НТС переменного давления (НТС ПД) и две её модификации: с использованием ТДА и парокомпрессионной холодильной машины (ПКХМ), которые оказались технологически особенно эффективны в случае транспортирования газа по МГ под высоким начальным давлением (свыше 7,45 МПа).

Применение ТДА в технологиях НТС позволяет эффективно использовать располагаемый перепад давления на начальном этапе эксплуатации промысла без применения головной компрессорной станции при начальном давлении в МГ 7,45 МПа, либо с минимальной мощностью головной КС для варианта более высоконапорного транспорта по МГ (11,8 МПа), при этом в рамках единого технологического процесса достигаются требуемые значения температуры газа, как в низкотемпературном сепараторе, так и на входе в МГ без использования станций охлаждения газа (СОГ).

Применение ТДА в низкотемпературных технологиях подготовки "жирных" газов (неоком-юра Бованенковского и Харасавэйского ГКМ) решает основную задачу понижения температурного уровня газоразделения до минус 40…50 ^о С, что резко увеличивает извлечение конденсата и сокращает потребление метанола.

На рисунке 6 показана зависимость температуры точки росы от давления по трассе МГ при уносе жидкости 0…50 г/1000 м³ газа, из которой следует, что рекомендуемый режим сепарации газа при давлении ~ 6 МПа и температуре минус 25…30 ⁰ С гарантирует однофазный транспорт его при давлении в МГ 7,5 МПа и при давлении 12,0 МПа.

В четвёртой главе диссертационной работы рассматриваются вопросы синтеза системы геотехнического мониторинга магистрального газопровода «Ямал - Торжок, включая линейную часть газотранспортной системы и площадки компрессорных станций. Разработанная структура сети геотехнического мониторинга обеспечивает получение полной и достоверной информации, необходимой для диагностики ГТС, с учетом особенностей строящихся инженерных объектов и природно-климатических условий. В структуру сети ГТМ входят элементы, позволяющие инструментальными, в том числе дистанционными, методами осуществлять контроль, используя такие средства как:

· термометрические и гидрогеологические скважины (ТС, ГС);

· стенные деформационные марки (СДМ);

· грунтовые деформационные марки (ГДМ);

· гидрологические деформационные марки (ГМ);

· глубинные реперы (ГР), служащие исходной высотной основой, относительно которого проводят измерения деформаций по стенным, грунтовым и гидрологическим деформационным маркам.

В этом же разделе разработан порядок оборудования и эксплуатации сети мониторинга ГТМ, определён класс и тип используемых приборов, определена периодичность геодезических наблюдений, дана оценка общего количества приборов. Здесь же разработана методика расстановки технических средств ГТМ. Отмечено так же, что при обнаружении отклонений состояния геотехнической системы от проектного, измерения могут производиться с большей частотой. Кроме того, при возникновении отклонений в функционировании фундаментных конструкций, для уточнения инженерно-геокриологической ситуации на участках, неохваченных сетью мониторинга, при обследовании подземных инженерных объектов эффективным является применение оперативных методов геофизических исследований – сейсмоакустика, георадар и т.д. В качестве примера на рис. 7 показан фрагмент сети ГТМ.

Рис. 7. Фрагмент сети геодезических наблюдений на крановых и байпасных узлах газопровода “БОВАНЕНКОВО-УХТА”.

В этой же главе рассматриваются вопросы управления системой ГТМ магистрального газопровода Ямал-Торжок. Сформулированы цели и средства управления природно-техническими геосистемами МГ «Ямал-Торжок». Разработанная система ГТМ характеризуется следующими основными особенностями: универсальностью, иерархичностью, комплексностью, динамичностью.

Под универсальностью понимается возможность эффективной реализации технологии управления (на основе системы ГТМ) с технической и экономической точек зрения:

· для любого региона вне зависимости от его природно-геологических особенностей;

· для любой отрасли народного хозяйства, тем или иным образом связанной со строительством и эксплуатацией инженерных сооружений;

· для любого типа геотехнических систем;

· для любого этапа жизненного цикла геотехнических систем.

Под комплексностью понимается всестороннее изучение состояния геотехнических систем и составляющих их отдельных элементов во взаимодействии между собой различными методами с обязательной последующей сопоставительной оценкой результатов.

Под динамичностью понимается как открытость архитектуры системы ГТМ, так и постоянное совершенствование используемых средств и методов обработки, контроля, прогноза, управления надежностью объектов.

Под иерархичностью понимается методическая и логическая последовательность реализации технологии управления на различных управленческих уровнях: федеральном, региональном, ведомственном, отдельных предприятий и объектном уровне.

Каждый из иерархических уровней имеет свою информационно-аналитическую систему, включающую в себя:

- базы данных : -инженерных изысканий, содержащую основные качественные и количественные параметры ГТС (ИИ); -результатов режимных наблюдений (РН); -прогнозных расчетов (оценок) (ПР); -нормативно-справочной информации (НСИ); -нормативно-правовой информации (НПИ), нормативно-технической, методической, сметно-проектной документации; технико-технологических решений и других данных;

-специализированное программное обеспечение , позволяющее моделировать динамику процессов изменения величин характеристических параметров геотехнических систем и на этой основе прогнозировать состояние ГТС. Основой специализированного программное обеспечение являются геотехнические информационные модели, проводить компьютерную обработку данных, хранящихся в базах.

-алгоритмы управления состоянием ГТС , позволяющие проводить компьютерную обработку определенным образом агрегированную информацию из баз данных с использованием геотехнических информационных моделей и предлагать варианты технико-технологических решений, способствующих коррекции геотехнической и геотехнологической обстановки.

-системное програмное обеспечение , включающее в себя операционные системы комплексов ЭВМ и АРМ-ов системы ГТС(ОС); системы управления базами данных, такие как СУБД ORACLE Server; геоинформационные системы (ГИС), например MAPINFO; офисные программы (ОфПр); экспертные системы и пакеты программ статистического анализа экспериментальных данных (ЭС).

Кроме того, в информационно аналитическую систему входят, описанные в четвёртой главе подсистемы: передачи данных, системы измерения и контроля. Архитектура информационно- аналитической системы показана на рис. 8.

При стремлении к достижению единой цели – обеспечению надежности инженерных объектов, каждому иерархическому уровню системы ГТМ соответствуют определенные виды задач. Суть рассмотренных в диссертации алгоритмов управления состоянием ГТС в системе ГТМ, состоит в следующем. На первом шаге управления устанавливаются критерии надежности (безопасности) геотехнических систем, которые ограничивают область эксплуатационной пригодности сооружений, а также область устойчивости территорий к развитию деструктивных природно-геологических и техногенных процессов. Исходя из этих критериев, выделяются характеристические параметры, характеризующие состояние геотехнических систем. Последующее сравнение между собой проектных, натурных, прогнозных величин этих параметров позволяют судить об устойчивости (стабильности) или неустойчивости (нестабильности) состояния ГТС или их элементов. В соответствие с результатами этой оценки определяется направление дальнейших действий по управлению надежностью систем. В этой же главе обоснованы принципы реализации организационного обеспечения и выполнено технико-экономическое обоснование системы геотехнического мониторинга. Приведён расчет стоимости оснащения среднестатистического объекта и обоснована структура службы геотехнического мониторинга. Показано, что общая стоимость проведения одного цикла наблюдений по всей сети (в ценах 1984 г.) составит 828 153.31 руб.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

· дана оценка сложности инженерно-геологической ситуации трассы газопровода в условиях Крайнего Севера и сформулированы основные требования к системе ГТМ, включая цели и средства управления природно-техническими геосистемами и основные этапы организации информационных потоков при геотехническом мониторинге;

· выбраны методы и инструментально-программные средства математического моделирования и прогноза мерзлотно-температурной динамики грунтов в зоне влияния объектов газопровода;

· выполнены прогнозы теплового воздействия и мерзлотно-температурной динамики грунтов на период строительства и эксплуатации газопровода;

· разработаны методические принципы синтеза систем геотехнического мониторинга при строительстве газопроводов в условиях Крайнего Севера, включая синтез структуры сети геотехнического мониторинга, обоснование выбора технических средств, порядок размещения средств автоматизации наблюдений за геотехническими процессами, методология и порядок оборудования и эксплуатации сети мониторинга;

· обоснованы параметры технологической подготовки газа, давление и температурные режимы транспорта газа без образования гидратов позволяющие слелать важный вывод: транспортирование газа по МГ под высоким (11,8 МПа) давлением исключает негативное явление ретроградной конденсации и снижает требования к температуре НТС и величине уноса из концевого низкотемпературного сепаратора.

• разработаны методы и алгоритмы управления созданием и эксплуатации сети ГТМ, включая модуль «Управление нормативно-методической базой ГТМ» и модуль «Управление состоянием природно-технических объектов газотранспортной системы магистральных трубопроводов «Ямал - Торжок»;
• дано технико-экономическое обоснование сети геотехнического мониторинга и управления системы магистральных трубопроводов «Ямал - Торжок».

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертационных работ:

1. Дзюба С.А., Корнюшко В.Ф., Ярыгин Г.А. Принципы построения экспертных систем принятия решений при экологическом мониторинге магистральных газопроводов. // Проблемы теории и практики управления (научно-практическое приложение "Программные продукты и системы", № 4). 2006, 6 с.

Статьи и тезисы докладов:

2. Дзюба С.А., Бабенко А.В., Ярыгин Г.А. Системы производственного экологического мониторинга магистральных газопроводов. // Экономика региона: динамика, трансформация и проблема управления / Сборник научных трудов. – Владимир: ВГПУ, 2004, с.22-28

3. Дзюба С.А., Кутвицкая Н.Б. Анализ технических решений по инженерной защите линейных частей магистральных газопроводов. // В сб. трудов к 20-летию ООО "Ямбурггаздобыча": "Актуальные проблемы и новые технологии освоения месторождений углеводородов Ямала в ХХI веке"– Новый Уренгой: 2004. 154-156 с.

4. Дзюба С.А., Городнов С.С. «Технические решения, направленные на обеспечение надежности транспорта газа по морскому участку системы МГ Бованенково-Ухта (переход через Байдарацкую губу)». // Труды Юбилейной Международной научной конференции памяти В.В. Кафарова «Методы кибернетики в химии и химической технологии». – М.: Изд. МГХТУ им.Д.И.Менделеева, 2004 г., с.203-210.

5. Дзюба С.А., Ярыгин Г.А. Геотехнический мониторинг и управление природно-техническими геосистемами. // Системы и методы обработки и анализа информации: Сборник научных статей / Под ред. С.С. Садыкова, Д.Е. Андрианова – М.: Горячая линия – Телеком, 2005. с. 213-217

6. Дзюба С.А., Корнюшко В.Ф., Ярыгин Г.А. Особенности инженерно-геологических условий по трассе магистрального газопровода Бованенково-Ухта. // Системы и методы обработки и анализа информации: Сборник научных статей / Под ред. С.С. Садыкова, Д.Е. Андрианова – М.: Горячая линия – Телеком, 2005. с.197-204

Подписано в печать 18.12.2004 Формат 60х84/16. Бумага писчая.
Отпечатано на ризографе. Уч.изд.пистов 1,2 Тираж 100 экз. Заказ № ____

Лицензия на издательскую деятельность ИД №03507 (рег. № 003792) код 221

Издательско-полиграфический центр МИТХТ им.М.В.Ломоносова