Задачи моделирования и управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса

Стремительное развитие технологий в последние десятилетия привело к качественному изменению характера воздействия человеческой деятельности на среду обитания. Негативные последствия вмешательства человека в окружающую среду проявляются во всех ее компонентах. Серьезному разрушению подвергается как живая, так и неживая природа. Самим ярким примером последнего времени является экологическая катастрофа на Аральском море. В настоящее время речь идет уже о глобальных изменениях окружающей среды, возможные последствия которых представляют серьезную угрозу будущему человечества.

Поскольку все природные компоненты связаны между собой в единой экосистеме, нарушения любого из них приводят к цепной реакции, и в результате зачастую происходит необратимая деградация среды обитания. Это, в свою очередь, самым негативным образом влияет на здоровье людей.

Наиболее сильное воздействие на окружающую среду оказывают такие отрасли, как топливно-энергетический комплекс, горнодобывающая промышленность, металлургия, химическая промышленность.

Серьезные усилия в области охраны окружающей среды на государственном и межгосударственном уровне начали предприниматься с 5060 гг. XX века, когда была осознана серьезность проблемы и необратимость многих негативных процессов. В связи с этим во всех развитых странах была создана и продолжает совершенствоваться широкая нормативная база природоохранной деятельности, например, в США за последние 50 лет было принято более 30 федеральных законов в этой области. Часть этих законов непосредственно регулирует вопросы, связанные с деятельность нефтегазового комплекса [15].

Основные принципы международного сотрудничества в области охраны окружающей среды [2] изложены в «Декларации по окружающей среде и развитию», которая была принята участниками конференции ООН, состоявшейся в июне 1992 г. в Рио-Де-Жанейро. На этой конференции также была подписана «Рамочная конвенция ООН об изменении климата», на ее основании в 1997 г. был принят Киотский протокол, направленный на сокращение выбросов в атмосферу так называемых «парниковых газов», в первую очередь СОг и метана. По мнению большинства специалистов, повышением концентрации этих газов в атмосфере вызваны глобальные изменения климата и связанный с ним рост частоты природных катаклизмовнаводнений, засух, ураганов, селей.

В Российской Федерации основой законодательства в области охраны окружающей среды являются:

Закон РФ «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002; Федеральный Закон «Об охране атмосферного воздуха» от 04.05.1999; Федеральный Закон «О санитарно-эпидимиологическом благополучии населения» от 30.03.1999;

Федеральный Закон «Водный кодекс РФ» от 16.11.1999;

Федеральный Закон «Об отходах производства и потребления от 24.06.1998.

В данных законах определены основные задачи и механизмы проведения природоохранной деятельности на территории РФ.

Основными направлениями деятельности по охране окружающей среды являются: разработка и внедрение новых технологий, снижающих уровень негативного воздействия человеческой деятельности на окружающую средусоздание средств очистки промышленных и коммунальных выбросовсоздание технологий восстановления нарушенных компонентов природной средыразработка и проведение мероприятий по комплексному контролю источников воздействия и состояния окружающей среды, включая сбор, обработку и анализ результатов такого контроля. Обеспечение экологической безопасности функционирования промышленных предприятий решается в России, как на государственном уровне[19], так и на уровне предприятий-природопользователей.

В задачи государства входит комплексный контроль природоохранной деятельности предприятий и их негативного воздействия на окружающую среду, а также — государственный экологический мониторинг: система наблюдений оценки и прогноза состояния окружающей среды.

Государственный экологический мониторинг в Российской Федерации проводится силами Росгидромета, Министерства природных ресурсов, Госсанэпиднадзора, а также органов местной исполнительной власти.

В задачи предприятий-природопользователей входит проведение производственного экологического контроля, включающего полный комплекс работ по обеспечению экологической безопасности предприятия, в том числе контроль источников негативного воздействи на окружающую среду, а такжеконтроль состояния компонентов природной среды (атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почвенного и растительного покрова и пр.) в зонах влияния промышленных объектов.

Обязательность производственного экологического контроля, изучаемого в настоящей диссертации, декларируется статьями 64 и 67 закона РФ «Об охране окружающей среды».

Таким образом, создание на предприятиях современных систем управления экологической безопасностью является актуальной научно-технической задачей.

Актуальность.

Предприятия нефтегазового комплекса отличаются масштабностью воздействия на окружающую среду. Все стадии обработки углеводородного сырья — его добыча, транспортировка и переработка характеризуются неизбежными плановыми выбросами и сбросами загрязняющих веществ, а также опасностью аварийных выбросов в атмосферу и утечек в водную среду. Кроме того, объекты нефтегазового комплекса отличаются высокой пожарои взрывоопасностью. Последствия аварий на таких объектах могут быть очень тяжелыми. В такой ситуации комплексный контроль и управление экологической безопасностью предприятий и промышленных объектов становится насущной необходимостью.

Задачи контроля источников загрязнения окружающей среды, ее состояния, оценки и прогноза развития экологической обстановки в окрестностях промышленных объектов возлагаются на системы управления экологической безопасностью предприятий.

Необходимым элементом этих систем является информационное и программное обеспечение, позволяющее оперативно оценивать экологическую ситуацию на предприятии и прилегающей территории исходя из текущих результатов измерений и уровней загрязнения природной среды. Важнейшим инструментом решения стоящих перед данными системами задач является математическое моделирование развития экологических процессов. При этом вычислительная реализация моделей требует использования аппарата современных геоинформационных систем. Таким образом, разработка математических моделей и алгоритмов оценки и прогнозирования экологической ситуации применительно к задачам систем управления экологической безопасностью, а также создание необходимых для работы этих моделей информационных технологий и программных средств является актуальной научной задачей. Диссертация посвящена вопросам информационной поддержки принятия управленческих решений по обеспечению экологической безопасности предприятий нефтегазового комплекса, разработке методов и алгоритмов, математического и программного обеспечения контроля и управления экологической обстановкой. Диссертационная работа выполнена в соответствии с исследованиями в рамках проблем РАН 2.4.5. «Сложные технические системы и информационно-управляющие комплексы», 3.3 «Системы автоматические, математические методы, исследования сложных управляющих систем и процессов, САЬЗ-технологии», а также Программ № 14 и № 16 отделения ЭММПУ РАН «Проблемы анализа и синтеза модульных интегрированных технических и социальных систем управления».

Целями работы являются разработка и исследование информационных технологий решения задач оценки и прогнозирования экологической обстановки в системах управления экологической безопасностьюисследование, разработка, алгоритмическая и программная реализация моделей распространения промышленных загрязнений в воздушной и водной средесоздание моделирующих программных комплексов, обеспечивающих решение этих задач с применением унифицированных средств геоинформационной поддержкипрактическое внедрение созданных программных средств в системах управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса. Научная новизна.

В работе получены следующие новые научные результаты: проанализированы модели переноса загрязнений в атмосфере, разработаны новые модели данного класса применительно к задачам систем управления экологической безопасностью, в частности — модель распространения загрязнений после залпового выброса и модель оценки полей загрязнений по данным измерений в подфакельной зоне, модель рационального выбора точек проведения дополнительных измерений для уточнения экологической обстановкиисследованы задачи систем управления экологической безопасностью применительно к организации контроля и оценки состояния водных объектов в зонах влияния промышленных объектов. Предложен алгоритм декомпозиции речной сети, принимающей промышленные стоки, а также модели оценки и прогноза качества речных вод при стационарных залповых сбросах на основании измерительных данныхразработаны принципы построения, архитектура и технология функционирования геоинформационно-моделирующих комплексов (ГМК) в составе систем управления экологической безопасностью, разработаны алгоритмы программной реализации предложенных моделей в составе ГМК. Практическая значимость.

Разработанные в диссертации модели, алгоритмы, программы оцеыки и прогноза экологической обстановки и созданный для их реализации ГМК ориентированы на практическое применение в системах управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса.

Разработанный ГМК и его модельное наполнение функционируют в режиме промышленной эксплуатации в составе системы управления экологической безопасностью Астраханского газохимического комплекса ООО «Астраханьгазпром», системы производственного экологического мониторинга экспортного газопровода Россия-Турция «Голубой поток», системы производственно-экологической безопасности Оренбургского газохимического комплекса ООО «Оренбурггазпром». В данных системах внедрены следующие результаты диссертационной работы: комплекс математических моделей распространения загрязняющих веществ в атмосфере применительно к задачам, решаемым в системе управления экологической безопасностьюматематические модели и алгоритм расчета распределений концентрации загрязнений в речной сетиразработана архитектура, технология функционирования и алгоритм работы ГМК как элемента системы управления экологической безопасностьюинформационное и программное обеспечение ГМК на базе современных ГИС-технологий.

Апробация.

Результаты работы докладывались и обсуждались на:

V Международной научно-практической конференции «Проблемы управления качеством окружающей среды» (Москва, 2001) — 11 -Международной деловой встрече «Диагностика 2001». (Тунис, 2001) — Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (Пенза, 2001) — 4-Международном рабочем совещании «Роль геодинамики в решении экологических проблем развития нефтегазового комплекса» (С.-Петербург. 2003);

Международной научно-практической конференции «Теория активных систем «(Москва, 2003);

Материалы международной научной конференции «Проблемы регионального и муниципального управления» (Москва, 2004) — 11 и 12 Международных конференциях «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва. 2003;2004). Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и Приложения.

Заключение

.

Диссертационная работа посвящена решению задач контроля и оценки экологической обстановки в системах управления экологической безопасностью промышленных объектов применительно к предприятиям нефтегазового комплекса РФ. В работе получены следующие основные результаты:

1. На основании анализа задач, стоящих перед системами управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса, сформулированы основные требования к математическим моделям оценки и прогнозирования экологической ситуации на промышленных объектах и в зонах их влияния, а также — к средствам их реализации. Рассмотрены основные проблемы и особенности математических моделей распространения загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и поверхностных водах. Поставлены проблемы и задачи повышения эффективности моделирования и управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса.

2. Изучены задачи систем управления экологической безопасностью, связанные с контролем, оценкой и прогнозированием экологической обстановки в воздушном бассейне в окрестностях промышленных объектов. Предложены модели и алгоритмы оценки распространения загрязнений в атмосферном воздухе: модели и алгоритмы оценки экологической ситуации при залповых выбросах загрязняющих веществ в атмосферу в предположении об однородных метеоусловиях и с учетом неоднородности метеорологических условийметодика и алгоритм оценки экологической обстановки по данным измерений уровней загрязнения и метеорологических параметров, выполняемых в подфакельной зоне измерительными средствами системы управления экологической безопасностью — методика выбора точек дополнительных измерений с целыо уточнения экологической обстановки на территории. Выполнена программная реализация предложенных алгоритмов в составе геоинформационно-моделирующего комплекса.

3. Исследованы методы контроля и управления состоянием водной среды в зонах влияния промышленных объектов. Рассмотрены основные процессы и модели распространения загрязнений в поверхностных водах. Поставлены задачи оценки и прогнозирования качества речных вод в системах управления экологической безопасностью. Построены методики и алгоритмы оценки распространения загрязнений в поверхностных водах: модели и алгоритмы оценки прогноза качества вод в речной сети, принимающей промышленные стоки, на участке сброса и в зоне влияния предприятия на основании данных производственного экологического контроля сточных и поверхностных водматематическая модель и алгоритм оценки экологических последствий залповых сбросов загрязняющих веществ в речную сеть вследствие аварийных ситуацийматематическая модель и алгоритм оценки распространения загрязнений в речной сети в зонах множественных сбросов промышленных сточных вод. Разработаны программные модули геоинформационо-моделирующего комплекса, реализующие предложенные модели.

4. Разработана архитектура геоинформационно-моделирующего комплекса, решающего в системе управления экологической безопасностью задачи математического моделирования экологических процессов на картографической основе. Выполнена программная реализация геоинформационно-моделирующего комплекса и интеграция в него созданных в работе программ оценки и прогноза экологической ситуации.

5. Изучена общая структура систем управления экологической безопасностью, включающая информационно-измерительную сеть, выполняющую измерения и наблюдения за параметрами экологической обстановки, подсистему передачи данных и информационно-управляющую подсистему, обеспечивающую накопление, хранение, комплексную обработку и представление данных. Рассмотрена структура информационного ядра системы — Центра производственно-экологической безопасности промышленного предприятия. Предложена технология решения задач математического моделирования в системе управления экологической безопасностью.

6. Разработанные в диссертации модели и алгоритмы оценки и прогнозирования экологической обстановки, а также — программные средства и информационные технологии внедрены и успешно функционируют в системах управления экологической безопасностью крупнейших газоперерабатывающих предприятий России — Астраханского и Оренбургского газохимимческих комплексов, а также — уникального экспортного газопровода РоссияТурция «Голубой поток» .