С. Г.Павлов, С.И.Долгов, Г.С.Ракитина, Л.В.Шершнева, ООО «ВНИИГАЗ», Московская обл., п. Развилка, e-mail: S_Pavlov@vniigaz.gazprom.ru, http://www.vniigaz.ru
Трубопроводы, входящие в состав Единой системы газоснабжения (ЕСГ) ОАО «Газпром», представляют собой сложную территориально-распределённую сеть. Несмотря на то, что по сравнению с другими видами транспорта трубопроводный транспорт является одним из наиболее надёжных, на газо- и продуктопроводах Общества ежегодно происходит до 25-30 аварий, или от 0,18 до 0,2 аварий на 1000 км в год. На протяжении последних 5-7 лет этот показатель остается относительно стабильным. Однако существует ряд предпосылок, свидетельствующих о наличии опасности роста аварийности на трубопроводах ОАО «Газпром».
Во-первых, продолжается старение газотранспортной сети, так как в последние 10-15 лет темпы нового строительства, капитального ремонта и реконструкции газопроводов существенно отставали от темпов их старения. Сегодня у 80% газопроводов срок эксплуатации превышает 20-25 лет.
Во-вторых, освоение нефтегазовых залежей полуострова Ямал, вовлечение в разработку месторождений углеводородов на шельфе северных морей, строительство морских трубопроводов – все это обуславливает появление новых опасностей и угроз, требует внедрения новых не полностью отработанных и опробованных технологий.
В-третьих, на фоне общемирового роста террористических угроз, в последние 5-7 лет на трубопроводах ОАО «Газпром» возросла доля аварий, связанных с диверсионно-террористическими действиями.
Это только некоторые факторы, способные привести к росту аварийности на трубопроводах ОАО «Газпром».
Для контроля за ситуацией и разработки превентивных мер, способных предотвратить рост аварий и обеспечить смягчение их последствий, была разработана и поддерживается в актуальном состоянии Геоинформационная система мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций на объектах ЕСГ ОАО «Газпром» (ГИСАМП «Газ ЧС»).
Описание системы
ЕСГ представляет собой сложную организационно-технологическую структуру. Для ее адекватного отражения в основу ГИСАМП «ГАЗ ЧС» положена интегрированная объектная модель ЕСГ. Она включает разнообразную технологическую, картографическую и атрибутивную информацию о магистральных газопроводах, газопроводах-отводах, компрессорных станциях, объектах добычи, подземного хранения и распределения газа, а также информацию о различных событиях на этих объектах: имевших место авариях, природных и техногенных опасностях, о проведенных ремонтных работах, о диагностических обследованиях и т.п.
Для наиболее полного и всестороннего описания объектов ЕСГ в ГИСАМП «Газ ЧС» предусмотрено представление информации в двух связанных между собой видах: «Функциональная схема» и «Карта» (рис. 1). Вид «Функциональная схема» позволяет отображать технологические взаимосвязи между отдельными элементами газотранспортной сети и ее топологические особенности, однако без географической привязки объектов. Вид «Карта» восполняет этот пробел. В нем те же объекты, что представлены на виде «Функциональная схема», отображены в строгом соответствии с масштабом и географическими координатами. Картографическую основу вида «Карта» составляет векторная карта России масштаба 1:1 000 000. Одни и те же объекты, отображенные в разных видах, связаны между собой посредством уникальных идентификаторов. Это позволяет выделять один и тот же объект (или группу объектов) одновременно в обоих вида, что обеспечивает выполнение перекрестных запросов, а также быстрый поиск объектов в разных видах.
Рис. 1. Рабочее окно системы.
Такой принцип связывания объектов позволяет добавлять и другие виды отображения информации. В частности, кроме упомянутых видов «Функциональная схема» и «Карта», систему можно дополнить видами «Технологические схемы объектов», «Потоковые схемы» и т.п. Это существенно повышает наглядность представления информации и расширяет аналитические возможности системы.
Одной из основных задач ГИСАМП «Газ ЧС» является осуществление пространственного мониторинга природных и техногенных опасностей, а также состояния ЕСГ. Информация такого рода в ОАО «Газпром», как правило, представляется в табличном виде, привязывается к километражу трубопроводов и не имеет географической привязки. В масштабах ЕСГ оперативный анализ информации в таком виде представляет большую сложность. Поэтому в системе были разработаны специальная технология и специальное программное обеспечение, позволяющее привязывать километраж газопроводов к географическим объектам (линиям, точкам) на карте или схеме. Такое представление информации гораздо более наглядно и информативно для пользователя, чем традиционное табличное. Пример с нанесенными на карту и схему местами аварий на газопроводах приведен на рис. 2.
Рис. 2. Представление информации на схеме (слева) и на карте (справа).
Фактически, разработанное программное обеспечение реализует в среде ArcView 3.2 функции работы с системами «линейных координат», включенные в последние версии ArcGIS.
Кроме того, это программное обеспечение позволяет автоматически наносить на схему ЕСГ газопроводы-отводы и обеспечивает возможность агрегирования потребителей газа с учетом их географического размещения и технологических особенностей подключения к магистральным газопроводам. Это важно при решении задач о возможных объемах недопоставки газа при нарушении функционирования отдельных участков ЕСГ в условиях ЧС различного характера.
На сегодня в ГИСАМП «Газ ЧС» представлено более 3,5 тыс. отводов с их техническими характеристиками. Фрагмент функциональной схемы с газопроводами-отводами и атрибутивной базой данных, которая их описывает, представлен на рис. 3.
Рис. 3. Информация о газопроводах-отводах.
Аналитические возможности системы
Аналитические возможности нашей информационной системы достаточно развиты, проиллюстрируем лишь некоторые из них.
Возрастная структура газопроводов на 2005 год изображена на рис. 4. Разными цветами раскрашены нитки газопроводов, попадающие в те или иные возрастные диапазоны: зеленым – газопроводы не старше 10 лет, синим – 10-20 лет, коричневым –20-30 лет, красным – 30-40 лет работы. Эта информация дает возможность исследователю определить места газопроводов, срок службы которых подходит к концу, а также может быть полезна при анализе причин возникновения аварий по тем или иным факторам.
Рис. 4. Возрастная структура газопроводов.
Коррозионные процессы. Результаты проведения пространственно-временного анализа развития коррозионных процессов на газопроводах ОАО «Газпром» показаны на рис. 5-7. Значками в виде молний отмечены участки газопроводов, на которых были зафиксированы аварии, вызванные коррозионным растрескиванием металла труб под напряжением (КРН). На рис. 5 показаны места аварий по причине КРН за разные периоды времени. Даже не специалисты в области коррозии по совокупности таких рисунков могут сделать следующие заключения: количество аварий растет, они смещаются к западу и, скорее всего, скоро пересекут границу России и появятся на Украине.
 |
 |
 |
Рис. 5. Аварии по причине КРН за разные периоды (слева-направо: 1986-1991, 1991-1996 и 1996-2003 годы).
Необходимо отметить, что разработанная нами технология позволяет объединить всю информацию о газопроводах в единой среде, которую предлагают геоинформационные пакеты. Это не только географическая информация, но и технологическая или другая, если есть такая необходимость. Наша технология позволяет организовать отображение технологической информации на географической карте или географических данных на технологических схемах с перекрестными связями. Обеспечена возможность запросов для выполнения наиболее полного, удобного и всестороннего анализа рассматриваемого объекта, получения дополнительных сведений за счёт подключения ранее неиспользуемых источников. Такие возможности расширяют диапазон применения ГИС и выводят их на новый уровень, когда в одной информационной системе может содержаться несколько взаимосвязанных систем. Подобные системы можно называть Географическими Интегрированными системами.
Рабочее окно такой географической интегрированной системы, созданной на основе ГИС конденсатопровода Вутыл-Сосногорск, показано на рис. 6. Географическая информация, показанная на карте, объединена с технологической схемой и профилем трассы, что позволяет осуществлять перекрестные запросы и классификацию объектов (кранов, аварий, участков профиля) по их характеристикам. Красными стрелками показаны взаимные связи между этими объектами. Объединение разноплановой информации в рамках одной системы дает возможность проведения комплексного анализа причин возникновения аварий с учетом большого количества факторов.
Рис. 6. Пример географической интегрированной системы на примере ГИС Вуктыл-Сосногорск.
Оценка пропускной способности
Но всё же главной задачей газотранспортной системы (ГТС) является снабжение газом потребителей. Поэтому на основе собранной в ГИСАМП «Газ ЧС» информации о газопроводах была разработана технология оценки реакции ГТС на возможное снижение пропускной способности газопроводов в результате аварии или чрезвычайной ситуации. Так как система содержит несколько источников и закольцованные участки газопроводов, то самым подходящим методом для моделирования оказался метод графов. На основе функциональной схемы ЕСГ был разработан граф, моделирующий газоснабжение потребителей (рис. 7).
Рис. 7. Граф газоснабжения на основе функциональной схемы.
В качестве источников в графе выступают месторождения и ПХГ, работающие в режиме отбора газа. В режиме закачки эти хранилища выступают в качестве потребителей. В качестве агрегированных потребителей выступают газопроводы-отводы, осуществляющие подачу газа до газораспределительных станций (ГРС). Ребрами графа являются агрегированные газопроводы, проложенные в одном газотранспортном коридоре и транспортирующие газ в одном направлении. Пропускная способность ребра графа зависит от общей пропускной способности газопроводов, составляющих это ребро. На рис. 8 изображено ребро графа, нитки газопроводов, образующих это ребро, и газотранспортный коридор с этими же газопроводами на карте.
Рис. 8. Граф газоснабжения, связанный с картой газопроводов и таблицей соединений.
Необходимо отметить, что разработка графа, моделирующего ЕСГ, оказалась, по сути, очень похожа на разработку карты коридоров газопроводов. Коридоры газопроводов проходят аналогично ребру графа, так как содержат газопроводы, идущие вместе в одном направлении от одной узловой точки до другой (компрессорные станции (КС), крановые узлы). Для идентификации ребер графа был использован ранее разработанный механизм идентификации газотранспортных коридоров.
Для моделирования потребителей, принадлежащих одному ребру, все отводы от газопроводов, составляющих данное ребро, агрегировались в один корневой отвод. Для отображения корневых отводов использовался ранее разработанный механизм автоматизированного нанесения газопроводов-отводов на функциональную схему. При этом автоматически формировалась связь между агрегированным корневым отводом на графе и группой составляющих его газопроводов-отводов на функциональной схеме. Для автоматического формирования связей между ребрами графа была разработана специальная программа.
Оптимизация потока при авариях и ЧС
Следующим этапом работ после автоматизированного формирования расчетного графа явилась разработка программного обеспечения для решения задачи оптимизации потока в сети в зависимости от условной цены (условная цена – это критерий оптимизации) при ограничении пропускных способностей на отдельных ребрах графа. То есть, была обеспечена возможность моделирования реакции ГТС на возникновение ЧС, которая выражается в недопоставках газа потребителям.
Аварии на газопроводах, приводящие к снижению пропускных способностей на аварийных участках, создают угрозу снижения поставок газа потребителям, располагающимся в сети за аварийным участком. Для выявления этих потребителей используется следующий алгоритм. Источник возмущения помещается на ребро графа, на котором моделируется авария. Снижение пропускной способности ребра в результате аварии определяет параметры источника возмущения. С учетом возникшего возмущения выполняется программа расчёта потока для локального участка сети и определяются потребители, для которых существует угроза снижения поставок газа.
Пример определения зоны влияния гипотетической аварии в районе компрессорной станции Мышкино на участок газотранспортной сети и перечня потребителей, которым может быть недопоставлен газ, иллюстрирует рис. 9. Красным цветом показана зона влияния аварии, в колонке «Поток» таблицы «Атрибуты Поток» приведено возможное снижение потока по отдельным участкам, а в таблице «Отводы» – список потребителей, для которых существует угроза нарушения газоснабжения.
Рис. 9. Определение потребителей, для которых существует угроза недопоставки газа в результате ЧС.
Однако следует учитывать, что ЕСГ в силу присущих ей системных свойств обладает значительными компенсационными возможностями, реализуемыми через перераспределение потоков газа во всей сети. Для того чтобы понять, можно ли скомпенсировать недопоставку газа за счет дополнительной загрузки других участков сети, надо выполнить полный расчет потока с измененными характеристиками аварийного ребра графа.
Новый перераспределенный поток будет реакцией сети на возмущение, вызванное аварией. Этот поток определяет состав потребителей, у которых возникнет недопоставка газа, и объемы этих недопоставок. Следует отметить, что в зависимости от экономической, социальной, политической и т.п. значимости снижение поставок газа могут испытать потребители, находящиеся далеко за пределами зоны влияния аварии в любой точке сети. По существу, разработанный алгоритм позволяет оценить устойчивость функционирования ЕСГ в условиях внешних дестабилизирующих воздействий. Источниками таких воздействий могут являться природные и техногенные опасности, противоправные действия физических лиц, диверсии и вооруженные конфликты, и т.д. Особый интерес представляет исследование влияния природных и техногенных опасностей на устойчивость функционирования ЕСГ.
Построив граф на основе функциональной схемы и связав ребра графа с конкретными газопроводами, которые имеют точное территориальное позиционирование, мы, фактически, получаем возможность привязки потока к географической карте. Это открывает широкие возможности для исследования влияния различных природных и техногенных факторов на устойчивое газоснабжение потребителей.
В настоящее время в ГИСАМП «Газ ЧС» включены сведения об объектах техносферы и природных феноменах, способных привести к нарушению функционирования объектов ЕСГ. Это подводные переходы, пересечения с автомобильными и железными дорогами, нефтепроводами, объекты других отраслей и социально-бытовой сферы, находящиеся в опасной близости от газопроводов, зоны повышенной сейсмоопасности, карстообразования, катастрофических затоплений и т.д. Для повышения надежности поставок газа необходимо перераспределить поток по наиболее безопасным транспортным направлениям. Оценка влияния каждого потенциально опасного объекта на общую целевую функцию опасности для газопроводов – это тема отдельного исследования. Однако можно предположить, что при выборе наиболее безопасной трассы потока предпочтение должно отдаваться участкам с минимальным количеством пересечений с опасными объектами.
Поскольку в ГИСАМП «Газ ЧС» существует связь между ребрами графа и участками газопроводов, есть возможность при формировании «цены» для каждого ребра учесть наличие для него потенциальных опасностей. Это делается автоматически с помощью специально разработанной программы. На рисунке 8 под видами «Функциональная схема» и «Карта» показан фрагмент таблицы, содержащей для каждого ребра графа информацию о количестве аварий, пересечений с железными и автомобильными дорогами, реками. На основании этой информации формируется «цена», характеризующая уровень опасности для каждого ребра графа. Используя эти «цены», программа в процессе расчета будет искать наиболее безопасный путь для потока.
Примеры распределения потока по сети без учета потенциальных опасностей и с их учетом показаны на рис. 10, где цветом отображена степень загрузки участков ЕСГ. Красный цвет соответствует загрузке 90-100%, зеленый 60-90%, синий 60-40%, коричневый 20-40%, сиреневый до 20 % и черный цвет соответствует незагруженному ребру. Результаты расчетов показывают, что при учете потенциальных опасностей распределение потока меняется.
 |
 |
Рис. 10. Распределение потока газа по сети ЕСГ: а) без учета и б) с учетом потенциальных опасностей.
Заключение
Геоинформационные системы являются одним из наиболее удобных инструментов для сбора, подготовки и обработки пространственных данных, необходимых при анализе и моделировании деятельности территориально-распределенных компаний.
В настоящее время Геоинформационные системы перерастают в нечто большее, чем традиционные системы, снабжающие пользователей географически привязанной информацией. Они становятся интегрированными системами, которые аккумулируют технологическую, географическую, атрибутивную и любую другую информацию, обеспечивают ее анализ и наглядную визуализацию на картах и технологических схемах.
Комплексный подход при сборе, систематизации и отображении информации, который обязателен при формировании геоинтегрированных систем, позволяет исследователю определять связи и закономерности, которые трудно выявить при помощи традиционных информационных технологий. В приложении к проблемам надежности поставок газа такой подход даёт возможность при распределении газа учитывать, кроме товарно-транспортной работы, природные и техногенные опасности и препятствия на пути газового потока. А это способствует повышению надежности всей системы газоснабжения.
