Выбор варианта восстановления систем инженерного обеспечения объектов и населенных пунктов при авариях

О. А. Сотникова, доктор техн. наук, профессор;

А. И. Колосов, канд. техн. наук, ассистент, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

 

В последние годы дефицит бюджета большинства го-родов России оказывает негативное влияние на техническое состояние систем инженерного обеспечения и, как следствие, на рост их аварийности. (Под системами инженерного обеспечения в рамках данной статьи понимаются системы тепло- и газо-снабжения.) Возрастает количество аварий, обусловленных не только моральным и физическим износом технических фондов таких систем, но и аварий, вызванных внешними механическими воздействиями (до 50 % от их общего количества): ежегодно в мире происходит примерно 10 тыс. наводнений, свыше 100 тыс. землетрясений, многочисленные пожары, оползни и т. п.

Главная особенность возникновения аварий на системах теплоснабжения – масштаб последствий, затрагивающих население, окружающую природную среду и экономические структуры.

Независимо от причины возникновения аварии обеспечение качественного теплогазоснабжения, в первую очередь, должно быть направлено на снижение периода времени послеаварийного восстановления.

Любая система инженерного обеспечения состоит из большого числа отдельных блоков, агрегатов, узлов и элементов. Под воздействием внешних (механических воздействий и т. п.) и внутренних (давления транспортируемого продукта и т. п.) факторов могут возникнуть отказы любого из элементов, что, в свою очередь, приведет к возникновению аварии и остановке подачи продукта (теплоносителя или газообразного топлива) потребителям.

В настоящее время прогнозирование аварий систем теплогазоснабжения производится исходя из вероятности безотказной работы всех элементов систем. Вместе с тем есть примеры более точного прогнозирования путем моделирования напряженно-деформированного состояния элементов систем с учетом изменения их прочностных характеристик в процессе эксплуатации [1, 2]. Такое прогнозирование степени разрушения систем теплогазоснабжения при различных видах и интенсивности внешних воздействий позволит предварительно (до возникновения аварии) проработать различные варианты послеаварийного восстановления и выбрать из них наиболее целесообразный, а также, например, обосновать состав парка необходимых машин и механизмов. Это повысит эффективность работы аварийно-восстановительных служб и позволит восстановить системы теплогазоснабжения при различных интенсивностях внешних воздействий в максимально короткие сроки.

Возможны три варианта сценария деятельности аварийно-восстановительных служб (рис. 1):

Рисунок 1 (подробнее)   Динамика состояний систем теплогазоснабжения в результате внешних механических воздействий: а) без осуществления мероприятий по предотвращению аварий; б) с осуществлением мероприятий по полному предотвращению аварий; в) с осуществлением мероприятий по снижению масштабов разрушений от аварий

Без осуществления превентивных мероприятий по предотвращению аварий. Здесь внешнее механическое воздействие приводит к возникновению аварии, на ликвидацию которой и приведение систем теплогазоснабжения к нормальному режиму работы требуются материально-технические, трудовые и временные затраты (1).

С осуществлением превентивных мероприятий по полному предотвращению аварий. Этому варианту соответствуют материально-технические, трудовые и временные затраты (2).

С осуществлением превентивных мероприятий по снижению масштабов разрушений. Данному варианту соответствуют материально-технические, трудовые и временные затраты (3 и 4).

Общие материально-технические, трудовые и временные затраты, требующиеся во 2 и 3 случаях, должны быть меньше аналогичных затрат 1 случая, иначе проведение мероприятий теряет смысл.

Расчеты по минимизации периода времени послеаварийного восстановления систем теплогазоснабжения и потерь в материальном и денежном эквиваленте предлагается осуществлять в три этапа:

1. Прогнозирование степени разрушения систем теплогазоснабжения.

2. Формирование мероприятий по предотвращению аварий или снижению масштабов разрушений.

3. Выбор наиболее эффективных вариантов послеаварийного восстановления.

Первый этап – прогнозирование степени разрушения систем тепло-газоснабжения от внешних механических воздействий – предлагается, в свою очередь, выполнить в шесть этапов:

• формирование баз исходных данных по внешним разрушающим воздействиям и системам ТГС на рассматриваемой территории;

• выбор сценариев развития аварии;

• выбор математических моделей для прогнозирования масштабов аварий по выбранному сценарию;

• формирование баз исходных данных для реализации выбранных математических моделей;

• проведение численного эксперимента по прогнозированию масштабов аварий на объектах систем ТГС;

• оценка достоверности результатов прогнозирования масштабов аварий на объектах систем ТГС.

Второй этап моделирования основан на использовании результатов, полученных в ходе первого этапа моделирования, и включает в себя формирование мероприятий, направленных на исключение возникновения предельного напряженного состояния трубопроводов систем теплогазоснабжения в результате возникновения внешних механических воздействий с целью полного предотвращения аварий или снижения масштабов разрушений.

Третий этап – сравнение альтернативных вариантов послеаварийного восстановления систем теплогазоснабжения и выбор наиболее эффективного из них.

Действующие на сегодняшний день нормативные документы и методики [3, 4 и др.] устанавливают порядок разработки, утверждения и пересмотра плана локализации и ликвидации аварий, регламентируют лишь общие положения, процедуру расчета и порядок количественной оценки экономического ущерба. Представляется целесообразным решение задач выбора варианта послеаварийного восстановления систем теплоснабжения осуществлять путем расчета комплекса из трех составляющих (трех функций): функции потерь, функции расходов и функции доходов.

Значения пределов удельных потерь для магистральных газопроводов

Категории обслуживания Пределы значений Су, руб./м3 Су min Су max При обслуживании газопроводами экономически развитых районов 0,79 0,81 При транспортировке газа (или его части) в страны ближнего зарубежья 0,81 0,83 В остальных случаях 0,76 0,79

Сущность и порядок формирования составляющих данного комплекса таковы, что он может быть адаптирован для любой системы (например, системы тепло- или газоснабжения) и любого вида внешнего механического воздействия [5, 6].

Функция потерь представляет собой возможный ущерб (в денежном эквиваленте) окружающей среде и потребителям в результате прекращения подачи продукта (теплоносителя или газообразного топлива).

Функция расходов представляет собой совокупность расходов (в денежном эквиваленте) на восстановление систем инженерного обеспечения и осуществление мероприятий по предотвращению аварий.

Функция доходов представляет собой возможный выигрыш

(в денежном эквиваленте), обусловленный успешностью прогнозирования степени разрушения систем инженерного обеспечения и предварительным осуществлением мероприятий по предотвращению аварий.

Совершенно очевидно, что все три эти величины зависят от интенсивности внешних механических воздействий на системы инженерного обеспечения. Кроме того, для каждого вида внешних механических воздействий возможны различные альтернативные варианты восстановления. При этом каждый альтернативный вариант будет характеризоваться своими значениями функций потерь, доходов и расходов.

Расчет функции потерь

Максимально возможные потери в денежном эквиваленте L_мах возникают в результате реализации наиболее неудачного варианта восстановления систем инженерного обеспечения и/или без предварительных дополнительных затрат на предотвращение возникновения аварии.

Предотвращенные потери в денежном эквиваленте представляют собой разность  между максимально возможными и непредотвращенными потерями.

Под непредотвращенными потерями L_н в денежном эквиваленте понимается сумма ущерба, нанесенного окружающей среде, зданиям и сооружениям различного назначения, в результате гибели людей, вследствие прекращения подачи продукта систем инженерного обеспечения потребителям, от выхода продуктов транспортировки в атмосферу.

Непредотвращенные потери L_н можно оценить следующим образом:

(1)

где L_окр – потери, наносимые окружающей среде, включая потери, наносимые зданиям и сооружениям различного назначения;----

L_пот – потери от выхода транспортируемого продукта в атмосферу;

Q_пk – количество транспортируемого продукта, недопоставленное потребителям по причине возникновения аварии, т;

C_уk – значение удельных потерь на единицу недопоставленного потребителям продукта, руб./т;

k_и – коэффициент индексации.

Определение величин L_окр и L_пот может быть выполнено с помощью известных утвержденных методик и рекомендаций. В то же время, существующие методические рекомендации и нормативные документы для определения потерь в результате гибели людей вследствие прекращения подачи продукта систем инженерного обеспечения потребителям достаточно громоздки и зачастую требуют создания и постоянного мониторинга базы данных весьма и весьма значительного масштаба.

Для возможности укрупненной оценки непредотвращенных потерь в денежном эквиваленте нами были предложены значения удельных потерь от недопоставки потребителям продукта (теплоты или газообразного топлива) и потерь в результате гибели (травматизма) людей, пропажи их без вести и т. п.

Для этого было проведено обобщение информации по 59 авариям на тепловых сетях и 34 авариям на магистральных газопроводах (вне зависимости от причины их возникновения). Затем методом минимаксных оценок были определены удельные потери C_у на единицу транспортируемого продукта. Результаты представлены на рис. 2 и в таблице. Необходимо отметить, что приведенные в таблице и на рис. 2 значения выражены в ценах июля 2006 года, поэтому для любых других периодов временных расчетов необходимо использовать соответствующие коэффициенты индексации k_и.

Расчет функции расходов

Расходы Р, возникающие в процессе восстановления, а также в результате принятия предварительных мер по предотвращению возникновения аварии, можно рассчитать следующим образом:

Р = Р_восст + Р_р.з, (2)

где Р_восст – затраты, возникающие непосредственно при восстановлении системы теплогазоснабжения;

Р_р.з – затраты, возникающие в результате реализации защитных мер, направленных на предотвращение возникновения аварии системы теплогазоснабжения.

Расчет функции доходов

Доходы D, возникающие в результате реализации конкретного варианта процесса восстановления и приведения систем теплоснабжения в работоспособное состояние, могут быть определены таким образом:

D = L_max – L_Н – P.   (3)

Ниже представлен пример результатов численного расчета выбора вариантов восстановления системы газоснабжения после аварии, вызванной паводковым наводнением высокой интенсивности (на примере участка магистрального газопровода высокого давления, проложенного вблизи сел Староникольское и Семидесятное Воронежской области). Газ транспортируется от компрессорной станции (КС) к газораспределительной станции (ГРС), расположенной вблизи села Староникольское (рис. 3).

Рисунок 2. Зависимость удельных потерь в результате недопоставки теплоносителя от температуры воды в подающей магистрали тепловой сети

Участок магистрального газопровода протяженностью 4 200 м проложен подземно и частично надземно на отдельно стоящих опорах. Последнее обусловлено наличием вблизи трассы болотистой местности, а также высоким уровнем стояния подземных грунтовых вод. Давление газа на рассматриваемом участке Р = 5,9 МПа.

Геофизическими изысканиями определена коррозийная активность грунтов по трассе газопровода – средняя и высокая. Блуждающие токи по трассе газопровода не зарегистрированы. Рельеф местности спокойный.

В случае резкого потепления в весенний период года по существующим прогнозам уровень поднятия воды может резко увеличиться и достигнуть критической отметки, что может привести к разрушениям магистрального трубопровода и возникновению аварийной ситуации.

После произведенных расчетов были определены места на магистральном газопроводе, находящиеся в предельном напряженном состоянии вследствие воздействия на него паводковых наводнений. Это участки газопровода на расстоянии около 2 м от неподвижных опор газопровода. Здесь максимальный изгибающий момент превышает допустимые значения, определяемые условием прочности в заданном сечении газопровода. 

Разработка альтернативных вариантов восстановления магистрального газопровода при авариях

На магистральном газопроводе могут быть два направления развития аварии:

1) без взрыва или возгорания газовоздушной смеси;

2) со взрывом или возгоранием газовоздушной смеси.

Необходимо рассмотреть возможные варианты послеаварийного восстановления участков магистрального газопровода вследствие воздействия на него паводковых наводнений, а также рассчитать возможные потери, расходы и доходы в каждом конкретном случае.

Предлагается рассмотреть четыре варианта процесса приведения магистрального газопровода в работоспособное состояние:

1 вариант. Дождавшись спада уровня воды до отметки, позволяющей полностью ремонтировать магистральный газопровод (отм.+108,5 м), провести ряд мероприятий по замене разрушившихся участков и приведению магистрального газопровода в работоспособное состояние.

2 вариант. Дождавшись спада уровня воды до отметки, позволяющей только частично ремонтировать магистральный газопровод (отм.+110,0 м), провести ряд мероприятий по замене разрушившихся участков и приведению магистрального газопровода в работоспособное состояние, предварительно смонтировав чугунные утяжелители с помощью водолазов и установив газопровод на проектные отметки.

Рисунок 3. Схема расположения объектов системы транспортировки газа

3 вариант. Не дожидаясь спада уровня воды до отметки, позволяющей ремонтировать магистральный газопровод, произвести ряд мероприятий с помощью водолазов, а именно: смонтировать утяжелители на газопровод под водой и уложить газопровод в проектное положение, демонтировать разрушившиеся участки труб и смонтировать новые с проведением необходимых контрольных работ.

4 вариант. Провести ряд работ по разработке грунта экскаваторами и отводу воды для спада ее уровня до отметки, позволяющей ремонтировать магистральный газопровод. Затем произвести работы по замене разрушившихся участков и приведению магистрального газопровода в работоспособное состояние. Затраты на восстановление в денежном эквиваленте в данном случае будут представлены как С₄; потери  в денежном эквиваленте L₄; время с момента отключения подачи газа потребителям до возобновления подачи будет равно t₄.

В 4 варианте рассмотрено несколько способов (а, б, в, г, д, е) разработки грунта с помощью разного количества экскаваторов и автомобилей-самосвалов.

На рис. 4 и 5 представлена графическая иллюстрация результатов расчета предотвращенных и непредотвращенных потерь, затрат на восстановление и затрат времени на ликвидацию последствий аварии для рассмотренных вариантов восстановления магистрального газопровода.

Анализ приведенных результатов позволяет сделать вывод, что при реализации четвертого варианта восстановления магистрального газопровода для обоих сценариев развития (с взрывом и возгоранием газовоздушной смеси или без них) непредотвращенные потери составляют наименьшее значение (12,41 млн руб. – для сценария развития без взрыва и возгорания газовоздушной смеси и 12,57 млн руб. – для сценария развития с взрывом и возгоранием газовоздушной смеси). А предотвращенные потери достигают наибольших значений (34,4 млн руб. – для обоих сценариев развития аварии) по сравнению с другими вариантами восстановления. Однако следует отметить, что этот вариант восстановления требует использования значительного количества строительных машин (экскаваторов и самосвалов), что не всегда может быть реализовано на практике.

Максимальные потери в денежном эквиваленте от возникновения аварии на магистральном газопроводе, вследствие воздействия на него паводковых наводнений, составляют L_max ≈ 46,81 млн руб. с учетом затрат на восстановление. Они возникают в результате реализации первого варианта проведения аварийно-восстановительных работ.

Таким образом, представленные на рис. 4 и 5 результаты расчетов помогают выбрать наиболее эффективные варианты восстановления магистрального газопровода по результатам сравнения, исходя из имеющейся материально-технической базы. С другой стороны, расчеты дают возможность выполнить и обратную задачу: предварительно спланировать материально-техническую базу аварийно-восстановительных служб (сформировать парк автотранспорта и необходимый штат квалифицированных сотрудников).

Рисунок 4. Значения предотвращенных Lп и непредотвращенных Lн потерь, расходов на восстановление P и времени восстановления t для различных вариантов процесса восстановления магистрального газопровода (авария без взрыва газовоздушной смеси)

Рисунок 5. Значения предотвращенных Lп и непредотвращенных Lн потерь, расходов на восстановление Р и времени восстановления t для различных вариантов процесса восстановления магистрального газопровода (авария с последующим взрывом газовоздушной смеси)

Литература

1. Мелькумов В. Н., Сотникова О. А., Колосов А. И. Прогнозирование разрушений линейной части систем теплогазоснабжения при экстраординарных воздействиях // Оценка риска и безопасность строительных конструкций: Тезисы докладов первой международной научно-практической конференции. – Воронеж, 2006. – Том 1.

2. Алешин В. В., Селезнев В. Е. и др. Численный анализ прочности подземных трубопроводов. – М. : Едиториал УРСС, 2003.

3. РД 09–536–03. Методические указания о порядке разработки плана локализации и ликвидации аварийных ситуаций на химико-технологических объектах (Утв. постановлением  Госгортехнадзора России от 18 апреля 2003 г. № 14).

4. РД 03–496–02. Методические рекомендации по оценке ущерба от аварий на опасных производственных объектах (Утв. постановлением

Госгортехнадзора РФ от 29 октября 2002 г. N 63).

5. Колосов А. И., Сотникова О. А. Моделирование процесса управления восстановлением инженерных систем и сооружений при экстраординарных воздействиях // Известия Тульского гос. ун-та. – (Сер. «Строительство, архитектура и реставрация»). – 2006. – Вып. 9.

6. Колосов А. И. Прогнозирование степени разрушения и разработка методики выбора вариантов восстановления систем теплогазоснабжения при авариях // Автореф. дис. канд. техн. наук. – Воронеж, ВГАСУ, 2007.