Проявление экологических рисков в газовой промышленности в виде аварийных выбросов и утечек природного газа в воздушную среду возможно при следующих обстоятельствах: в процессе бурения и/или эксплуатации газовых скважин; при отклонениях в ходе технологических процессов подготовки газа к дальней транспортировке; нарушении правил технической эксплуатации газопроводов; механических повреждениях, дефектах и коррозии трубы и газового оборудования; браке строительно-монтажных работ и т.д. Другое проявление экологических рисков в газовой промышленности связано с попаданием в воздушную среду продуктов горения природного газа в виде оксидов углерода (оксид и диоксид углерода), оксидов азота (оксид и диоксид азота), диоксида серы и бенз(а)пирена, что происходит при функционировании газофакельных установок, компрессорных станций, а также при производстве комплекса работ, связанных с обустройством и эксплуатацией месторождений природного газа [Андреев и др., 2011].
Насколько опасно воздействие природного газа и продуктов его горения на человека? Какие имеются гигиенические нормативы, позволяющие контролировать загрязнение воздушной среды данными веществами?
Риск воздействия природного газа и продуктов его горения на человека
Риск воздействия природного газа и продуктов его горения на человека определяется следующими факторами: концентрацией данных веществ в воздушной среде рабочей зоны, то есть пространства высотой до 2 м над уровнем пола или площадки, на которой находятся места постоянного или временного пребывания работающих; концентрацией данных веществ в воздушной среде населенных мест, где расположены объекты газовой промышленности; метеорологическими условиями во время аварийного выброса, утечки или горения природного газа в населенных местах; рельефом местности. Так, значительному накоплению газа в воздушной среде, происходящему в результате аварии на скважине, прорыва газопровода или разгерметизации технологического оборудования может способствовать штилевая погода и низинная часть местности [Андреев и др., 2011].
Между тем токсическое действие основного компонента природного газа - метана (70-99% по объему) в обычных условиях определяется, главным образом, недостатком кислорода. Так, накопление метана в воздухе до 25-30%, соответствующее снижению в нем содержания кислорода с 21 до 15-16% сопровождается отчетливыми признаками кислородного голодания: учащением пульса, увеличением объема дыхания, ослаблением внимания, нарушением координаций движений. Острая интоксикация метаном, как результат однократного или кратковременного воздействия вещества, вызывает головную боль, головокружение, тошноту, рвоту, общую слабость и боли в области сердца. Что касается других компонентов природного газа, то этан способен вызывать состояние торможения центральной нервной системы, а интоксикация пропаном и бутаном приводит к летальному исходу, вследствие сердечных нарушений и отека легких.
Такая составляющая природного газа как сероводород, содержащаяся в сероводородсодержащем природном газе (1,6-26,3% по объему), в отличие от других рассматриваемых здесь веществ, представляет собой газ с характерным запахом тухлых яиц [Боев, Сетко, 2001]. Порог обонятельного ощущения сероводорода находится в пределах 0,012-0,03 мг/м3, ощутимый запах - 1,4-2,3 мг/м3, значительный запах - при 4 мг/м3, тошнотворный - в пределах 7-11 мг/м3. При концентрации 225 мг/м3 наступает паралич обонятельного центра, а в пределах - 150-1500 мг/м3 наблюдается раздражение слизистых оболочек зева, металлический вкус во рту, усталость, головная боль и тошнота. При концентрации 1500 мг/м3 и выше может наступить почти мгновенная смерть из-за паралича дыхательного центра.
Из числа продуктов горения природного газа оксид углерода способен оказывать непосредственное токсическое действие на клетки, нарушая тканевое дыхание и уменьшая потребление тканями кислорода, в результате соединения оксида углерода с гемоглобином. Легкая интоксикация протекает без потери сознания или с кратковременным обмороком и может сопровождаться сонливостью, тошнотой и иногда рвотой. Интоксикация средней тяжести характеризуются более или менее длительной потерей сознания, а после выхода из этого состояния сохраняется общая слабость, а также могут быть провалы памяти, двигательные расстройства и судороги. При тяжелой интоксикации потеря сознания длится более 2 ч с развитием судорог и другими симптомами. У лиц в коматозном состоянии или умирающих от острой интоксикации в крови обычно не менее 50% соединенного с гемоглобином оксида углерода, хотя встречаются случаи гибели людей при меньшем его содержании. При хронической интоксикации оксидом углерода, как результатом длительного воздействия вещества, основными жалобами являются физическая и психическая астения (слабость), головная боль и головокружение.
Вдыхание воздуха с содержанием 0,25-1,0% другого продукта горения природного газа - диоксида углерода, газообразного вещества с кисловатым вкусом и запахом, сопровождается изменением нормальной функции дыхания и кровообращения, 2,5-5,0% диоксида углерода вызывает головную боль, раздражение верхних дыхательных путей, учащение сердцебиения и другие симптомы. При 7% диоксида углерода и выше появляются потливость и шум в ушах, возможны рвота, нарушение зрения и др. Концентрации в 10% диоксида углерода люди выдерживают не более 0,5 мин. При 20% диоксида углерода наступает смерть от остановки дыхания через несколько секунд, и обычно без судорог.
Из оксидов азота, как продуктов горения природного газа, диоксид азота представляет собой газ буро-красного цвета со специфическим запахом. При контакте оксидов азота с поверхностью легких образуются азотистая и азотная кислоты, поражающие легочную ткань, что приводит к отеку легких и сложным рефлекторным расстройствам. При интоксикации оксидами азота в крови образуются нитриты и нитраты, которые действуя непосредственно на артерии, вызывают расширение сосудов, снижение кровяного давления и кислородную недостаточность. При концентрации оксидов азота в воздухе в 120 мг/м3 (в пересчете на диоксид азота) появляется раздражение в зеве, при 200 мг/м3 - кашель. Опасными при кратковременном воздействии считаются 200-300 мг/м3, при многочасовом воздействии переносимы концентрации не выше 70 мг/м3.Диоксид серы,
газообразное вещество с резким удушливым запахом, обладает раздражающим действием, которое проявляется в преимущественном поражении бронхо-легочного аппарата, как при острой, так и хронической интоксикации. При легкой интоксикации диоксидом серы (0,001% по объему) появляется раздражение преимущественно верхних дыхательных путей и глаз с возникновением першения и чувства сухости в горле, кашля, слезотечением и другими симптомами. При интоксикации средней тяжести наблюдаются общая слабость, головокружение, головная боль, сухой кашель, жжение и боль в горле и т.д. При тяжелой интоксикации, связанной с воздействием больших концентраций диоксида серы (0,04-0,05% по объему) наступает удушье в течение нескольких минут. Считается, что диоксид серы вызывает в легочной ткани предопухолевые изменения, создавая тем самым условия для проявления канцерогенного эффекта такого вещества как бенз(а)пирен.Бенз(а)пирен,
как продукт горения природного газа, в парообразном и сорбированном на частицах сажи и пыли состоянии попадает в воздушную среду и обнаруживается в достаточно высоких концентрациях на больших расстояниях (5-10 км) от источника загрязнения [Лебедева, 2010]. Бенз(а)пирен является наиболее типичным канцерогенным веществом и может поступать в организм человека различными путями, в том числе через органы дыхания, вызывая необратимые изменения в живой клетке вплоть до образования злокачественных опухолей. Так, согласно [Галышева, 1999], уровни онкологических заболеваний и смертности населения, проживающего вблизи предприятий с источниками выбросов бенз(а)пирена в г. Челябинск, были взаимосвязаны между собой и в 3,6-4,2 раза превосходили аналогичные уровни в других районах города. Исследования [Мун и др., 2006], проведенные в г. Кемерово, выявили прямую сильную корреляционную зависимость (r = 0,87-0,89) между годовой среднесуточной концентрацией бенз(а)пирена в воздушной среде и стандартизированным показателем заболеваемости раком легкого у людей. При этом промежуток времени между измеряемой годовой концентрацией бенз(а)пирена в воздушной среде и регистрируемым показателем заболеваемости раком легких был в пределах 7-9 лет.Между тем контроль содержания природного газа и продуктов его горения в воздухе рабочей зоны и населенных мест можно осуществлять по гигиеническим нормативам в виде их предельно допустимых концентраций (ПДК) (табл. 1) [Андреев и др., 2011].
Таблица 1. Предельно допустимые концентрации (ПДК) веществ в воздухе
|
Вещество |
ПДК |
Значение, мг/м3, *мкг/м3 |
|
Природный газ |
В рабочей зоне,.для алканов (метан-декан) в пересчете на углерод |
300 |
|
Максимальная разовая, то же |
100 |
|
|
Среднесуточная (по пентану), - « - |
25 |
|
|
Максимальная разовая (для бутана) |
200 |
|
|
Сероводород |
В рабочей зоне. |
10 |
|
Там же, в смеси с углеводородами (метан-пентан) |
3 |
|
|
Максимальная разовая. |
0,008 |
|
|
Оксид углерода |
В рабочей зоне, в течение рабочего дня |
20 |
|
Там же, в течение 60 мин |
50 |
|
|
- « - , в течение 30 мин |
100 |
|
|
- « - , в течение 15 мин |
200 |
|
|
Максимальная разовая. |
5 |
|
|
Среднесуточная |
3 |
|
|
Оксиды азота |
В рабочей зоне, для смесей оксидов азота |
5 |
|
Максимальная разовая, для оксида азота |
0,4 |
|
|
Среднесуточная, для оксида азота |
0,06 |
|
|
В рабочей зоне, для диоксида азота |
2 |
|
|
Максимальная разовая, для диоксида азота |
0,085 |
|
|
Среднесуточная, для диоксида азота |
0,04 |
|
|
Диоксид серы |
В рабочей зоне |
10 |
|
Максимальная разовая |
0,5 |
|
|
Среднесуточная |
0,05 |
|
|
Бенз(а)пирен |
В рабочей зоне |
0,15* |
|
Среднесуточная |
0,001* |
В частности под ПДК вещества в воздухе рабочей зоны подразумевается та концентрация, которая в течение всего рабочего стажа не должна вызвать заболевания или отклонения в состоянии здоровья. ПДК вещества максимально разовая - это та концентрация в воздухе населенных мест, которая при вдыхании в течение 30 мин не должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека. И, наконец, ПДК вещества среднесуточная - это та концентрация в воздухе также населенных мест, которая не должна оказывать на человека негативного воздействия при неопределенном долгом (годы) вдыхании.
Итак, природный газ и продукты его горения, загрязняющие воздушную среду представляют собой чрезвычайно опасные для человека вещества, приводящие при тяжелых интоксикациях к летальному исходу, а при хронических интоксикациях к возникновению злокачественных опухолей. Важным средством контроля загрязнения воздуха данными веществами, как в рабочей зоне, так и в населенных местах являются их ПДК.
Какие существуют меры по профилактике экологических рисков в газовой промышленности, обеспечивающие безопасность воздушной среды?
Профилактика экологических рисков в газовой промышленности
Суть профилактики экологических рисков в газовой промышленности заключается в принятии мер технологического и мониторингового характера, обеспечивающих безопасность воздушной среды. Так, к числу основных мер технологического характера, способствующих сокращению аварийных выбросов и утечек природного газа и попадания продуктов его горения в воздушную среду относятся следующие: использование при добыче газа систем утилизации попутного газа, газа выветривания и факельных газов; монтаж устьевых измерительных комплексов, позволяющих проводить исследования скважин без выпуска газа в воздушную среду; осуществление транспортировки низконапорного газа; применение современных методов ремонта и обслуживания газопроводов; внутритрубная диагностика; очистка газопроводов; внедрение комплексов для исследования скважин без выпуска газа в атмосферу и сокращение числа продувок за счет оптимизации режима отбора газа при его подземном хранении; освоение скважин в низконапорные сети; распределение газа с применением инертных газов при продувке газопроводов и технологий ремонта без остановки перекачки; проведение ревизии регуляторов газораспределительного пункта, а в случае необходимости их замена; диагностика и санация трубопроводов и т.д. [Самсонов и др., 2007].
Проблема снижения попадания продуктов горения природного газа в воздушную среду особенно актуальна для севера Западной Сибири, поскольку именно на этот регион сегодня приходится основной объем добычи и транспортировки газа в стране [Газаров и др., 2009]. При этом следует отметить, что уровень концентрации, в частности, оксидов азота в выхлопных газах газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций весьма высок и не удовлетворяет требованиям современных европейских стандартов. Это обстоятельство приводит к тому, что в ряде районов эксплуатации компрессорных станций загрязнение атмосферы оксидами азота значительно превышает их ПДК на расстоянии до 0,5-1,5 км от источника попадания веществ. Между тем данная проблема может быть решена каталитическим безреагентным методом снижения попадания оксидов азота с выхлопными газами, то есть без использования дополнительных реагентов-восстановителей. Основу этого метода составляет металлоблочный гетерополикислотный катализатор с носителями, покрытыми защитным оксидным слоем и слоем активных компонентов в виде гетерополикомплексов. Результаты ресурсных испытаний данного катализатора продемонстрировали эффективную его работу в условиях большого избытка кислорода (до 18% по объему).
Одним из способов, продлевающих срок эксплуатации газопроводов, а, следовательно, уменьшающих вероятность возникновения аварийных выбросов и утечек природного газа в воздушную среду, является внутреннее гладкостное покрытие труб на основе эпоксидной смолы [Сулейманов, 2010]. Выделяют следующие основные технологические и эксплуатационные преимущества при использовании такого покрытия труб: улучшение гидравлических характеристик потока газа посредством уменьшения его турбулизации в пристенной зоне; повышение производительности газопроводов; снижение энергетических расходов на перекачку газа и уменьшение потерь рабочего давления; повышение надежности газопроводов посредством уменьшения давления при той же производительности; облегчение инспекций газопроводов; предотвращение образования коррозии в процессе хранения труб и сооружения газопроводов; облегчение очистки газопроводов после гидростатических испытаний и ускоренная осушка; уменьшение затрудняющих перекачку газа отложений водного и углеводородного конденсата на внутренней поверхности труб за счет снижения адгезии; сохранение чистоты газа и снижение забивки и повреждений фильтров, измерительных приборов, запорных и регулирующих устройств; предотвращение ухудшения поверхности труб.
При этом достоинства газопроводов из труб с гладкостным покрытием особенно проявляются при большой их протяженности и высоком рабочем давлении порядка 9,8-25,0 МПа.
Что касается мер мониторингового характера, то одним из эффективных способов профилактики аварийных выбросов и утечек природного газа является постоянное воздушное наблюдение с помощью вертолетов за техническим состоянием магистральных газопроводов и газопроводов-отводов с применением лазерных и тепловизионно-телевизионных диагностических систем, позволяющих выявить, в частности, дефекты на ранней стадии их проявления [Салюков, Глуховцев, 2010]. За сравнительно короткое время можно обследовать сотни и тысячи километров газопроводов без изменения технологического режима работы газотранспортной системы. Информация об обнаруженных аварийных выбросах и утечках газа незамедлительно доводится до линейно-эксплуатационных служб с предоставлением перечня и описания выявленных дефектов, их спутниковых и линейных координат, характеристики каждого дефекта в соответствии с его типом и т.д.
Итак, профилактика экологических рисков в газовой промышленности заключается в осуществлении мер технологического характера, связанных с сокращением аварийных выбросов и утечек природного газа и попадания продуктов его горения в воздушную среду и продлением срока эксплуатации газопроводов, а также мер мониторингового характера, связанных с воздушным наблюдением за техническим состоянием газопроводов.
Таким образом, экологические риски в газовой промышленности проявляются в виде аварийных выбросов и утечек природного газа и попадания продуктов его горения в воздушную среду, оказывающих негативное воздействие на человека. Важным средством контроля загрязнения воздушной среды данными веществами, как в рабочей зоне, так и в населенных местах являются их ПДК. Профилактика экологических рисков в газовой промышленности заключается в осуществлении мер, как технологического, так и мониторингового характера, обеспечивающих безопасность воздушной среды.
Автор: Владимир Башкин, Главный научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и ИФХиБПП РАН, Д.б.н. Рауф Галиулин, Ведущий научный сотрудник ИФПБ РАН, Д.г.н. Роза Галиулина, Научный сотрудник ИФПБ РАН
