Zvýšenie bezpečnosti prevádzky podzemného zásobníka Gajary-báden

Na základe výsledkov bezpečnostných štúdií vyplývajúcich zo Zákona č. 261/2002 Z. z. o prevencii závažných priemyselných havárií v znení neskorších predpisov (SEVESO II) a štúdie HAZOP (Hazardous a Operability Study, zameranej na prevádzkovú bezpečnosť), ktoré sa vykonávali v štádiu návrhu a projektovania, boli navrhované viaceré bezpečnostné opatrenia a bezpečnostné prvky (bariéry).

Návrh bezpečnostných prvkov pre technológiu podzemného zásobníka Gajary-báden (ďalej CAG), nebol vôbec jednoduchý, nakoľko odporučenia zo štúdií, ktoré prispievajú k zvýšeniu bezpečnosti, bolo treba premietnuť do konkrétnych riešení, v podstate sa museli „ušiť na mieru“. Toto si vyžiadalo množstvo odbornej práce technických pracovníkov NAFTA a.s., projektantov a zahraničných konzultantov s využitím ich prevádzkových skúseností. Zásobník aj napriek tomu, že má zrealizovaných 175 bezpečnostných prvkov a 316 bezpečnostných sekvencií, ktoré v prípade odchýlok od nastavených hodnôt reagujú alarmovým hlásením, odstavením zariadení resp. uzavretím časti alebo aj celého toku plynu, musí fungovať ako systém a plniť svoj základný predpoklad – bezpečne a spoľahlivo dodávať plyn do plynárenskej sústavy a tak zabezpečovať spoľahlivosť dodávok pre Slovensko a EU.

Zložitosť technológie CAG spočíva aj v tom, že z dôvodu zvýšenia flexibility boli vybudované viaceré potrubné prepojenia CAGu na existujúci komplex zásobníkov PZZP Láb a plynárenskú sústavu. Zásobník sa môže preto prevádzkovať v 20-tich rôznych vtlačno-ťažobných režimoch pri rôznych tlakových úrovniach (pri tlaku od 3 až do 22 MPa). Prevádzkové režimy je možné pri flexibilnej prevádzke meniť podľa požiadavky zákazníka v krátkom časovom intervale. Bezpečné prestavenie technologických zariadení pri zmene jednotlivých režimov si vyžaduje nielen precízne navrhnuté bezpečnostné prvky, ale aj vysokú odbornú vedomosť a zručnosť operátorov a pracovníkov CAGu s podporou pracovníkov Technického dispečingu.

Zásobník Gajary-báden je špecifický aj tým, že zemný plyn, odoberaný z plynárenskej sústavy na uskladnenie do podzemného zásobníka, je vtláčaný do ložiska v hĺbke cca 1900 m (vrchná časť ložiska) pod vysokým tlakom. Navyše sa uskladňovaný plyn v ložisku mieša s pôvodným ložiskovým (gazolinickým) plynom, čím sa obohacuje o vyššie uhľovodíky, ktoré je potrebné v procese ťažby odseparovať. Z tohto dôvodu  je technológia úpravy plynu rozšírená aj o úpravu, skladovanie a expedíciu gazolínu, pre ktoré platia taktiež prísne bezpečnostné podmienky. 

K tomu, aby takto zložitý systém mohol bezpečne fungovať, prispeli aj realizované bezpečnostné opatrenia, navrhované v zmysle platných európskych noriem, ktoré spočívali v inštalovaní bezpečnostných prvkov a implementácii bezpečnostných bariér, z ktorých najpodstatnejšie uvádzame:

Architektonické rozmiestnenie technologických celkov a ochrana súvisiacich objektov

Jednotlivé technologické celky boli v areáli CAG optimálne rozmiestnené s dostatočnými vzdialenosťami od seba, čo malo za cieľ minimalizovať vzájomné pôsobenie nepriaznivých dôsledkov pri hodnotených modelovaných scenároch. Technologické zariadenia sú z tohto dôvodu rozmiestnené na ploche 69 tis. m2, čo predstavuje plochu takmer 10-tich futbalových štadiónov.  

Operátorské pracovisko „velín“ s riadiacim systémom bol lokalizovaný do bezpečnej vzdialenosti od ostatnej technológie a jeho ochrana pred vonkajšími vplyvmi spočívala vo vybudovaní stavebne zosilnenej monolitickej betónovej konštrukcie.

Stavebná ochrana objektov „energoblokov“, v ktorých je umiestnený prevádzkový a bezpečnostný (ESD) riadiaci systém. Objekty energoblokov, ktoré sú umiestnené v technológii, boli  vybudované zo  stavebne zosilnenej monolitickej betónovej konštrukcie.

Inštalácia zdvojených bezpečnostných prvkov

Za účelom zvýšenej ochrany technologických zariadení, potrubných úsekov a plynovodov pred prekročením max. povoleného tlaku boli v technológii CAG inštalované zdvojené bezpečnostné prvky.

Inštalácia dvoch bezpečnostných ventilov za sebou, umiestnených na potrubiach procesného plynu a na potrubí odpúšťania kvapalín zo separačných zariadení na rozhraní rôznych tlakových úrovní. Ventily sú vybavené autonómnou funkciou „High pilot“, ktorý automaticky uzatvára ventil pri prekročení max. nastavenej hodnoty tlaku.

Zabezpečenie technologického aparátu poistným ventilom a bezpečnostnou sekvenciou v bezpečnostnom riadiacom systéme, ktorá v prípade prekročenia tlakového limitu uzatvára vstupné potrubie od zdroja vyššieho tlaku.

Inštalácia podzemných a nadzemných bezpečnostných ventilov na vtlačno-ťažobných sondách.

Obojstranná ochrana plynovodov pomocou bezpečnostných ventilov vybavených autonómnou funkciou „linebreak“, ktorý uzatvára ventil v prípade zistenia náhleho poklesu tlaku v potrubí, resp. „Low pilotom“ alebo ,,High pilotom“, ktorý uzatvára ventil pri prekročení alebo podkročení nastavenej hodnoty tlaku v kombinácii s bezpečnostnou sekvenciou.  

Systém bezpečnostného odstavenia a odtlakovania zemného plynu mimo areál CAG

V CAGu bol vybudovaný systém bezpečnostného odstavenia strediska a odtlakovania zemného plynu, ktorý zabezpečuje odstavenie technológie a odtlakovania plynu do  bezpečnej vzdialenosti od strediska.

Na tento účel slúžia Bezpečnostné sekvencie strediska „STOP“ – odstavenie strediska bez odtlakovania a „TOTAL STOP“ – odstavenie strediska s odtlakovaním, ktoré sú vykonávané prostredníctvom bezpečnostného riadiaceho systému (ďalej len ESD) a prostredníctvom bezpečnostných technologických zariadení, na základe vybraných presne definovaných alarmových hlásení.

Sekvencia STOP – odstavenie strediska bez odtlakovania

Odstavuje všetky technologické zariadenia a zatvára preddefinované hraničné a manipulačné ventily.

Túto sekvenciu spúšťa alarmový signál z plynodetekčných hlásičov (PDS), pri dosiahnutí hodnoty 50% „LEL“ (Low Explosive Level), alarmový signál z detekčných hlásičov požiaru (EPS), zadefinované alarmové stavy v technológii alebo pracovníci obsluhy strediska po vyhodnotení prichádzajúcich alarmov zo SCADA systému zatlačením príslušného tlačidla, ktorým je možné odstaviť technológiu CAG spolu so satelitnými strediskami, resp. jednotlivé satelity samostatne.

Sekvencia TOTAL STOP – odstavenie strediska s odtlakovaním

Odstavuje technologické zariadenia, zatvára preddefinované hraničné a sekčné ventily, otvára ESD ventily bezpečnostného odtlakovania v technológii a v areáli bezpečnostného odfuku, pričom sa vykonáva odtlakovanie strediska. Sekvencia bezpečnostného odstavenia strediska s odtlakovaním sa aktivuje zatlačením tlačidla „TOTAL STOP“ na havarijnom paneli vo velíne, resp. z vybraného miesta v areáli CAGu.

Pre potreby bezpečnostného odtlakovania bola technológia CAGu rozdelená podľa objemu plynu a tlakových úrovní do štyroch sekcií (obr. 5). Každá sekcia má samostatný odtlakovací potrubný systém so sústavou ventilov, prípojku a komín, cez ktoré sa pomocou ESD armatúr realizuje bezpečnostné odtlakovanie strediska. Optimálnu rýchlosť prúdiaceho plynu v jednotlivých prípojkách zabezpečujú regulačné armatúry a škrtiace clony.

Obrázok: Bloková schéma centrálneho areálu Gajary-báden

V areáli bezpečnostného odfuku, ktorý je vzdialený od strediska cca 200 m, prebieha odtlakovanie plynu a jeho rozptýlenie do ovzdušia cez štyri komíny. Návrh komínov (výška 32 m, dimenzia DN150-DN200) bola stanovená na základe požiadaviek na bezpečnosť pri náhodnom zapálení plynu pri odtlakovaní, na bezpečný rozptyl plynu v ovzduší ako aj na ochranu okolia pred hlukom pri prúdení plynu z ústia komínov. Odtlakovací systém je navrhnutý v zmysle normy API standard 521 tak, aby bol schopný v jednotlivých sekciách znížiť tlak z maximálneho prevádzkového tlaku na polovičnú hodnotu do 15-tich minút.

Systém detekcie požiaru – EPS (elektropožiarna signalizácia) a detekcie plynu PDS (plynodetekčný systém)

V objektoch CAG a k nemu prislúchajúcich satelitných strediskách je inštalovaný plynodetekčný systém (PDS) a systém elektropožiarnej signalizácie (EPS), ktorý bol navrhnutý za použitia filozofie spúšťania sekvencií na základe vyhodnotenia alarmov z dvoch a viac snímačov (alarm dva z dvoch 2oo2, resp. pre vybrané zariadenia alarm dva z troch 2oo3). Úroveň integrity bezpečnosti pre systémy EPS a PDS je min. SIL2.

Plynodetekčný systém (PDS) pozostáva zo snímačov a ústrední PDS, ktoré sú rozmiestnené vo vybraných priestoroch technológie. V objektoch, kde je vyššie riziko úniku plynu, sú inštalované dva a viac snímačov. 

Elektropožiarna signalizácia (EPS) pozostáva z automatických a tlačidlových hlásičov a ústrední EPS rozmiestnených vo vybraných priestoroch. Z dôvodu zvýšenia spoľahlivosti sú v každom monitorovanom objekte dve samostatné linky a na každej linke minimálne dva hlásiče. Súčasťou EPS sú aj optické a akustické výstražné zariadenia.

Alarmové stavy zo snímačov a hlásičov sú prenášané cez EPS, resp. PDS ústredne do riadiaceho a ESD systému. Riadiaci systém v prípade EPS alarmu alebo PDS alarmu v technológii automaticky aktivuje sekvenciu STOP s časovým oneskorením 5 min.

Bezpečnostný riadiaci systém a distribúcia riadiaceho systému do „Energoblokov“

Riadiaci systém PZZP Gajary Báden

Neoddeliteľnou súčasťou technologickej bezpečnosti strediska je aj riadiaci systém. Ten by mal plniť nielen funkciu monitorovania a riadenia procesu pri zatláčaní alebo pri ťažbe, ale aj vykonávanie bezpečnostných sekvencií. Pre zabezpečenie vysokej miery bezpečnosti z dôvodu možného zlyhania bežných riadiacich systémov bol riadiaci systém doplnený o druhú automatickú bezpečnostnú bariéru. Tú vo všeobecnosti tvorí bezpečnostný riadiaci systém (ESD systém) spolu s pripojenými technologickými bezpečnostnými prvkami popísanými v tomto článku vyššie.

Hlavné bezpečnostné vlastnosti ESD systému

Pre zabezpečenie požadovanej úrovne spoľahlivosti a bezpečnosti boli počas procesu návrhu riadiaceho systému a hlavne návrhu jeho bezpečnostnej časti definované nasledovné princípy:

• distribuovaný systém riadiacej úrovne a jeho umiestnenie v priestoroch so zvýšenou odolnosťou  voči tepelným a tlakovým účinkom
• samostatný bezpečnostný systém minimálne úrovne SIL2
• nezávislý záložný HMI/SCADA systém bezpečnostného systému
• redundancia hlavných častí na úrovni riadiacej, operátorskej, komunikácií a napájania

Riadiaca časť bezpečnostného ESD systému

Riadiaca časť bezpečnostného ESD systému tvorí samostatnú časť, nezávislú od prevádzkovej časti riadiaceho systému strediska. Hlavnou úlohou ESD systému je priamo riadiť bezpečnostné prvky technológie podľa príkazov od operátora a podľa vopred naprogramovaných bezpečnostných sekvencií.

Systém je umiestnený v spomínaných energoblokoch, kde je chránený pred prípadnými nežiadúcimi účinkami z technológie, ako sú požiar alebo výbuch. Umiestnený je v samostatnom rozvádzači. Rozvádzač štandardne obsahuje procesný automat, vstupno – výstupné moduly, svorky, prepäťové ochrany, napájacie zdroje a iné. Rozvádzač má na čelných dverách umiestnený hlavný vypínač, kontrolku chodu a lokálny dotykový operátorský panel (HMI) slúžiaci pre vizualizáciu a monitorovanie technológie priamo v energobloku. Pomocou tohto HMI panela je možné monitorovať príslušné bezpečnostné prvky technológie, ktoré prislúchajú danému energobloku. Obsluhujúci pracovník pri nastavovaní a údržbe zariadení má tak možnosť zobrazenia požadovaných hodnôt a stavov príslušnej technológie aj priamo v energobloku.

Ako základ systému bol vybraný systém typu Allen-Bradley rady GuardLogix. Bezpečnostná úroveň daného systému spĺňa požiadavky úrovne až SIL3. Ako vstupno – výstupné moduly sa využili zariadenia Safety DeviceNet, ktoré sú pripojené ku kontroleru  bezpečnostnou zbernicou DeviceNet.

Pre vysokú spoľahlivosť systému a predchádzanie poruchám systému je využitých viacero zabudovaných diagnostických funkcií. Tie sú zamerané na samotný systém, ale využívajú sa aj na detekciu porúch pripojenej technológie. Napríklad detekcia prerušenia kábla, skratu na kábli, skratu medzi žilami kábla, detekcia poruchy napájacích častí – ističov, zdrojov, UPS. Rovnako bezpečnosť a spoľahlivosť systému zvyšuje využitie viacerých redundantných prvkov systému. Či už sa jedná o prvky napájania – redundantná UPS, napájacie zdroje, komunikačné prvky a zbernice atď.

Operátorská časť riadiaceho systému – SCADA

Operátori strediska majú vo velíne pre ovládanie strediska pomocou riadiaceho systému k dispozícii operátorské počítače so SCADA systémom. Tento je určený pre prevádzkovú časť riadiaceho systému, ale zároveň sú na príslušných obrazovkách zobrazené aj technologické zariadenia, ktoré sú pripojené a riadené ESD systémom. Jeho úlohou je samotná vizualizácia technologického procesu s prostriedkami pre jeho ovládanie a správu niektorých ďalších subsystémov (alarmy, hlásenia, archívy a iné).

Aby bola zabezpečená vysoká spoľahlivosť bezpečnostnej časti riadiaceho systému je pracovisko operátora navyše vybavené záložným SCADA ESD systémom, nezávislým od prevádzkového SCADA systému. Cez tento systém je možné monitorovať a ovládať bezpečnostné prvky technológie aj v prípade neočakávaného výpadku prevádzkového SCADA systému. Systém tvorí bezpečnostný panel s dotykovým HMI panelom, ktorý je umiestnený na stene v miestnosti velína spolu so svetelnými a zvukovými signalizačnými prvkami. Súčasťou bezpečnostného panelu sú aj bezpečnostné tlačidlá pre spustenie spomínaných bezpečnostných sekvencií, pre bezpečné odstavenie jednotlivých častí alebo kompletnej technológie zásobníka.

Funkčnosť a spoľahlivosť technologických zariadení a k ním prislúchajúcich bezpečnostných prvkov a bezpečnostných sekvencií bola úspešne odskúšaná skúšobnou prevádzkou a ich funkčnosť bola následne potvrdená počas prvej vtlačno/ťažobnej sezóny.

Záver

Vykonané skúšky potvrdili vysokú prevádzkovú bezpečnosť zariadení zásobníka Gajary – báden pri plnej flexibilite aj v externých poveternostných podmienkach a tým vytvorili podmienky na poskytnutie spoľahlivých a flexibilných skladovacích služieb, čo je hlavným cieľom a poslaním spoločnosti NAFTA a.s. a ich zamestnancov.

Analýza bola publikovaná v májovom čísle (5/2012) odborného plynárenského časopisu Slovgas. Autor: Jana Križanová, Miroslav Šimko a Miloslav Červený.  Foto a text: NAFTA a.s.

K téme