· расчет функций взаимной корреляции временных распределений факторов опасностей;
· расчет коэффициентов когерентности факторов опасности;
· расчет временных интервалов корреляции, определяющих межремонтный период;
· построение корреляционных синергетических матриц для оценки факторов опасности;
· ранжирование технологических установок по категориям опасности;
· определение ущерба от воздействия поражающих факторов;
· расчет суммарного технического риска возникновения опасных ситуаций с учетом синергетического эффекта и энергоэффективности технологической установки.
Типовая алгоритмическая взаимосвязь в системе оценки опасностей с учетом нестационарности рисков и нестационарности самого технологического оборудования приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 ‒ Алгоритмическая взаимосвязь в синергетической системе
оценки потенциальных опасностей нефтегазового оборудования
Основными преимуществами предложенной и разработанной методологии идентификации и анализа системных рисков на основе разработанной корреляционной оценки являются:
- идентификация и ранжирование опасности в одних и тех же величинах КГ позволяет более достоверно сопоставить опасности различной физической природы и более достоверно сопоставлять потенциальную интегральную опасность различных ОПО;
- предложенная оценка потенциальной опасности по величинам корреляционных моментов факторов взрывопожароопасности, факторов токсичности (химической опасности) и факторов отказа оборудования позволяет количественно оценить синергетический эффект, характеризующий потенциальную опасность в задаваемой точке размещения модулей технологической установки с учетом нестационарности технологических процессов, не поддающихся измерению в процессе эксплуатации ОПО нефтегазового комплекса и трубопроводных систем;
- на основании расчета прогнозных оценок когерентности представляется возможным определить обобщенный показатель рисков любого взрывопожароопасного объекта вне зависимости от его назначения и производственной специфики его эксплуатации.
По данным обследования и результатам корреляционного анализа были построены формализованные модели «дерева отказов» и «дерева событий» с учетом нестационарности технологических процессов для головных ОПО, представленные на рисунке 3, которые использованы при расчетах количественной оценки аварийных ситуаций и учета нестационарности технологических событий, согласно разработанному алгоритмическому обеспечению расчета синергетического риска.
Для построения «деревьев отказов» и «деревьев событий» с учетом нестационарности рисков объектом исследований выбраны наиболее опасные головные события взрывопожароопасных установок. В качестве входной информации для построения «деревьев отказов» были исследованы данные реальных аварийных ситуаций, декомпозиция опасностей которых позволила построить модели причинно-следственных связей развития сценариев прогнозируемых опасностей.
На рисунке 3 представлена в качестве примера модель «дерева отказов» для наиболее опасных событий, обладающих повышенным коэффициентом когерентности потенциальных опасностей, основанных на результатах анализа реальных аварий для сценария «Разгерметизация оборудования» взрывопожароопасной установки.
Рисунок 3 ‒ Алгоритм построения формализованной модели «дерева
отказов» с учетом нестационарности рисков разгерметизации оборудования
Для определения прогнозируемого синергетического риска использованы величины вероятности исходных ситуаций, входящие в модели «деревьев отказов», включая учет отказов оборудования и данные экспертных оценок, приведенные в Приложении 7.
Анализ развития сценариев аварийных событий с помощью формализированных моделей «деревьев событий» является составной частью синтеза системы анализа и управления минимизацией риска, позволяющего на стадии проектирования учесть влияние поражающих факторов, оценить зоны поражения и разработать организационные и технические мероприятия по раннему предотвращению аварийных ситуаций.
Несмотря на достаточный опыт построения «деревьев событий» в настоящее время отсутствует нормативно-инструктивная база и методические рекомендации для построения «деревьев событий» с учетом нестационарности ОПО. На основе проведенных исследований обоснованы и разработаны следующие требования к построению формализованных моделей «деревьев событий» с учетом нестационарности рисков:
· сбор данных и статистический анализ произошедших аварийных событий;
· учет и анализ нестационарности взрывопожароопасности и токсичности горючих веществ;
· анализ условий протекания последовательности сценариев развития аварий;
· оценка частоты реализации условий развития аварийных событий;
· определение структуры «деревьев событий» на основе расчета вероятностных оценок последовательных во времени сценариев развития аварий;
· определение регламента технических и организационных решений для локализации и ликвидации аварийных ситуаций.
Ввод в действие технических и организационных мероприятий по локализации и ликвидации аварийных событий также является нестационарным случайным событием, так как обусловлен нестационарностью вероятностных характеристик пожара, взрыва или массы «огневого шара», что и обуславливает необходимость анализа «деревьев событий» с огневым превращением горючих веществ на основе нестационарности сценариев развития событий.
Для процесса разгерметизации элементы нестационарной модели развития событий можно объяснить следующими условиями развития событий:
· нестационарность временного интервала и интенсивности выброса, определяемого начальным давлением, объемом поступления газовой фазы и др.;
· нестационарность выброса, обусловленная погодно-климатическими условиями, формирующими парогазовое облако;
· нестационарность появления источника зажигания при выбросе потока газовой фазы;
· нестационарность времени зажигания после разгерметизации;
· нестационарность времени зажигания разлива горючей жидкости;
· нестационарность массы «огневого шара», зависящей от количества в оборудовании продукта и его свойств.
Результаты расчета степени нестационарности КГ при реализации сценариев развития аварийных ситуации, согласно модели «дерева событий» для наиболее опасного события, приведены в таблице 2.
Таблица 2 ‒ Вероятности развития аварий на основе нестационарной модели
№ п/п | Наименование аварийного события | Вероятность события | Коэффициент когерентности | Степень синергетического риска |
1 | Появление топлива | Рпояв. топл = 6,7 × 10-2 | 0,4 | 8 |
2 | Прогар змеевика | Рпр. эм. = 1,2 × 10-2 | 0,3 | 8 |
3 | Попадание взрывоопасной паровоздушной смеси извне | Ризвне = 6,5 × 10-2 | 0,2 | 4 |
4 | Вероятность возникновения катастрофического события «Взрыв в нагревательном модуле» | Ркатаст. = 8,9 × 10-2 | 0,2 | 4 |
В работе подробно представлены результаты корреляционного анализа частоты аварийных ситуаций с коэффициентом когерентности, характеризующим степень опасности аварийных ситуаций. Расчетные данные позволяют оценить уровень опасности нестационарных объектов и количественно оценить величину синергетического риска.
Согласно приведенным данным, при увеличении показателя когерентности вероятностных распределений аварийных ситуаций (или коэффициента взаимной корреляции RФВК аварийных процессов) пропорционально увеличивается частота возникновения сценариев развития аварийных ситуаций lAi, что дает возможность раннего распознавания и локализации аварийного события на основе мониторинга показателя когерентности в режиме «On-Line», т. е. уменьшая показатель когерентности можно минимизировать частоту возникновения аварийной ситуации с соответствующим повышением энергоэффективности установки и уменьшением материального ущерба в целом.
Основу принятия решений по раннему распознаванию, своевременной локализации и ликвидации аварийных ситуаций, согласно разработанной методологии, составляют корреляционные матрицы, рассчитанные для конкретного вида аварийной ситуации.
Разработанная методология количественной оценки степени опасности ОПО с учетом их нестационарности позволяет разработать на этой основе систему управления минимизацией синергетического риска, обеспечивающую безопасную эксплуатацию нефтегазового оборудования и трубопроводных систем транспортирования углеводородов, позволяющую осуществлять оперативный мониторинг степени нестационарности технологических процессов, в первую очередь нестационарность производительности по расходу сырья Q(t), нестационарность давления Р(t) и температуры Т(t), и осуществлять реализацию определенных технических решений по минимизации риска. Для модели «дерева событий» «Разгерметизация оборудования» технологическая матрица определяется для следующих сценариев развития данной аварийной ситуации: образование парогазового облака, образование пролива, пожар, взрыв парогазового облака.
Технологическая матрица принятия рациональных технических решений по локализации и ликвидации аварийных ситуаций представлена в таблице 3.
Таблица 3 ‒ Корреляционная матрица принятия решений
на основе нестационарной модели «дерева событий»
№ п/п | Сценарий развития событий | Технологические решения | Энергоэффективность установки | ||||
F1 F1 | F2 | F3 | Fi-1 | Fi | |||
1 | Образование парогазового облака | R1,1 | R1,2 | R1,3 | R1,i-1 | R1,i | W1 |
2 | Образование пролива | R2,1 | R2,2 | R2,3 | R2,i-1 | R2,i | W2 |
3 | Пожар разлития | R3,1 | R3,2 | R3,3 | R3,i-1 | R3,i | W3 |
4 | Вз Взрыв парогазового облака | R4,1 | R4,2 | R4,3 | R4,i-1 | R4,i | W4 |
Примечание. Rn, i ‒ величины взаимной корреляции аварийных событий; W1, W2, W3, W4 ‒ прогнозная энергоэффективность технологической установки с оценкой потерь на локализацию и ликвидацию аварии. |
Учет прогнозных величин ожидаемых потерь Fпот в случае реализации технических решений по минимизации синергетического риска осуществляется согласно:
. (7)
Оптимальное решение для минимизации возможного ущерба определяется по минимуму Fпот:
Fпот = minFпот . (8)
Для исключения неопределенности возможного принятия оптимальных или рациональных технических и организационных решений по управлению минимально допустимым уровнем риска при эксплуатации ОПО в случае оперативного мониторинга объектов в режиме «On-Line» автором обосновано и предложено использовать для раннего распознавания аварийной ситуации относительный показатель опасности – индекс нестационарности, определяемый по отношению автокорреляционных функций контролируемых основных параметров эксплуатации в различных временных интервалах: производительности отдельных модулей установки, давления, температуры и вибрации.
В этом случае величина прогнозируемого относительного показателя риска – индекса нестационарности – определяется как:
, (9)
где R¢max, R²max – автокорреляционные функции изменяющихся во времени нестационарных случайных процессов;
Dt1, Dt2 – временные интервалы обследования (измерения) автокорреляционных функций R¢ и R² соответственно.
Функциональная схема управления минимизацией рисков, разработанная на основе реализации количественной оценки синергетического риска и представленных алгоритмов управления нестационарных технологических установок, приведена на рисунке 4.
Разработанная технология управления на данный момент является единственной, позволяющей количественно оценить не только степень безопасности ОПО с учетом нестационарности технологических процессов, но и управлять минимизацией синергетического риска на ранней стадии возникновения возможной аварийной ситуации в процессе эксплуатации технологической установки.
 |
Рисунок 4 – Функциональная схема управления минимизацией рисков
на основе использования синергетических показателей
аварийных ситуаций ОПО
При этом снижение методической погрешности управления достигается за счет учета нестационарных режимов эксплуатации путем использования корреляционного подхода к анализу и синтезу сценариев развития аварийных ситуаций, когда представляется возможность регулирования входных и выходных энергетических и технологических характеристик установки по задаваемому закону в режиме «On-Line».
Отличительными особенностями разработанной функциональной схемы для реализации технологии управления минимизацией рисков является использование не только технологии раннего распознавания предаварийных ситуаций на основе учета нестационарности технологических процессов, но и применение технологии синтеза автоматизированного комплекса мониторинга и управления минимизацией рисков с соответствующими обратными связями, основанными на управлении динамическими процессами ОПО.
На основании проведенных исследований обоснованы и разработаны корреляционные количественные критерии оценки опасности ОПО, алгоритмическое и программное обеспечение количественной оценки относительного
показателя нестационарных рисков и произведено ранжирование технологического оборудования по степени опасности. Следует особо отметить, что полученные данные коррелируют с данными прогнозной вероятности безотказной эксплуатации технологического оборудования.
Результаты анализа математических моделей нестационарности ОПО позволили сформулировать концептуальные основы построения технологического регламента их безопасной эксплуатации как нестационарных объектов управления.
В третьей главе приведены научные основы технологии управления минимизацией системных рисков с использованием иерархической информационно-управляющей системы безопасности эксплуатации взрывопожароопасных объектов и трубопроводных систем транспортирования углеводородных сред.
Научно обоснованы и разработаны критерии и принципы управления минимизацией системных рисков при реализации безопасной технологии и технологического регламента безопасной эксплуатации ОПО и трубопроводных систем.
На основании анализа проведенных исследований и результатов математического моделирования нестационарных условий возникновения и развития аварийных ситуаций с целью минимизации рисков разработаны принципы создания новой технологии управления минимизацией рисков для ОПО, основанной на системном анализе входной информации и более достоверном прогнозировании аварийных ситуаций на ранней стадии их возникновения.
Учитывая, что причины возникновения аварийной ситуации, как правило, подразделяют на четыре класса и основываясь на требованиях законодательства РФ, стандартов OSHA 29 CFR 1910.119 и EPA RM Program Rule 40 CFR Part 68 и корпоративных стандартах управления безопасностью, обоснована и разработана модель управления производственной безопасностью и охраной труда.
На базе разработанной модели системы управления промышленной безопасностью и охраной труда для предприятий нефтегазового комплекса сформулированы принципы управления минимизацией рисков при эксплуатации взрывопожароопасного оборудования и транспортировании углеводородных сред.
Приведенная модель технологии управления реализована на практике в составе информационно-управляющей системы типового предприятия. В состав разрабатываемой (на основе представленной модели информационно-управляющей системы типового предприятия, эксплуатирующего нефтегазовое оборудование и трубопроводные системы, реализующей концепцию минимизации рисков) входят следующие элементы технологии, основанные на использовании нестационарных корреляционных моделей и адаптивной обратной связи с ОПО:
- технология проектирования безопасной эксплуатации ОПО («САПР-Безопасность») в режиме «Off-Line»;
- технология количественной оценки опасностей, основанная на моделировании нестационарных технологических процессов;
- технология построения геоинформационных моделей зон поражения и сценариев развития аварийных ситуаций с учетом нестационарности технологических процессов;
- технология безопасной эксплуатации ОПО, основанная на корреляционном анализе технологических процессов в режиме «On-Line»;
- автоматизированная система оперативного мониторинга и управления минимизацией рисков, объединяющая в локальную сеть все модули технологических установок с противоаварийной защитой;
- автоматизированная система управления минимизацией рисков, основанная на минимизации стоимостных и энергетических затрат на локализацию и ликвидацию последствий аварийных ситуаций.
В работе подробно представлены принципы разработки технологии управления минимизацией рисков на основе компьютеризированной информационно-управляющей системы.
Используемая система баз цифровой информации в подсистемах представленной технологии разработана в ГИС-технологии как интегрированный банк данных предприятия с применением СУБД Oracle и ГИС Arс/Info. Технология доступа и формирования интегрированного банка данных предприятия основана на архитектуре «клиент-сервер», причем в качестве клиента используется ГИС Arс/View.
Опытная апробация разработанной технологии в составе информационно-управляющей системы на ОПО позволила снизить степень технического риска на три порядка. При этом результаты использования разработанной информационно-управляющей системы показали ее высокую эффективность на этапах ввода в действие и эксплуатации ОПО.
Разработанная функциональная схема реализации концепции управления безопасностью, обеспечивающая требуемый приемлемый уровень безопасности, направлена на предупреждение аварийных ситуаций и реализуется за счет использования проектов безопасного размещения модулей технологического оборудования и технологических трубопроводов с учетом поражающих факторов, установки программируемых контроллеров, противозащитного оборудования и защитных экранов, создания соответствующей вентиляции, автоматизированных систем управления клапанно-запорной арматуры и других противозащитных технологий, обеспечивающих требуемый уровень безопасности как на уровне «Off-Line» в системе «САПР-Безопасность», так и на уровне «On-Line» в системе «АРМ-Безопасность» разработанной информационно-управляющей системы. При этом величина минимизации синергетического риска должна соответствовать вероятности отказа элементов системы с учетом нестационарности технологических процессов, определяемой по данным расчета корреляционных моментов, согласно алгоритмам (2-5).
В работе обоснованы и сформулированы требования к построению информационно-управляющей системы безопасности «ИУС-Безопасность», позволяющей реализовать технологию управления минимизацией рисков при проектировании и эксплуатации технологических установок ОПО, включающие требования к разработке информационного, методического, технического и программного обеспечения.
Отличительными особенностями разрабатываемой ИУС являются использование на этапах проектирования и эксплуатации ОПО инновационного потенциала, базирующегося на инновационных технологиях, направленных, в первую очередь, на предупреждение аварийных ситуаций с учетом нестационарности самих объектов и нестационарности технологических процессов.
На основании сформулированных требований разработана 4-уровневая иерархическая модель информационно-управляющей системы безопасности, позволяющая обеспечить промышленную безопасность предприятий, использующих взрывопожароопасное оборудование на нижнем уровне, представленная на рисунке 5.
В основу создания «ИУС-Безопасность» положен четырехуровневый иерархический принцип построения.
I уровень включает подсистему управления нефтегазовым предприятием, обеспечивающую безопасность функционирования данного предприятия, включая банк данных (БД) и главный информационно-вычислительный центр (ГИВЦ).
II уровень включает подсистему прогнозирования постоянно действующих цифровых корреляционных моделей возникновения и развития сценариев аварийных ситуаций, позволяющую в рамках подсистемы «САПР-Безопасность» реализовать планы размещения ОПО для их безопасной эксплуатации.
III уровень обеспечивает реализацию технологии проектирования безопасной эксплуатации ОПО на основе данных корреляционного анализа входной информации и построения нестационарных моделей управления минимизацией рисков.
IV уровень обеспечивает оперативное управление минимизацией рисков на основе распределенной системы сбора и обработки информации, получаемой с удаленных рабочих мест с помощью «АРМ-оператор» (автоматизированное рабочее место оператора) и измерительных комплексов.
Основные вычислительные ресурсы предприятия сосредотачиваются в главном информационно-вычислительном центре (ГИВЦ) предприятия и узлах информационно-вычислительной сети (ИВС), связанных с локальными информационно-вычислительными центрами (ЛИВЦ) технологических установок предприятия в составе «АРМ-оператор», объединяемыми линиями связи, с которыми связаны удаленные рабочие места «АРМ» и программно-логические контроллеры (ПЛК).
Рисунок 5 – Обобщенная модель информационно-управляющей системы обеспечения безопасности при эксплуатации ОПО
нефтегазового комплекса
В работе представлена функциональная схема банка данных типового предприятия нижнего уровня, обеспечивающего безопасность эксплуатации ОПО. Основными входными данными БД предприятия являются нормативно-техническая документация, технологические регламенты соответствующих производств и корреляционные модели сценариев развития аварийных ситуаций.
Основной входной информацией для БД при эксплуатации ОПО и управления противоаварийной защитой являются базы данных технологических параметров, измеряемых средствами автоматизации, статистические данные возможных нарушений технологических процессов, ошибок персонала и отказов технологического оборудования.
Разработанный компьютеризированный аппаратно-программный комплекс для 4-ого уровня «ИУС-Безопасность» построен на основе индустриальных программируемых контроллеров ПЛК и состоит из «АРМ-оператор» и «АРМ-администратор» и для передачи данных включает подсистему «Ethernet-коммутатор».
«АРМ-оператор» предназначен для контроля технологических процессов модулей установки, задания оптимальных параметров и режимов работы модулей противоаварийной защиты (ПАЗ). «АРМ-оператор» состоит из системного блока в индустриальном исполнении, цветного монитора и принтера.
«АРМ-администратор» предназначен для ведения программного обеспечения (ПО) и внесения дополнений в ПО системы.
Источник бесперебойного питания обеспечивает работу «АРМ» в течение 6 часов в случае отключения электрической сети.
«Ethernet-коммутатор» обеспечивает связь между ПЛК и «АРМ», образуя независимые участки информационно-вычислительной сети предприятия.
Разработанная технология управления минимизацией рисков с использованием системы «ИУС-Безопасность» включает следующую последовательность реализации инженерных технических решений в процессе эксплуатации ОПО:
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 |
