УДК 622.692.4
На правах рукописи
НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА
НА ОСНОВЕ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМНЫМИ РИСКАМИ
Специальность 05.26.03 ‒ Пожарная и промышленная безопасность
(нефтегазовый комплекс)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Уфа 2014
Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии
Научный консультант Официальные оппоненты: Ведущая организация | − ,доктор технических наук, профессор,Московский государственный технический университет им. , ректор − ,доктор технических наук, профессор,Российский государственный университет нефти и газа им. ,
|
Защита состоится _____ 2014 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» г. Уфа, пр. Октября, 144/3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
ГУП «ИПТЭР».
Автореферат разослан _____ 2014 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы
Учитывая высокую значимость проблемы повышения безопасности при проектировании и эксплуатации объектов нефтегазового комплекса (хранение, транспортирование и переработка нефти), на данный момент все большее значение приобретает решение задач, связанных с предупреждением возможных аварийных ситуаций и минимизацией технологических и экологических рисков.
Существующие в настоящее время методики оценки и декларирования промышленной безопасности эксплуатации опасных производственных объектов (ОПО) нефтегазового комплекса носят, в основном, декларативный характер, а существующий опыт использования методологии анализа опасностей и их оценки, ограниченный декларативной оценкой опасных ситуаций, зачастую не позволяет учитывать его при принятии оптимальных решений по предупреждению аварийных ситуаций ввиду отсутствия надлежащего организационного и информационного обеспечения по прогнозированию и оперативному раннему распознаванию опасных ситуаций.
Особую актуальность данная проблема приобретает при хранении, транспортировании углеводородных сред и эксплуатации нефтегазового оборудования, когда аварийные ситуации сопровождаются значительными объемами выбросов взрывопожароопасных и токсичных веществ, образующих облака топливно-воздушных смесей, утечки нефтепродуктов, и как следствие, взрывы, пожары, разрушения, разливы и др. Используемые на данный момент методики оценки рисков показывают, что их результаты не учитывают постоянно изменяющийся во времени нестационарный случайный характер производственных процессов и их системные взаимосвязи. Применяемые технологии мониторинга управления рисками при эксплуатации ОПО как статических объектов обладают значительной методической погрешностью, а принятие решений по предупреждению аварийных ситуаций не учитывает случайный нестационарный характер развития аварийных процессов.
Кроме того, решение проблемы предупреждения аварийных ситуаций затрудняется значительными объемами входной диагностической и технологической информации ввиду отсутствия системного подхода к решению многофакторных задач безопасности, отсутствия надлежащих компьютеризированных информационно-управляющих систем мониторинга синергетического риска и соответствующего специального методического и программного обеспечения системы обработки данных, что, естественно, затрудняет принятие оптимальных управляющих решений по своевременному прогнозированию и предотвращению аварийных ситуаций.
Цель работы ‒ обеспечение промышленной безопасности опасных производственных объектов за счет минимизации нестационарных рисков.
Для решения поставленной цели были сформулированы следующие
основные задачи:
- анализ опыта использования методологии управления промышленной безопасностью ОПО нефтегазового комплекса;
- обоснование необходимости использования методологии управления нестационарными системными рисками для решения задач промышленной безопасности ОПО, включая транспортирование взрывопожароопасных сред;
- разработка научно-методических основ создания информационной модели проектирования и эксплуатации ОПО на основе идентификации нестационарных системных рисков;
- разработка типовых нестационарных корреляционных моделей идентификации и оценки аварийных ситуаций на взрывопожароопасных объектах;
- разработка требований и принципов построения адаптивной информационно-управляющей системы распознавания и предупреждения аварийных ситуаций на основе использования корреляционного анализа при эксплуатации ОПО как динамических нелинейных систем;
- разработка принципов построения системы оперативного мониторинга и управления промышленной безопасностью технологических трубопроводных систем для транспортирования углеводородных сред;
- организация опытно-промышленного применения разработанной технологии при реализации мониторинга и управления минимизацией рисков на пилотных объектах нефтегазового комплекса.
Методы решения поставленных задач
При решении поставленных в работе задач использовались методы: анализа методологии управления промышленной безопасностью ОПО НГК, оценки, идентификации и категорирования опасностей, построения «деревьев событий и отказов», теории динамических нелинейных систем, теории корреляционного анализа информации.
Научная новизна результатов работы
1. Разработаны принципы проектирования и эксплуатации ОПО как нелинейных динамических систем на основе корреляционного анализа случайных процессов.
2. Научно обоснованы и разработаны принципы системного анализа технологической информации и информационная модель прогнозирования и идентификации опасных ситуаций на объектах транспортирования взрывопожароопасных сред и эксплуатации оборудования с углеводородными средами под давлением на основе построения «деревьев событий» и «деревьев отказов».
3. Разработаны требования и принципы разработки адаптивной информационно-управляющей системы предупреждения аварийных ситуаций и управления минимизацией нестационарных рисков при эксплуатации ОПО.
4. Научно обоснованы и разработаны требования к построению и разработке корреляционных моделей прогнозирования аварийных ситуаций на основе критериев минимизации нестационарных рисков при эксплуатации нефтегазового оборудования с взрывопожароопасными средами.
5. Научно обоснованы и разработаны критерии управления и требования к построению системы оперативного диспетчерского мониторинга и управления рисками при эксплуатации технологических трубопроводных систем.
На защиту выносятся:
1. Информационная модель безопасной эксплуатации нефтегазового оборудования с взрывопожароопасными средами и их транспортирования;
2. Концептуальные основы методологии раннего распознавания и предупреждения предаварийных ситуаций на основе управления минимизацией нестационарных рисков;
3. Корреляционные модели прогнозирования и идентификации опасных ситуаций ОПО на основе количественной оценки нестационарных рисков;
4. Концепция управления промышленной безопасностью объектов транспортирования взрывопожароопасных углеводородных сред на основе корреляционного анализа системных рисков.
Практическая ценность результатов работы
1. На основе созданных автором принципов прогнозирования нестационарных рисков и идентификации опасных ситуаций при проектировании и эксплуатации ОПО предложен и разработан информационно-управляющий комплекс для мониторинга и управления минимизацией нестационарных рисков.
2. Разработано методическое и программное обеспечение системы мониторинга и управления рисками при эксплуатации технологических трубопроводных систем и нефтегазового оборудования ОПО.
3. Разработана методология управления промышленной безопасностью ОПО на основе использования критериев минимизации нестационарных рисков.
4. Разработана организационная структура безопасной эксплуатации технологических трубопроводных систем на основе критериев раннего прогнозирования и распознавания нестационарных предаварийных ситуаций.
5. На основе данных моделирования системы управления промышленной безопасностью разработана методика корреляционного анализа при решении задач проектирования и эксплуатации ОПО.
6. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана и апробирована на пилотных ОПО методика проектирования условий их безопасной эксплуатации с использованием количественной оценки синергетического риска при расчете зон поражения и их радиусов, позволяющая обеспечить безопасное размещение технических средств и обслуживающего персонала.
Реализация результатов работы
Под руководством и при непосредственном участии автора разработаны и апробированы технологии мониторинга и управления безопасностью для решения следующих задач:
- оперативного диспетчерского мониторинга эксплуатации ОПО;
- организационного обеспечения подготовки, транспортирования, хранения сырья и нефтепродуктов;
- диагностики и автоматизации систем аварийной защиты;
- методического обеспечения безопасной эксплуатации технологических установок, объектов хранения и утилизации отходов.
Разработаны следующие инструктивные и регламентирующие документы:
- внесены дополнения № 3 в Технологический регламент ТР 1820. «Безопасная эксплуатация производства. Инструкции и нормативная документация»;
- интегрированная система менеджмента по безопасной эксплуатации систем, аппаратов и технологической трубопроводной системы ОПО;
- методические рекомендации по безопасной эксплуатации ОПО (резервуарный парк);
- инструкция по безопасной эксплуатации оборудования, узлов и технологических трубопроводов ОПО.
Апробация результатов работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: II научно-техническом семинаре «Обеспечение промышленной безопасности производственных объектов ТЭК Республики Башкортостан»
(г. Уфа, 1999 г.); научно-практических конференциях «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (г. Уфа, гг.); I Международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность» (г. Уфа, 2007 г.); Всероссийском семинаре «Совершенствование надзорной деятельности на предприятиях нефтегазодобычи, газопереработки и геологоразведки» (г. Уфа, 2008 г.); Международной научно-практической конференции «Техносферная и экологическая безопасность на транспорте» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии и безопасность при бурении нефтяных и газовых скважин» (г. Уфа, 2009 г.); научно-практической конференции «Технологии. Оборудование. Безопасность. Экология» (г. Уфа, 2010 г.); научно-практической конференции «Промышленная безопасность на объектах нефтегазодобычи» (г. Уфа, 2011 г.); консультационно-методическом семинаре «Актуальные вопросы повышения безопасной эксплуатации колонного теплообменного и емкостного оборудования» (г. Салават, 2012 г.); на семинарах и совещаниях кафедры «Пожарная и промышленная безопасность» ФГБОУ ВПО УГНТУ и ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов».
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 53 научных трудах, в том числе в 22 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 203 наименования, 9 приложений. Работа изложена на 267 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 16 таблиц.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному консультанту доктору технических наук, профессору за ценные советы и консультации при подготовке данной работы.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.
В первой главе приведены результаты обобщения опыта отечественных и зарубежных исследований при решении проблемы повышения безопасности при проектировании и эксплуатации ОПО нефтегазового комплекса.
Значительный вклад в изучение проблем повышения безопасности ОПО внесли отечественные и зарубежные ученые, среди которых: , Александров А. А., , Глебова Е. В., , Гумеров Р. С., , Клейменов А. В., , Корольченко А. Я., Котляровский В. А., , Лисанов М. В., , Печеркин А. С., , Haasl D., Henley E., Kumamoto H., Marshall V., Pietersen C. и др.
Проведенные исследования относятся, в основном, к разработке методологии анализа риска и оценки промышленной безопасности объектов как стационарных систем.
В проведенных исследованиях опыт использования разрабатываемых методик анализа рисков ограничивается оценкой риска в декларациях промышленной безопасности ОПО и не учитывается при решении задач управления минимизацией рисков в процессе длительной эксплуатации технологических объектов как нестационарных динамических систем.
Отечественные исследования в области обеспечения безопасности объектов начались сравнительно недавно в начале 90-х гг. и, в основном, были сосредоточены в области разработки нормативно-методической документации по промышленной безопасности в рамках государственной научно-технической программы «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф».
Следует отметить, что практическая деятельность по реализации данной программы сводилась к реализации концепции «абсолютной надежности» на основе абсолютных показателей опасности ОПО, что проявилось во многих случаях неэффективностью действий по раннему прогнозированию и предотвращению чрезвычайных ситуаций как при крупномасштабных катастрофах, так и при локальных аварийных ситуациях.
Предложенные в последнее время критерии оценки «интегрального» и «интегрированного» рисков (отражающих конечный ожидаемый ущерб, выраженный в стоимостном выражении) являются проблематичными с точки зрения раннего распознавания и предупреждения предаварийных и аварийных ситуаций.
Кроме того, негативным фактором в решении проблемы безопасности на данный момент является недостаточное внимание исследователей и разработчиков систем безопасности к превентивно-организационному, техническому и информационному обеспечению при создании инженерной технологической противоаварийной защиты от аварийных ситуаций на ОПО.
Лишь в последнее время в России стала разрабатываться концепция приемлемого риска, основанная на применении профилактических мероприятий организационного и технического характера, основанная на разработке адаптивного управления промышленной безопасностью ОПО.
За рубежом, главным образом в США, Японии и Великобритании, концепция обеспечения безопасности также, в основном, базируется на концепции допустимого «абсолютного» риска, и для ведущих фирм в различных технологических системах характеризуется наличием автоматизированных систем управления с обратными связями, поддерживающими приемлемые уровни промышленной безопасности при минимальном участии обслуживающего персонала.
По результатам проведенных исследований показано, что основными причинами низкой эффективности управления промышленной безопасностью и достоверности получаемых данных при количественном анализе рисков являются следующие:
- недостаточная полнота статистических данных по анализу рисков;
- высокая методическая погрешность при экстраполяции входных данных, приводящая к низкой степени оценки опасных ситуаций;
- высокая методическая погрешность, обусловленная низким качеством построения «деревьев событий и отказов», использующих экспертную оценку опасных ситуаций;
- недостаточный сбор входной информации;
- декларирование безопасности ОПО как статических систем;
- недостаточный учет многочисленных факторов динамического изменения информационных параметров и окружающей среды во временном представлении;
- отсутствие надлежащего контроля за субъективной экспертной оценкой рисков, что в ряде случаев обуславливает низкую достоверность информации, не соответствующей действительности.
Информационную основу управления промышленной безопасностью для каждого предприятия будет составлять автоматизированная информационно-управляющая система «ИУС-Безопасность», разработка которой должна соответствовать требованиям проектирования и эксплуатации ОПО с позиций безопасности их функционирования, согласно Федеральному закону от
4 марта 2013 года.
Следует особо выделить информационные потоки, связанные с отказами технологического оборудования и с нарушениями задаваемых технологических процессов в потенциально опасных технологических установках.
В работе проведен анализ недостатков применения «Декларации промышленной безопасности ОПО» при функционировании предприятий нефтегазового комплекса РФ.
Приведен современный уровень методик анализа технических и экологических системных рисков при проектировании и эксплуатации ОПО и проанализированы ограничения их использования.
Проведенный анализ методологии оценки вероятности возникновения аварийных ситуаций и развития их во временной области позволил обосновать и разработать требования к совершенствованию технологии безопасной эксплуатации ОПО и информационную модель управления безопасной эксплуатацией опасных объектов, основанную на системном анализе возникновения и развития аварийных ситуаций, представленную на рисунке 1.
Отличительными особенностями разработанной модели являются наличие информационного модуля анализа нестационарности эксплуатационных характеристик технологических установок (изменение во времени качества сырья и производительности установок, энергоэффективности силовых воздействий, давления, температуры, скорости коррозии, вибрации и др.) и наличие модуля управления минимизацией системных рисков, позволяющих повысить достоверность оценки опасности и разработать мероприятия и алгоритмы минимизации риска для отдельных стадий аварийных ситуаций при помощи дополнительного введения в систему обратных связей с объектом управления.
Рисунок 1 ‒ Информационная модель управления безопасностью ОПО
с использованием методологии анализа системных рисков
На основе проведенного анализа современного уровня развития методологии анализа системных рисков при эксплуатации объектов дано обоснование постановки задач исследований.
Во второй главе приведены научно-методические основы разработки технологии управления системными рисками при проектировании и эксплуатации ОПО нефтегазового комплекса. На основе изучения отечественного и зарубежного опыта безопасной эксплуатации ОПО и идентификации системных рисков с учетом нестационарности технологических процессов и самих динамических нестационарных объектов управления разработаны концептуальные основы безаварийной эксплуатации ОПО на основе прогнозирования нестационарных моделей построения «деревьев отказов» и «деревьев событий».
По результатам проведенного анализа и обследования условий возникновения и развития аварийных ситуаций разработаны требования к созданию алгоритмического и программного обеспечения методологии расчета синергетического риска с учетом нестационарности технологических процессов.
В отличие от существующих до настоящего времени моделей и методик анализа интегрированного риска и методологии их применения, основанных на расчете величин математического ожидания случайных величин, не позволяющих учесть изменение во времени технологических процессов, автором обоснован и предложен корреляционный метод, более эффективный при прогнозировании аварийных ситуаций, позволяющий учесть изменение по времени параметров технологических процессов и развитие аварийных ситуаций как нестационарных случайных процессов, что позволяет повысить точность и достоверность оценки опасных ситуаций за счет введения в модели прогнозирования системных рисков показателей нестационарности.
В условиях эксплуатации потенциально опасных технологических установок, когда ряд показателей функционирования не поддается прямым измерениям, уровни приемлемого риска становятся неуправляемыми, методы ранжирования опасных ситуаций согласно существующим результатам исследований по уровню значимости, основанные на регрессионном анализе и регрессионных моделях, становятся непригодными, поскольку они решают задачи моделирования при постоянной величине фактора опасности.
Для учета нестационарности в моделях прогнозирования опасных ситуаций в отличие от расчета математического ожидания случайных процессов, величина которых не изменяется во временной области, автором было предложено использование известного метода корреляционных моментов высшего порядка, когда осуществляется расчет корреляционных моментов временных распределений нестационарных случайных процессов на стадиях возникновения и развития аварийных ситуаций в различных временных интервалах.
В этом случае, согласно методу корреляционных моментов, оценка коэффициентов взаимной корреляции нестационарных случайных процессов с изменяющимися во времени вероятностями распределения, например, для функций ln(Т) и Рв(Т) определяется как:
, (1)
где 
‒ частота аварий за интервал времени Δτ1; 
‒ вероятность выброса токсических веществ за интервал времени Δτ2:
,
,
sn, sв ‒ дисперсии фактора опасности для частоты аварии и вероятности выбросов соответственно.
При использовании методологии корреляционных моментов особо следует выделить значимость 3-его корреляционного момента ‒ коэффициента когерентности нестационарных случайных процессов ‒ КГ, характеризующего временное распределение нормированного коэффициента взаимной корреляции с учетом вторых корреляционных моментов и интервала корреляции tинт, позволяющих на стадии проектирования и эксплуатации функционально связывать вероятность распределения технологических процессов в различных временных интервалах, что позволяет не только прогнозировать количественно степень опасности возникновения аварийных ситуаций, но и осуществлять прогноз сценариев их развития. Кроме того, величина интервала корреляции tинт позволяет осуществлять прогноз временного интервала безопасной работы технологической установки и время ожидания восстановительно-ремонтных работ.
Коэффициент когерентности, согласно методу корреляционных моментов, определяется как:
(2)
где 
‒ функция взаимной корреляции распределения во времени взрывоопасности и пожароопасности; sв, sп ‒ среднеквадратичные отклонения «абсолютного» риска взрывоопасности и пожароопасности соответственно;
, (3)
где sт ‒ среднеквадратичное отклонение «абсолютного» риска токсического поражения от взрывной волны выбросов; 
‒ функция взаимной корреляции распределения во времени взрывоопасности и распределения токсических веществ; tн, tк ‒ начало и окончание временного интервала обследования соответственно.
Временной интервал корреляции tинт определяет возможный временной интервал возникновения и развития аварийной ситуации и рассчитывается как:
(4)
где 
‒ огибающая корреляционной функции частоты аварийных ситуаций.
Для временных интервалов технологических процессов и их вероятностных распределений, характеризующихся одинаковыми (с разбросом ±5) значениями коэффициентов корреляции R с заданной вероятностью возникновения аварийных ситуаций, осуществляется синергетическая оценка опасности с учетом возможности возникновения и степени развития различных сценариев аварий и исследуются функциональные связи с частотой возникновения аварий и материальным ущербом.
В условиях нестационарности прогнозирование опасности технологического оборудования по степени его влияния на развитие аварийной ситуации осуществляется на основе суммирования оценок опасности ОПО, находящихся в зонах максимальных воздействий поражающих факторов.
В этом случае количественная оценка синергетического риска на основе разработанного корреляционного метода оценки опасностей для нестационарных ОПО определяется как:
, (5)
где 
‒ показатель синергетического риска; Рi ‒ вероятность возникновения опасной ситуации; п ‒ число опасных ситуаций (i = 1, 2, …, п); 
‒ коэффициент когерентности распределений опасных ситуаций в задаваемых временных интервалах технологических процессов Dt; W0 ‒ энергоэффективность технологического объекта.
Впервые при оценке синергетического риска учитываемое нами понятие энергоэффективности технологической установки, эксплуатируемой в качестве ОПО, позволяет учесть затраты на производство выпускаемой продукции, включая затраты на возмещение ущерба и ликвидацию последствий аварийных ситуаций. В этом случае
W0 = Wn/Wз, (6)
где Wn ‒ объем производства выпускаемой продукции; Wз ‒ затраты на производство продукции, включая электроэнергетические затраты на ликвидацию последствий аварий.
Количественный показатель синергетической опасности ранжируется согласно международному стандарту по 4 категориям вероятности возникновения опасных ситуаций и рассчитывается согласно разработанному алгоритмическому обеспечению с одновременным расчетом поражающих факторов и радиусов зон поражения.
Матрица ранжирования показателей риска на основе корреляционного анализа нестационарных технологических процессов представлена в таблице 1.
Таблица 1 ‒ Корреляционная матрица ранжирования синергетического риска
Синергетический показатель технологического риска R = (Рв, Рт), у. е. | ||||
Показатель уровня опасных ситуаций КГ, у. е. | Вероятность возникновения аварийной ситуации Р, год-1 | |||
Р = 10-1…10-2 | Р = 10-2…10-3 | Р = 10-3…10-4 | Р = 10-4...10-5 | |
КГ = 4 | 4 | 8 | 12 | 16 |
КГ = 3 | 3 | 6 | 9 | 12 |
КГ = 2 | 2 | 4 | 6 | 8 |
КГ = 1 | 1 | 2 | 3 | 4 |
Как видно из приведенных данных, синергетический риск ранжируется по 4 категориям от минимального «приемлемого» (минимально допустимого) до катастрофического риска с указанием нормированных функций взаимной корреляции между распределением пожароопасности Рп, ударных воздействий взрывной волны Рв и токсическим воздействием Рт.
Суммарный синергетический риск RS классифицируется следующим образом:
· минимально допустимая управляемая величина, когда Р1 = 10-4…10-5 (минимально допустимый уровень опасности);
· низкий уровень ‒ Р2 = 10-3…10-4;
· средний уровень ‒ Р3 = 10-2…10-3;
· высокий катастрофический уровень ‒ Р4 = 10-1…10-2.
Для недопущения уровней R2, R3, R4 автором предложена и разработана система управления минимизацией риска, позволяющая в режиме реального времени управлять минимизацией риска до уровня R1 и предотвращать на ранней стадии возникновение аварийных ситуаций.
В целом, предложенная методология анализа системных рисков с учетом нестационарности технологических процессов и нестационарности самих ОПО сводится к выполнению следующих методических приемов и рекомендаций:
· идентификация опасностей и их источников на основе корреляционных матриц;
· расчет взаимосвязей сценариев развития аварий с учетом поражающих факторов;
· вероятностно-статистическая оценка поражающих воздействий;
· построение «деревьев отказов» и «деревьев событий» с учетом нестационарности ОПО;
· оценка корреляционных моментов факторов опасности;
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 |
