CC BY
189
УДК 681.5; 502.55
Н.Ю. Рыженко
ОПАСНЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ОБЪЕКТАХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ НА ПРИМЕРЕ ХВОСТОХРАНИЛИЩА АНОФ-2
Аннотация
В работе рассматриваются опасные объекты и процессы хвостохранилища АНОФ-2. Предлагается описание процессов нормального и опасного функционирования с описанием логических функций опасных процессов, где продемонстрирована возможность интеграции разнородных данных: информация БДМ, ГИС-карты, экспертные знания в виде системы продукций.
Ключевые слова:
безопасность, гидротехнические сооружения, логическая функция опасности, ситуационная система моделирования.
N.Yu. Ryzhenko DANGEROUS PROCESSES ON OBJECTS OF HYDRAULIC STRUCTURES FOR EXAMPLE TAILING ANOF-2
Abstract
The paper deals with dangerous objects and processes the tailings ANOF-2. It is proposed description of the processes of normal and dangerous operation of a description logic functions hazardous processes, which demonstrated the ability to integrate diverse data: information paper machine, GIS maps, and expert knowledge in the form of products.
Keywords:
safety, hydraulic structures, the logical function of danger, situation simulation system.
Введение
Гидротехническое сооружение (ГТС) - это системы с высокой потенциальной опасностью развития чрезвычайных ситуаций, которые могут вызвать серьезные последствия для природной и социально-экономической среды региона. Поэтому прогнозирование и определение вероятностей возникновения опасных событий необходимо.
ГТС является территориально-распределенным природно-техническим комплексом (ПТК). Для таких объектов была разработана ситуационная система моделирования (ССМ), основанная на ситуационной концептуальной модели (СКМ) пространственно-распределенного промышленного объекта [1-2]. СКМ предназначена для моделирования природно-технических комплексов, она интегрирует пространственно-зависимые данные через ГИС-интерфейс, базы данных и экспертные знания об изучаемом объекте посредством экспертной системы.
В настоящей статье представлено описание опасных событий для объектов ГТС на примере хвостохранилища АНОФ-2.
1. Объекты гидротехнического сооружения
Гидротехническое сооружение АНОФ-2, как объект исследования, можно разбить на четыре основных объекта концептуальной модели гидротехнического сооружения [3]:
• оборудование - состоит из механических и электрических приборов;
• сооружения - ограждающие конструкции, дамбы (плотины);
• накопитель - бассейн, который в свою очередь состоит из пляжной зоны (намытых промышленных отходов) и отстойного пруда, где скапливается вода;
• коммуникации - служат для транспортировки складируемого вещества и
воды.
Накопителями являются следующие объекты: пляжная зона и отстойный пруд. Коммуникации состоят из водоводов и пульповодов. К оборудованию относятся пульпонасосные станции №1, №2а и плавающая насосная станция. В качестве сооружений будем рассматривать дамбы, предотвращающие размыв по основным направлениям. Разбиение пульповодов на сектора, как внешнего (магистрального), так и внутренних (распределительных), также производится с учетом основных направлений размыва и степени безопасности.
В каждом из объектов происходят различные процессы. Часть их них относится к нормальному функционированию объекта. Но при нарушении нормального режима работы, возникающем без явных дополнительных причин при выходе тех или иных показателей за пределы ограничений, соответствующих режимам нормальной работы, они становятся опасными.
2. Опасные факторы гидротехнических сооружений
Для определения опасности объекта ГТС необходимо обследование объекта и создание комплекса моделей, описывающих функционирование технологического оборудования при опасных отклонениях параметров технологического процесса. Поэтому были выделены все потенциально опасные факторы, способные привести к опасным ситуациям и, в дальнейшем, к авариям. Под опасным фактором понимается выход параметров технологического процесса за допустимые пределы, приводящие к возможности возникновения опасных ситуаций. Для каждого опасного фактора были определены возможные опасные ситуации. Под опасной ситуацией понимается состояние оборудования, узла, блока или сооружения, при котором имеется потенциальная возможность возникновения аварии: разрушение оборудования, утечки или выброс веществ и т.п. Для каждой опасной ситуации определен перечень факторов, которые способствуют или препятствуют возникновению аварии. Определены поражающие факторы, возникающие при возникновении аварии при определенных способствующих факторах.
Для анализа сценариев развития аварий необходимо также иметь банк данных, содержащий сведения по надежности, защищенности и другим характеристикам оборудования и устройств защиты. Входной информацией являются вероятности безотказной работы оборудования и устройств защиты. Выходной информацией являются вероятности возникновения различных аварийных ситуаций, а также вероятность возникновения опасной ситуации.
Рассмотрим факторы, которые могут привести к опасным ситуациям на ГТС НПО [4].
Одна из главных причин появления опасных процессов - это нарушения нормального режима работы, возникающие без явных дополнительных причин при выходе тех или иных ресурсов за пределы ограничений, соответствующих режимам нормальной работы (внутренняя или технологическая безопасность). Поэтому для расчетов безопасного функционирования ГТС НПО следует выделить или дополнительно специфицировать в каждом элементе те его выходные ресурсы, которые целесообразно атрибутировать диапазонами безопасного функционирования SR (Safety Range) и рассматривать отрицание dm g SR(dm), (1)
как возникновение функционально-зависимого инициирующего события (ИС1).
По определению, диапазон допустимых значений для любого ресурса является подмножеством SR этого ресурса.
Принятое в СКМ представление диапазонов значений переменных величин в виде списков (дискретизация) позволяет моделировать в форме (1) и "двоичные" (да-нет, 1-0 и т.д.) ресурсы, назначая им SR = {0}.
В принципе можно выделить два подтипа ИС1:
ИС11, когда условие (1) нарушается для некоторого выходного ресурса элемента ГТС НПО и свидетельствует о его переходе в опасное состояние;
ИС12, когда нарушение условия (1) для некоторого выходного ресурса элемента ППС расценивается как показатель опасного функционирования других элементов, для которых этот ресурс является входным.
В ССМ специфицированы еще две категории ИС, появление и развитие которых зависит от пространственных и/или временных характеристик элементов СКМ. Они названы пространственно-порожденными (ИС2) и время-порожденными (ИС3). К таким ИС относятся процессы, связанные с переносом (распространением) воздействующей субстанции (вещества, поля) в различных средах и/или зависящие от рельефа местности, на которой размещена моделируемая ППС (например, зоны затопления при различных объемах прорвавшейся воды).
Безопасность накопителей жидких промышленных отходов существенно зависит и от природного фактора, который в общем случае объединяет пространственно-временные и функционально-зависимые инициирующие события. Длительные дожди могут провести к переливу через гребень дамбы. В результате сильных заморозков образуются заледенелые участки, которые приводят к нарушению фильтрационного режима. В зависимости от месторасположения такого участка возникает та или иная аварийная ситуация.
Условия возникновения пространственно-порожденных, время-порожденных ИС формируются экспертным путем в функции от времени и доступных в СКМ графических характеристик элементов.
Также определены инициирующие события (ИС4), отражающие человеческий фактор, которые появляются в результате действия (бездействия) человека. Такие события формируются на основе статистических данных или экспертных оценок условий труда и жизнедеятельности.
Обозначая индикаторы появления ИС символами е с соответствующими индексами, принимается: ej = 1, если ИС ej произошло, и ej = 0, если не произошло.
Соответственно:
PA{ej = 1} - вероятность опасности от ИС е};
Ра {е/ = 1} = 1 -Рл{е} = 1}.
Все возможные инициирующие события можно записать в виде:
Л', = «“И > - функционально-зависимые инициирующие собы-
тия (ИС1),
е2 = Н}./=1^ - временные инициирующие события (ИС2),
Е3 = - пространственные инициирующие события (ИСЗ),
Е4 = $"-0 - инициирующие события (ИС4), зависящие от чело-
веческого фактора.
3. Опасные процессы на объектах гидротехнического сооружения
Опишем инициирующие события ГТС для хвостохранилища АНОФ-2. Рассмотрим основные опасные объекты и типичные события.
Пульповод
Пульповод представляет собой металлический трубопровод, по которому осуществляется гидротранспорт хвостов от АНОФ-11 до хвостохранилища и по территории хвостохранилища. Распределительный пульповод оборудован выпусками и оснащен шланговыми затворами, регулирующими слив пульпы. Вследствие оседания тяжелых частиц со временем происходит заиление внутренних стенок пульповода, которые также подвергаются коррозии, что приводит к разрушению трубопровода и возникновению аварийных ситуаций. Описанные процессы, протекающие в пульповоде, представлены на рис.1.
Таким образом, можно выделить безопасные процессы: транспортировка, определение работоспособности, выпуск пульпы. Функционально-зависимые процессы - износ стенок I, заиление в . При выходе из допустимого диапазона значений износ стенки, заиление возникает событие - прорыв. Если хотя бы один из этих показателей превышает допустимое значение (1У или вУ), то состояние пульповода считается неисправным и, если не прекращается транспортировка пульпы, возникает прорыв пульпопровода и утечка пульпы. Транспортировка также прерывается в случае неработоспособности оборудования соответствующей насосной станции.
Таким образом, проявление опасного события прорыв на пульповоде можно описать логической функцией: где -\ (I у) —
возникновение износа стенок пульповода, г\ (РV) - возникновение заиления, /
- номер сектора пульпопровода (рис.1).
Такой же логической функцией можно переполнение дренажных сооружений и водоотводящих каналов.
Дренажные сооружения и водоотводящие каналы.
Дренажные сооружения используются для отвода поверхностного стока. Процессы, происходящие в таких сооружениях аналогичны процессам пульповода. Изменения возможны за счет того, что эти сооружения открыты. Добавляется входной параметр у транспортировки: наличие осадков дает увеличение объема воды, проходящего через водоотводящие сооружения, также учитывается их испарения при особо жаркой или ветреной сухой погоде.
Возможно и засорение из-за внешних факторов. Также стоит отметить, что в результате износа стенок канала или его переполнение в результате засорения или слишком большого потока воды приводит к размытию дамбы (рис. 2).
Рис.1. Внутренняя структура объекта «Сектор пульповода»
Рис.2. Внутренняя структура объекта «Сектор канала»
Поэтому к опасным факторам добавляется фактор внешнего воздействия -климатические условия, которые оцениваются специализированной экспертной системой (ЭС).
Приведем пример правил, характерных для ЭС:
ЕСЛИ 90% и
Тв0зд > 0°
ТО Киспар = кх • Твозд + к2-(\/ влажноспгъ воздуха) + к3 • Рвапра.
ИНАЧЕ Кпспс^
Пример описывает вычисление коэффициента испарения жидкости из водоема (кг/м2). Данный коэффициент используется в дальнейшем для
В зависимости от значений опасного фактора - климатические условия -данные испарения воды, количество выпавших осадков, температуру возникает
пространственно-временное событие: = z]2Ъ(Е8У) , где г2з (Е8У) -
возникновение большого объема воды, у - номер сектора канала,
ESV - показатели климатических условий (рис. 2).
Отстойный пруд.
Отстойный пруд имеет форму конусообразной чаши глубиной. Поступающая в него пульпа подвергается разложению на воду и оседающую часть. Под воздействием факторов окружающей среды происходит испарение с поверхности пруда, а также увеличение уровня воды за счет атмосферных осадков. Вследствие водопроницаемости пород, образующих дамбы, происходит просачивание воды из пруда. Кроме того, часть воды уходит по водосборным колодцам на повторную обработку. Объект «Отстойный пруд» имеет привязку к ГИС-карте, поэтому вычисление площади поверхности и глубины пруда производится отдельным ГИС-процессом.
Рис.3. Процесс функционирования объекта «Отстойный пруд»
В данном объекте нет опасных процессов, так как он неотрывно связан с пляжной зоной. Данные объекты пространственно могут пересекаться во времени. Отстойный пруд зависит от площади поверхности пруда. Если пруд усыхает, то освободившаяся часть переходит к объекту пляжной зоны. В каждый момент времени размеры этих объектов вычисляются с помощью ГИС процесса.
При накоплении воды выше допустимого в отстойном пруду возникает опасный процесс «переполнение». Но так как он не влияет на сам пруд, данный процесс рассматривается в объекте «дамба» (рис. 4).
Пляжная зона.
Пляжная зона образуется между отстойным прудом и дамбой. Ее длина должна быть не меньше заданной проектом, так как ее уменьшение может привести к размыву дамбы. Но и не больше проектной величины:
пересушивание большой площади накопителя приводит к пылению и разносу хвостов на большую территорию, что приводит к загрязнению окружающей среды. Пляжная зона формируется за счет намывания оседающей части пульпы. Часть хвостов с пляжа используется для намыва дамбы. Вплотную взаимодействуя с отстойным прудом, размер пляжной зоны напрямую зависти от него. Под воздействием факторов окружающей среды происходит пыление с
поверхности зоны: где 2з () - проявление возникновения
пыления, у - показатель пляжной зоны.
Рис. 4. Процесс функционирования объекта «Пляжная зона»
Оборудование.
Оборудование включает в себя пульпонасосные станции, расположенные на промплощадке фабрики АНОФ-2, пульпонасосную станцию, расположенной в районе хвостохранилища. насосную станцию оборотной воды, плавающую насосную станцию. Можно обобщить все эти объекты тем, что они состоят в основном из насосов, их функция состоит в перекачке пульпы или воды. Поэтому процессы оборудования - это работоспособность насосов, из которых оно состоит. При отказе оборудования в пульпонасосной станции прекращается подача пульпы. При отказе оборудования в насосной станции оборотной воды, уменьшается вывод воды из отстойного пруда, в результате его может возникнуть его переполнение. Опасных процессов в оборудовании нет, но его отказ может привести к опасным процессам в объекте «дамба». Отказ
оборудования насосной станции можно описать так:
где ) - отказ насосной станции, у - идентификатор объекта (рис.5).
Основой дамбы является крупнообломочный материал. Поверхностная часть ее образована намывными хвостами. Намывные породы распределяются по дамбам пропорционально их площади. Все необходимые для расчета характеристики считываются с ГИС-карты. В случае превышения уровня воды в пруду над уровнем дамбы и/или вследствие прорыва пульповода, проходящего по ее гребню, происходит повреждение дамбы с возможной потерей ее работоспособности. В результате переполнения водоотводных каналов происходит размытие дамбы, и как следствие снижение ее прочности. Объем фильтрованных вод также рассчитывается с использованием ГИС-характеристик (протяженность дамбы, уровень воды в пруду, коэффициент фильтрации). Как
видно из описанного выше, к опасным процессам в дамбе относятся «переполнение пруда», «прорыв пульповода», «размытие», «повреждение дамбы». Это наиболее опасный объект, в результате нарушения работоспособности которого, возникают серьезные последствия для окружающей природной и социальной сред.
Рис.5. Процесс функционирования объекта ««Оборудование» Опишем логические функции для опасных событий:
Размытие - функционально-зависимое событие, и пространственно-распределенное, так как проявляется при выходе значений за допустимый диапазон, а последствия - затопление - зависит от пространственного положения размытия:
где е2з (Е8) - возникновение переполнения каналов, дренажных сооружений, у - идентификатор зоны размытия, в2(Е.- показатель временного воздействия, в]ъ (Е^ ) - показатель пространственного расположения,
ГС
у - показатели климатических условий.
Прорыв пульповода на гребне дабы - пространственно-зависимое событие,
приводящее к повреждению дамбы: ^ у
где е{ - проявление опасного события прорыв на пульповоде, у - идентификатор участка дамбы.
Переполнение пруда - возникает при выходе значения объемов воды за
допустимое значение:
где 2{ () - выход объемов воды в отстойном пруду за допустимое значение V, е{(П
) - отказ оборудования насосной станции, у - идентификатор объекта (рис.6).
Рис. 6. Дамба как основной объект анализа безопасности хвостохранилища
Все рассмотренные события в разной степени влияют на повреждение дамбы - наиболее опасного события, приводящего к аварии с тяжелыми последствиями. Поэтому функция алгебры логики для описания опасного состояния объектов можно построить в виде:
где У(ощ) - опасное состояние т-ой дамбы, еу(от)- индикатор появления у-го типа инициирующего события.
Заключение
В работе рассматриваются опасные объекты и процессы хвостохранилища АНОФ-2. Предлагается описание процессов нормального и опасного функционирования с описанием логических функций опасных процессов, которые позволят рассчитать вероятность опасных событий для каждого объекта и системы в целом и вычислить последствия аварийной ситуации.
Литература
1. Фридман, А.Я. Ситуационный подход к моделированию состояния пространственного объекта / А.Я. Фридман // Системы информационной поддержки регионального развития: сб. науч. тр. - Апатиты: КНЦ РАН, 1998.
- С.45-49.
2. Фридман, А.Я. Ситуационное моделирование природно-технических комплексов // А.Я. Фридман, О.В. Фридман, А.А. Зуенко. - СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2010. -436 с.
3. Рыженко, Н.Ю. Анализ и оценка безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов / Н.Ю. Рыженко // Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах: тр. Междунар. научной школы МАБР-2007, 4 - 8 сентября, 2007, г. С-Петербург. - СПб: ГУАП, 2007. - С.528-534.
4. Фридман, А.Я. Ситуационное моделирование природно-технических комплексов / А.Я Фридман, А.Г. Олейник // Информационные технологии и вычислительные системы. - 2002. - № 2. - С.90-103.
Сведения об авторе Рыженко Наталья Юрьевна
к.т.н., младший научный сотрудник. Учреждение Российской академии наук Институт информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН.
Россия,184209, г. Апатиты Мурманской обл., ул. Ферсмана, д. 24A. е-mail: nryzhenko @iimm. kolasc.net.ru
Natalya Yu. Ryzhenko
Ph.D. (Tech. Sci.), junior researcher. Institution of Russian Academy of Sciences, Institute for Informatics and Mathematical Modeling of Technological Processes, Kola Science Center оf RAS.
Russia, 184209, Apatity Murmansk region, Fersman St. 24 А.
