Оценка риска опасных производственных объектов для проектирования автоматических систем безопасности Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

© К.П. Шершукова, A.C. Телюк, 2012

К.П. Шершукова, А.С. Телюк

ОЦЕНКА РИСКА ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ

Предложены методы оценки класса риска опасных производственных объектов на стадии проектирования автоматических систем безопасности. Также приводится пример использования этих методов для оценки риска блока абсорбера.

Ключевые слова: безопасность, класс риска, риск, оценка риска, системы безопасности.

Основная проблема, которая возникает при эксплуатации опасных производственных объектов (0П0), — это обеспечение их безопасного функционирования, которое осуществляется, в основном, с помощью систем безопасности (СБ), входящих в состав автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП). Для проектирования СБ необходимо определить величину, на которую требуется снизить риск, возникающий при эксплуатации 0П0. При этом под риском понимают частоту появления опасного последствия, например, возникновение внештатных ситуаций, связанных с потерями продукции, разрушением оборудования и даже гибелью людей. Задача СБ снизить величину этой частоты до некоторого приемлемого значения. При этом требуется определить значение частоты опасных последствий, которое является приемлемым для рассматриваемого технологического процесса с точки зрения технико-экономических показателей, российских и международных стандартов для данного класса процессов. Таким образом, спроектированная СБ должна будет обеспечить значение частоты возникновения опасных последствий не ниже некоторого приемлемого значения, то есть СБ обеспечивает определённую величину снижения риска. Для того чтобы определить эту величину снижения риска, требуется найти частоту возникновения опасных последствий в отсут-

ствие СБ. Предлагается использовать количественный и комбинированный методы, основанные на построении «дерева событий». Оба метода находятся в соответствии с требованиями, предъявляемыми стандартом ГОСТ Р МЭК 61508 [1] к методам оценки риска, и используются в зависимости от наличия необходимой информации о функционировании ОПО.

1. Методы оценки риска

Сначала определяют частоту появления каждого опасного последствия на отдельных ОПО, таким образом, проводят оценку риска всего незащищенного технологического процесса (ТП), то есть в отсутствии СБ.

В общем случае, будем считать, что ТП имеет п штук ОПО и пусть у каждого ]-ого ОПО, где ] = 1,...,п, имеется число критических областей (КО) равное ш0). При этом под КО понимают области таких значений, при которых дальнейшая эксплуатация технологических объектов запрещается. Опасные последствия разбиты в соответствии с требованиями ГОСТ Р МЭК 61508 на четыре группы: А, В, С, Э. Частоту появления 1-ого опасного последствия при попадании ]-ого ОПО в э-ую КО обозначим через Рпр0, э, 1), где 1 = А, В, С, Э, э = 1,., ш0). В частности, основные опасные последствия для процессов подготовки продукции нефтегазовых скважин перечислены в табл. 1.

Таблица 1

Классификация опасных последствий

Обозначения Наименование Состав и интерпретация

группы группы последствий группы

последствий по МЭК

А Незначительные Нарушение качества выпускаемой продукции, несоответствие продукции требованиям ГОСТов и т.д.

В Граничные Потери нефти и газа, не приводящие к серьёзным последствиям, останов оборудования, нарушение технологического режима.

С Критические Взрывы, приводящие к травмам персонала, прорыв трубопроводов, нарушение герметичности фланцев, разрушение оборудование.

Э Катастрофические Взрывы, пожары, гибель людей, экологический ущерб за счёт разлива нефтепродуктов и их горения.

Рис. 1. «Дерево событий» для ]-ого ОПО, } = 1,..., п

Далее рассмотрим методы оценки риска для /-ого 0П0 при попадании в б-уюК0, где/ = 1,...,п; б = 1,..., тф.

1.1. Количественный метод на основе «дерева событий»

«Дерево событий» представляет собой граф возникновения опасных последствий на /-ом 0П0, где / = 1,...,п. На ветвях графа указываются их вероятностные характеристики, позволяющие рассчитать частоту Рпрф б, ) где / = 1,.,п; б = 1,., тф; I = А, В, С, О. Для каждого 0П0 дерево событий будет иметь вид, представленный на рисунке 1.

«0» — состояние 0П0, когда все его технологические параметры находятся в области допустимых значений, т.е. ТП функционирует нормально, в соответствии с технологическим регламентом;

«К0 1» — состояние 0П0, когда определенные параметры находятся в 1-ой критической области

«К0 б» — состояние 0П0, когда определенные параметры находятся в Б-ой критической области, б = 1,...,тф;

«А», «В», «С», «О» — состояние 0П0, характеризующееся появлением последствия из группы А, В, С, О соответственно;

в5(]) — частота перехода из состояния «0» в Б-ую критическую область и <г +...+ = <, где величина d оценивается интервалом 0,5 ^ 2 [1/год];

рб/ — вероятность возникновения 1-ого последствия при условии нахождения ^ого 0П0 в Б-ой критической области, где I = А, В, С, О; Б=1,...,тф;

О

Ps,0 ф — вероятность того, что при попадании в э-ую критическую область ни одно из последствий не возникает, 5 = 1,...,m(j);.

Таким образом, исходными сведениями для использования дерева событий по каждому ОПО являются величины: 65ф и Рэ,(), Ф=1,.,п; в=1,...,тф, 1 = А, В, С, О, полученные из соответствующих статистических данных по эксплуатации аналогичного технологического оборудования.

Из анализа графа, приведенного на рис. 1, следует равенство:

Fnpj, 5, 1) = • РЛ (1)

где 1 = А, В, С, О; j=1,...,n; в=1,...,тф.

Если значения 65ф и Р51 ф неизвестны, то для определения Fnp(j,s,i) можно использовать следующий метод оценки этих величин.

1.2. Комбинированный метод

Для определения частоты попадания Fnp(j,s,i) в 5-уюКО, где j = 1,.,п; 5 = 1,., тф; 1 = А, В, С, О, необходимо оценить следующие характеристики:

частоту попадания в 5-ую КО — 65ф, которая определяется диапазоном [651ф; 2ф]. Диапазон [651;652] определяется экспертным методом из табл. 2.

где d = 10-4 [1/ч] = 1 [1/год] (в соответствии с 1ЕС 61511— 3 приложение Э).

Например, эксперт считает, что попадании в определённую КО происходит редко (допустим, примерно, 1 раз в 20 лет), тогда он даёт оценку «низкая», и соответственно, происходит выбор диапазона [0.016; 0.16]. Таким образом, осуществляется качественная оценка частоты попадания в э-уюКО.

Вероятность появления 1-ого опасного последствия при попадании в э-уюКО качественно оценивается экспертами, где 5 = 1,...,тф) , 1 =А, В, С, О. В табл. 3 приведена 4-х бальная шкала, в соответствии с которой специалист должен оценить вероятности Р5,$), где 1 =А, В, С, О, и Р5,0ф, гдеф=1,...,п.

Таблица 2

Частота попадания в э-уюКО

№ Качественная характеристика частоты Диапазоны частот

1 Низкая 0.0Ы< ds< 0.Ы

2 Средняя 0.

3 Высокая d < ds< Ш

Таблица 3

Бальная оценка вероятности возникновения опасных последствий

№ Качественная характеристика Б5,| (баллы)

1 Невозможна 0

2 Низкая 1

3 Средняя 2

4 Высокая 3

где б = 1,...,ш0) , 1 =А, В, С, Э или 0, где 0 соответствует тому, что при попадании технологического параметра в критическую область опасное последствие не возникнет и процесс возвращается в нормальный режим.

Таким образом, эксперт при попадании в определенную К0 указывает, что, например, качественная характеристика последствий из групп А и В — «низкая», С — «средняя», Э — «невозможна», 0 — «низкая».

Тогда вероятность РБ, 0) (появления 1-ого последствия при попадании в Б-уюК0) определяется выражением: В . (/)

р (/) =-б^.--(2)

Рб1 (/) I В„ (/), (2)

1 =А ,В ,С ,0,0

где б = 1,.,т/ / = 1,...,п.

В результате проводится расчет диапазона частот попадания в Б-ую К0 [Рпрг/ б, ¡),Рпр2(б, 1)]:

Рпрг(], б, 1) = ¿б/ • рб/ (3)

Рпрж, б, 1) = <б2(/) • рбм (4)

где 1 = А, В, С, О; /=1,...,п; Б=1,...,т(/). 2. Пример

В качестве примера, иллюстрирующего оценку риска 0П0 в отсутствии СБ, рассмотрим определение частоты Рпр0,Б,1) для блока абсорбера количественным и комбинированным методами.

В качестве исходных сведений используются следующие данные: перечень критических областей для объекта; идентификация опасных последствий при возникновении инцидентов, а также классификация этих последствий по группам (табл. 4).

Таблица 4

Исходные сведения

№ Блок абсорбера (колонна)

Критические пара- Возможные опасные Группы послед-

метры, критические последствия ствий

области

1. Перепад давления Изменение качества незначительны,

ДР=0.02[МПа] продукции, потери про- граничные

дукции, разрушение

оборудования.

2. Уровень жидкости Потери продукции, вы- незначительны,

Ц=300[мм], нос газа/жидкости в граничные, кри-

Ьн=800 [мм] дренажную емкость тические

3. Загазованность (пре- Потери продукции, незначительны,

вышение концентра- взрыв, разрушение обо- граничные, кри-

ции газа) Рн=15 [%] рудования. тические

4. Пожар Потери продукции, незначительны,

Тн=150 [°С] взрыв, разрушение обо- граничные, кри-

рудования. тические

Таблица 5

Результаты расчёта по «дереву событий» для блока абсорбера

Исходные данные Результаты

расчета

№ Критическая об- Группы йв[1/час] Ры Рпр (1,в,й)

ласть — в опасных по- [1/час]

следствий

1 Перепад давле- 0 3-10-4 0.2 -

ния А 0.5 1.5-10-4

В 0.3 0.9-10-4

2 Уровень жидко- 0 10-4 0.15 —

сти(нижний) А 0.45 0.45-10-4

В 0.3 0.3-10-4

С 0.1 0.2-10-4

3 Уровень жидко- 0 10-4 0.15 —

сти (верхний) А 0.4 0.4-10-4

В 0.35 0.35-10-4

С 0.1 0.2-10-4

4 Загазованность 0 2-10-4 0.1 —

А 0.4 0.8-10-4

В 0.3 0.6-10-4

С 0.2 0.4-10-4

5 Пожар 0 2-10-4 0.1 —

А 0.4 0.8-10-4

В 0.3 0.6-10-4

С 0.2 0.4-10-4

§§ Таблица б

Результаты расчётов по «дереву событий» для блока абсорбера

Исходные данные Результаты расчетов

№ Критическая область — в Классы опасных последствий сЬ Р., , — вероятность последствия Рпр[1/год]

Баллы Вероятность

1 Перепад давле- 0 Высокая 1 (Низкая) 0.17 - -

ния А (а < а5< км) 3 (Высокая) 0.5 0.5 5

В 2 (Низкая) 0.33 0.33 3.3

2 Уровень жидко- 0 Средняя 1 (Низкая) 0.14 - -

сти (нижний) А (0.1с1<с15<с1) 3 (Высокая) 0.43 0.043 0.43

В 2 (Средняя) 0.3 0.03 0.3

С 1 (Низкая) 0.14 0.014 0.14

3 Уровень жидко- 0 Средняя 1 (Низкая) 0.14 - -

сти (верхний) А (0.1с1<с15<с1) 3 (Высокая) 0.43 0.043 0.43

В 2 (Средняя) 0.3 0.03 0.3

С 1 (Низкая) 0.14 0.014 0.14

4 Загазованность 0 1 (Низкая) 0.14 - -

А Средняя 2 (Средняя) 0.29 0.029 0.29

В (0.1с1<с15<с1) 2 (Средняя) 0.29 0.029 0.29

С 1 (Низкая) 0.14 0.014 0.14

3 Пожар 0 Высокая 1 (Низкая) 0.1 - -

А (а < а5< км) 3 (Высокая) 0.4 0.3 3

В 2 (Средняя) 0.3 0.22 2.2

С 2 (Средняя) 0.2 0.22 2.2

где с1 = 10—4 [1/ч] = 1 [1/год] (в соответствии с 1ЕС 61511—3 приложение Б).

Для блока абсорбера по дереву событий проводится оценка частоты возникновения опасных последствий в отсутствии СБ (табл. 5).В табл. 5 приводятся результаты расчёта с использованием количественного метода. Этот метод можно применять, так как известны ds(j) и Ps,i(j), или имеются их оценки. «0» в данной таблице означает, что при попадании технологического параметра в критическую область опасное последствие не возникнет, и процесс возвращается в нормальный режим.

В табл. 6 проводится исследование того же блока, но с использованием комбинированного метода, а как следствие, в результате получается не точное значение частоты возникновения опасных последствий, а диапазон частот.

Таким образом, проводится оценка риска для опасных производственных объектов в отсутствие систем безопасности. В дальнейшем, используя полученные сведения, формируют техническое задание на проектирование систем безопасности.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Международный стандарт МЭК 61508 Функциональная безопасность систем электрических, электронных, программируемых электронных связанных с безопасностью, принятый в России 01.06.2008 г. в качестве ГОСТ Р МЭК 61508, Стандартинформ, Москва, 2008.

2. Шершукова К.П., Телюк A.C. Определение приемлемого уровня полноты безопасности и его обеспечение средствами приборных систем безопасности. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). М.: Издательство «Горная книга», 2011, отдельный выпуск 9.

3. Шершукова К.П., Телюк A.C. Модель распределенной системы управления как слоя защиты технологических объектов. М.: Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности, 2012, № 7. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Шершукова Ксения Петровна — аспирант, Телюк Антон Сергеевич — аспирант,

Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина.