CC BY
83
УДК 656
УПРАВЛЕНИЕ РИСКАМИ В СИСТЕМАХ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ
Д.Ю. ГОЛЫЖНИКОВА, аспирант факультета международного энергетического бизнеса Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) им. И.М. Губкина (Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 65, корп. 1). E-mail:[email protected]
В данной работе рассмотрены вопросы управления рисками на основе анализа надежности функционирования трубопроводных систем и оптимизации их систем безопасности. Представлено математическое моделирование системы противоаварийной защиты с учетом сбоев функционирования как собственно систем безопасности, так и возможных нарушений технологических процессов. Целью исследования является реализация математического моделирования системы безопасности на основе аналитического подхода к оценке значений параметров надежности для оптимизации системы противоаварийной защиты. Предложены альтернативные варианты спецификаций системы безопасности в соответствии с действующими требованиями стандартов с конкретизацией параметров надежности и экономических затрат для реализации системы противоаварийной защиты. Данная работа представляет практический интерес для оптимального решения задач выбора системы безопасности с учетом принципов надежности и экономической эффективности системы на основе многокритериального подхода.
Ключевые слова: управление рисками в трубопроводной промышленности, система безопасности, математическое моделирование, оптимизация спецификаций, показатели надежности, экономическая эффективность, система противоаварийной защиты, технологический блок, матрица переходов.
Россия располагает одной из крупнейших в мире систем магистральных трубопроводов, которая включает в себя нефтепроводы, нефтепродукто-проводы и газопроводы. По суммарной протяженности магистральных нефтепроводов Россия является второй в мире. Стоит заметить, что подавляющее количество трубопроводов имеет экспортное назначение, что ставит перед Россией задачу не только транспортировки углеводородного сырья, поставки его в должных объемах и соответствующего качества, но и обеспечения трубопроводной системы оборудованием противоаварийной защиты. Исходя из этого становится очевидным, что любая поломка при транспортировке приведет к сбоям поставок, нарушениям сроков и объемов сырья, а следовательно, может привести к штрафным санкциям. Таким образом, оснащение магистральных трубопроводов внутренними системами защиты является одной из основополагающих задач в конкурентном функционировании трубопроводных сетей. В связи с этим в качестве целей данной статьи, рассматривается попытка разработать методический и обоснованный подход к проектированию противоаварийных систем, а также описать алгоритм расчета основных параметров системы безопасности трубопроводного транспорта.
Проблемами функционирования сооружений и эксплуатации объектов трубопроводного транспорта России являются сложность их строительства и обслуживания, а также опасность для экологической обстановки регионов, повреждение дорогостоящих производственных фондов и угроза жизни персонала. Повышение экологической опасности трубопроводного транспорта вызвано ростом мощности трубопроводных систем, усложнением температурного режима перекачки, сооружением трубопроводов в районах, где природная среда особенно легко
ранима (арктическая зона, горы и т.д.), перекачкой химических продуктов. Однако, несмотря на это, трубопроводный транспорт остается одним из наиболее чистых в экологическом отношении видов транспорта. Для повышения экологической безопасности трубопроводного транспорта совершенствуется технология транспорта, применяются новые конструктивные решения, повышается надежность эксплуатации.
Таким образом, важно обратить внимание на крайне актуальное значение изучения подходов к моделированию систем безопасности и их спецификаций. А также интересным является исследование многокритериального подхода к задачам оптимизации проектирования и тестирования систем безопасности с использованием генетических алгоритмов, основанных на принципе компромисса между затратами на снижение риска и достигнутого уровня безопасности.
Требования к оптимизации систем противоаварийной защиты
Проблемы безопасности трубопроводов ввиду своей значимости исследуются учеными уже достаточно долгое время. Так как задачи обеспечения безопасной транспортировки углеводородного сырья весьма важны для промышленности и страны в целом, требования к ним были разработаны еще в начале 1990-х годов.
В течение нескольких лет системы безопасности проектировались по немецким стандартам (DIN V VDE 0801[1] и DIN V 19250 [2]) исправно работали в течение многих лет. В 2012 году Техническим комитетом по стандартизации ТК 58 «Функциональная безопасность» был внесен, а приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 29 октября 2012 г. № 587-ст утвержден и
введен в действие ГОСТ Р МЭК 61508-2-2012 [3], который сейчас действует в качестве основы для требований к безопасности в отношении электрических, электронных систем и программируемых устройств для любого вида промышленности. Данный стандарт распространяется на все разновидности систем безопасности электронных приборов. Алгоритмы оптимизации, разработанные в данной статье, включают многоуровневую детализацию моделирования и отвечают требованиям действующего стандарта ГОСТ Р МЭК 61508-2-2012.
Одним из актуальных и ранее неглубоко исследуемых проектов является исследование функционирования и оптимизации конструкции системы безопасности с помощью многокритериального генетического алгоритма. Данный подход включает в себя оптимизацию параметров надежности и мер безопасности совместно с экономической эффективностью и оптимизацией стоимости жизненного цикла. Особое внимание уделено воздействию частоты отказов системы безопасности по причине общих сбоев в системе и суммарному значению интенсивности опасных обнаруживаемых отказов. Требования к целостной системе безопасности, установленные в стандарте ГОСТ Р МЭК61508, должны быть рассмотрены и приняты во внимание, а также следует изучить моделирование системы безопасности на детальном уровне. В настоящее время более актуальным является изучение проблемы надежности последовательно-параллельной системы, используемой в сложным структурах, в том числе в газонефтепроводах.
Математическая модель технологического блока и обслуживающей его системы противоаварийной защиты
Функционирование системы противоаварийной защиты (ПАЗ) включает в себя взаимосвязанную работу трех последовательно структурированных (с точки зрения надежности) подсистем оборудования (датчик, логическое устройство (ПЛК), исполнительные механизмы (ИМ), как изображено на рис. 1).
Также необходимо учитывать вероятность возникновения технологических инцидентов при выполнении конкретных функций в цепочке создания готового продукта в нефтегазовой индустрии, а именно деятельность, связанная с добычей углеводородов и обработкой нефти и газа в пределах объекта. Исследуемая модель в данных процессах - это модель функционирования сложной технической системы: технологического блока (ТБ) и взаимодействующей с ним ПАЗ, имеющей в своем составе подсистемы с достаточно сложной архитектурой. Техническая система (ТБ и взаимодействующих с ним ПАЗ) в дальнейшем коротко обозначается система ТБ+ПАЗ. Рассматриваемые масштабы процессов и их взаимодействие описывается как случайный
|Рис. 1. Структура одного контура управления ПАЗ и технологического процесса.
Исполнительные
Датчик Логический
контроллер механизмы
Технология
процесс. Система, для которой производится моделирование, это результат взаимодействия противоаварийной защиты и самой технологии.
Рассмотрим следующие возможные состояния для каждого элемента системы ПАЗ:
• подсистема выполняет свою функцию;
• подсистема находится в состоянии ремонта из-за выявленного опасного сбоя или ложного отключения;
• подсистема находится в опасном режиме необнаруженного отказа.
Также следует рассмотреть следующие возможные состояния объекта:
• объект находится в состоянии функционирования;
• объект приостановил функционирование в связи с отклонением ключевых технологических параметров процесса от заданных значений в область критических значений или из-за обнаруженных сбоев системы безопасности.
Процесс функционирования системы ТБ+ПАЗ
Основной функцией системы ПАЗ является незамедлительный автоматический перевод ТБ в безопасное состояние (состояние останова ТБ) при возникновении на нем инцидента. Важно, что при возникновении инцидента состояние ТБ определяется как опасное. Опасное состояние характеризуется недопустимыми, критическими значениями определенных технологических параметров. Таким образом, система противоаварийной защиты срабатывает при попадании ТБ в опасное состояние и информирует об этом центральный диспетчерский пункт по средствам АСУ ТП (автоматизированная система управления технологическим процессом). При этом, как правило, ПАЗ двояко влияет на процесс функционирования ТБ:
положительно, так как обеспечивает приемлемое снижение риска для ТБ, то есть если ТБ попал в опасное состояние, то ПАЗ с некоторой достаточно высокой вероятностью переводит ТБ в останов;
отрицательно, когда осуществляет немотивированные остановы ТБ, нарушающие протекание технологического процесса. При этом под немотивированным остановом понимается перевод в останов ТБ, не находящейся в опасном состоянии. В частности, немотивированный останов возникает из-за так называемых ложных срабатываний ПАЗ, связанных со сбоями в ее работе.
Следует выявить основные особенности функционирования ПАЗ, позволяющие сформулировать достаточно простую базовую математическую модель системы ТБ+ПАЗ:
1. ПАЗ является системой, которая состоит из трех последовательно соединенных, в смысле надежности, элементов: подсистемы датчиков, программируемого логического контроллера (ПЛК) и подсистемы ИМ.
2. В каждой подсистеме ПАЗ может существовать система самодиагностики, которая в автоматическом режиме тестирует и обнаруживает некоторые отказы подсистемы. При выявленном самодиагностикой отказе в подсистеме тотчас проводятся ремонтно-восстановительные работы.
3. Если отказ 1-й подсистемы не обнаруживается системой самодиагностики, то он выявляется в моменты ¡к (¡к -момент контрольной проверки).
Таблица 1
Состояния случайного процесса: отказы системы безопасности и инциденты на технологии
п Логическое Исполнительные Датчик _ _ устройство устройства Технология
В исправном состоянии В исправном состоянии В исправном состоянии В исправном состоянии
В отказе В исправном состоянии В исправном состоянии В исправном состоянии
В исправном состоянии В отказе В исправном состоянии В исправном состоянии
В исправном состоянии В исправном состоянии В отказе В исправном состоянии
В ремонте В исправном состоянии В исправном состоянии В остановке
В исправном состоянии В ремонте В исправном состоянии В остановке
В исправном состоянии В исправном состоянии В ремонте В остановке
В исправном состоянии В исправном состоянии В исправном состоянии В остановке(по причине аварии)
В отказе Авария
контрольных проверок. Временной интервал между контрольными проверками равен Т1 (межпроверочный интервал). Во время контрольной проверки определяется работоспособность каждой /-й подсистемы ПАЗ и все ранее не обнаруженные отказы оборудования должны быть выявлены и исправлены. Другими словами, после выполненной проверки стохастический процесс (см. рис. 2) не может быть в состоянии 2, 3 или 4.
Таким образом, можно рассчитать следующие временные рамки для всего жизненного цикла (1_С) системы ТБ+ПАЗ:
1_С: ((0,Т!) (Т!,2 • Т!) (2 • Т1, 3 • Т!) ... ((К - 1)Т!,К • Т!)),
к = _С.
Т!
(1)
На протяжении каждого к-го периода ((к-1)-Т!, к-Т!), представленного промежутка времени, где к = (1, К), поведение системы может быть описано системой обыкновенных дифференциальных уравнений:
Л
= Р® •л.
(2)
Здесь Р(0 = (р1 (!) р2 (?) ) ... р9 (?)) - вектор вероятностей, рассматриваемой системы, находящейся в определенном состоянии, и Л - матрица переходов системы из одного состояния в другое, содержащая коэффициенты переходов между состояниями:
Процесс взаимодействия ПАЗ и технологии описывается следующими состояниями (табл. 1).
График переходов системы из одного состояния в другое представлен на рис. 2.
Стохастический процесс системы ТБ+ПАЗ, переходящий из одного состояния в другое, моделируется на протяжении всего жизненного цикла рассматриваемой системы про-тивоаварийной защиты. Во время жизненного цикла всего процесса производства должно быть проведено несколько
л =
fX.11 Х19 ^
Х91 ••• Х99
( 3 )
Для переходов, изображенных на графике (см. рис. 2), элементы матрицы Л - ненулевые. Все остальные компоненты матрицы равны нулю. Ненулевые компоненты описаны ниже:
I
Рис. 2. Модель переходов системы: граф отказов ПАЗ и ее взаимодействия с состояниями технологии
Х11 = ■
Л в
1г '
(с-
1 00 Чг ■
, 00
■V
оо Л
(с
+Хои + Vой + Х°и + ХС!
1 _ч0и , _,ои , ,ои.
А12 = , А13 = А1э , А14 = А(с ; Х15 = Хо° + Ч1, Х16 = Х1Е;0 + Х|1, Х17 = Х(с0 + ( Х18 = ХС';
Х22 =
Х33 = -(
V 44 = -(
^25
: + ( Х29 = С';
'436
Л1
ХС!) , V47 = л1г
Х51 = м!г, Х55 = -м!г;
Х61 = , Х66 = -м1з;
Х71 = ( Х77 = -|Чс
^81 = м, ^8
+ ( Х39 = хс ;
+ V 49:
: хс!;
( 4 )
Первоначальное распределение вероятностей на период к = 1, соответствующего системе ТБ+ПАЗ, находящейся в первом состоянии на первоначальный момент ? = 0, описано ниже:
Р(0) = (Р1(0) Р2(0) ... Р9(0)) = (1 0 ... 0). ( 5 )
Начальное распределение вероятностей для последующих периодов к = 2,3.. .К может быть рассчитано в соответствии
с зависимостью между периодами. Вероятность опасных необнаруженных отказов после контрольной проверки равна нулю.
Р ((к - 1)-Т!) = (рк р2 рк = р1 (к -1) Т!;
р2 = 0, р3 = 0, р4 = 0;
Р5 = рб ((к -1) Т!) + р2
р6 = ре ((к - 1)-Т!)+ рз
р7 = р7 ((к -1) Т!) + р4
р8 = рв ((к - 1)Т!);
р9 = рэ ((к - 1)-Т!).
Как видно из (6), вероятности р1(?), рв(0 ... р9(0 монотонны в течение всего жизненного цикла рассматриваемой системы, и остальные вероятности р2(0, Р3(0, Р4(0, р5(0, р6(0 и р7(?) имеют сингулярный характер (или, другими словами, нестабильны) на стыках интервалов горизонта планирования (1).
Результаты методики проектирования систем безопасности
В данной статье рассмотрена методика оптимизации противоаварийного оборудования, задачами которой могут являться определение таких показателей, как среднее значение вероятности отказа системы безопасности в случае аварии, среднее время простоя технологической установки и стоимости жизненного цикла, то есть затраты на приобретение и обслуживание системы безопасности. Одним из подходов к моделированию и оптимизации системы безопасности является применение теории марковских процессов. Ее достоинством является гибкость в оценке множества решений. Преимуществами использования теории марковских процессов для математического моделирования являются несколько аспектов: модель применима для количественной оценки характеристик надежности для каждой конкретной подсистемы: средняя вероятность отказа по требованию (в случае аварии) и среднее время простоев; интегрирование системы моделирования с оптимизацией по многокритериальному генетическому алгоритму, а также внедрение экономической оценки затрат и жизненного цикла системы. Проблемы выбора системы безопасности и ее проектирования могут
быть полностью решены с помощью представленного алгоритма.
Результатом описанной методики расчета параметров системы безопасности являются три значения целевых функций (вероятность сбоя противоаварийного оборудования в случае инцидента, время простоя оборудования и стоимость жизненного цикла системы безопасности). При выборе оптимального противоаварийного оборудования для конкретного магистрального трубопровода значения данных параметров должны быть сведены к минимуму.
В статье представлен алгоритм для проектирования системы безопасности в соответствии с действующими требованиями стандарта ГОСТ Р МЭК 61508-2-2012, в рамках которого быть соблюдены следующие шаги:
1. Определение частоты возникновения критических инцидентов для каждого целевого параметра при отсутствии системы безопасности.
2. Определение допустимых частот инцидентов по каждой критической области риска.
3. Расчет требуемого значения коэффициента снижения риска для каждой критической области в целях обеспечения допущения приемлемой частоты аварий и соответственно для обеспечения третьего класса риска, требуемого для нефтегазовой промышленности. Для выбранных значений коэффициента снижения риска также можно определить требуемое значение уровня полноты безопасности по данным таблицы, приведенной в ГОСТ Р МЭК 61508-2-2012.
4. Выбор спецификации для системы противоаварий-ной защиты, которая обеспечивает необходимый уровень коэффициента снижения риска для каждой критической области.
Следует подчеркнуть, что рассмотренный метод оптимизации противоаварийного оборудования при необходимом уровне снижения риска (и, следовательно, с приемлемой частотой) позволяет предложить исчерпывающее количество альтернативных вариантов, модификаций систем безопасности. В результате выявляются несколько приемлемых спецификаций оборудования, о выборе одной из которых принимается решение руководящим лицом в зависимости от приоритетных целей. Необходимо отметить, что описанный алгоритм позволяет выбрать оптимальную модификацию системы безопасности, способную обеспечить необходимую приемлемую частоту аварий при минимальных затратах, то есть представленная методика позволяет сделать экологически и экономически эффективный выбор проектируемого противоаварийного оборудования.
... рЭ);
((к -1) Т!); ((к - 1)Т!); ((к - 1)Т!);
(6)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Стандарт DIN V VDE 0801 Principles For Computers In Safety Related Systems: Принципы для компьютеров в системах, связанных с безопасностью. Берлин: Электротехническая комиссия, Германия, 1990.
2.Стандарт DIN V 19250 Grundlegende Sicherheitsbetrachtungen for MSR-Schutzeinrichtungen: Фундаментальные аспекты безопасности, рассматриваемые для связанного с безопасностью оборудования измерения и управления. Берлин: Электротехническая комиссия, Германия, 1994.
3.ГОСТ Р МЭК 61508-2-2012 Функциональная безопасность систем электрических, электронных, программируемых электронных, связанных с безопасностью (IEC 61508 Functional Safety of Electrical/Electronic/ Programmable Electronic Safety-Related Systems. Parts 1-7). М.: Стандартинформ, 2014.
RISK MANAGEMENT IN PIPELINE INFRASTRUCTURE PLANNING AND MODELING OF SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM TO OPTIMIZE PROCESSES
GOLYZHNIKOVA D.YU., Postgraduate Student
Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University) (65, korp.1, Leninskiy pr., 119991, Moscow, Russia). E-mail: [email protected]
ABSTRACT
This paper considered the issues of risk management based on the analysis of the pipeline systems' reliability and optimize their safety systems. It is reviewed mathematical modeling of the emergency shutdown system taking into consideration not only safety system failures but also possible incidents on the technology. The aim of the study is to implement the mathematical modeling of the safety instrumented system based on an analytical approach to the assessment of the reliability parameters for purpose of optimization the emergency shutdown system. It is proposed alternatives of safety system specifications, in accordance with the requirements of the standards, with detalization of the reliability parameters and economical expenses for the safety system implementation. This work has practical interest in problems of optimal selection safety instrumented systems, taking into account the principles of system's reliability and economic efficiency based on multi-criteria approach..
Keywords: risk management in the pipeline industry, the Safety Instrumented System, Mathematical Modelling, specification optimization, reliability performance, economical efficiency, safety instrumented systems, process unit, transition matrix.
REFERENCES
1. Standart DIN V VDE 0801 Printsipy dlya komp'yuterov vsistemakh, svyazannykh s bezopasnostyu [Standard DIN
V VDE 0801 Principles For Computers In Safety Related Systems]. 2.Standart DIN V 19250 Fundamental'nyye aspekty bezopasnosti, rassmatrivayemyye dlya svyazannogo s bezopasnostyu oborudovaniya izmereniya i upravleniya [Standard DIN V 19250 Fundamental aspects of safety contemplated for safety-related measurement and control equipment]. 3. GOST R MEK 61508-2-2012 Funktsional'naya bezopasnost sistem elektricheskikh, elektronnykh, programmiruyemykh elektronnykh, svyazannykh s bezopasnostyu [State Standard R MEK 61508-2-2012 Functional Safety of Electrical/ Electronic/Programmable Electronic Safety-Related Systems]. Moscow, Standartinform Publ., 2014.
