автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Научно-методические основы обеспечения безопасной эксплуатации опасных производственных объектов нефтегазового комплекса на основе управления системными рисками

УДК 622.692.4

На правах рукописи

,7

Абдрахманов Наиль Хадитович

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

2 6 ИЮН 2014

Уфа-2014

005550225

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР).

Научный консультант - Александров Анатолий Александрович,

доктор технических наук, профессор, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, ректор

Официальные оппоненты: — Глебова Елена Витальевна,

доктор технических наук, профессор, Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, зав. кафедрой «Промышленная безопасность и охрана окружающей среды»

— Клейменов Андрей Владимирович,

доктор технических наук, ОАО «Газпромнефть», начальник управления технической политики и инновационной деятельности департамента развития нефтепереработки и нефтехимии

- Бакпев Тагир Ахметовнч,

доктор технических наук, профессор, ООО «Газпром трансгаз Уфа», начальник Инженерно-технического центра

Ведущая организация — ООО «Научно-технический центр

«Промбезопасность-Оренбург»

Защита состоится 3 июля 2014 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Государственного унитарного предприятия «Институт проблем транспорта энергоресурсов» www.ipter.ru.

Автореферат разослан 3 июня 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор -Худякова Лариса Петровна

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 топ-ливно-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 НТК, оценки, идентификации и категорирования опасностей, построения «деревьев событий и отказов», теории динамических нелинейных систем, теории корреляционного анализа информации.

Научная новнзна 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 взрывопожаро-опасных 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 эксплу-

атации 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 синергетиче-ского 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 1820.0152011 «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 (резер-вуарный 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, 2007-2013 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 тепло-обменного 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 н 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 Александрову A.A. 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: Акимов В.А., Александров A.A., Бакиев Т.А., Бесчастнов М.В., Бурдаков Н.И., Гельфанд Б.Е., Гендель Г.Л., Глебова Е.В., Гумеров А.Г., Гумеров P.C., Елохин А.Н., Клейменов A.B., Козлитин A.M., Короленок A.M., Корольченко А.Я., Котляров-ский В.А., Кузеев И.Р., Ларионов В.И., Лисанов М.В., Мартынюк В.Ф., Ма-стрюков B.C., Одишария Г.Ж., Печеркин A.C., Попов А.И., Прусенко Б.Е., Сафонов B.C., Сидоров В.И., Хуснияров М.Х., Шаталов A.A., Швырцев A.A., Ше-беко Ю.Н., Haasl D., Henley Е., Kumamoto Н., Marshall V., Pietersen С. 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 № 22-ФЗ 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 харак-

теристик 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 ал-' горитмического и программного обеспечения методологии расчета синергети-ческого 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 рас-

пределений 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 ?^П(Т) и РВ(Т) определяется как:

где Д„ (Дг,) - частота аварий за интервал времени Дть Р„(Дг2) - вероятность выброса токсических веществ за интервал времени Дт2:

стп, <тв — 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 т11НТ, 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 тиет позволяет осуществлять прогноз временного интервала безопасной работы технологической установки и время ожидания восстановительно-ремонтных работ.

Коэффициент когерентности, согласно методу корреляционных моментов, определяется как:

(1)

тах Яр р (т)

<т<т„ " п

где RP р (т) - функция взаимной корреляции распределения во времени взрывоопасное™ и пожароопасности; ств, <тп - среднеквадратичные отклонения «абсолютного» риска взрывоопасности и пожароопасности соответственно;

(3)

а, -ат

где ох - среднеквадратичное отклонение «абсолютного» риска токсического поражения от взрывной волны выбросов; Л (г) - функция взаимной корреляции распределения во времени взрывоопасности и распределения токсических веществ; тн, тк - начало и окончание временного интервала обследования соответственно.

Временной интервал корреляции хинт определяет возможный временной интервал возникновения и развития аварийной ситуации и рассчитывается как:

(4)

где Кд(г) - огибающая корреляционной функции частоты аварийных ситуаций.

Для временных интервалов технологических процессов и их вероятностных распределений, характеризующихся одинаковыми (с разбросом ±5) значениями коэффициентов корреляции II 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:

"к, (5)

K = F

где — показатель синергетического риска; Р' — вероятность возникновения опасной ситуации; п - число опасных ситуаций (г = 1, 2, ..., п)\ К'г - коэффици-

ент когерентности распределений опасных ситуаций в задаваемых временных интервалах технологических процессов Дт; Щ — 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

(6)

где \Уп — объем производства выпускаемой продукции; 1¥2 — 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 Я = (Рв, Рт), у.е.

Показатель уровня опасных сшуации Кг, У-е. Вероятность возникновения аварийной ситуации Р, год"1

Р= Ю-'.-ЛО"2 Р= 10"2..Л0"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 Р„ и токсическим воздействием Рт.

Суммарный синергетнческий риск 112 классифицируется следующим образом:

• минимально допустимая управляемая величина, когда Р1 = 10Л..10"5 (минимально допустимый уровень опасности);

• низкий уровень - Р2 = 10"3... 10'4;

• средний уровень - Р3 = 10"2... 10'3;

• высокий катастрофический уровень — Р4 = 1(Г... 10'.

Для недопущения уровней Яг, Яз, Яд автором предложена и разработана система управления минимизацией риска, позволяющая в режиме реального времени управлять минимизацией риска до уровня 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;

• 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 взрывопожаро-опасного 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» взрывопожа-роопасной 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 формализиро-ванных 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 Р =67-10"2 г ПОЯВ.ТОПЛ ' 1 у 0,4 8

2 Прогар змеевика Рпр э>, = 1,2 • Ю-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» Рк^сг. = 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 7?фвк аварийных процессов) пропорционально увеличивается частота возникновения сценариев развития аварийных ситуаций А.аь что дает возможность раннего распознавания и локализации аварийного события на ос-

нове мониторинга показателя когерентности в режиме «Оп-Ыпе», 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 <2(т)> нестационарность давления Р(т) и температуры Т(т), 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

Р, Иг Рз Ры

1 Образование парогазового облака I*.,. И..2 К.,3 1*1.1-1 Ни Wl

2 Образование пролива К-2Л 1*2.2 1*2.3 Яз.м 1*2,1

3 Пожар разлития 1*3.2 Яз,з 1*з,м 1*3.1 Wз

4 Взрыв парогазового облака 141 1*4.2 1*4,3 1*4,1-1 1*4.1

Примечание.

1*„] — величины взаимной корреляции аварийных событий;

W2) Wз, W4 — прогнозная энергоэффективность технологической установки с оценкой потерь на локализацию и ликвидацию аварии._

Учет прогнозных величин ожидаемых потерь Епот в случае реализации технических решений по минимизации синергетического риска осуществляется согласно:

С7)

I

Оптимальное решение для минимизации возможного ущерба определяется по минимуму Рпот:

Рпот = пип. (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 «Оп-Ыпе» 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:

-Г>' /Л >-' ^

где 11'тах, Я"тах - автокорреляционные функции изменяющихся во времени нестационарных случайных процессов;

АТ], Дт2 - временные интервалы обследования (измерения) автокорреляционных функций II' и II" 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 «Оп-Ьте».

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, основан-

ной 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 ЕРА 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 взрывопо-жароопасного 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 Arc/Info. Технология доступа и формирования интегрированного банка данных предприятия основана на архитектуре «клиент-сервер», причем в качестве клиента используется ГИС Arc/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 проти-возащитных 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.

1П 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 (ИБС), 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 «ЕШегпе1-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.

«ЕЛегпе^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:

- мониторинг оперативной информации;

- сбор и анализ ретроспективной информации;

- формирование и анализ исходной информации для оценки степени опасности ОПО и составление технологического регламента безопасной эксплуатации установки;

- количественная оценка прогнозных и текущей вероятностей аварийных ситуаций;

- сравнительный анализ прогнозного и текущего синергетического рисков;

- выдача заключения об изменении текущих технологических режимов;

- формирование измененного технического решения ПАЗ и изменение логической схемы ПЛК.

Технология оперативного управления системой ПАЗ строится на принципе сравнения текущего значения синергетического риска с его верхней и нижней уставками прогнозных безопасных величин. В случае отклонения параметров уставок за допустимые границы ПЛК осуществляет адаптивный поиск возможных технологических причин отказов согласно табличным данным корреляционных матриц отказов, по которым формируются сообщения и логические схемы по причинам предаварийной ситуации с выдачей соответствующей рекомендации по минимизации риска и устранению причины опасной ситуации.

В работе рассмотрены и проанализированы результаты опробования первой очереди системы «ИУС-Безопасность» и разработанной технологии управления минимизацией рисков в течение 2000-2013 гг. на пилотных объектах нефтегазового комплекса.

По результатам промышленного опробования подсистемы нижнего уровня «ИУС-Безопасность» была проведена количественная оценка уровня опасностей на основе разработанной технологии минимизации рисков. Результаты расчета вероятности возникновения и развития аварийных ситуаций позволили уменьшить риск возникновения катастрофических событий на три порядка, что составляет величину 8,0 ■ 10~б.

В четвертой главе приведены результаты разработки системы оперативного мониторинга и управления нестационарными рисками при эксплуатации ОПО нефтегазового комплекса, узлов и агрегатов, применяемых при транспортировании углеводородных сред.

На основе анализа нестационарных рисков, возникающих при эксплуатации трубопроводных систем, обоснованы и разработаны требования, положенные в основу построения оперативного аппаратно-программного комплекса для мониторинга и управления минимизацией рисков, обеспечивающего безопасную эксплуатацию трубопроводных систем.

Разработанный комплекс предназначен для решения следующих задач:

- контроль технологических режимов функционирования трубопроводной системы;

- обеспечение в режиме «Оп-Ьте» расчетных оптимальных значений гидродинамических давлений транспортируемой среды с помощью блока регулирования давлений;

- контроль расхода транспортируемой среды;

- обеспечение в режиме «Оп-Ыпе» стабилизации минимальных значений индекса нестационарности гидродинамического давления по трассе трубопроводной системы;

- контроль системы аварийной защиты с целью автоматического отключения насосов согласно заданным режимам аварийной защиты;

- контроль в режиме « Оп-Ыпе» напряженного состояния металлических стенок трубопровода и индекса нестационарности коррозионного износа при помощи акустических приемных преобразователей, разнесенных по длине линейной части трубопроводной системы;

- контроль температуры транспортируемой среды;

- контроль влагосодержания в транспортируемом потоке.

Функциональная схема аппаратно-программного комплекса для оперативного мониторинга безопасной эксплуатации трубопроводных систем представлена на рисунке 6.

Комплекс функционирует на основе алгоритмического обеспечения корреляционной обработки входной информации и предусматривает дистанционную передачу данных на верхние уровни информационно-управляющей системы.

Система регулирования режимов работы насосных станций реализована по двум уставкам оптимальных режимов на входе и выходе насосных станций, обеспечивающих минимальную величину индекса нестационарности и его стабилизацию во времени.

В работе подробно представлены алгоритмы функционирования многоканального акустического модуля, обеспечивающего измерение степени коррозионного износа и напряженного состояния трубопровода в процессе его эксплуатации, и модуля управления режимами работы подсистемы аварийной защиты, настроенной на стабилизацию минимальных значений индекса нестационарности Яо.

с выходов датчиков контрольных пунктов КП, разнесенных по длине трассы трубопроводной системы

Рисунок 6 - Функциональная схема аппаратно-программного комплекса для оперативного мониторинга безопасной эксплуатации трубопроводных систем

Разработанное программное и методическое обеспечение комплекса предназначено для решения следующих задач:

- обработка и интерпретация многоканальной гидродинамической и акустической информации;

- моделирование нестационарных процессов в гидродинамической и акустической системах комплекса оперативного мониторинга;

- количественная оценка нестационарного синергетического риска;

- расчет индексов нестационарности и напряженного состояния трубопроводной системы;

- расчет оптимальных управляющих воздействий для минимизации индекса нестационарности в процессе эксплуатации опасных производственных объектов трубопроводной системы.

В работе представлена функциональная схема программного обеспечения разработанного комплекса, приведены соответствующие инструктивно-методические материалы, разработанные для сопровождения отдельных подсистем комплекса оперативного мониторинга и управления (Приложения 8, 9).

Приведены результаты опробования первой очереди опытного образца аппаратно-программного комплекса оперативного диспетчерского мониторинга безопасной эксплуатации технологической трубопроводной системы.

Реализация разработанного комплекса на основе минимизации нестационарных рисков при эксплуатации трубопроводных систем транспортирования взрывопожароопасных и химически опасных сред позволяет адаптировать программное обеспечение системы к специфике любого ОПО, а методология оперативного мониторинга может быть адаптирована к условиям эксплуатации трубопроводов с любой сложностью построения, в т.ч. и для магистральных нефтегазопроводов с целью контроля и управления технологическими параметрами в режиме реального времени.

Подобный комплекс для оперативного мониторинга и управления безопасностью трубопроводных систем транспортирования взрывопожароопасных и химически опасных сред не имеет аналогов в мировой практике строительства и эксплуатации трубопроводных систем.

Разработанные критерии и принципы построения аппаратно-программного комплекса оперативного мониторинга и управления безопасностью ОПО нефтегазового комплекса с использованием технологии минимизации синергетического риска и управлением технологическими режимами эксплуатации трубопроводных систем позволяет обеспечить повышенную безопасность транспортирования углеводородных сред. При этом отличительными особенностями разработанного комплекса являются использование многоканальной си-

стемы оперативного мониторинга и возможность прогнозирования аварийных ситуаций на ранней стадии их возникновения.

На стадии оперативного мониторинга эксплуатации трубопроводных транспортных систем разработанный комплекс позволяет реализовать корреляционную обработку многоканальной входной информации, количественную оценку нестационарного синергетического риска, индексов нестационарности, нестационарности гидродинамической системы, напряженного состояния трубопроводной системы.

В пятой главе приведены результаты опробования и внедрения разработанной технологии управления безопасной эксплуатацией ОПО на основе использования методологии минимизации системных рисков на пилотных объектах нефтегазового комплекса.

В рамках функционирования первой очереди информационно-управляющей системы «ИУС-Безопасность» разработана организационная структура типового предприятия, которая обеспечивает:

- сбор и первичную обработку данных (аналого-цифровое преобразование, измерение, масштабирование, проверку достоверности) о безопасности технологических процессов и технологического оборудования;

- сбор информации по данным мониторинга о состоянии и работе технологического оборудования, схем автоматического управления, регулирования и аварийной защиты;

- распознавание и сигнализацию о предаварийных и аварийных ситуациях;

- сигнализацию отклонений приемлемого уровня риска от заданных пределов;

- регистрацию контролируемых параметров и событий;

- ведение технической документации и инструктивно-методических материалов.

Организационная структура безопасной эксплуатации опасных объектов реализована при участии автора в составе внедренной первой очереди «ИУС-Безопасность» на основе сетевой интеграции автоматизированных систем управления технологическими установками и стационарных компьютеризированных систем мониторинга.

Перечень разработанных и внедренных в производство инструктивно-методических материалов и технологической документации, обеспечивающих

безопасность производства, для соответствующих модулей потенциально опасных установок представлены в Приложениях 1 гб, 8, 9.

Для обеспечения безопасной эксплуатации модулей технологических установок разработанная многоуровневая иерархическая структура позволяет решать организационные задачи принятия управляющих решений как в режиме «Off-Line», так и в режиме «On-Line».

В режиме «Off-Line» решаются следующие задачи повышения безопасности ОПО:

• обеспечение интеграции локальных подсистем в рамках единого банка данных технологических процессов;

• формирование и ведение единого банка данных ретроспективной и оперативной информации с целью доступа на основе стандартных интерфейсов различных прикладных систем применяемых технологических модулей;

• соблюдение инструктивно-методических материалов и регламента безопасности технологических процессов и оборудования;

• выбор технических средств и технологических мероприятий для обеспечения безопасной эксплуатации объектов технологической установки;

• организация мероприятий по предупреждению аварий и аварийных ситуаций, включая организацию планово-предупредительных ремонтов;

• принятие технологических и организационных решений по эвакуации персонала и ликвидации аварийных ситуаций на ранней стадии возникновения опасной ситуации.

В режиме «On-Line» решаются следующие задачи обеспечения безопасности эксплуатации объектов ОПО:

• мониторинг, накопление и хранение информации о ходе технологических процессов, состоянии системы и действиях оператора;

• расчет и хранение технико-экономических показателей;

• формирование запросов в банк данных на выдачу задаваемой информации и представление информации руководству предприятия в виде графиков, таблиц и диаграмм;

• вывод на экран монитора мнемосхем общего вида и отдельных объектов с индикацией текущих значений технологических параметров и их отклонений от нормы, а также контролируемых данных в виде таблиц;

• диагностика состояния технологического оборудования и технических средств управления безопасностью объектов;

• проверка достоверности информационных каналов многоканальной системы измерения, сигнализации и регистрации отказов программно-технологических средств с указанием объекта, времени и вида отказа.

Введенная в действие организационная структура обеспечения безопасности успешно эксплуатируется с 2009 г. по настоящее время в ОАО «Газпром нефтехим Салават» и ОАО «Салаватский химический завод».

При реализации новой технологии использовались программный комплекс «САПР-Безопасность» и программный комплекс «СКАН» в составе аппаратно-программного комплекса «АРМ-Мониторинг».

В работе приведено ранжирование опасностей технологической установки по категориям согласно данным корреляционного анализа и количественной оценки поражающих факторов согласно алгоритмам расчета синергетического риска.

Подробно представлены возможные сценарии развития аварийных ситуаций на основе разработки нестационарных моделей «дерева событий» с учетом нестационарности технологических процессов висбрекинга.

Приведены рассчитанные «САПР-Безопасность» радиусы поражения при развитии сценариев аварийных ситуаций.

Подробно представлены разработанные планы безопасного расположения основного технологического оборудования установки и персонала по данным синергетического анализа и сценариев развития опасных ситуаций.

Сформулированы научные положения, позволяющие перейти от стандартного подхода к анализу и управлению рисками на основе использования регрессионных моделей к корреляционному методу, позволяющему повысить достоверность получаемой информации и расширить методические возможности учета нестационарности технологических процессов.

Учитывая высокую значимость инновационных решений, предоставленных в работе, проведено сравнение новизны и эффективности стандартной известной технологии обеспечения безопасности и предлагаемой новой технологии, обеспечивающей более эффективную и надежную эксплуатацию ОПО. По результатам сравнения даны рекомендации автора по дальнейшему развитию рассматриваемой проблемы. Данные сопоставления приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Сравнительная эффективность стандартной и разработанной

технологии обеспечения безопасности функционирования ОПО

№ п/п Основные характеристики технологий обеспечения безопасности Стандартная технология обеспечения безопасности Новая технология обеспечения безопасности

1 Прогноз инициирования аварийной ситуации Детерминированный подход к анализу опасностей, представленный в декларации промышленной безопасности Корреляционный подход к анализу опасностей

2 Прогноз сценариев развития аварийных ситуаций На основе регрессионного анализа информации и регрессионных моделей Прогноз на основе динамических корреляционных моделей

3 Критерии выбора безопасных режимов эксплуатации Качественные, основанные на расчете «абсолютного» риска методом экспертных оценок Количественные, основанные на относительных показателях риска в режиме «Оп-Упе»

4 Показатели оценки рисков Оценка «абсолютного» риска на качественном уровне Количественная оценка риска с учетом энергоэффек-пшости технологических установок

5 Прогноз повторения аварийных ситуаций Отсутствует Прогноз временного интерзала до возникновения аварийной ситуации

6 Раннее распознавание аварийных ситуаций Отсутствует Раннее распознавание аварийных ситуаций по корреляционным показателям

7 Мониторинг потенциально-опасных ситуаций в режиме «Оп-Ьте» Отсутствует Оперативный мониторинг ОПО

8 Управление минимизацией рисков в режиме «Оп-1лпе» Отсутствует Оперативный выбор безопасных параметров эксплуатации ОПО по энергетическим параметрам

9 Нормативно-законодательная база Обеспечивается декларацией безопасности На данный момент отсутствует

Автором рассмотрены следующие рекомендации по дальнейшему развитию организационного, методического и информационного обеспечения разработанной технологии:

- разработка нормативных требований и нормативно-законодательной базы организационного обеспечения проектирования безопасной эксплуатации ОПО с учетом нестационарности технологических процессов;

- исследование закономерностей физико-химических процессов, определяющих основные стадии возникновения и сценариев развития аварийных ситуаций в условиях нестационарности ОПО;

- разработка требований к нормативным документам категорирования ОПО и созданию моделей для различных стадий и категорийности ОПО на основе корреляционного подхода оценки приемлемого риска;

- реализация в нормативных документах критериев и методов управления минимизации рисков, разработанных на основе учета нестационарности ОПО;

- разработка рекомендаций по управлению минимизацией риска, включающих отдельные стадии развития аварийных процессов, позволяющих ограниченным числом корреляционных моделей осуществлять достоверный прогноз аварийных ситуаций.

Таким образом, на основе проведенных исследований разработана и внедрена иерархическая организационная структура безопасной эксплуатации ОПО, опробованы и внедрены ситуационные планы и планы безопасного размещения технологических модулей установки на основе раннего диагностирования опасных ситуаций для ОПО, обслуживающего персонала, разработаны сценарии возможных аварийных ситуаций, дана сравнительная оценка эффективности безопасной эксплуатации ОПО по стандартной технологии и инновационных решений разработанной автором новой технологии, а также показано, что использование на ОПО новой технологии позволяет снизить потенциальный синергетический риск на территориях размещения модулей объекта и индивидуальный риск для обслуживающего персонала в среднем в 5 раз.

Основные выводы и рекомендации

1. Обоснованы и разработаны принципы идентификации и анализа рисков для ОПО нефтегазового комплекса, основанные на представлении возникновения и развития аварийных ситуаций как нестационарных случайных процессов.

2. Разработана информационная модель проектирования и эксплуатации ОПО, основанная на корреляционном анализе рисков для нестационарных динамических систем.

3. Разработаны принципы управления нестационарными рисками при эксплуатации ОПО как нелинейных динамических систем на основе использования корреляционных моделей.

4. Научно обоснована и разработана многокритериальная модель сценариев развития аварийных ситуаций, используемая при проектировании и эксплуатации ОПО.

5. Научно обоснованы и разработаны критерии количественной оценки степени опасности эксплуатации промышленных объектов и принципы управления минимизацией синергетического риска, реализованные в виде технологических регламентов безопасной эксплуатации ОПО нефтегазового комплекса и инструктивно-методических материалов.

6. Разработаны принципы построения информационно-управляющей системы адаптивного управления минимизацией рисков, реализующей многоуровневую систему безопасной эксплуатации ОПО нефтегазового комплекса.

7. Предложена и разработана технология управления промышленной безопасностью ОПО трубопроводных систем на основе использования методологии минимизации нестационарных рисков.

8. Обоснована и разработана организационная структура иерархической системы мониторинга безопасной эксплуатации ОПО нефтегазового комплекса и трубопроводных систем с использованием количественной оценки нестационарных рисков.

9. Проведенные исследования показали возможность оперативного управления безопасной эксплуатацией ОПО нефтегазового комплекса и трубопроводных систем на основе разработанной технологии минимизации рисков с использованием корреляционных критериев количественной оценки нестационарных рисков.

10. Результаты проведенных исследований апробированы и внедрены при проектировании и эксплуатации пилотных объектов ОАО «Газпром нефтехим Салават» и ОАО «Салаватский химический завод» в технических решениях и инструктивно-методических материалах обеспечения мониторинга и управления минимизацией системных рисков.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы

1. Абдрахманов, Н. X. Совершенствование оценки рисков нефтеперерабатывающих предприятий [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Р. А. Шайбаков // Безопасность труда в промышленности. - 2007. — № 12. — С. 58-59.

2. Абдрахманов, Н. X. Подъемные сооружения должны быть безопасными [Текст] / Н. X. Абдрахманов // Безопасность труда в промышленности. -2007,-№8.-С. 40-41.

3. Абдрахманов, Н. X. Повышение безопасности опасных производственных объектов [Текст] / Н. X. Абдрахманов // Безопасность труда в промышленности. - 2007. - № 12. - С. 65-68.

4. Абдрахманов, Н. X. Роль анализа причин аварий на объектах нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств в оценке уровня рисков [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Р. А. Шайбаков, P.A. Байбурин // Нефтегазовое дело.-2008.-Т. 6.-№ 1.-С. 189-190.

5. Абдрахманов, Н. X. Промышленная безопасность дымовых и вентиляционных промышленных труб [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Р. А. Шайбаков, Н. П. Четверик // Безопасность труда в промышленности. - 2008. - № 8. -С. 70-73.

6. Абдрахманов, Н. X. Комплексная экспресс-оценка экологических рисков в нефтяной промышленности [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Д. Н. Семченко-ва, В. В. Растоскуев, Н. С. Колобов // Нефтяное хозяйство. - 2008. - № 8. -С. 104-105.

7. Шайбаков, Р. А. Расследование аварийных ситуаций: новые методы и подходы [Текст] / Р. А. Шайбаков, Н. X. Абдрахманов, И. Р. Кузеев, А. С. Си-марчук, Ф. Р. Рахимов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - Уфа, 2008. - Вып. 3 (73). - С. 110-121.

8. Шайбаков, Р. А. Влияние опасных факторов, возникающих при пожаре пролива, и его тушения на напряженно-деформированное состояние трубопровода [Текст] / Р. А. Шайбаков, Н. X. Абдрахманов, И. Р. Кузеев, А. С. Симар-чук, Р. А. Байбурин // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - Уфа, 2008. - Вып. 4 (74). - С. 77-82.

9. Абдрахманов, Н. X. Промышленная безопасность аммиачных холодильных установок [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Р. А. Шайбаков // Безопасность труда в промышленности. — 2008. — № 12. - С. 75-76.

10. Абдрахманов, Н. X. Надежный партнер в вопросах безопасности [Текст] / Н. X. Абдрахманов // Безопасность труда в промышленности. - 2009. -№7.-С. 64.

11. Абдрахманов, Н. X. Промышленная безопасность на взрывопожаро-опасных и химически опасных производственных объектах [Текст] / Н. X. Абдрахманов // Безопасность труда в промышленности. - 2010. - № 5. - С. 76-77.

12. Абдрахманов, Н. X. Повышение надежности эксплуатации насосного и компрессорного оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств [Текст] / Н. X. Абдрахманов // Безопасность труда в промышленности. -2010.-№ 10.-С. 61-62.

13. Шавалеев, Д. А. Управление промышленной безопасностью объектов топливно-энергетического комплекса на основе анализа и мониторинга рисков [Текст] / Д. А. Шавалеев, Н. X. Абдрахманов // Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. - 2012. - № 6. - С. 435-441. - URL: http:www.ogbus.ru/authors/ShavaleevDA/ShavaleevDA_l.pdf.

14. Шавалеев, Д. А. Автоматизированная система управления промышленной безопасностью объектов топливно-энергетического комплекса на основе

анализа и мониторинга рисков [Текст] / Д. А. Шавалеев, Р. А. Шайбаков, Н. X. Абдрахманов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - Уфа, 2013. - Вып. 1 (91). - С. 92-99.

15. Абдрахманов, Н. X. Управление промышленной и экологической безопасностью объектов нефтепереработки и нефтехимии на основе анализа рисков [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Д. А. Шавалеев // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. — 2013. — № 3. — С. 5-9.

16. Абдрахманов, Н. X. Вопросы экологичности и безопасности получения изомасляной кислоты [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Д. А. Шавалеев, Э. Н. Абд-рахманова, Г. Г. Ягафарова, Г. К. Аминова, А. К. Мазитова // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. — 2013. — № 3. — С. 9-14.

17. Шайбакова, В. Р. Система управления промышленными стоками и отходами производств [Текст] / В. Р. Шайбакова, Н. X. Абдрахманов, Р. А. Шайбаков, Д. А. Шавалеев // Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. 2013. - № 1. - С. 498-509. - URL: http://www.ogbus.ru/authors/ Shaybako-vaVR/ShaybakovaVR_l.pdf.

18. Абдрахманов, Н. X. Предложения по совершенствованию государственной системы управления отходами [Текст] / Н. X. Абдрахманов, В. Р. Шайбакова, Д.А. Шавалеев, Р. А. Шайбаков // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2013. -№ 7. - С. 5-11.

19. Ханухов, X. М. Техническое диагностирование и анализ безопасности эксплуатации резервуаров вертикальных стальных для нефти и нефтепродуктов [Текст] / X. М. Ханухов, Р. А. Шайбаков, Н. X. Абдрахманов, А. Г. Марков // Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. - 2013. - № 4. - С. 243-257. - URL: http://www.ogbus.ru/authors/HanuhovHM/HanuhovHM_l.pdf.

20. Шайбаков, Р. А. Помехоустойчивый метод акустико-эмиссионного мониторинга резервуаров [Текст] / Р. А. Шайбаков, Н. X. Абдрахманов, Д. Г. Давыдова, А. Н. Кузьмин, А. Г. Марков // Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. - 2013. - № 4. - С. 448-464. - URL: http://www.ogbus.ru/authors/ShaybakovRA/ShaybakovRA_2.pdf.

21. Шайбаков, Р. А. Основные аспекты оценки технического состояния технологических трубопроводов [Текст] / Р. А. Шайбаков, Д. Г. Давыдова, Н. X. Абдрахманов, А. В. Жуков, Д. Б. Журавлев, А. Г. Марков // Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. - 2013. - № 4. - С. 258-270. - URL: http://www.ogbus.ru/authors/ShaybakovRA/ShaybakovRA_l .pdf.

22. Абдрахманов, Н. X. Взаимодействие воздушной ударной волны с наземными объектами [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Ю. В. Волкова // Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. - 2013. - № 6. - С. 432-444. - URL: http://www.ogbus.ru/authors/AbdrakhmanovNH/AbdrakhmanovNH_l.pdf.

Материалы конференций, семинаров, сборники научных трудов

23. Абдрахманов, Н. X. Атмосферная перегонка нефти, предварительно подвергнутой ультразвуковому воздействию [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Ф. Ш. Хафизов, И. П. Юминов, И. Ф. Файзуллин, Р. Р. Фасхутдинов // Наука и

технология углеводородных дисперсных систем: матер. I междунар. симпозиума. -М., 1997.-С. 42.

24. Абдрахманов, Н. X. Опыт применения кавитационно-вихревых эффектов в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности [Текст] / Н. X. Абдрахманов, И. П. Юминов, Ф. Ш. Хафизов // Десять лет эксперимента на кафедре МАХП: некоторые результаты: сб. тез. и научн. ст. — Уфа, 1998. - С. 65.

25. Абдрахманов, Н. X. Приготовление дизельного топлива зимних сортов с применением волновых аппаратов [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Ф. Ш. Хафизов, И. П. Панин, Ф. Г. Шаяхметов // Обеспечение промышленной безопасности производственных объектов топливно-энергетического комплекса Республики Башкортостан: матер. II научн.-техн. семинара. - Уфа, 1999. - С. 231.

26. Абдрахманов, Н. X. Основные направления интенсификации тепломас-собменных процессов [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Ф. Ш. Хафизов, И. П. Юминов // Обеспечение промышленной безопасности производственных объектов топливно-энергетического комплекса Республики Башкортостан: матер. II научн.-техн. семинара. - Уфа, 1999. — С. 227.

27. Абдрахманов, Н. X. Применение вихревых аппаратов в промышленности [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Ф. Ш. Хафизов, О. Н. Климин, И. П. Юминов // Обеспечение промышленной безопасности производственных объектов топливно-энергетического комплекса Республики Башкортостан: матер. II научн.-техн. семинара. — Уфа, 1999. — С. 225.

28. Абдрахманов, Н. X. Модель процесса течения в цилиндрическом канале вихревой трубы [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Ф. Ш. Хафизов, О. Н. Климин, И. П. Юминов // Обеспечение промышленной безопасности производственных объектов топливно-энергетического комплекса Республики Башкортостан: матер. II научн.-техн. семинара. — Уфа, 1999. — С. 223.

29. Абдрахманов, Н. X. Исследование процесса конденсации и сепарации фаз в закрученном потоке [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Ф. Ш. Хафизов, О. Н. Климин, И. П. Юминов // Обеспечение промышленной безопасности производственных объектов топливно-энергетического комплекса Республики Башкортостан: матер. II научн.-техн. семинара. - Уфа, 1999. - С. 222.

30. Абдрахманов, Н. X. Промышленная безопасность - это наша профессия [Текст] / Н. X. Абдрахманов // Промышленная безопасность на взрывопо-жароопасных и химически опасных производственных объектах. Технический надзор, диагностика и экспертиза: матер, научн.-практ. конф. - Уфа: УГНТУ, 2007.-С. 4-5.

31. Абдрахманов, Н. X. Подготовка и аттестация специалистов опасных производственных объектов на знание правил промышленной безопасности [Текст] / Н. X. Абдрахманов // Обеспечение промышленной безопасности на предприятиях нефтяной и газовой отрасли: сб. научн. тр. / УГНТУ. - Уфа, 2007. -С. 7-14.

32. Абдрахманов, Н. X. Итоги международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» [Текст] / Н. X. Абдрахманов // Про-

мышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах: матер, междунар. научн.-практ. конф. / УГНТУ. -Уфа, 2008.-С. 21-24.

33. Абдрахманов, Н. X. Страхование ответственности организаций, эксплуатирующих опасные производственные объекты [Текст] / Н. X. Абдрахманов, А. Н. Колобов, А. В. Лобко // Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах: матер, междунар. научн.-практ. конф./ УГНТУ.- Уфа, 2008. - С. 30-33.

34. Абдрахманов, Н. X. Роль экспертизы промышленной безопасности опасных производственных объектов [Текст] / Н. X. Абдрахманов, А. П. Юдин // Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах: матер, междунар. научн.-практ. конф. / УГНТУ. -Уфа, 2008.-С. 38-41.

35. Абдрахманов, Н. X. Повышение качества экспертизы промышленной безопасности и уровня подготовки специалистов опасных производственных объектов [Текст] / Н. X. Абдрахманов // Совершенствование надзорной деятельности на объектах магистрального трубопроводного транспорта, предприятий нефтегазодобычи, газопереработки и геологоразведки: матер. Всеросс. семинара 12-15 мая 2008 г. - Уфа: Изд-во ООО «Информ-Сервис», 2008. - С. 91-95.

36. Абдрахманов, Н. X. Проблемы оценки технического состояния трубопроводов при сварке разнотолщинных участков [Текст] / Н. X. Абдрахманов // Промышленная безопасность дымовых и вентиляционных промышленных труб: сб. научн. тр. по матер, консультационно-метод. семинара / УГНТУ. -Уфа, 2008. - С. 27-30.

37. Абдрахманов, Н. X. Промышленная безопасность как составляющая часть безопасности Республики Башкортостан [Текст] / Н. X. Абдрахманов, А. В. Солодовников // Промышленная безопасность аммиачных холодильных установок: сб. научн. тр. по матер, консультационно-метод. семинара 19.10.2008 г./УГНТУ.-Уфа, 2008.-С. 15-21.

38. Абдрахманов, Н. X. Влияние пожара пролива и его тушения на состояние технологических трубопроводов [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Р. А. Шайба-ков // Техносферная и экологическая безопасность на транспорте: матер. Междунар. научн.-практ. конф. - СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2008. - С. 239-241.

39. Абдрахманов, Н. X. Проблемы безопасности и рисков при переходе Российской Федерации в информационное общество [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Р. Г. Шарафиев, В. В. Ерофеев, А. Ф. Исакова, А. П. Блинов // Региональная безопасность как условие стабильности федеративного государства: сб. научн. ст. - Уфа: Восточный университет, 2008. - С. 73-80.

40. Абдрахманов, Н. X. Экологические проблемы нефтедобывающих предприятий [Текст] / Н. X. Абдрахманов, А. А. Селуянов // Новые технологии и безопасность при бурении нефтяных и газовых скважин: матер, всеросс. научн. практ. конф. 27.05.2009 / УГНТУ.- Уфа, 2009. - С. 109-113.

41. Абдрахманов, Н. X. Экспертиза промышленной безопасности опасных производственных объектов Республики Башкортостан [Текст] / Н. X. Абдрахманов, А. П. Юдин // Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах: матер. III междунар. научн.-практ. конф. 17-20 февраля 2009 г. / УГНТУ. - Уфа, 2009. - С. 31-34.

42. Абдрахманов, Н. X. Экологические проблемы нефтеперерабатывающих предприятий [Текст] / Н. X. Абдрахманов, А. А. Селуянов // Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах: матер. III междунар. научн.-практ. конф. 17-20 февраля 2009 г. / УГНТУ. - Уфа, 2009. - С. 167-172.

43. Абдрахманов, Н. X. Предупреждение порывов промысловых трубопроводов как задача промышленной безопасности [Текст] / Н. X. Абдрахманов, А. А. Селуянов // Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах: матер. IV междунар. научн.-практ. конф. 17-18 марта 2010 г. / УГНТУ. - Уфа, 2010. - С. 239-241.

44. Абдрахманов, Н. X. Автоматизированная система управления рисками [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Р. А. Шайбаков // Актуальные вопросы разработки нефтегазовых месторождений на поздних стадиях. Технологии. Оборудование. Безопасность. Экология: матер, научн.-практ. конф. 26-27 мая 2010 г. / УГНТУ. -Уфа, 2010.-С. 214-218.

45. Абдрахманов, Н. X. «Кама-1»: некоторые проблемы уникального производственного объекта [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Р. А. Шайбаков, Д. А. Шавалеев, Т. В. Ахтанина // Повышение надежности эксплуатации насосного и компрессорного оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств: сб. научн. тр. по матер, консультационно-метод. семинара 23-24.06.2010 г./УГНТУ. -Уфа, 2010. - С. 153-155.

46. Абдрахманов, Н. X. Эксплуатация промысловых трубопроводов на поздних стадиях разработки нефтяных месторождений [Текст] / Н. X. Абдрахманов, А. А. Селуянов // Повышение надежности эксплуатации насосного и компрессорного оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств: сб. научн. тр. по матер, консультационно-метод. семинара 23-24.06.2010 г./УГНТУ. - Уфа, 2010. - С. 175-179.

47. Абдрахманов, Н. X. Повышение эксплуатационной надежности резервуаров при размыве и смешении донных отложений [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Д. А. Шавалеев, В. Ф. Галиакбаров // Промышленная безопасность на объектах нефтегазодобычи. Техническое диагностирование и экспертиза: матер, научн.-практ. конф. 25-26 мая 2011 г. / УГНТУ. - Уфа, 2011. - С. 210-212.

48. Абдрахманов, Н. X. Обеспечение промышленной безопасности: взаимодействие экспертных и страховых компаний [Текст] / Н. X. Абдрахманов, А. В. Солодовников // Обеспечение промышленной безопасности при эксплуатации резервуаров и резервуарных парков: сб. научн. тр. по матер, консультационно-метод. семинара 22-23.06.2011 г. / УГНТУ. - Уфа, 2011. - С. 280-283.

49. Абдрахманов, Н. X. Эффективность акустико-эмиссионного контроля при диагностировании технического состояния технологического оборудования

ОАО «Газпром нефтехим Салават» [Текст] / Н. X. Абдрахманов, И. Н. Емельянова, Д. А. Шавалеев // Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах. Технический надзор, диагностика и экспертиза: матер, научн.-практ. конф. 23-24 мая 2012 г. / УГНТУ. -Уфа,2012.-С. 5-16.

Учебные пособия, инструкции

50. Абдрахманов, Н. X. Защитные средства, используемые при ремонте и эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения: учебн.-метод. пособие [Текст] / Н. X. Абдрахманов, А. К. Мазитова, В. С. Горелов - Уфа: Изд-во «Реактив», 2007.-10 с.

51. Абдрахманов, Н. X. Оценка пожарной, взрывопожарной опасности зданий и их частей: учебн.-метод. пособие [Текст] / Н. X. Абдрахманов, В. С. Горелов. - Уфа: Изд-во «Реактив», 2008. - 10 с.

52. Абдрахманов, Н. X. Инструкция по применению полимерных изоляционных лент и оберток с двусторонним липким слоем [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Ф. М. Мустафин, Н. И. Коновалов, Р. А. Харисов. - Уфа: Изд-во «Реактив», 2010.-48 с.

53. Абдрахманов, Н. X. Методика определения остаточного ресурса изоляционных покрытий подземных трубопроводов: РД 39Р-00147105-038-2010 [Текст] / Н. X. Абдрахманов, Ф. М. Мустафин, Н. И. Коновалов, Р. А. Харисов. - Уфа: Изд-во «Реактив», 2010. - 48 с.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 05.04.2014 г. Формат 60 х 90 1/16. Усл. печ. л. 2.1. Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ № 88. Ротапринт ГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

Государственное унитарное предприятие «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»)

УДК 622.692.4

На правах рукописи

Абдрахманов Наиль Хадитович

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)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант —

доктор технических наук, профессор, Александров Анатолий Александрович

Уфа-2014

Содержание

стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................6

Глава 1 Принципы разработки современных технологий проектирования и эксплуатации нефтегазового оборудования опасных производственных объектов с использованием методологии анализа системных рисков..........13

1.1 Обобщение и анализ отечественного и зарубежного опыта

исследований в области проектирования и эксплуатации

нефтегазового оборудования опасных производственных

объектов...............................................................................13

1.2 Современное состояние разработки методологии анализа

системных рисков при проектировании и эксплуатации

нефтегазового оборудования опасных производственных объектов.... 16

1.3 Принципы разработки информационной модели управления минимизацией рисков опасных производственных объектов

нефтегазового комплекса..............................................................................33

Выводы по главе 1.................................................................................................37

Глава 2 Научно-методические основы прогнозирования аварийных ситуаций и управления минимизацией рисков с учетом нестационарности опасных производственных объектов нефтегазового комплекса....................................................................39

2.1 Исследование и анализ нестационарности возникновения

и развития потенциально опасных ситуаций при эксплуатации опасных производственных объектов .........................................................39

2.2 Исследование и анализ синергетической опасности возникновения и развития аварийных ситуаций на опасных производственных объектах нефтегазового комплекса...............................................................51

2.3 Разработка научно-методических основ управления минимизацией синергетического риска с учетом

нестационарности технологических процессов...........................................68

2.4 Синтез системы моделирования возникновения и сценариев развития аварийных ситуаций для нестационарных опасных производственных объектов нефтегазового комплекса .............................76

2.5 Принципы разработки функциональной схемы управления минимизацией рисков с учетом нестационарности опасных

производственных объектов..........................................................................87

Выводы по главе 2.................................................................................................92

Глава 3 Исследование и разработка методологии управления

минимизацией нестационарных рисков с использованием информационно-управляющей системы обеспечения безопасности эксплуатации опасных производственных объектов ................................................................................................94

3.1 Принципы разработки методологии управления минимизацией нестационарных рисков на стадии проектирования системы обеспечения безопасности............................................................................94

3.2 Требования к построению информационно-управляющей системы обеспечения безопасности при эксплуатации опасных производственных объектов.......................................................................102

3.3 Разработка принципов построения информационно-управляющей

системы обеспечения безопасности при эксплуатации опасных производственных объектов......................................................................112

3.4 Принципы обеспечения безопасной эксплуатации опасных

производственных объектов с использованием компьютеризированной технологии управления минимизацией рисков...........................................................................................................118

3.5 Исследование результатов промышленной апробации первой

очереди информационно-программного обеспечения на пилотных опасных производственных объектах нефтегазового

комплекса......................................................................................................120

Выводы по главе 3...............................................................................................123

Глава 4 Повышение безопасности эксплуатации опасных

производственных объектов нефтегазового комплекса с использованием оперативного мониторинга

и управления минимизацией синергетического риска..........124

4.1 Разработка критериев управления безопасностью опасных производственных объектов с использованием минимизации синергетического риска .............................................................................124

4.2 Разработка технических требований к созданию системы

оперативного мониторинга и управления промышленной и экологической безопасностью опасных производственных объектов на основе минимизации рисков..............................................126

4.3 Разработка принципов построения комплекса оперативного

диспетчерского мониторинга и управления безопасностью эксплуатации трубопроводных систем при транспортировании углеводородных и химически опасных сред............................................128

4.3.1 Техническое обеспечение комплекса.........................................130

4.3.2 Гидродинамический модуль и модуль управления комплекса..........132

4.3.3 Акустический модуль аппаратно-программного комплекса оперативного мониторинга....................................................133

4.3.4 Программное обеспечение комплекса........................................134

4.4 Опробование аппаратно-программного комплекса

для оперативного мониторинга безопасной эксплуатации трубопроводных систем при транспортировании

взрывопожароопасных и химически опасных сред..................................139

Выводы по главе 4 ..............................................................................................142

Глава 5 Опытно-промышленное применение и внедрение

технологии проектирования и эксплуатации опасных производственных объектов нефтегазового комплекса с использованием минимизации синергетического риска ......144

5.1 Результаты опробования и внедрения организационной структуры эксплуатации опасных производственных объектов нефтегазового комплекса.................................................................................144

5.2 Результаты опробования и внедрения инновационных решений при проектировании и эксплуатации опасных производственных объектов нефтегазового комплекса .........................................................148

5.3 Сравнительный анализ эффективности инновационных решений новой технологии промышленной безопасности со стандартными

и рекомендации по ее дальнейшему развитию...........................................186

Выводы по главе 5 ..............................................................................................190

Основные выводы и рекомендации...............................................................192

Список литературы...........................................................................................194

Приложения:

1 Акт о внедрении технологии мониторинга и управления безопасностью технологического оборудования и трубопроводов опасных производственных объектов ОАО «Газпром нефтехим Салават»..........................................................................................................220

2. Интегрированная система менеджмента по безопасной эксплуатации систем, аппаратов и технологической

трубопроводной системы опасного производственного объекта...............221

3. Акт о внедрении технологии мониторинга и управления безопасностью оборудования, резервуаров и технологических трубопроводов опасных производственных объектов

ОАО «Салаватский химический завод»........................................................222

4. Методические рекомендации по безопасной эксплуатации опасных производственных объектов (резервуарный парк)......................................224

5. Изменение/дополнение №3 К ТР 1820.015-2011 Производство диметиламина. Безопасная эксплуатация производства.

Перечень инструкций и нормативной документации..................................225

6. Инструкция по безопасной эксплуатации оборудования, узлов и технологических трубопроводов опасных производственных объектов...........................................................................................................226

7. Расчет вероятностей возникновения аварийной ситуации

на типовой технологической установке НПП (ЭЛОУ-АВТ)......................227

8. Инструктивно-нормативная техническая документация

для обеспечения промышленной безопасности объектов типового опасного производственного объекта............................................................230

9. Инструкция «Организация работ по эксплуатации систем противоаварийной защиты и аварийно-предупредительной сигнализации»..........................................................................239

ВВЕДЕНИЕ

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 ава-

рийных 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 взрывопожа-роопасных 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 аиализа 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 НТК, 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 отхо