Suharev_M.G._Nadezhnost_sistem_gazo-_i_neftesnabzheniya

а

z

Рис. 3. Варианты технологических схем станций с 6 аq~егатами

всегда ~ < Ra < R~ (если, конечно, О < р < l). Кстати,

Можно бьmо бы считать полученные результаты вполне при­ емлемыми, если бы не одно но. Модели булевой алгебры пред­

назначены для расчета показателей надежности систем с невас­

станавливаемыми элементами, а агрегаты, как известно, ремон­

тируются. Более адекватно учесть условия функционирования

21

Рис. 4. Диаграммы переходов для рас•1ета показателей надежности

технологических схем перекачивающей станции

компрессорной станции позволяют модели марконских процес­ сов [7]. Техника их применения предполагает построение диаг­

раммы (или графа) переходов. Такие диаграммы для схем а-г изображены на рис. 4.

Кружками изображены состояния станции: состояние О - все агрегаты в исправности; состояние 1 - 1 агрегат в ремон­ те, 4 работают, 1 простаивает, будучи работоспособным; со­ стояние 2 - 2 агрегата в ремонте, 4 работают; заштрихованы состояния неработоспособности станции. Рядом со стрелка­

ми проставлены интенсивности переходов. Jl~ина л.-t -

средняя наработка аrрегата наотказ.,Jl-1 - среДне·евремя

ремонта. Предполагается, что количество ремонтньiх моЩно­

стей достаточно и каждый отказавший агрегат сразу же начи­

нает ремонтироваться.

Пользуясь довольно простой техникой исследования марков­

ских процессов, можно составить и решить систему уравнений Колмогорова для вероятностей пребывания в каждом состоянии

диаграммы. Вероятности дают возможность вычислить JШ~.!ШШ1-:..

циенты готовности К для схем а-г:

__...-~--·~~-···-~" •и:• .... ~--.-••""" •"• .......

Ка= (3 + l2y + 12"()/(3 + 12у + 24у2 + 16у3),

кб= о + 4у)/( 1 + 4у + 8"f),

22

32

Кв= К,= (1 + 4у + S'f)/(1 + 4у + 8у2 + ()'f).

Здесь у= Л./Jlтак называемый_п_:1раметр надежности и об­

служивапия-: Полагая у= 0,1. получим с точностью до трех зна­

ков: Ка = о·,969; К6 = 0,6'46; Кв = К, = 0,993. Этим результатам я

доверяю больше, чем предыдущим, но все-таки подвергаю их сомнению. Ведь для применения апwрата марк:оJlСКИХ про~сов

надо бьuю предnоложить, что случайные величины - наработка

на отказ и время восстановления ~ подчинены nоказательному

закону распрS<lJеления. А так ли это? Если в нашем распоряже­

нии есть представительный статистический материал о наработ­

ке и времени ремонта агрегатов, то можно проверить гипотезу о

принадлежности случайных величин лаказательному распреде­

лению. С большой вероятностью можно уrверждать, что для вре­ мени ремонта эта гипотеза окажется отвергнуrой. Значит, при­ менение моделей с диаграммами рис. 4 бьmо не совсем обосно­ ванно. К счастью, есть несколько приемов, которые позволяют

весьма широкий круг реальных процессов приблизить маркаве­

кими моделями. Диаграммы переходов получатся более сложны­

ми, чем на рис. 4, но все расчеты тем не менее - вполне реали­ зуемыми. И численные результаты для коэффициентов готовно­ сти хотя и будут отличаться от тех, что приведены выше, однако не намного (утверждая это, я опираюсь на опыт расчетов по реальной статистической информации).

Во всех моделях показатели надежности технологических схем

ви г (рис. 3) оказались одинаковыми. Означает ли это, что схемы

ви г равнонадежны? Нет, конечно. Надежность - комплексное

свойст~о. а мы рассматривали пока толыw. приrоцносr.а "- .ма­

неврированию, режимную упрамяемость станции. Полное, сис­ темное, исследование должно ВК1110ЧЗТЬ рi:tзличные другие ,ас­

пекты проблемы. Обратим вниманпе хотя бы на колпчество зад­

вижек. Оно равно 18. для схем а, б, г, а для схемы в- 27. До сих пор в моделях учитывались только отказы arperaiOВ. Но ведь зад.;.

ВИЖ1G11'оже отказывают. К то-мУ же чем бОлее сложна копфmу­

рац.ия обВя~; 1'ем легче в ней залугаться персоналу: Недаром

сейчас всю технику стремятся выпускать «В расчете на дурака•

для того, чтобы минимизировать количество отказов по вине обслуживающего персонала. Не будем углубляться в технологи­ ческие детали, но ясно, что квалифицированное сопостааление

схем должно опираться на экспертные суждения специалистов

разных профилей.

23

На этом довольно простом примере я попытался проде­ монстрировать методологию исследования по надежности. Зак­

лючительную часть поневоле пришлось скомкать, опустить тех­

нологическую специфику проблемы в целом. Н_о_~ще раз )(ОЧУ

подчеркнуть необходимость системного подхода к принятию

решенИй с учетом фактора наДежности· и целесообразность проведения экспертизы. Тщательно подготов.ilеftная и правиль­ но реализованная (с привлечением современных методов ана­

лиза и компьютерной поддержкой) экспертиза, если и не дает гарантии от ошибок, по крайней мере, минимизирует их ве­

роятность, позволяет избежать субъективизма и является наиболее действенной и завершенной процедурой системно­

го анализа.

Поставленную ранее задачу сопоставления технологичес­ ких схем перекачивающей станции на рис. 3 можно было бы рецшть, пользуясь лишь общими методами теории надежно­ сти [6]. Но проблемы надежности трубопроводных систем при­ вели к необходимости расширения арсенала методов. Были

разработаны специальные модели для расчета надежности

магистрального трубопровода, ряд моделей, описывающих

трубопроводную систему с хранилищами для продукта и т.д.

[2]. Наиболее общие результаты в этом направлении полуЧе­ ны Е. Р. Ставровским. Он построил математическую модель и

ее компьютерную реализацию для трубопроводной системы

произвольной конфигурации, включающей также хранили­ ща продукта. Причем модель имеет две модификации: одна для систем газо-, а другаянефтеснабжения. Отличие их в том, что сезонность режимов в системе газоснабжения вы­ ражена значительно сильнее, чем в системе нефтеснабже­ ния. Поэтому практически все газохранилища, помимо фун­ кции погашения аварийных дефицитов, служат также для сглаживания сезонной неравномерности потребления. Сте­ пень их заполненмости и технологически достижимые деби­ ты по отбору зависят от сезона. Резервные же емкости в си­ стеме нефтеснабжения без труда переводятся с режима опо­ рQжнения на режим пополнения. Оригинальная и сложная

вматематическом и алгоритмическом плане конструкция

Е. Р. Ставровского вобрала в себя модели полумарковских процессов, математического программирования и др. Ее про­

грамммое воплощение САНТfУС опробовано на крупномас­

щтабных задачах как для газовых, так и для жидкостных тру­

бопроводных систем.

24

Что нам может дать зарубежный опыт

Оrечественная школа по надежности систем энергетики имеет

хорошие традиции. В начале 70-х годов акад. Ю .Н. Руденко (19331994) организовал всесоюзный семинар <<Методические вопросы

исследования надежности больших систем энергетики)). Деятель­ ность семинара способствовала сначала пробуждению, а затем

поддержанию интереса к проблеме не только в СССР, но и в восточноевропейских и некоторых азиатских странах. Вьшmо бо­

лее 40 выпусков трудов семинара, несколько монографий, уже

уnоминавшийся многотомный справочник [2, 4]. Семинар про­

должает действовать после кончины его основателя: летом насту­

пившего 1998 г. состоится юбилейное, 69-е заседание, посвящен­

ное 25-летиюдеятельности. Количество и научный уровень публИ­

каций свидетельствуют о лидирующем положении отечественной

науки в этом направлении. Тем не менее хотелось бы остановиться на двух моментах. Они представляют для нас безусловный инте­ рес, так как обязаны своим появлением отлаженноС'rи рыночных

отношений в экономике индуС'гриально развитых стран.

Мероприятия по повышению надежности, как правило, не

дают непосредственного экономического эффекта, вернее, эф­

фект очень трудно оценить. Оrказы случайныможет, рванет, а может, и пронесет - не зацепит. Компании должны вклады­

вать определенные деньги, чтобы повысить надежность своих

объектов. Но вот вопрос, какой уровень затрат следует считать

экономически оправданным? Дла решеиия проблемы разрабо­

танЪ! методы анализа и управления рисками.

Посмотрим, как они работают в конкретных обстоятельствах на примере статьи [8). Ее автор -Дж. Питерс, директор департа­

мента развития компании, поставляющей газ 1, 1 млн. потреби­

телей Нью-Йорка. Компания решает вопрос, следует ли уста­

навливать новую задвижку в сети среднего давления. Стоимость

ее всего 60 тыс. долл. Компания понесет также затраты из-за пе­ рерыва в газоснабжении некоторых потребителей на 24 ч (срок, необходимый для производства работ). А вот к~к Питере оцени­ вает другие расходные статьи бюджета компании. Год он делит

на 2 периода: обычного потребления (вероятность 89%), когда

температура больше ЗО"F, и ликового потребления (вероятность 11%) при температуре менее ЗО"F. Вероятность аварии за год

принимается равной О,76% на основании статистических дан­ ных. По каждому из периодов подсчитывается потенциальный

ущерб от аварии в случае, если сеть не подвергнется реконст-

25

рукции. Вьщелены 4 составляющие ущерба: затраты на ремонт, потери газа, ответственность и имидж компании. Причем две первые составляющие (в сумме) оказываются в 10 раз меньше двух последних. Ответственностью названы возможные выпла­

ты по претензиям потребителей из-за неожиданных перерывон в

обслуживании. Оценка ущерба и.миджу компании, как объясняет

автор статьи, субъективна. Она определяет потенциальные буду­ щие потери компании в конкурентной борьбе с другими по­

ставщиками энергоносителей. В наших условиях при подсчете эффективности мероприятий на повышение надежности никто не решился бы включать в ущербы имидж компании и выплаты столь больших штрафов за невыполнение контрактных обяза­ тельств по поставкам. А, наверное, надо бы!

Другой положительный момент из зарубежного опыта, кото­ рый для нас, по всей видимости, окажется полезным, это сам механизм, побуждающий нефтяные и газовые компании повы­ шать надежность (безопасность) своих производств. Я останов­ люсь на том, как обстоит дело в Соединенных Штатах, хотя много полезного можно почерпнуть из опыта Германии, Анг­ лии, Франции, Канады. Отношения между федеральными влас­ тями США и промьштенными компаниями регулируются зако­ нодательными актами. Конгресс проявляет повышенное внима­ ние к законодательству по трубопроводному транспорту. Обсуж­

дение законов длится месяцами и проходит в жарких дискуссиях.

Общественность (зеленые) настаивают на ужесточении требо­ ваний к безопасности. Нефтегазовые компании стремятся избе­ жать чрезмерных затрат. Рис. 5 иллюстрирует, какими аргумента­ ми они при этом пользуются [9]. Как видите, от укусов пчел и животных гибнет гораздо больше людей, чем· из-за аварий на трубопр<)водах, значит, есть более неотложные проблемы, чем безопасность систем нефтегазовоrо комплекса.

Тем не менее чуть не каждая крупная авария дает очередной толчок законодательному процессу. Власти действуют по прин­ ципу кнуrа и пряника. Компании, которые первыми применили

новые технологии, способствующие повышению безопасности,

получают налоговые льготы. А на виновников неприятных инци­

дентов накладываются весьма жесткие санкции.

В 1989 г. у берегов Аляски потерпел крушение танкер <<Эксон Валдез». Экологический ущерб от катастрофы бьт оценен в 1,5

млрд. долл._ В течение нескольких лет происшествие рассматрива­

лось в суде г. Анкориджа. Летом 1994 г. жюри присяжных вынесло

вердикт, по которому на компанию ЭКСОН был наложен штраф в 15 млрд. долл. [10]. Суд признал компанию виновной в безответ-

26

Молнии ~

Осы, шершни, ~ nчелы

Трубопроводы ~14

Рис. 5. Число жертв в США по различным причинам (данные за 1993 г.)

ственности. Компания знала, что капитан танкера склонен к пьянству, и не убрала его вовремя с ответственной должности. Можно привести примеры того, как наказываются фирмы, до­

пустившие отклонения от экологических нормативов при стро­

ительстве трубопроводов. В последне.е время штрафы накладыва­

ются не только на компанию: личнУю ответственность несуТ те

ее руководители, которые обязаны бьmи не щшустить отступле­ ний от нормативных требований.

Действенным рычаГом повышения безопаснqсти является стра­ хование объектов. Объемы страховых отчислений при сооружении платформ и трубопроводов в Мексиканском заливе определяются

законодате)Iьным nутем. Страховые компании следят за состояни­

ем рынка нового оборудования и новых технологий, содействую­ щих повышению надежности сооружаемых объектов. Они сами проводят некоторые эффективные, с их точки зрения, мероприя­

тия, используя для этого часть страховых взносов, выступают в

роли консультантов, дают рекомендации нефтегазовым компани­

ям. Or того, насколько обеспечена безопасность персонала и окру­ жающей среды, зависят объемы страховых платежей.

Наши достижения

Я уже говорил о том, как можно повысить надежность. Прак­

тически по всем направлениям ведется работа, где более, где

менее успешно. Для меня особенно интересны те из них, где

27

используются математические модели и методы. Остановлюсь на

проектировании магистральных газопроводов и их систем. Меж­ ду теоретическими разработками и их воплощением в реальное

дело довольно значительное расстояние. Для его преодоления необходимы усилия специалистов, знающих и науку и практику. В газовой отрасли особо заметную роль сыграл А М. Карасевич. Благодаря ему, в частности, стало традицией включение в со­

став проектной документации по газопроводам специального тома

с обоснованием мероприятий по надежности.

При проектировании газопровода следует выбрать рациональ­

ный вариант размещения компрессорных мощностей, то есть

количество и схему соединения газоперекачивающих агрегатов,

и обосновать агрегатный резерв. Резерв должен обеспечить сво­ боду маневра для проведения плановых ремантов и снизить по­ тери производительности из-за аварийных ситуаций. Избыточ­

ное резервирование приводит к неоправданным затратам, а не­

достаточное - к повышенным ущербам потребителей в период

аварийных и пиковых дефицитов. Рациональный выбор объемов

резервирования должен основываться на расчетах, на модель­

ных проработках. После того как бьш накоплен определенный опытт дmL удобства прое~tтировщико8 разработаны таблицы, позволяющие определять коэффициент надежности в зависимо­

сти от показателей нацежнос'fИ элементовпараметра потока

отказов и срелнеrо времени восстановления труб и агрегатов.

Таблицы выполнены ддя простейшего случая - газопровода с постоянным шагом КС - и дают возможность получить перво­

начальный вариант решения, который затем корректируется по

результатам более точных компьютерных расчетов, учитываю­ щих все особенности схемы газотрансnортной системы и ее па­ раметры. Рекомендации по выбору агрегатного резерва введены в отр~слевые нормы проекщрования. Однако они снабжены ком­

ментарием, смысл которого состоит в том, что все газопрово­ ды - уникальные капиталаемкие сооружения и окончательные

решения по выбору резерва должны основываться на исследова­

ниях, учитывающих их индивидуальность.

Аналогичным образом исследуются все способы и средства введения избыточности в структуру системы. Например, в мно­

гониточных коридорах используются перемычки между парал­

лельными газопроводами. С одной стороны, они дают возмож­ ность уменьшить количество стравливаемого в атмосферу газа при авариях, избежать больших потерь пропускной способно­

сти, с другой - перемычки приводят к удорожанию строи­

тельства. Но установленная на нитках и перемычках запорная

28

арматура сама может выходить из строя, да и усложнение струк­

туры системы сопряжено с повышением вероятности отказов.

Правильное решение получим, проанализировав результаты

расчетов и учтя по возможности трудно формализуемые фак­

торы. При этом сначала расстояние между перемычками выби­

рается ориентировочно, а затем их расположение уточняется

на местности с учетом переходов через реки и других топогра­

фических деталей.

Агрегатный резерв и перемычки являются средствами внут­

риобъектного резервирования. Но есть еще и системные сред­ ства. При изменении структуры системы, при введении в нее

новых объектов на моделях <<проиrрываются» всевозможные ава­

рийные ситуации для того, чтобы определить дефициты у по­

требителей и выявить «узкие места~>. Анализ расчетов позволяет

сделать рекомендации по увеличению маневренности системы

за счет «расшития узких месТ», определить, какие хранилища

целесообразно использовать в период аварий и не следует ли

увеличить мощности по отбору и закачке для этих хранилищ.

Конечно же, при подготовке и принятии решений по разви­

тию и реконструкции сложнейших систем газо- и нефтеснабже­

ния результаты технико-экономических расчетов используются

в сочетании с другими факторами, как то: удобство управления

рассматриваемым объектом, его функции в перспектине и воз­ можные изменения режимов работы в течение жизненного цик­

ла и т.д. Здесь следует исходить из различных, зачастую противо­ речивых принципов. Чтобы понять, какие соображения прихо­

дится при этом иметь в виду, я приведу три высказывания, при­

надлежащие признанным авторитетам (хотя и не в области на­

дежности).

«Даже если все эксперты единодушны, они могут ошибатьСЯ». Бертран Рассел.

«Наиболее существенная ошибка в прогнозах­ не осознавать, насколько велики вероятности событий,

не принятых во внимание».

Пауль Самуэльсон.

«Человек, который стремится к полной ясности до принятия

решений, никогда не принимает рещенUЯ».

Анри Амиель.

29

Наши проблемы

Трубопроводы сетей газа- и нефтеснабжения стареют, обо­

рудование изнашивается. Реконструкция объектов добычи, под­ готовки, транспорта и хранения газа и нефти требует значитель­ ных инвестиций, на которые нельзя рассчитывать в тяжелых эко­

номических условиях, переживаемых Россией. Следствием всего этого является обострение проблем надежности. Поводов дЛЯ бес­ покойства достаточно. Оптимистическая картина, отраженная рис. 2, может смазаться. Вот некоторые соображения по этому

поводу. Первые газопроводы проложеныв западносибирском ре­

гионе более четверти века назад. Ореол протаивания вечной мер­

злоты за это время увеличивался, как скажется это на долговеч­

ности труб, неясно. Постоянное взаимодействие трубопровода с

грунтом приводит к избыточным напряжениям и в конечном

счете к необратимым изменениям в металле. Неизвестно до сих пор, из-за чего происходит интенсификация процессов корро­ зионного растрескивания под напряжением. В какой-то момент

по этим или другим причинам интенсивность отказов на каких­

то участках или на каких-то трубопроводах может резко увели­ читься. Предсказать этот момент невозможно, так как информа­

цию, накоiШенную в процессе эксплуатации одних объектов,

нельзя распространять на другие.

История становления и развития нефтегазового комплекса

знает немало печальных примеров, когда о том, что сделан про­

счет, становилось ясно лишь через несколько лет. Достаточно вспомнить спиральношовные и многослойные трубы, которые, к счастью, почти не были использованы при строительстве круп­ номасштабных промыlLШенных объектов. Сейчас вряд ли кто возьмется предсказывать, как поведут себя в ближайшем буду­ щем объекты, ныне успешно функционирующие. Но мы знаем, что в России подготовлены квалифицированные инженерные и

научные кадры, накоплен бесценный опыт, и это дает нам пра­

во надеяться на то, что появляющиеся неотложные проблемы

будут успешно решены.

Было бы ошибкой думать, что дальнейшее существование

нефтегазового комплекса России будет связано лишь с поддер­ жанием работоспособности некогда построенных объектов. Не­ фтяные месторождения Среднего Приобья и газовые месторож­ дения Надым-Пуртазовского региона постепенно истощаются.

На очереди освоение запасов углеводородов в недрах лолуостро­

ва Ямал, а затем на шельфе морей Северного Ледовитого океана.

зо