- •Электронное учебное пособие
- •«Надежность технических систем и техногенный риск»
- •Подготовлено на базе учебного пособия
- •«Надежность технических систем и техногенный риск»
- •Предисловие
- •§ 1 Природа и характеристика опасностей в техносфере
- •1.1. Техносфера. Техника. Техническая система. Технология.
- •1.2. Определение опасности
- •1.3. Аксиомы о потенциальной опасности технических систем
- •1.4. Таксономия опасностей
- •1.4.1. Примеры таксономий
- •3. Неудачные проектные решения и отступления от проекта:
- •1.5. Алгоритм развития опасности и ее реализации
- •1.6. Источники опасности
- •1.7. Энергоэнтропийная концепция опасностей
- •1.8. Номенклатура опасностей
- •1.9. Квантификация опасностей
- •1.10. Идентификация опасностей
- •1.11. Причины и последствия
- •1.12. Пороговый уровень опасности
- •1.13. Показатели безопасности технических систем
- •§ 2. Основные положения теории риска
- •2.1. Понятие риска
- •2.2. Развитие риска на промышленных объектах
- •2.3. Основы методологии анализа и управления риском
- •2.3.1. Анализ риска: понятие и место в обеспечении безопасности технических систем
- •2.3.2. Оценка риска: понятие и место в обеспечении безопасности технических систем
- •2.3.3. Управление риском: понятие и место в обеспечении безопасности технических систем
- •2.3.4. Общность и различие процедур оценки и управления риском
- •2.3.5. Количественные показатели риска
- •2.4. Моделирование риска
- •2.5. Принципы построения информационных технологий управления риском
- •§ 3. Роль внешних факторов, воздействующих на формирование отказов технических систем
- •3.1. Общие замечания
- •3.2. Классификация внешних воздействующих факторов
- •3.3. Воздействие температуры
- •3.4. Воздействие солнечной радиации
- •3.5. Воздействие влажности
- •3.6. Воздействие давления
- •3.7. Воздействие ветра и гололеда
- •3.8. Воздействие примесей воздуха
- •3.9. Воздействие биологических факторов
- •3.10. Старение материалов
- •3.11. Факторы нагрузки
- •§ 4. Основны теории расчета надежности технических систем
- •4.1. Основные понятия теории надежности
- •4.2. Количественные характеристики надежности
- •4.3. Теоретические законы распределения отказов
- •4.4. Резервирование
- •4.4.2. Способы структурного резервирования
- •4.5. Основы расчета надежности технических систем по надежности их элементов
- •Надежность резервированной системы
- •Включение резервного оборудования системы замещением
- •Надежность резервированной системы в случае комбинаций отказов и внешних воздействий
- •Анализ надежности систем при множественных отказах
- •§ 5. Методика исследования надежности технических систем
- •5.1. Системный подход к анализу возможных отказов: понятие, назначение, цели и этапы, порядок, границы исследования
- •5.2. Выявление основных опасностей на ранних стадиях проектирования
- •5.3. Исследования в предпусковой период
- •5.4. Исследования действующих систем
- •5.5. Регистрация результатов исследования
- •5.6. Содержание информационного отчета по безопасности процесса
- •§ 6. Инженерные методы исследования безопасности технических систем
- •6.1. Понятие и методология качественного и количественного анализа опасностей и выявления отказов систем
- •6.2. Порядок определения причин отказов и нахождения аварийного события при анализе состояния системы
- •6.3. Предварительный анализ опасностей
- •6.4. Метод анализа опасности и работоспособности- аор (hazard and operability study - hazop)
- •6.5. Методы проверочного листа (check-list) и "что будет если ...?" ("what - if")
- •6.6. Анализ вида и последствий отказа - авпо (failure mode and effects analysis - fmea)
- •6.7. Анализ вида, последствий и критичности отказа- авпко (failure mode, effects and critical analysis - fmeca)
- •6.8. Дерево отказов - до (fault tree analysis - fta)
- •6.9. Дерево событий - дс (event tree analysis - еta)
- •6.10. Дерево решений
- •6.11. Логический анализ
- •6.12. Контрольные карты процессов
- •6.13. Распознавание образов
- •6.14. Таблицы состояний и аварийных сочетаний
- •§ 7. Оценка надежности человека как звена сложной технической системы
- •7.1. Причины совершения ошибок
- •7.2. Методология прогнозирования ошибок
- •7.3. Принципы формирования баз об ошибках человека
- •§ 8. Организация и проведение экспертизы технических систем
- •8.1. Причины, задачи и содержание экспертизы
- •8.2. Организация экспертизы
- •8.3. Подбор экспертов
- •8.4. Экспертные оценки
- •8.5. Опрос экспертов
- •8.6. Оценка согласованности суждений экспертов
- •8.7. Групповая оценка и выбор предпочтительного решения
- •8.8. Принятие решения
- •8.9. Работа на завершающем этапе
- •§ 9. Мероприятия, методы и средства обеспечения надежности и безопасности технических систем
- •9.1. Стадия проектирования технических систем
- •9.2. Стадия изготовления технических систем
- •9.3. Стадия эксплуатации технических систем
- •9.4. Техническая поддержка и обеспечение
- •9.5. Технические средства обеспечения надежности и безопасности технических систем
- •9.6. Организационно-управленческие мероприятия
- •9.7. Диагностика нарушений и аварийных ситуаций в технических системах
- •9.8. Алгоритм обеспечения эксплуатационной надежности технических систем
- •§ 10. Технические системы безопасности
- •10.1. Назначение и принципы работы защитных систем
- •10.2. Типовые структуры и принципы функционирования автоматических систем защиты
- •10.3. Автоматическая интеллектулизированная система защиты объекта и управления уровнем безопасности
- •10.4. Типовые локальные технические системы и средства безопасности
- •§ 11. Правовые аспекты анализа риска и управления промышленной безопасностью
- •11.1. Классификация промышленных объектов по степени опасности
- •11.2. Оценка опасности промышленного объекта
- •11.3. Декларация безопасности опасного промышленного объекта
- •11.4. Требования к размещению промышленного объекта
- •11.5. Система лицензирования
- •11.6. Экспертиза промышленной безопасности
- •11.7. Информирование государственных органов и общественности об опасностях и авариях
- •11.8. Ответственность производителей или предпринимателей за нарушения законодательства и нанесенный ущерб
- •11.9. Учет и расследование
- •11.10. Участие органов местного самоуправления и общественности в процессах обеспечения промышленной безопасности
- •11.11. Государственный контроль и надзор за промышленной безопасностью
- •11.12. Разработка планов по ликвидации аварий и локализации их последствий, а также планов по ликвидации чрезвычайных ситуаций
- •11.13. Экономические механизмы регулирования промышленной безопасности
- •11.14. Российское законодательство в области промышленной безопасности
- •§ 12. Принципы оценки экономического ущерба от промышленных аварий
- •12.1. Понятие ущерба и вреда. Структура вреда
- •12.2. Экономический и экологический вред
- •12.3. Принципы оценки экономического ущерба
10.2. Типовые структуры и принципы функционирования автоматических систем защиты
Представляется целесообразным рассмотреть типовые структуры автоматической системы защиты (АСЗ) на примере использования ее в химическом производстве. Выбор примера химической технологии не случаен - именно для них АСЗ достаточно детально разработаны.
В нормальном режиме функционирования систем технологическим процессом управляет автоматическая система регулирования (АСР). Для управления в предаварийном режиме используется автоматическая система защиты. АСЗ является составной частью системы управления (СУ) процессом и может использоваться в двух режимах:
- АСЗ непрерывно контролирует ход технологического процесса, но реагирует только на аварийные отключения регулируемого параметра;
- АСЗ подключается к процессу только в момент возникновения аварийной ситуации как резерв АСР.
Для АСЗ объектов химической технологии характерно то, что подавляющее большинство мер защиты сводится к разовым, но экстремальным по величине показателям воздействия на защищаемый объект (или процесс). При этом исходная информация о процессе чаще всего носит ярко выраженный позиционный характер.
Структурные схемы АСЗ могут быть трех видов в зависимости от алгоритма защиты, определяемого сложностью процесса и многообразием аварийных ситуаций, эффективностью, экономичностью, надежностью и т. д.:
- простейшие АСЗ;
- АСЗ с развитой логической частью;
- адаптивные АСЗ.
В простейшем случае АСЗ строится так, что повышение (или снижение) параметра, по которому ведется защита, до предельного значения вызывает управляющее исполнительное воздействие. Одноканальная АСЗ, настроенная, например, на повышение допустимого значения контролируемого параметра, реализует простой алгоритм защиты. Структурная схема простейшей АСЗ представлена на рис. 10.2.1.
Рис. 10.2.1. Структурная схема простейшей АСЗ
Сигналы от измерительных преобразователей (ИП) поступают на анализаторы параметров процесса, представляющие собой устройства сравнения (УС). Одновременно с этим на анализаторы поступают допустимые значения параметров процесса от задающего устройства (ЗУ). Если какой-нибудь параметр оказался больше (или меньше) своего допустимого значения, то с соответствующего анализатора поступает сигнал в узел управляющих воздействий (УУВ), где происходит выбор управляющих (защитных) воздействий (УВ); сигналы с УУВ поступают к объекту управления через исполнительный механизм (ИМ). Исполнительных механизмов может быть несколько.
Таким образом, в анализаторах происходит сравнение текущих значений параметров с допускаемыми. Различные параметры могут вызывать одинаковые и разные управляющие воздействия. Узел управляющих воздействий в основном реализует логическую функцию "ИЛИ", например, при синтезе диметилдиоксана из изобутилена и формальдегида падение давления промышленной воды ниже определенного уровня вызывает нарушение температурного режима ректификационных колонн, дефлегматоры которых охлаждаются промышленной водой. Поэтому система защиты, изображенная на рис 10.2.1, после сравнения текущего значения давления воды с заданным в аварийном случае выдает сигнал на УУВ. В результате срабатывают три исполнительных устройства: прекращается подача изобутилена; прекращается подача формальдегида и отсекается подача пара на кипятильники колонн. Следовательно, АСЗ с простым алгоритмом защиты реализует задачу - остановить процесс при возникновении предаварийной ситуации.
Структурная схема АСЗ второго типа, реализующая сложный алгоритм, представлена на рис. 10.2.2.
Рис. 10.2.2. Структурная схема АСЗ, реализующей сложный алгоритм защиты
Структурная схема адаптивной АСЗ включает информационное устройство, состоящее из измерительных преобразователей (ИП) и усилительно-преобразующих устройств (УПУ), управляющее логическое устройство УЛУ и блок исполнительных механизмов (ИМ). Объем блока ИМ зависит от числа параметров, воздействующих на процесс при наличии аварийной ситуации. В функции УЛУ входят обработка информации от ИЛ по определенному алгоритму, результатом чего является оценка степени развития аварийной ситуации, выбор вида защитного воздействия, соответствующего данной степени развития аварийной ситуации и обеспечивающего безаварийность процесса, и выдача управляющего защитного воздействия на блок ИМ. УЛУ наряду с развитой логической частью включает в себя вычислительное устройство, в функции которого входит подготовка данных для определения необходимости ввода защитного воздействия с учетом экстраполяции изменения параметров защиты, характеризующих развитие аварийной ситуации, и последствий ввода защитных воздействий.
В развитие вышесказанного формируется общая задача оптимизации структуры АСЗ. В самом общем виде задачу выбора структуры и параметров АСЗ потенциально опасных процессов можно описать в виде подлежащего минимизации функционала:
min S = min{S( )+M[ ]},
где m - вектор параметров технических устройств АСЗ (например, точность и надежность входящих в АСЗ измерительных преобразователей, надежность и быстродействие логических устройств и исполнительных механизмов и т.п.);
S( ) - приведенные к общим единицам измерения затраты на построение системы и ее эксплуатацию как функция от векторов параметров;
- усредненная по множеству М функция от несовершенства параметров технических устройств АСЗ, обозначаемых вектором;
М - область допустимых решений вектора .
Для случая построения АСЗ для потенциально опасных процессов ограничение области допустимых решений необходимо сформулировать прежде всего как обеспечение требуемой безаварийности:
Ô( )=ñ,
где Ф( ) - функция критерия безаварийности от параметров технических устройств АСЗ;
с - требуемое значение критерия безаварийности.