Краснов О.В.,
кандидат технических наук, Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского, г. Санкт - Петербург
Подход к анализу безопасности эксплуатации водородных
систем
В настоящей работе рассмотрен один из возможных подходов к анализу безопасности эксплуатации водородных систем. Оригинальность данного подхода состоит в применении нового обобщенного показателя безопасности и формировании требований к его величине на основе концепции «приемлемого риска».
Анализ результатов национальных и международных экспертиз крупных техногенных и природных аварий и катастроф XX столетия показывает, что дальнейшая разработка и реализация программ научно-технического развития современной цивилизации и эксплуатации сложных техногенных систем (СТС) невозможна без комплексного подхода к решению проблем безопасности.
Впервые особенное внимание общественности и ученого сообщества к крупным промышленным авариям было привлечено после аварий 70-80 годов XX века на химических предприятиях в Фликсборо (Англия, 1974) и Севезо (Италия, 1976), в результате которых пострадали сотни людей, был нанесён непоправимый ущерб окружающей среде, затрачены огромные ресурсы (материальные, людские, временные и др.) на ликвидацию их последствий. Печальный список продолжили в 80-х годах трагедии Бхопала (Индия, 1984) и Чернобыля (Украина, 1986), ракеты "Титан 34D" (авиабаза Вандерберг, США, 1986), атомных подводных крейсеров "Комсомолец" (Россия, 1989) и "Курск" (Россия, 2000) и других катастроф. В результате был причинен громадный ущерб окружающей среде, а количество погибших людей измерялось сотнями и даже тысячами.
Достаточно тревожным является тот факт, что большинство из проанализированных катастроф имело место в наиболее развитых отраслях промышленности, в которых обеспечение безопасности традиционно являлось одной из приоритетных задач (в областях атомной энергетики, машиностроения, химической промышленности, космической индустрии, кораблестроения). Катастрофы на предприятиях и сложных технических системах демонстрируют недостаточность (а в ряде случаев и отсутствие) системы мер, направленных на анализ и обеспечение безопасности эксплуатации (БЭ) указанных объектов, а также неподготовленность общественности и властных структур, а также самих СТС и предприятий к авариям.
В ряду опасных СТС особое место занимают водородные системы. Этот факт обусловлен, в первую очередь, высокой степенью пожаро- и взрывоопасносности водорода. В связи с этим настоящая статья посвящена разработке одного из воз-
можных подходов к анализу безопасности эксплуатации водородных систем (БЭ ВС).
Прежде всего определим, что понимается под БЭ ВС, и что должен включать ее анализ. БЭ ВС — это свойство процесса эксплуатации ВС, характеризующее его способность не наносить ущерба жизни и здоровью обслуживающего персонала, элементам ВС и окружающей среде. Анализ БЭ ВС должен выполняться с целью определения параметров управления ею и включать следующие этапы:
1 Обоснованный выбор показателя БЭ ВС.
2 Расчет показателя БЭ ВС.
3 Обоснование требований к БЭ ВС.
4 Оценивание БЭ ВС.
5 Определение параметров управления БЭ ВС.
Рассмотрим этапы анализа БЭ ВС более подробно.
Анализ научно-технической литературы свидетельствует о том, что показатели, принимаемые для количественного оценивания БЭ СТС, принадлежат к различным типам математических объектов. В некоторых отраслях при оценивании безопасности производственных процессов применяются показатели опасности материалов, характеризующиеся чувствительностью материалов к воспламенению и способностью к образованию горючих и взрывоопасных сред. Данные показатели являются составными компонентами общего индекса опасности производственного процесса как функции вышеназванных коэффициентов. Такие показатели отражают потенциальную опасность производства, но не учитывают текущее состояние оборудования, психофизиологические характеристики обслуживающего персонала, то есть полностью игнорируют случайную природу появления происшествий. Ввиду этого они и не получили широкого применения при анализе и оценивании безопасности СТС.
В связи со стохастическим характером наступления и развития происшествий большинство применяемых показателей БЭ сложных СТС имеют вероятностную природу, как правило, это математические ожидания величин или вероятности наступления каких-либо событий. Вероятностные показатели БЭ условно можно разделить на априорные и апостериорные показатели. В качестве отдельной группы следует выделить показатели безопасности
химико-технологических процессов, используемых при раздельном оценивании опасности материалов и производственных процессов по уровню их потенциальной опасности. К апостериорным показателям относят абсолютные показатели типа:
• число погибших или травмированных людей;
• общее число происшествий за период времени,
• число аварий и катастроф за период времени:
• материальный ущерб.
Апостериорные относительные показатели отражают уровень аварий, отнесенный к наработке или объему работ за рассматриваемый период времени, например:
■ общее число происшествий на 1000 полетов за период времени:
■ число аварий (катастроф) на 1000 полетов за рассматриваемый промежуток времени.
В отраслях позволяющих набрать достаточное количество апостериорной информации, например, в автомобильном, морском, железнодорожном транспорте, а также в некоторых низкомеханизированных отраслях, широко используют частные апостериорные показатели, в которых подсчет опасных событий (происшествий) ведется относительно той или иной их причины.
Применение статистических показателей позволяет оценить БЭ лишь после некоторого времени эксплуатации системы. Время эксплуатации, в течение которого представляется возможным набрать достаточное количество информации для получения статистических показателей БЭ, может быть достаточно большим, что не всегда удобно при оценивании БЭ критичных систем и систем, вновь введённых в эксплуатацию. Кроме того, статистические показатели безопасности не позволяют учитывать влияние ошибок и подготовленности обслуживающего персонала на БЭ системы.
От некоторых из этих недостатков свободны вероятностные показатели БЭ СТС, используемые в различных отраслях техники в рамках концепции «приемлемого риска» [1]:
■ вероятность безаварийной работы системы в течение заданного промежутка времени;
■ вероятность появления аварийных ситуаций при функционировании системы;
■ вероятность катастрофы на системе;
■ риск от функционирования системы.
Данные показатели удачно могут использоваться
при анализе БЭ составных частей и отдельных элементов СТС, то есть как ее частные показатели.
Таким образом, применяемые в большинстве работ показатели БЭ СТС не всегда корректно могут быть применимы в задачах исследования безопасности. Ограничение на применение многих из вышеперечисленных показателей накладывает их нечувствительность к тяжести происшествий. Так, например, малая вероятность происшествия не полностью характеризует степень опасности эксплуатации СТС, поскольку не принимаются во внимание возможные последствия данного происшествия, а субъективное восприятие категории безопасности требует учёта как возможности возникновения происшествий, так и тяжести их последствий. Кроме того, вышеперечисленные показатели не учитывают влияния на безопасность эксплуатации психофизиологических свойств человека-оператора и фактического состояния элементов СТС.
Анализ наиболее широко используемых показателей безопасности эксплуатации СТС позволяет сделать следующий вывод: при исследовании БЭ ВС не представляется возможным с достаточной степенью корректности использовать обобщенный показатель, представляющий собой свертку характеристик всех свойств БЭ ВС. С учетом данного вывода при исследовании БЭ ВС предлагается использовать систему показателей, включающую:
Частные показатели:
р1 — вероятность возникновения на ВС происшествия 1-го типа (показатель возможности нанесения ущерба);
Ж1 — ущерб от происшествия 1-го типа (показатель размера ущерба);
Г = — риск возникновения на ВС происшествия 1-го типа (показатель риска нанесения ущерба);
L — количество типов возможных происшествий на ВС.
Обобщенный показатель безопасности эксплуатации ВС:
Р<Ь > =\ Р\, Р2 > •••> Р1, ••; Рь - вект°р вер°ятно-стей возникновения всех возможных типов происшествий на ВС.
Применение данной системы показателей позволяет более полно учесть все особенности свойства БЭ ВС.
Для того, чтобы рассчитать компоненты показателя БЭ ВС необходимо построить соответствующую для подобного расчета модель. В обобщенном виде такая модель может быть представлена как:
Ъ = (А '<„■>, А "<„ „>, В '<г>, В "<, „> Ь (1)
где А <п.>—вектор характеристик системы эксплуатации ВС, влияющих на безопасность эксплуатации;
А "<п„> — вектор характеристик организации процесса функционирования ВС;
В — вектор условий функционирования ВС, влияющих на БЭ;
В "<, „> — вектор условий применения ВС (продолжительность базового периода и планируемая наработка ВС на базовом периоде).
Анализ решаемой задачи позволил определить требуемую структуру модели (1). Для того, чтобы она отвечала предъявляемым к ней требованиям и позволяла решать возлагаемые на нее задачи, данная модель должна иметь в своем составе следующие составляющие:
1. Модели возникновения возможных происшествий при функционировании ВС. Данные модели должны отражать зависимость вероятностей возникновения возможных на ВС происшествий от вероятностей их причин. В общем виде данные модели могут быть представлены как:
р, =р, ^Г,дп ^ < к, >), (2)
где StrlДП — структура поддерева происшествий 1-го типа на ВС.
2. Модель затрат на обеспечение БЭ ВС. Данная модель должна отражать зависимость изменений величин компонент показателя БЭ ВС от необходимых для этих изменений затрат. В общем виде данная модель может быть представлена как:
IP = P
<L> <L>
(Етрр : A '
V <k> <
, A " " , B ', B " , " )
" <n > " </ >' </ > /
IС об = С0Б CET )
(3)
Рис. 1. Модель для исследования безопасности эксплуатации ВС
3. Модели возникновения причин
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.