Моделі надзвичайних ситуацій та метод оцінки техногенного ризику в автоматизованій системі забезпечення безпеки виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

УДК 004.942:681.322

Моделі надзвичайних ситуацій та метод оцінки техногенного ризику в автоматизованій системі забезпечення безпеки виробництва

05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Лифар Володимир Олексійович

Харків 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, доцент Угрюмов Михайло Леонідович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, професор кафедри інформатики.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Федорович Олег Євгенович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, завідуючий кафедрою інформаційних управляючих систем;

кандидат технічних наук, доцент Тимочко Олександр Іванович, Харківський університет повітряних сил ім. Івана Кожедуба Міністерства оборони України, начальник факультету автоматизованих систем управління.

Захист відбудеться “ 19 ” жовтня 2007 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.01 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17; радіотехнічний корпус, ауд. 232.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”.

Автореферат розіслано “ 04 ” 09 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.062.01 кандидат технічних наук, доцент М. О. Латкін

АНОТАЦІЯ

Лифар В.О. Моделі надзвичайних ситуацій та метод оцінки техногенного ризику в автоматизованій системі забезпечення безпеки виробництва. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2007.

Дисертація присвячена забезпеченню прийнятного рівня безпеки промислових об'єктів на основі автоматизації моделювання надзвичайних ситуацій та оцінки техногенного ризику. Розроблено метод аналізу небезпеки техногенних об'єктів, що ґрунтується на комплексному моделюванні небезпечних фізичних процесів та оцінці показників ризику уражень людей, руйнувань та виводу зі строю промислових та цивільних об'єктів при виникненні надзвичайних ситуацій. Розроблено прикладну інформаційну технологію аналізу потенційної небезпеки техногенних об'єктів. Розроблено автоматизовану систему, що має модульну структуру, бази даних небезпечних властивостей речовин і надійності обладнання.

За допомогою розробленої автоматизованої системи в інтерактивному режимі можливо послідовно здійснити комп'ютерне моделювання небезпечних фізичних процесів, оцінку масштабів зон та ризику уражень й отримати кількісні показники при проведенні аналізу небезпеки хіміко-технологічних систем.

Узагальнено досвід впровадження, промислової експлуатації автоматизованої системи та інформаційної технології аналізу ризику по досягненню прийнятного рівня безпеки техногенних об'єктів.

Ключові слова: математичне та комп'ютерне моделювання, техногенний ризик, об'єкт підвищеної небезпеки, промислові аварії, вибухи, пожежі, розповсюдження токсичних речовин, автоматизована система, інформаційна технологія.

АННОТАЦИЯ

Лыфарь В.А. Модели чрезвычайных ситуаций и метод оценки техногенного риска в автоматизированной системе обеспечения безопасности производства. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена обеспечению приемлемого уровня безопасности промышленных объектов на основе автоматизации моделирования чрезвычайных ситуаций и оценки техногенного риска. Разработан метод анализа опасности техногенных объектов, который основан на комплексном моделировании опасных физических процессов и оценке показателей риска поражения людей, разрушений и вывода из строя промышленных и гражданских объектов при возникновении чрезвычайных ситуаций. Для определения детерминированных последствий опасных физических процессов формирования опасных сред, взрывов, пожаров, распространения токсичных веществ, осколочного воздействия взрывов разработаны модели, позволяющие определять масштаб формирования угрозы, разрушающих и поражающих факторов. Разработаны методы определения параметров отравляющих веществ. Сформирован метод оценки основных параметров риска путем установления причинно-следственных связей логико-вероятностных событий на основе “деревьев отказов” и “деревьев событий”. Разработан метод получения полей условного территориального риска, а также обобщенного риска от множественных источников опасности, расчета показателей индивидуального риска, ожидаемого и возможного числа пораженных.

Разработаны: структурная схема организации программных модулей автоматизированной системы; универсальные способы представления данных, управления вычислительным процессом; автоматизированная система, имеющая модульную структуру; базы данных опасных свойств веществ и надежности оборудования, позволяющие реализовать технологию оценки риска. С помощью разработанной автоматизированной системы в интерактивном режиме возможно последовательно осуществить компьютерное моделирование опасных физических процессов, оценку масштабов зон и риска поражений, получить количественные показатели при проведении анализа опасности химико-технологических систем. Обобщен опыт внедрения, промышленной эксплуатации автоматизированной системы и прикладной информационной технологии оценки риска, а также применения этой технологии в системе поддержки действий диспетчера в аварийных ситуациях, при разработке деклараций безопасности промышленных объектов, планов локализации и ликвидации аварий.

Достоверность предложенных математических моделей, методов, алгоритмов численного решения задач и реализующих их программных средств, выводов и рекомендаций подтверждена результатами верификации и анализа адекватности разработанных математических моделей.

Научные положения, выводы, рекомендации, предложения, а также программные средства информационной технологии оценки техногенного риска и результаты расчетных исследований использовались при разработке планов ликвидации аварийных ситуаций и деклараций промышленной безопасности, оценке риска промышленных предприятий. Внедрение разработанной прикладной информационной технологии на предприятиях, которые имеют разнообразную направленность деятельности (консалтинговых фирмах, проектных организациях, предприятиях химической и нефтехимической промышленности), позволило сократить расходы на разработку деклараций промышленной безопасности и планов локализации аварийных ситуаций более чем в три раза. Внедрение результатов диссертационной работы позволило обеспечить высокую конкурентоспособность предложенной прикладной информационной технологии по сравнению с существующими.

Ключевые слова: математическое моделирование, оценка техногенного риска, объект повышенной опасности, промышленные аварии, взрывы, пожары, распространение токсичных веществ, автоматизированная система, информационная технология.

ABSTRACT

Lyfar V.A. The models of emergency situations and estimation method of the technogenic risk in the automatic providing system of manufacture's safety. - Manuscript.

The thesis is for the degree of the Candidate of Sciences (tech.), specialty 05.13.06 - the automated control systems and progressive information technologies. - National Aerospace University “Kharkov Aviation Institute ”, Kharkov, 2007.

Dissertation is devoted to providing the acceptable safety level of industrial objects, based on modeling automatization of the emergency situations and estimation of technogenic risk. The analysis method of technogenic objects' danger has been developed, which is based on the complex modeling of the dangerous physical processes and estimation figures of the risk people damage, destructions and failure of industrial and civil objects in a case of occurring the emergency situations. The applied information technology of analysis of technogenic objects' potential danger and automatic system, which has a modular structure, database of the dangerous properties of matters and equipments' reliability, have been developed. The automatic system consistently allows to carry out the computer modeling of dangerous physical processes and the estimation the gauges of the areas and damaging risk.

Keywords: mathematical computer modeling, the estimation of technogenic risk, object of the high risk, industrial failures, explosions, fires, distribution of toxic substances, the automatic system, information technology.

надзвичайний руйнування інформаційний

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема забезпечення прийнятного рівня безпеки небезпечних виробництв може бути вирішена шляхом оцінки техногенного ризику і масштабів наслідків при аваріях на промислових об'єктах. Технологія оцінки ризику використовується для визначення рівня небезпеки технологічних установок, які експлуатуються і розробляються. На основі оцінок ймовірності виникнення, розвитку аварійних ситуацій та їх наслідків, приймаються рішення щодо заходів та затрат безпечного проведення технологічних процесів, страхування промислових об'єктів, розробки планів локалізації та ліквідації аварій.

Діючі сучасні внутрішні та міжнародні закони, нормативні акти направлені на забезпечення прийнятного рівня безпеки при проектуванні та експлуатації промислових об'єктів, транспортних засобів, установок видобування, переробки та транспортування сировинних ресурсів. В Україні прийнято закон “Про об'єкти підвищеної небезпеки” від 18.01.2001 р., ряд постанов та нормативних документів, що регламентують порядок проведення ідентифікації та декларування об'єктів підвищеної небезпеки. Прийняття зазначених документів забезпечило значний розвиток методів оцінки ризику, моделювання виникнення, формування та розвитку небезпечних фізичних процесів, що виникають під час аварій на небезпечних об'єктах. Число та якість рекомендованих моделей та методів визначення основних параметрів ризику, а також програмних засобів, що дозволяють проводити оцінку цих параметрів, росте, як і кількість організацій та консалтингових фірм, які працюють в галузі промислової безпеки. Не дивлячись на це, розробка технології оцінки ризику, що ґрунтується на системному підході, створення автоматизованих систем, які дозволяють реалізувати таку технологію, є актуальною. Представлені в науковій літературі методи містять в основному окремі методики, часто базуються на недостатньо апробованих даних та є рішенням поодиноких випадків. Не погоджені в повній мірі та не поєднані в єдину технологію оцінки ризику запропоновані моделі, методики та програмні засоби. Продовжуються суперечки в галузі термінології, що використовується, ступеню розуміння предмету дослідження, про необхідність використання того, або іншого методу, який забезпечує прийняття рішень при досягненні прийнятного рівня безпеки.

У зв'язку з цим тема дисертації має важливе наукове і практичне значення, оскільки вона спрямована на рішення актуальної науково-прикладної задачі, яка полягає в розробці моделей та методів для аналізу та прогнозування надзвичайних ситуацій на об'єктах підвищеної небезпеки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Робота виконана на кафедрі інформатики Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" і була пов'язана з науково-дослідними роботами університету та дослідженнями, які проводилися у Науковому центрі вивчення ризиків “Різікон” (м. Сєвєродонецьк, Україна) в 2001-2006 рр., відповідно до спільних господарських договірних робіт з науково-виробничими об'єднаннями, підприємствами й організаціями. Найважливішими з них є: “Розробка ПЛАС для установок ЗАТ “КНПЗ-КЭН” (ДР № 0105U001676); “Розробка декларації безпеки для ВАТ “ЛУКОЙОЛ-ОНПЗ” (ДР № 0105U001682); “Розробка автоматизованої системи підтримки прийняття рішень при виникненні та розвитку аварій” (ДР № 0105U001687); “Розробка планів локалізації та ліквідації аварійних ситуацій для цехів 51 і 52 нафтохімічного заводу ВАТ “Сібур-Нафтохім” (ДР № 0105U001688); “База даних за надійністю програмного комплексу “РізЕкс-1” (ДР № 0106U004649); “Розробка декларації безпеки ЗАТ “Лінік” (ДР № 0106U004655).

Участь автора у вказаних науково-дослідних темах і проектах, полягає в розробці математичних моделей, методів системної та інформаційної технологій, методик, програмних засобів моделювання, аналізу небезпечних фізичних процесів і ризиків надзвичайних ситуацій на техногенних об'єктах.

Мета та завдання дослідження. Метою дисертаційного дослідження є забезпечення прийнятного рівня безпеки промислових об'єктів на основі автоматизації моделювання надзвичайних ситуацій та оцінки техногенного ризику.

Для досягнення цієї мети, у дисертації сформульовані та розв'язані такі завдання:

- проведено аналіз існуючих підходів та моделей надзвичайних ситуацій на техногенних об'єктах;

- розроблено комплекс математичних моделей для описання надзвичайних ситуацій, які дозволяють аналізувати, прогнозувати, оцінювати ризик уражень людей, руйнувань та виводу зі строю промислових та цивільних об'єктів;

- розроблено метод визначення територіального та індивідуального ризиків, очікуваного і можливого числа загиблих при виникненні надзвичайних ситуацій;

- розроблена прикладна інформаційна технологія аналізу потенційної небезпеки техногенних об'єктів;

- розроблена автоматизована система для моделювання надзвичайних ситуацій і оцінки техногенного ризику небезпечних об'єктів.

Об'єктом дослідження є процеси та засоби забезпечення безпеки техногенних об'єктів.

Предметом дослідження є математичні моделі, методи аналізу, оцінки та прогнозування наслідків надзвичайних ситуацій щодо досягнення прийнятного рівня безпеки промислових об'єктів.

Методи дослідження. Теоретичною основою роботи є методи математичної фізики, обчислювальної математики для визначення кількісних показників небезпеки аварійних процесів, теорії ймовірності - для оцінки ймовірності їх виникнення та розвитку. При розробці модульної структури автоматизованої системи моделювання надзвичайних ситуацій використовувались принципи теорії інформаційних систем та сучасні засоби колективного програмування.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

а) вперше розроблено метод оцінки показників ризику виникнення надзвичайних ситуацій, що базується на врахуванні комплексної дії на техногенні об'єкти, об'єкти забезпечення життєдіяльності та людей різноманітних джерел небезпеки, що забезпечує визначення основних показників ризику;

б) удосконалено:

- модель опису небезпечного середовища техногенного об'єкта, в якій враховується динаміка процесів викиду, що забезпечує визначення імовірних масштабів загроз при аваріях;

- модель руйнування промислових об'єктів, в якій на відміну від існуючих враховується взаємний вплив різних небезпечних процесів (вибухів, пожарів та ін.), що дозволяє визначити масштаби наслідків аварій;

в) дістав подальший розвиток метод аналізу техногенних об'єктів, заснований на комплексному моделюванні небезпечних фізичних процесів з урахуванням причинно-наслідкових зв'язків між ініційованими подіями та загрозами, які пов'язані з виникненням надзвичайних ситуацій, що дозволяє забезпечити прийнятний рівень ризику промислових об'єктів.

Практичне значення одержаних результатів. У сукупності розроблені системні математичні моделі і обчислювальні методи є науково-методичною основою для практичного створення інженерних програмних і технічних засобів моделювання, аналізу небезпечних фізичних процесів і ризиків надзвичайних ситуацій на техногенних об'єктах.

Наукові положення, висновки, пропозиції та рекомендації, а також результати розрахункових досліджень, отримані, обґрунтовані і наведені автором у дисертації, статтях, звітах про спільні науково-дослідницькі роботи на основі господарських договорів з підприємствами були використані в роботі НЦ “Різікон”, його філіях та дочірніх підприємствах. Розроблені при участі автора в НЦ “Різікон” автоматизовані системи “РізЕкс-1” та “РізЕкс-2” встановлені та використовуються для вирішення задач промислової безпеки підприємствами, проектними та консалтинговими організаціями, в тому числі: Уфимський проектний інститут “Башгипронефтехим” (м. Уфа, Башкортостан), ВАТ “Куйбышевский НПЗ” (м. Самара, Росія), ВАТ “АЗОТ” (м. Черкаси, Україна), СДПП Об'єднання “АЗОТ” (м. Сєвєродонецьк, Україна), РУП ВО “ПОЛІМІР” (м. Новополоцьк, Білорусія), ТОВ “ЛІНОС” (м. Лисичанськ, Україна), ДАК “ТІТАН” (м. Армянськ, Крим), Інститутом транспорту нафти (м. Київ, Україна), Центральним конструкторським бюро “Корал” (м. Севастополь, Україна), “ПермьНИПИнефть” (м. Пермь, Росія).

З використанням розроблених автором технологій, автоматизованої системи аналізу небезпеки та оцінки ризику розроблялись декларації промислової безпеки, плани локалізації та ліквідації аварійних ситуацій, в тому числі для підприємств: Росії - ВАТ “Омский НПЗ” (м. Омськ), ВАТ “Сибурнефтехим” (м. Нижній Новгород), ВАТ “Воронежсинтезкаучук” (м. Воронеж), ВАТ “Ангарская нефтехимическая компания” (м. Ангарськ) та інших; України - ВАТ “Лукойл-Одеський НПЗ” (м. Одеса), СДПП Об'єднання “Азот” (м. Сєвєродонецьк), АТ “Укртатнафта” (м. Кременчуг) та інших; Білорусії - НВО “НАФТАН” (м. Новополоцьк), ВО “ХИМВОЛОКНО” (м. Могильов), “Гомельский химический завод” (м. Гомель), ВАТ “Гродно АЗОТ” (м. Гродно); Польщі - Вища пожежна школа (м. Варшава).

Використання результатів дисертаційного дослідження методично удосконалює практику розробки декларацій промислової безпеки, планів локалізації та ліквідації аварійних ситуацій, та дозволяє: підвищити продуктивність праці диспетчерів небезпечних об'єктів за рахунок автоматизації процесів аналізу небезпеки і підтримки прийняття рішень організаційного управління в багаторівневих структурах небезпечних об'єктів в умовах аварій; істотно скоротити терміни і матеріальні витрати на підготовку колективних дій технологічного персоналу та технічних засобів по локалізації і ліквідації аварій.

Результати дисертаційної роботи впроваджено: в Черкаському ВАТ “Азот” (акт про впровадження від 12.04.2006 р.), ЗАТ “Сєвєродонецьке об'єднання “Азот” (акт про впровадження від 14.10.2005 р.), Центрі вивчення ризиків “Різікон-Вінниця” (акт про впровадження від 17.03.2005 р.).

Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові положення, результати та рекомендації дисертаційної роботи отримані автором самостійно. В публікаціях, написаних в співавторстві, здобувачеві належать наступні результати: метод визначення ймовірності смертельного ураження людей при інгаляційному впливі токсичних домішок, метод отримання параметрів токсичних властивостей речовин [1]; математична модель формування вибухонебезпечних хмар при аварійних викидах небезпечних хімічних речовин в атмосферу [2]; математичні моделі та методи оцінки ризику для складних технологічних систем [3, 12]; моделі та методи визначення основних показників ризику під час виникнення вибуху та пожежі [4]; методики складання прогнозу формування, розвитку аварій та їх наслідків в інформаційній технології прийняття рішень та підтримки дій диспетчера підприємства під час виникнення аварій на підприємствах підвищеної небезпеки [5, 19]; методи імітаційного моделювання дій персоналу в аварійних ситуаціях [6, 13]; спосіб та склад реагенту для визначення наявності хлористого водню в повітрі [7]; конструкція пристрою вогнеперегородника [8]; спосіб локалізації полум'я [9]; математичні моделі та метод експертних оцінок параметрів пожару проливу та вогняної кулі [10]; результати чисельного моделювання виникнення, розвитку та реалізації загрози вибуху та токсичних викидів, метод та програмні засоби оцінки територіального ризику [11, 18]; результати верифікації двомірних та тривимірних моделей вибухів та розповсюдження небезпечних домішок в атмосфері, вибухів парогазових хмар [14, 16]; результати верифікації тривимірної моделі викиду водню [15]; інформаційна технологія та програмні засоби комп'ютерного моделювання небезпечних фізичних процесів, їх наслідків, постановка задач при розробці програмного комплексу “РізЕкс-2” [17].

Апробація результатів дисертації. Апробація результатів дисертаційних досліджень проводилась на технічних нарадах та семінарах НЦ “Різікон”, при впровадженні та експлуатації автоматизованих систем “РізЕкс-1” та “РізЕкс-2” в НЦ “Різікон”, його дочірніх підприємствах та філіях, а також на наукових семінарах кафедри інформатики Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут". Окремі положення та висновки доповідались на українських, російських та міжнародних конференціях, семінарах та симпозіумах: семінарі “Пожаровзрывопредупреждение и промышленная безопасность” (Харків, Україна, 1995 р.); Тринадцятій Всеросійській науково-практичній конференції “Пожарная безопасность - 95” (Москва, Росія, 1995 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Экологическая и техногенная безопасность” (Харків, Україна, 2000 р.), The Fourth International Seminar FireSERT (Ulster, Northern Ireland, 2003), International Conference on Hydrogen Safety (Pisa, Italy, 2005), на семінарах та конференціях Федерального Державного Унітарного Підприємства “Научно-технический центр по безопасности в промышленности” (Москва, Росія, 2001-2005 рр.), Сьомій Всеукраїнській науково-практичній конференції “Пожежна безпека та аварійно-рятувальна справа: стан, проблеми і перспективи” (Київ, Україна, 2005 р). Публікації. За темою дисертації опубліковано 19 друкованих праць, з яких - 6 статей в науково-технічних журналах та збірниках наукових праць, у тому числі 4 статті входять до переліку видань, затверджених ВАК, 3 авторських свідоцтва, 10 публікацій в матеріалах та доповідях всеукраїнських, всеросійських та міжнародних конференцій, конгресів та симпозіумів.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота містить: вступ, чотири розділи, висновки та додатки. Повний обсяг дисертації складає 278 сторінок, у тому числі 15 рисунків на 8 окремих сторінках, бібліографія із 151 найменувань на 16 окремих сторінках та 16 додатків на 111 окремих сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовано мету й завдання роботи; вказано об'єкт, предмет та методи досліджень; описано наукову новизну й практичне значення отриманих результатів, особистий внесок автора в праці, виконані в співавторстві, інформацію про апробацію й публікації результатів досліджень.

У першому розділі на підставі системного аналізу проблеми дослідження, а також аналітичного огляду існуючих методів оцінки ризику й аналізу аварій промислових підприємств запропонована класифікація небезпечних фізичних процесів та видів впливів, які призводять до уражень та економічних втрат (рис.1).

Рис. 1 Небезпечні фізичні процеси та види уражаючих впливів

Визначено основні терміни, етапи аналізу небезпеки й ризику аварій на об'єктах підвищеної небезпеки. Надані критерії та описана методологія аналізу небезпеки й ризику для складних хіміко-технологічних систем (ХТС). Розглянута постановка завдання, що полягає в розробці ефективних математичних моделей та методів для аналізу і прогнозування надзвичайних ситуацій на об'єктах підвищеної небезпеки, реалізації їх у автоматизованій системі. Відомі наступні дані, представлені у формалізованому вигляді: опис об'єкту дослідження, загальні характеристики і властивості складної ХТС, умови функціонування і основні вимоги до її тактико-технічних і техніко-економічних показників; перелік умов, що задовольняють прийнятному рівню безпеки. Потрібно визначити: логіко-імовірнісні схеми виникнення і розвитку аварій; показники формування небезпечного середовища; загрози і фізичні процеси, що приводять до реалізації негативних дій на людей і об'єкти життєдіяльності; основні показники ризику. Необхідні показники при цьому можуть бути визначені шляхом комп'ютерного моделювання небезпечних процесів у складних ХТС і їх функціональних елементах, заснованого на застосуванні комп'ютерних інтерактивних систем інженерного аналізу. Таким чином, у результаті аналізу наявних підходів та методів оцінки техногенного ризику, сформульовано завдання дослідження й сукупність узгоджених методів (методологію); розв'язування завдань дослідження подано в наступних розділах дисертації.

Основні наукові результати даного розділу опубліковані в роботах [3,4,11,12].

У другому розділі описано системну методологію аналізу фізичних процесів, які представляють загрозу при аваріях у відповідності зі структурою, наведеною на рис. 1.

Розроблено клас нестаціонарних моделей витоку газової та рідкої фази небезпечних хімічних речовин із обладнання. Запропоновані моделі дозволяють вирахувати зміни в часі основних параметрів процесу витоку: масова втрата, тиск усередині обладнання, зміна маси робочого тіла, яке вийшло із обладнання. В моделях враховані складність конфігурації, наявність додаткових джерел та їх вплив на характеристики обладнання при аварійному витіканні через отвори або через систему місцевих та гідравлічних опорів. Запропоновано метод визначення параметрів витікання рідкої фази із сосудів типових конфігурацій під дією стовпа залишку рідкої фази та тиску всередині обладнання. Запропонований метод може застосовуватися як для висококиплячих, так і для низькокиплячих рідин, які знаходяться під тиском, та дозволяє оцінити масштаб викиду та часові характеристики розвитку аварії. Запропоновано метод визначення параметрів процесу утворення газової фази під час викиду багатокомпонентної суміші перегрітої рідини з використанням законів збереження енергії та маси, а також законів Рауля для багатокомпонентних рідин. Використовуючи запропонований метод можна визначити кінцеву температуру та склад суміші, покомпонентну кількість газової фази, яка утворилась в результаті перегріву. Розрахунок ґрунтується на рівнянні енергетичного балансу:

,

де - температура рідини на попередній ітерації;

- температура рідини на наступній ітерації; - масова доля; - теплоємність рідини; - зміна маси рідкої фази; - теплота пароутворення -й компоненти; - число компонентів у суміші. Перший та другий закони Рауля ураховані впливом мольних долів компонентів суміші.

Запропоновано метод визначення параметрів процесу випарювання в атмосферу рідини із поверхні проливу, температура якої не перевищує температуру кипіння при атмосферному тиску з урахуванням теплообміну з навколишнім середовищем. Результати отримані на основі чисельного рішення рівняння енергетичного балансу:

,

де - маса рідини в проливі, - час, - тепловий потік “ґрунт-рідина”, - тепловий потік “повітря-рідина”, - тепловий потік “радіація-рідина”, - питома інтенсивність пароутворення, - площа проливу. Запропоновано методи визначення теплових потоків при різних режимах та умовах випарювання. Метод дозволяє урахувати нестаціонарний характер випарювання з поверхні проливу, ефекти “захолоджування”, вплив сонячної активності для місцевості різних широт.

Запропоновано метод визначення концентрацій газоподібних домішок при розповсюдженні небезпечних хімічних речовин в атмосфері та ймовірності отруєння людей при інгаляційному впливі. Розроблено модель формування паливно-повітряних сумішей, які виникають при викиді горючої пари в атмосферу, метод визначення параметрів продуктів горіння та оцінки ймовірності реалізації загроз вогняної кулі, вибуху та “хлопка”.

Запропоновано метод визначення інтенсивності уражаючих та руйнівних факторів при вибухах конденсованих вибухових речовин і парогазових хмар, розривах ємностей високого тиску (фізичний вибух першого роду) та тих, які містять перегріті рідини (фізичний вибух третього роду).

Розроблено модель небезпечної дії осколків, які виникають під час вибухів, з урахуванням аеродинамічного опору повітря та можливості планерування для пластини зі змінним кутом атаки або тієї, яка зберігає постійний кут осі по відношенню до горизонту (гіроскопічний ефект). На базі моделі розроблено метод визначення траєкторії польоту осколка, значення швидкості й кута атаки для осколків із гіроскопічним ефектом. Запропоновано метод визначення ймовірності попадання осколка в об'єкти, розташовані в зоні розльоту, пробиття об'єктів та ураження людей осколками.

Розроблено модель та запропоновано метод визначення основних характеристик пожеж проливу та “вогняної кулі”. Розроблено тривимірну модель пожежі проливу довільного контуру, яка ґрунтується на рівнянні обміну енергією променевими потоками між елементарними площинами джерела та приймача випромінювання.

Запропоновано методи визначення ймовірності ураження людей в результаті впливу теплового випромінювання, а також загоряння матеріалів, що знаходяться в зоні експозиції теплових потоків. Випадковий характер ураження людей запропоновано визначати як ймовірність наставання події в результаті впливу причинного фактора :

,

де параметри розподілення та одержують на основі дослідження даних про випадковий прояв наслідків дії причинного фактора. На основі аналізу літературних даних вибрано значення параметрів розподілення для різних видів уражень.

Таким чином, розроблено комплекс моделей, методів оцінки масштабів зон та умовного ризику ураження, можливого та очікуваного числа уражених, детермінованих наслідків, на основі яких можна оцінювати рівень небезпеки промислових об'єктів, проводити прогнозування наслідків надзвичайних ситуацій та оцінку збитків.

Основні наукові результати даного розділу опубліковані в роботах [2,3,10-18].

У третьому розділі описано методи отримання вхідних даних для математичного моделювання небезпечних фізичних процесів та їх наслідків. Викладено метод знаходження коефіцієнтів, які визначають відклики отруйних властивостей речовин. Ці коефіцієнти можуть бути отримані на підставі обробки експериментальних даних в результаті вирішення пробіт-рівняння для i-го відклику:

,

де при відомій концентрації на протязі часу , коефіцієнти , і відповідають заданому відклику. Між коефіцієнтами , і та параметрами розподілення та визначено прямий зв'язок. Рішення системи пробіт-рівнянь з використанням критеріїв SLOT (Specified Level of Toxicity) DTL (Dangerous Toxic Load) та SLOD (Significant Likelihood of Death) DTL дозволяє отримати коефіцієнти , та показник ступеню при концентрації в причинному коефіцієнті , для визначення ймовірності смертельних уражень. Використання даних AEGLs (Acute Exposure Guideline Levels) дозволяє отримати коефіцієнти для отруєнь різних ступенів важкості. Визначення відклику при інгаляційному впливові небезпечної хімічної речовини являється основою для визначення територіального, індивідуального ризику, можливого та очікуваного числа уражених та тих, хто загинули, економічного збитку від аварій.

Проведено верифікацію запропонованих моделей в порівнянні із даними експериментів та отриманими за допомогою відомих розрахункових методів. При верифікації моделі вибуху газових хмар в атмосфері проводилось порівняння із експериментальними даними Когарко та Гельфанда (рис.2). Результати порівняння підтверджують адекватність моделі та методу визначення характеристик ударних хвиль. Порівняння результатів розрахунку параметрів розсіювання домішок пропану в атмосфері з експериментальними даними (див. рис.3) підтверджує можливість використання тривимірної моделі розсіювання домішок небезпечних хімічних речовин в атмосфері з використанням коефіцієнтів турбулентної дифузії, запропонованих у дисертаційній роботі.

При верифікації математичної моделі пожежі проливу було проведено порівняння результатів розрахунку розподілення теплового навантаження від відстані з даними, отриманими за допомогою емпіричної залежності (рис.4).

Рис. 2 Порівняння розрахунків

Рис. 3 Максимальні концентрації параметрів вибухових хвиль із пропану: 1, 2 и 3 -розрахунок; експериментальними даними 4, 5 і 6 - експериментальні дані на висотах 0.8, 1.4 та 2.3 м

Рис. 4 Порівняння результатів розрахунків розподілення теплових навантажень від відстані з емпіричною залежністю

В рамках консервативного підходу точність визначення характеристик теплових навантажень за допомогою запропонованого метода цілком прийнятна з практичної точки зору. Запропоновані методи визначення критичних параметрів процесів, які моделюються, дозволяють проводити оцінки масштабів зон виникнення і розвитку аварій, необхідні для використання в технології оцінки ризику.

Розроблено інформаційну модель та метод оцінки ризику. Сформульовано метод оцінки основних показників техногенного ризику шляхом встановлення причинно-наслідкових зв'язків логіко-імовірнісних подій на основі “дерев відмов” та “дерев подій”.

Запропоновано метод визначення полів ризику шляхом чисельного сканування простору поблизу джерел небезпеки та визначення ймовірності потенціальної загрози смертельного ураження людини:

,

де - ймовірність реалізації аварійної ситуації, яка призводить до утворення фізичних факторів ураження; - ймовірність реалізації конкретного фактора ураження (наприклад, вогняна куля або вибух під час викиду скраплених вуглеводнів); - число діапазонів роздробу -го “параметра діапазону”; - ймовірність того, що буде реалізовано значення -го параметра, який визначає масштаб небезпечних факторів; - ймовірність ураження людини за умови реалізації -го набору вихідних параметрів.

В якості підсумкової формули обчислення ймовірності ураження для територіального ризику запропоновано вираз:

,

де - ймовірність реалізації фізичного процесу, який вибирається по “виключному АБО”; - число незалежних джерел небезпеки, які розглядаються.

Для реалізації автоматичних обчислень та правильного завдання причинно-наслідкових зв'язків між процесами, які виникають при аварії, послідовно, у відповідності до логіки процесу, установлюються зв'язки між процесами таким же чином, як і між подіями в “дереві відмов” та “дереві подій”.

Індивідуальний ризик для вибраного регіону визначається як усереднений по регіону територіальний ризик, з урахуванням того, що знаходження людини в межах заданого регіону приймається рівно імовірним.

Таким чином, запропоновано методи консервативних оцінок ризику в умовах невизначеності вхідних даних, які дозволяють урахувати вплив множинних незалежних джерел небезпеки. Проведено аналіз та вироблено рекомендації для застосування цих методів на практиці. Запропонований математичний інструментарій дозволяє розширити класи задач моделювання небезпечних процесів до рівня їх використання в задачах оцінки ризику, є основою для створення ефективних програмних засобів прикладної інформаційної технології оцінки техногенного ризику.

Основні наукові результати даного розділу опубліковані в [1,11,14-16,18].

У четвертому розділі наведені структурне уявлення та приклад реалізації взаємодії програмних модулів автоматизованої системи, призначеної для оцінки техногенного ризику об'єктів підвищеної небезпеки. На рис.5 надана структурна схема організації взаємодії програмних модулів автоматизованої системи в складі засобів прикладної інформаційної технології оцінки техногенного ризику. Описані способи уявлення даних, управління обчислювальними процесами, обробки результатів чисельного моделювання за допомогою засобів об'єктної графіки, керованого відображення графічних результатів. Розроблені структура бази даних та способи автоматичного управління інформаційними потоками.

За допомогою розробленої автоматизованої системи в інтерактивному режимі можливо послідовно здійснити комп'ютерне моделювання небезпечних фізичних процесів, оцінку масштабів зон та ризику уражень й отримати кількісні показники при проведенні аналізу небезпеки хіміко-технологічної системи. Розроблено сценарій кінцевого користувача для роботи з автоматизованою системою при формуванні заходів по забезпеченню прийнятного рівня безпеки промислових об'єктів. Узагальнено досвід впровадження та експлуатації автоматизованої системи, яка поставлена та використовується для вирішення задач промислової безпеки багатьма підприємствами, проектними та консалтинговими організаціями.

Рис. 5 Структурна схема: а - організації взаємодії програмних модулів автоматизованої системи; б - вкладення файлів

Таким чином, запропонована структура взаємодії програмних модулів та на її основі розроблено та впроваджено автоматизовану систему для оцінки небезпеки більш ніж на 11 підприємствах, які мають різноманітну направленість діяльності: консалтингових фірмах, проектних організаціях, підприємствах хімічної та нафтохімічної промисловості. Отримано досвід впровадження автоматизованої системи, навчання користувачів та супроводу програмних продуктів.

Основні наукові результати даного розділу опубліковані в роботах [3,5,6,17,19].

У додатках наведено: алгоритми рішень описаних задач, методи отримання проміжних та додаткових параметрів розрахунків, а також рекомендації що до використання технології оцінки ризику; для реальної ХТС приклади побудови “дерев відмов” та “дерев подій”, результати розрахунків; можливості автоматизованої системи; акти впровадження отриманих у дисертаційній роботі результатів і рекомендацій.

ВИСНОВКИ

В дисертації одержано нові науково обґрунтовані результати в галузі автоматизованих систем управління та прогресивних інформаційних технологій, які в сукупності вирішують важливу науково-прикладну задачу, яка полягає в розробці моделей та методів для аналізу та прогнозування надзвичайних ситуацій на об'єктах підвищеної небезпеки, що дозволяє скоротити строки, матеріальні затрати та підвищити якість виконуваних робіт, направлених на попередження техногенних аварій.

Одержано нові наукові й практичні результати роботи, що мають істотні переваги перед наявними вирішеннями й полягають у такому.

1. Розглянуто етапи та сучасні підходи до розкриття проблеми оцінки техногенного ризику. Сформульовано підходи до рішення задач моделювання небезпечних фізичних процесів, ймовірності їх виникнення та реалізації, які дозволяють формалізувати процеси моделювання, структурувати задачі та об'єднати їх в єдину методологію оцінки ризику.

2. Вперше розроблено метод оцінки показників ризику виникнення надзвичайних ситуацій, що базується на врахуванні комплексної дії на техногенні об'єкти, об'єкти забезпечення життєдіяльності та людей різноманітних джерел небезпеки, що забезпечує визначення основних показників ризику. Розроблено метод визначення територіального та індивідуального ризиків, очікуваного і можливого числа загиблих при виникненні надзвичайних ситуацій.

Удосконалено:

- модель опису небезпечного середовища техногенного об'єкта, в якій враховується динаміка процесів викиду, що забезпечує визначення імовірних масштабів загроз при аваріях;

- модель руйнування промислових об'єктів, в якій, на відміну від існуючих, враховується взаємний вплив різних небезпечних процесів (вибухів, пожеж та ін.), що дозволяє визначити масштаби наслідків аварій, можливі економічні втрати при аваріях.

Дістав подальший розвиток метод аналізу небезпеки техногенних об'єктів, заснований на комплексному моделюванні небезпечних фізичних процесів з урахуванням причинно-наслідкових зв'язків між ініційованими подіями та загрозами, які пов'язані з виникненням надзвичайних ситуацій, що дозволяє забезпечити прийнятний рівень ризику промислових об'єктів.

В результаті аналізу даних, наведених у науковій літературі, запропоновані різні критерії та їх кількісні значення для визначення: ступенів ураження людей, загоряння матеріалів, руйнування об'єктів, ймовірності смертельних уражень, режимів вибухових перетворень та інших вхідних даних. Використання запропонованих моделей дозволяє розширити класи задач моделювання небезпечних процесів до рівня їх використання в задачах оцінки ризику, є основою для створення ефективних програмних засобів прикладної інформаційної технології оцінки техногенного ризику.

3. Розроблено прикладну інформаційну технологію аналізу потенційної небезпеки техногенних об'єктів. Розроблена автоматизована система для моделювання надзвичайних ситуацій і оцінки техногенного ризику. За допомогою розробленої автоматизованої системи в інтерактивному режимі можливо послідовно здійснити комп'ютерне моделювання небезпечних фізичних процесів, оцінку масштабів зон та ризику уражень й отримати кількісні показники при проведенні аналізу небезпеки хіміко-технологічної системи.

4. Достовірність запропонованих математичних моделей, методів, алгоритмів розв'язування задач і програмних засобів, що їх реалізують, а також отриманих за їх допомогою наукових положень, результатів розрахункових досліджень, висновків і рекомендацій підтверджена результатами верифікації й аналізу адекватності розроблених математичних моделей.

5. Наукові положення, висновки, рекомендації, пропозиції, а також програмні засоби інформаційної технології оцінки техногенного ризику та результати розрахункових досліджень використовувались при розробці планів ліквідації аварійних ситуацій та декларацій промислової безпеки, оцінці ризику промислових підприємств.

Упровадження розробленої прикладної інформаційної технології на підприємствах, які мають різноманітну направленість діяльності (консалтингових фірмах, проектних організаціях, підприємствах хімічної та нафтохімічної промисловості), дозволило скоротити витрати на розробку декларацій промислової безпеки та планів локалізації аварійних ситуацій більш ніж в три рази. Впровадження результатів дисертаційної роботи дозволило забезпечити високу конкурентоспроможність запропонованої прикладної інформаційної технології в порівнянні з існуючими.

Таким чином, було досягнуто мету дослідження, яка полягала в забезпеченні прийнятного рівня безпеки промислових об'єктів на основі автоматизації моделювання надзвичайних ситуацій та оцінки техногенного ризику.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лыфарь В.А., Рязанцев А.И. Методы определения степеней поражения людей опасными химическими веществами при аварии на предприятии // Вестник Херсонского национального технического университета (ХНТУ). - 2006. - № 1(24). - С. 369 - 375.

2. Лыфарь В.А., Рязанцев А.И. Моделирование формирования взрывоопасной среды при возникновении промышленных аварий // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля. - 2006. - № 9(103). - С. 247 - 253.

3. Грановский Э.А., Лыфарь В.А. Моделирование промышленных аварий. Последствия и риск // Пожежна безпека. - 2001. - № 1(28) - C. 14-16.

4. Грановский Э.А., Лыфарь В.А. Анализ риска возникновения аварий (пожара, взрыва) // Пожежна безпека. - 2001. - № 2(29) - С. 13-15.

5. Система анализа опасности и автоматизации поддержки решений диспетчера химически опасных объектов в условиях аварий / Э.А. Грановский, В.А. Лыфарь, К.К. Феленко, А.И. Березовский // Збірка наукових праць. Спец. випуск.-Т.1.- Київ: Інститут проблем моделювання в енергетиці, 2005.-C.123-129.

6. Грановский Э.А., Ворона А.П., Лыфарь В.А. Компьютерный тренажерный комплекс “Тренариз” для подготовки технологического персонала к действиям по локализации и ликвидации аварий // Збірка наукових праць. Спец. випуск. - Т.2. - Київ: Інститут проблем моделювання в енергетиці, 2005. - C. 3-10.

7. Способ определения хлористого водорода в воздухе: А.с. 1647393 СССР, G 01 N 31/22 / И.И. Стенцель, В. А. Лыфарь, В.М. Москалик, И.Г. Полосина (СССР). - №4351174/26; Заявлено 24.11.87; Опубл. 07.05.91; Бюл. № 17. - 4 с.

8. Огнепреградитель: А.с. 1748330 СССР, А 62 С 4/00 / В.К. Битюцкий, В.Н. Гудкович, В.А. Лыфарь (СССР). - №4758455/12; Заявлено 09.11.89.

9. Способ локализации пламени и устройство для его осуществления: А.с. 1818109 СССР, А 62 С 4/00 / В.К. Битюцкий, В.Н. Гудкович, Е.К. Лыфарь, В.А. Лыфарь (СССР). - №4846525/12; Заявлено 02.07.90; Опубл.30.05.93;Бюл.№ 20.-4 с.

10. Лыфарь В.А., Лыфарь Е.К., Зозуля И.В. Экспертные оценки параметров пожара пролива и огненного шара // Пожарная безопасность: Материалы XIII Всероссийской научно-практической конференции. - М.: ВНИИПО, 1995. - C. 269-271.

11. Granovsky E.A., Lyfar V.A., Vasilyuk E.V. Industrial accident modeling: consequences and risk // Prevention of Hazardous Fires and Explosions. - Kluwer Academic Publishers (Netherlands), 1999. - P.183-197.

12. Грановский Э.А., Лыфарь В.А. Анализ риска аварий сложных технологических систем // Международная научно-практическая конференция “Экологическая и техногенная безопасность”. - Харьков: ХИСП, 2000. - C. 40-46.

13. Лыфарь В.А., Грановский Э.А. Компьютерный тренажер коллективных действий персонала при ликвидации аварий // Международная научно-практическая конференция “Экологическая и техногенная безопасность”. - Харьков: ХИСП, 2000. - C. 98-102.

14. Numerical simulation of industrial explosions / S.K. Aslanov, E.A. Granovsky, V.A. Lyfar, A.P. Tsarenko // Fire and explosion hazards. Fourth International Seminar FireSERT. University of Ulster. - Northern Ireland (UK). - 2003. - P. 869-876.

15. Numerical Modeling of Hydrogen Release, Mixture and Dispersion in Atmosphere / E.A. Granovskiy, V.A. Lyfar, Yu.A. Skob, M.L. Ugryumov // Abstracts Book and CD-ROM Proceedings of the International Conference on Hydrogen Safety. - Pisa (Italy). - 2005. - P. 1-10.

16. Численное моделирование процессов истечения, смешения, рассеяния и взрыва топливовоздушных смесей/ Э.А. Грановский, В.А. Лыфарь, Ю.А. Скоб, М.Л. Угрюмов // Тематический семинар “Оценка риска аварий на опасных производственных объектах”. - М.: ФГУП “НТЦ по безопасности в промышленности”, 2005. - C.10-12.

17. Грановский Э.А., Лыфарь В.А. Программный комплекс для моделирования аварий и оценки риска “РизЭкс-2” // Тематический семинар “Оценка риска аварий на опасных производственных объектах”. - М.: ФГУП “НТЦ по безопасности в промышленности”, 2005. - C. 45-47.

18. Численное моделирование и оценка риска взрывов, пожаров и рассеяния вредных примесей в атмосфере/ Э.А. Грановский, В.А. Лыфарь, М.Л. Угрюмов, Ю.А. Скоб // Матеріали VII Всеукраїнської наук.-практ. конф. “Пожежна безпека та аварійно-рятувальна справа: стан, проблеми і перспективи” (Пожежна безпека - 2005). - Київ: УкрНДІПБ МНС України, 2005. - C. 79-82.

19. Система анализа опасности и автоматизации поддержки решений диспетчера химически опасных объектов в условиях аварий / В.А. Лыфарь, К.К. Феленко, А.И. Березовский, Э.А. Грановский // Матеріали VII Всеукраїнської наук.-практ. конф. “Пожежна безпека та аварійно-рятувальна справа: стан, проблеми і перспективи” (Пожежна безпека - 2005) - Київ: УкрНДІПБ МНС України, 2005. - C.111-114.

Размещено на Allbest.ru

...