Козлитин П.А., Козлитин А.М.
Теоретические основы и методы системного
анализа промышленной безопасности объектов
теплоэнергетики с учетом риска
Авторы
Козлитин Павел Анатольевич - кандидат технических наук, профессор Академии военных наук, преподаватель Военного института ПКСМО ВС РФ.
Автор более 30 научных работ по проблемам анализа, количественной оценки и управления техногенными рисками.
Область научных интересов: научно-теоретические и прикладные вопросы управления техногенными рисками потенциально опасных объектов.
Предлагаемые методы реализованы на практике при декларировании промышленной безопасности и разработке планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций свыше 10 потенциально опасных производственных объектов. В их числе такие крупные объекты, как ТЭЦ Саратовского региона ОАО «Волжская ТГК-7» и Волгоградского региона ОАО «ЮГК ТГК-8», ОАО «Орскнефтеоргсинтез», ОАО «Саратовский НПЗ», ОАО «Саратовнефтепродукт»
E-mail: kapovof@mail.ru
В монографии:
1. Разработана экономико-математическая модель определения системной эффективности повышения безопасности мазутного хозяйства и ХВО ТЭЦ на основе риска, учитывающая возможность возникновения, вероятность и параметры развития проектных и запроектных аварий, реализации аварийных процессов и последствий, включая перерывы со снабжением потребителей электрической и тепловой энергией.
2. Разработаны теоретические положения количественной оценки опасности мазутного хозяйства и ХВО ТЭЦ в форме обобщающего показателя интегрированного риска, являющегося многофакторной функцией, объединяющей риски социального, экологического и материального ущербов, в том числе экономические потери в энергоснабжении потребителей.
3. Теоретически обоснован метод количественной оценки поражающих факторов аварий мазутного хозяйства ТЭЦ с формированием гидродинамической волны прорыва при разрушении наземных мазутных резервуаров. Получены аналитические зависимости расчета основных параметров воздействия: скорости и глубины потока, времени добегания волны прорыва до рассматриваемой точки территории, массы жидкости, перелившейся через обвалование в процессе разрушения резервуара, интенсивности теплового облучения при возгорании, в том числе смежных резервуаров и других факторов.
4. Получена аналитическая зависимость для определения величины токсодозы в рассматриваемой точке территории в функции концентрации соляной кислоты и других факторов рассеивания и воздействия при авариях в цехе ХВО ТЭЦ. Выполнено теоретическое обоснование и разработан координатный закон риска токсического поражения человека парами соляной кислоты, в том числе с учетом ее концентрации в водном растворе при авариях в цехе ХВО ТЭЦ.
 
Введение
0.1. Анализ современного уровня опасности высокорисковых объектов топливно-энергетического комплекса
0.2. Обзор исследований по методам оценки и обоснованию безопасности производственных объектов
 
Во введении проведен обзор опубликованных работ по известным методам оценки и обоснования промышленной безопасности опасных производственных объектов. Обсуждены различные подходы к анализу опасностей и оценке риска промышленных аварий, оценены их достоинства и недостатки.
Показано, что малоисследованными остаются запроектные аварии в мазутном хозяйстве и ХВО ТЭЦ, связанные с аварийными выбросами пожароопасных и токсичных веществ и приводящие к внезапному нарушению энергоснабжения потребителей.
Мазут и трансформаторное масло сосредоточены в значительных количествах в резервуарных парках теплоэлектроцентралей и маслоохладителях трансформаторов. Серьезную опасность ожидаемых острых воздействий на персонал станции и окружающую среду при аварийных выбросах представляют токсичные вещества, сосредоточенные в значительных количествах в цехах ХВО ТЭЦ - водные растворы хлористого водорода и концентрированная серная кислота. Существующая опасность высвобождения собственного энергозапаса ТЭЦ в системе мазутоснабжения с формированием горящей гидродинамической волны прорыва или токсического заражения территории станции при авариях в ХВО с высокой степенью вероятности может привести к полному или частичному разрушению основного электро- и теплогенерирующего оборудования. Как следствие данных запроектных аварий, может быть нарушено или полностью прекращено энергообеспечение потребителей тепловой и электрической энергией.
 
Глава 1. Основы методики исследования безопасности ТЭЦ с учетом риска
1.1. Основы методики оценки эффективности повышения безопасности ТЭЦ с учетом риска
1.2. Методика расчета интегрированного риска
 
В данной главе разработана экономико-математическая модель определения системной эффективности повышения безопасности мазутного хозяйства и ХВО ТЭЦ на основе риска, учитывающая возможность возникновения, вероятность и параметры развития проектных и запроектных аварий, реализации аварийных процессов и последствий, включая перерывы со снабжением потребителей электрической и тепловой энергией. Обоснованы подходы к определению целесообразности, технико-экономической необходимости
и оптимизации инженерных решений, направленных на обеспечение безопасности объектов энергетических систем и комплексов и изложены основы методики исследования экономической эффективности мероприятий по снижению риска потерь в обществе и вредного воздействия на окружающую среду поражающих факторов аварий на теплоэлектроцентралях.
Разработаны теоретические положения количественной оценки опасности мазутного хозяйства и ХВО ТЭЦ в форме обобщающего показателя интегрированного риска. Для получения критерия сопоставления и оптимизации решений предложен метод сравнения, основанный на сопоставлении нескольких вариантов, различающихся по капитальным затратам на технические системы безопасности, переменным издержкам и отчислениям на страхование возможных случаев аварийных ситуаций. При технико-экономической оценке безопасности и системной надежности энергообеспечения сфер жизнедеятельности населения в качестве основной составляющей, изменение которой позволило бы отыскать наиболее рациональное техническое решение по обеспечению безопасности высокорисковых объектов, с учетом финансовых затрат, предлагается применить показатель, определяемый как интегрированный риск в едином стоимостном эквиваленте.
Интегрированный риск - это комплексный показатель уровня опасности объекта, объединяющий в себе социальные, материальные и экологические риски, выраженные в едином стоимостном эквиваленте.
В основу модели интегрированного риска положены формулы математического ожидания соответствующих потерь (ожидаемый ущерб), функционально связывающие вероятность реализации поражающего фактора за интервал времени t, как правило, за год, и ущерб, нанесенный данным поражающим фактором.
При определении материального риска учитывается особенность теплогенерирующей энергетической системы, связанная с ожидаемым комплексным ущербом от проектных и запроектных аварий. Высвобождение собственного энергозапаса ТЭЦ в системе мазутоснабжения с формированием горящей гидродинамической волны прорыва с высокой степенью вероятности может привести к полному или частичному разрушению основного электро- и теплогенерирующего оборудования ТЭЦ, объектов газового хозяйства и складов жидкого топлива (мазута). Как следствие данной запроектной аварии, будет нарушено или полностью прекращено энергообеспечение объектов и сфер жизнедеятельности населения. Катастрофичность последствий таких событий вполне очевидна в период максимальной нагрузки отопительного сезона. В этих условиях комплексный материальный ущерб складывается из прямых потерь топлива, оборудования, зданий, сооружений и потерь из-за недоотпуска электрической и тепловой энергии потребителям. В состав прямых потерь входит стоимость разрушенных зданий, сооружений, технологического оборудования, утраченного топлива. Потери из-за недоотпуска электрической и тепловой энергии потребителям определяются затратами на обеспечение заданного уровня энергоснабжения потребителей и необходимыми компенсационными мероприятиями.
При оценке риска экологического ущерба (экологического риска) окружающая среда рассматривается в виде системы, состоящей из трех основных компонентов: литосферы, гидросферы и атмосферы. При этом экологический ущерб в стоимостном эквиваленте определяется величиной удельного ущерба для поражаемой компоненты окружающей среды и массой аварийного выброса, участвующего в загрязнении указанных составляющих экосистем.
Риск социального ущерба (коллективный риск) учитывает масштаб воздействия, выражающийся в летальных исходах и поражениях людей тяжелой, средней и легкой степени, приведенных к суммарно эквивалентному числу летальных исходов. При определении потерь общества от возможных смертельных исходов человеческая жизнь оценивается в стоимостном выражении. В качестве такой величины в монографии используется цена спасения жизни (ЦСЖ). В обобщенном виде ЦСЖ понимается как средневзвешенная по наиболее значимым и рисковым областям и сферам жизнедеятельности величина затрат для дополнительного спасения жизни каждого следующего индивидуума. Цена спасения жизни относится к разряду тех величин, которые принципиально не могут быть вычислены с большой точностью. Поэтому, учитывая значительную неопределенность данной величины, предлагается на основе обобщения при расчетах брать несколько уровней значения ЦСЖ в России - нижнее, среднее и верхнее значения, соответственно 600 тыс., 1,2 млн. и 2 млн. руб. на человека.
 
Глава 2. Теоретическое обоснование и разработка физико-математических моделей распространения поражающих факторов в окружающей среде при авариях на ТЭЦ
2.1. Теоретическое обоснование и разработка модели количественной оценки поражающих факторов аварий с формированием гидродинамической волны прорыва на мазутных резервуарах ТЭЦ
2.2. Теоретическое обоснование количественных показателей поражающего воздействия аварий при пожарах разлития на мазутных резервуарах ТЭЦ
2.3. Теоретическое обоснование и разработка модели количественной оценки поражающих факторов при авариях в цехе ХВО с баками химреагентов ТЭЦ
 
Во второй главе теоретически обоснован метод количественной оценки поражающих факторов аварий мазутного хозяйства ТЭЦ с формированием гидродинамической волны прорыва при разрушении наземных мазутных резервуаров. Получены аналитические зависимости расчета основных параметров воздействия: скорости и глубины потока, времени добегания волны прорыва до рассматриваемой точки территории, массы жидкости, перелившейся через обвалование в процессе разрушения резервуара, интенсивности теплового облучения при возгорании, в том числе смежных резервуаров и других факторов.
Получена аналитическая зависимость для определения величины токсодозы в рассматриваемой точке территории в функции концентрации соляной кислоты при авариях в цехе ХВО ТЭЦ. Выполнено теоретическое обоснование и разработан координатный закон риска токсического поражения человека парами соляной кислоты с учетом ее концентрации в водном растворе при авариях в цехе ХВО ТЭЦ.
Показано, что основная опасность мазутохранилищ, приводящая к катастрофическим последствиям с большим материальным ущербом и гибелью людей, связана с возможностью полного разрушения резервуара и формированием гидродинамической волны прорыва. Теоретически обоснована и разработана математическая модель гравитационного растекания цилиндрического слоя жидкости при отсутствии обвалования. Учтены индивидуальные свойства растекающейся жидкости (плотность, кинематическая вязкость), условия ее хранения (начальная температура), а также особенности среды растекания (фильтрационная способность, тип, структура и рельеф подстилающей поверхности, пористость грунта). Получены аналитические зависимости для основных параметров гидродинамической волны прорыва на мазутных наземных резервуарах ТЭЦ, с учетом физических процессов растекания мазута и определяющие его поражающее действие - скорость и глубину потока, время добегания волны прорыва до рассматриваемой точки территории.
Показано, что при квазимгновенном разрушении резервуара, расположенного
в обваловании, часть нефтепродукта может перелиться через обвалование,
так как гидродинамическая волна, достигнув обвалования, может оказаться
значительно выше расчетной высоты данного обвалования, что приведет к
переливу части нефтепродукта через него. Разработаны аналитические
зависимости для количественной оценки массы жидкости, перелившейся
через обвалование при квазимгновенном разрушении резервуара мазутного
хозяйства ТЭЦ.
Обосновано оптимальное расстояние от стенки резервуара до обвалования или ограждающей стены, при котором высота гидродинамической волны в районе обвалования будет меньше его высоты, что позволяет исключить перелив нефтепродукта через обвалование при квазимгновенном разрушении резервуара.
Показатели последствий силового воздействия гидродинамической волны прорыва на человека, здания и сооружения в случае разрушения обвалования определяются для территории в пределах зоны разлития, в границах которой
воздействие волны прорыва опасно для жизни или здоровья человека, может вызвать разрушение или повреждение зданий и сооружений. В качестве параметров поражающего воздействия гидродинамической волны прорыва на реципиента рассматриваются глубина потока и скорость растекания жидкости. Для определения максимально возможных последствий силового воздействия волны прорыва на здания и сооружения выполнено обоснование минимальных критических параметров волны прорыва для слабых разрушений наиболее уязвимых элементов инженерно-технического комплекса ТЭЦ.
Наиболее опасным фактором гидродинамического растекания является перенос вместе с горящей жидкостью открытого огня, теплового излучения пламени и других опасных факторов пожара. При реализации данной аварийной ситуации одним из важнейших является вопрос прогнозной оценки степени устойчивости к тепловому воздействию соседних резервуаров, расположенных в индивидуальных обвалованиях на рассматриваемом расстояниях от фронта пламени горящего разлития и возможности возникновения эффекта «домино». Получена регрессионная модель критериальной кривой, устанавливающей
зависимость критической интенсивности облучения стенки резервуара с нефтепродуктом от
продолжительности облучения. На основе полученной модели разработан метод сравнения интенсивности
теплового облучения стенки резервуара и критерия потери им устойчивости. Разработан алгоритм
прогнозирования последствий теплового воздействия при пожарах разлития на человека, технологическое
оборудование, здания и сооружения на основе модификации методик ГОСТР12.3.047-98 ССБТ, НПБ-105-03
и МЧС РФ.
В цехе ХВО с баками химреагентов ТЭЦ сосредоточены химически опасные вещества: серная кислота, щелочь, соляная кислота, представляющие опасность загрязнения окружающей среды и поражения персонала станции. Одной из важных задач повышения безопасности теплоцентралей и снижения риска аварийного воздействия на окружающую среду и персонал станции химически опасных веществ является количественная оценка поражающих факторов аварий в цехе ХВО. В монографии выполнено теоретическое обоснование и разработаны модели количественной оценки поражающих факторов при авариях в цехе ХВО с баками химреагентов.
Выполнен анализ поражающих свойств серной кислоты при авариях на резервуарах ее хранения. Получена аналитическая зависимость глубины распространения аэрозоля от размеров его частиц. Обоснованы характерные зоны поражения человека при аварийных выбросах серной кислоты.
Выполнен анализ поражающих свойств соляной кислоты в зависимости от ее концентрации. Концентрированная соляная кислота (38  40% HCl) по своим токсическим и физико-химическим свойствам отнесена к сильнодействующим ядовитым веществам. В цехе ХВО ТЭЦ, как правило, используется 24%-я соляная кислота. С целью сравнения опасности соляной кислоты различной концентрации в математической модели, описывающей характер изменения токсодозы с расстоянием, необходимо выделить те параметры, которые в значительной степени зависят, при прочих равных условиях, от концентрации HCl в растворе. Выполненные в монографии исследования позволили в качестве таких параметров выделить парциальное давление паров хлористого водорода над водным раствором и плотность раствора для различных концентраций HCl при заданной температуре. Получены по эмпирико-статистическим данным регрессионные модели указанных параметров и на их основе установлена функциональная зависимость токсодозы от концентрации HCl в растворе. Введено понятие приведенной токсодозы, величины, показывающей, во сколько раз в рассматриваемой точке территории текущее значение токсодозы превышает летальную токсодозу. Показано, что эффект токсического поражения при авариях с выбросом соляной кислоты в значительной степени определяется концентрацией хлористого водорода в водном растворе.
 
Глава 3. Методика определения рисков аварий мазутного хозяйства и цеха ХВО теплоэлектроцентралей
3.1. Разработка методики количественной оценки интегрированного риска аварий теплоэлектроцентралей
3.2. Теоретическое обоснование и разработка координатного закона теплового поражения человека при формировании горящей гидродинамической волны прорыва
3.3. Теоретическое обоснование и разработка координатного закона токсического поражения человека
 
В данной главе выполнены теоретическое обоснование и разработка математических моделей и аналитических методов количественной оценки риска аварий теплоэлектроцентралей. Показано, что математическая модель потенциального риска существенно зависит от типа опасности (взрыв, пожар, токсическое воздействие) и от вида реципиента (человек, материальные объекты, экосистемы).
Для расчета вероятности реализации аварийных ситуаций для конкретных наземных резервуаров, с учетом их конструктивных особенностей, внутреннего объема, срока эксплуатации, вида хранимого нефтепродукта и отраслевой принадлежности, разработана методика учета дисперсии индивидуальных свойств резервуаров на основе весовых коэффициентов. Весовые коэффициенты отражают отклонение вероятности i-го отказа резервуара для j-го параметра конкретного резервуара от средних статистических значений. Получены численные значения весовых коэффициентов.
Выполнено теоретическое обоснование и разработан координатный закон теплового поражения человека при формировании горящей гидродинамической волны прорыва в случае разрушения обвалования.
Дано обоснование условия избегания человеком опасности поражения волной прорыва и получены аналитические зависимости. В условиях чрезвычайной ситуации человек стремится покинуть опасную зону, передвигаясь в безопасном направлении со скоростью vm(L) = const. Скорость избегания человеком опасности будет определяться разностью скорости движения человека и скорости растекания мазута по прилегающей к резервуару территории v = vm(L) - vв(L). При этом можно выделить две зоны: зону поражения волной прорыва и зону избегания опасности. Граница безопасности, разделяющая эти зоны, будет определяться радиусом окружности, находясь за пределами которой, человек может избежать
опасности поражения волной прорыва, передвигаясь со скоростью vm(L). Введено понятие «радиус безопасности» и получено выражение для его расчета.
Разработан координатный закон теплового поражения человека в зоне действия опасных факторов пожара - открытого огня и теплового излучения с поверхности фронта пламени гидродинамической волны прорыва при разрушении обвалования.
Выполнено теоретическое обоснование и разработан координатный закон токсического поражения человека парами соляной кислоты с учетом ее концентрации в водном растворе.
 
Глава 4. Анализ системной эффективности повышения безопасности мазутного хозяйства и ХВО ТЭЦ
4.1. Анализ основных причин происшедших аварий
4.2. Анализ условий возникновения и развития аварий на ТЭЦ
4.3. Анализ и количественная оценка интегрированного риска мазутного хозяйства ТЭЦ
4.4. Анализ и количественная оценка интегрированного риска в цехе ХВО с баками химреагентов ТЭЦ
4.5. Анализ и количественная оценка интегрированного риска в системе маслоснабжения ТЭЦ
4.6. Рекомендации и мероприятия по уменьшению риска
 
В данной главе выполнен анализ системной эффективности повышения безопасности мазутного хозяйства и ХВО ТЭЦ (на примере филиала «Волгоградская Генерация» ОАО «ЮГК ТГК-8»).
Для количественной оценки опасностей и риска ТЭЦ:
- проведен анализ возможных причин возникновения и развития аварийных ситуаций с учетом отказов и неполадок оборудования, возможности ошибочных действий персонала, внешних воздействий природного и техногенного характера;
- рассмотрены и проанализированы схемы возможных сценариев возникновения и развития аварийных ситуаций;
- оценены вероятности проявления опасных ситуаций на составляющих ТЭЦ, на основе данных статистического анализа о надежности работы оборудования;
- оценены зоны поражения людей при авариях, сопровождающиеся пожарами разлития, образованием пароаэрозольных ядовитых облаков.
На примере Волгоградской ТЭЦ-3 ОАО «ЮГК ТГК-8» рассмотрен сценарий цепного развития аварии в резервуарном парке с формированием горящей гидродинамической волны прорыва, в зоне действия которой оказываются основные составляющие комплекса сооружений ТЭЦ с последующим внезапным нарушением системы энергообеспечения объектов и сфер жизнедеятельности населения. По результатам выполненного анализа рассчитаны интегрируемый риск и возможный ущерб запроектной аварии в мазутном хозяйстве ТЭЦ. Разработаны рекомендации и выполнено технико-экономическое обоснование мероприятий по снижению риска аварий в мазутном хозяйстве Волгоградской ТЭЦ-3.
На примере Волжской ТЭЦ-1 ОАО «ЮГК ТГК-8» рассмотрен сценарий развитии аварии в цех ХВО с
баками химреагентов: разрушение емкости хранения соляной кислоты  выброс кислоты в поддон  испарение
HCl с поверхности зеркала разлития  формирование токсичного облака  распространение опасного вещества
по направлению ветра  загрязнение окружающей среды и проникание ядовитых паров хлористого водорода
в главный корпус станции  поражение персонала с риском внезапного нарушения энергоснабжения
потребителей. Определен интегрируемый риск и возможный максимальный ущерб социальных,
экологических и материальных потерь, в том числе из-за недоотпуска электрической и тепловой энергии
при развитии аварии на Волжской ТЭЦ-1
Copyright © 2005 - 2015. Сайт А.М. Козлитина
Все права защищены. При перепечатке и использовании материалов на страницах в Интернет обязательна активная ссылка на сайт http://risk-2005.narod.ru/. При перепечатке в неэлектронном виде обязательна текстовая ссылка на источник информации - «сайт http://risk-2005.narod.ru/».
Ни один из материалов, авторские права на которые принадлежат их авторам, издательствам и редакциям журналов, опубликовавшим указанные монографии и статьи, не может быть использован полностью или частично без ссылки на первоисточник. Использование материалов сайта в коммерческих целях возможно только с письменного разрешения автора.