Актуальность

Экономические преобразования в Украине и других странах бывшего СССР привели к серьезным проблемам в области обеспечения безопасности технологических объектов, опасных в отношении взрыва и пожара. В 90-е годы разрыв экономических связей между поставщиками комплектующих и изготовителями оборудования, а также предприятиями, которые его эксплуатируют, отток квалифицированных специалистов с промышленных предприятий, ухудшение производственной дисциплины привели к росту числа промышленных аварий и катастроф. Ежегодно в среднем по странам СНГ в результате аварий и катастроф погибает более 330 тыс. чел., что в 4,7 раза больше, чем это было в бывшем СССР [1].Износ оборудования многих промышленных предприятий и основных фондов сегодня по Украине колеблется в пределах 60%, что считается критической точкой, после которой число аварий и катастроф может возрасти лавинообразно.

Ежегодно в мире 5% аварий (взрывы, пожары) от общего их количества происходят по причине воздействия на взрывоопасную среду электрических источников энергии [1].

Приведённые данные свидетельствуют о том, что задачи по обеспечению взрывобезопасности на промышленных предприятиях до конца не изучены и не решены. Поэтому задачи связанные с прогнозированием вероятности взрывов на промышленных предприятиях и разработки организационных и технических мероприятий по их предотвращению являются актуальными научными задачами, решение которых служит интересам экономики Украины.

Под безопасностью будем понимать свойства объекта не допускать ситуаций, опасных для людей и окружающей среды [2]. Безопасность на промышленных предприятиях обеспечивается надежной работой автоматических средств защиты, реагирующих на недопустимое изменение контролируемых параметров (величину электрического тока, напряжения, температуру, давление, концентрацию взрывоопасного газа, скорость проветривания и т.д.).

За надежную работу автоматических средств защиты отвечают фирмы, изготавливающие и поставляющие их на предприятие, а также обслуживающий это оборудование персонал. Следовательно, под обеспечением безопасности промышленного объекта будем понимать техническую возможность автоматических средств защиты и обслуживающего их персонала не допускать ситуаций, приводящих к авариям (катастрофам).

Под опасным состоянием средств защиты будем понимать такое их состояние, когда при случайном выходе контролируемых параметров за допустимый уровень, происходит их отказ в срабатывании. Опасные состояния средств защиты обнаруживаются либо с помощью автоматической системы диагностики, либо в результате профилактического осмотра.

Под технологическим объектом будем понимать промышленное предприятие, на котором при его эксплуатации возможен взрыв, пожар, выброс вредных и опасных для человека и окружающей среды веществ: шахты, химические предприятия, газопроводы, атомные электростанции, морские суда, склады боеприпасов и т.д.

Под ситуацией будем понимать совпадение в пространстве и времени ряда случайных независимых событий, имеющих различную частоту появления и длительность существования. Определенная ситуация на объекте может привести к: взрыву, пожару, выбросу радиоактивных веществ в атмосферу и т.д.

Под аварией на объекте будем понимать случайное появление взрывов, пожаров, выбросов радиоактивных веществ в атмосферу и т.д., сопровождающихся материальными убытками за счет порчи оборудования, загрязнения окружающей среды и прекращения технологического цикла. Под катастрофой будем понимать аварию, при которой гибнут люди.

Цель работы

Получение новой зависимости вероятности взрывов взрывоопасного газа в течение времени t от частоты и длительности появления опасного электрического источника энергии, частоты загазирования помещения (цеха) до взрывоопасной концентрации, надежности системы включения аварийной вентиляции и сроков ее диагностики.

Идея работы

Идея работы состоит в представлении взрыва во взрывоопасном помещении, как процесса совпадения в пространстве и времени трех независимых случайных событий: появление опасного в отношении взрыва электрического источника; отказ в срабатывании системы включения аварийной вентиляции; появление взрывоопасной смеси в помещении (цехе).

Для решения поставленной задачи необходимо:

1) разработать математическую модель, которая объясняет процесс формирования взрыва при эксплуатации электротехнического и технологического оборудования цеха;

2) получение расчетных формул для оценки взрывобезопасности помещений, опасных в отношении взрыва и пожара;

3) привести пример расчета взрывобезопасности помещения.

Содержание работы

В первом разделе произведён обзор существующих нормативных документов в Украине и странах СНГ, которые указывают, на какую долю горючего газа в воздухе должна реагировать газовая защита.

Во втором разделе сформулирована общая задача по оценке взрывобезопасности помещений в отношении взрыва и пожара.

Помещения, в которых эксплуатируются установки с горючими газами или легко воспламеняющимися жидкостями, оборудуются системами газовой защиты и аварийной вентиляцией. При появлении в помещении так называемой сигнальной концентрации газовоздушной смеси автоматически сигнал от газовой защиты подается на систему включения аварийной вентиляции. От газовой защиты так же подается сигнал либо на остановку потерявшего герметичность технологического оборудования, либо на отключение технологической линии (установки) или даже производства в целом [3].

Например, если в насосной компрессорного отделения ГНС объемная доля горючего газа в воздухе, выраженная в процентах от нижнего концентрационного предела воспламенения НКПВ газа, будет составлять 20% (СНиП 2.04.08.-87), то автоматически включается аварийная вентиляция и подается команда на остановку оборудования.

Структурную схему взрывоопасного цеха можно представить в виде: Рис. 1

Рис. 1 – Структурная схема взрывоопасного цеха (данное изображение является анимацией со слудующими параметрами: количество кадров - 11, количество циклов повторения - 4, объем в Кб - 352)

1 – электрооборудование цеха; 2 – вероятные места утечки газа (технологические установки); 3 – датчики газовой защиты; 4 – основная вентиляция; 5 – аварийная вентиляция.

Взрыв газовоздушной смеси в таком помещении возможен при совпадении в пространстве и времени следующих случайных событий: появление взрывоопасной газовоздушной смеси в помещении; отказ в срабатывании газовой защиты (что приводит к тому, что не поступила команда на включение аварийной вентиляции и на отключение поврежденного технологического оборудования); появление дугового КЗ в кабеле, питающем технологическое оборудование.

Третий раздел работы посвящен решению поставленной задачи.

На основе однородных марковских случайных процессов с дискретным числом состояний и непрерывным временем разработана математическая модель, которая позволяет прогнозировать уровень взрывобезопасности помещений, опасных в отношении взрыва и пожара, и получить следующую зависимость: вероятность появление взрыва в течение времени t от частоты и длительности появления опасной в отношении взрыва газовоздушной смеси, надежность системы газовой защиты и сроков ее диагностики, а также от частоты и длительности появления дуговых коротких замыканий в кабеле, питающем технологическое оборудование.

Система линейных дифференциальных уравнений для нахождения функции распределения интервалов времени между взрывами во взрывоопасном помещении P₈(t)=F₁(t) находится из системы линейных дифференциальных уравнений:

Система линейных дифференциальных уравнений решается при следующих начальных условиях P₁(0)=1; P₂(0)=P₃(0)=P₄(0)=P₅(0)=P₆(0)=P₇(0)=P₈(0). Эти условия вытекают из предположений о том, что в начальный момент времени в цехе не наблюдается загазирования до опасной концентрации, средства газовой защиты и система включения аварийной вентиляции находятся в работоспособном состоянии (ждущий режим), в системе электроснабжения не наблюдается повреждения, которые приводят к появлению дуговых искрообразований.

В системе уравнений (1):

λ₁ - интенсивность загазирования цеха до опасной концентрации;

₁ - средний интервал времени между загазированиями цеха;

d₁ - среднее время существования в цехе опасной в отношении взрыва концентрация газовоздушной смеси (среднее время срабатывания газовой защиты и включение аварийной вентиляции);

₂ - средний интервал времени между повреждениями системы газовой защиты или системы включения аварийной вентиляции;

θ₂ - интервал времени между проверками работоспособности газовой защиты и системы включения аварийной вентиляции;

μ₂ - интенсивность восстановления повреждений системы газовой защиты и системы включения аварийной вентиляции;

λ₂ - интенсивность появления дугообразований в электрооборудовании;

₃ - средний интервал времени между появлениями дугового электрического источника;

d₃ - средняя длительность существования дугового КЗ;

λ₃ - частота появления электрического источника, опасного в отношении воспламенения взрывоопасной среды.

Решение системы линейных уравнений (1) будем искать в виде

P(t)=P(0)exp(At), (2)

где

P(0)=(1,00..0) – вектор-строка, содержащий начальные условия.

Полученная из системы уравнения (1) функция P₈(t)=F₁(t) позволяет выбрать оптимальные с точки зрения взрывобезопасности сроки профилактики средств газовой защиты и системы включения аварийной вентиляции θ₂, при которых обеспечивается нормируемый ГОСТ 12.1.004-91 уровень взрывобезопасности, т.е.

Выводы

На основе марковских случайных процессов предложена математическая модель “среда-защита-источник”, которая отличается от известных тем, что она учитывает среднее время нахождения системы включения аварийной вентиляции в необнаруженном отказавшем состоянии, длительность существования опасной в отношении взрыва среды, длительность электрического источника, что позволяет повысить точность расчетов более чем на порядок, по сравнению с известными моделями.

Используя разработанную математическую модель, была получена новая зависимость вероятности взрыва в цехе, опасном в отношении взрыва и пожара, от частоты и длительности загазирования, надежности системы аварийной вентиляции и сроков ее диагностики, а так же от частоты появления опасного в отношении взрыва электрического источника и его длительности.

Полученная в работе зависимость P₈(t) позволяет выбирать сроки диагностики системы аварийной вентиляции θ₂, при которых обеспечивается нормируемый уровень взрывобезопасности.

Библиогафия

1. Взрывозащищенное электрооборудование. Общие принципы и требования/ А. Е. Погорельский, А. Н. Омельченко, Н. А. Черников, Р. Н. Лазебник; Под ред. Е. Н. Вареника. – Донецк: ООО «Юго-Восток, ЛТД», 2007.-225с.

2. Белоусенко И. В., Ковалев П. П., Муха В. П. Прогнозирование безопасности предприятий//Безопасность труда в промышленности. – 1995 №10 с. 53-55,

3. Меньшов Б.Г., Ершов М.Е. Надежность систем газоснабжения газотурбинных компрессорных станций – М.: Недра. 1995 – 283с.

4. Абдурагимов И.М. // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях: Выпуск 10. Москва, 1990. С. 20-24

5. Промышленные взрывы, Оценка и предупреждение / Бечастнов М.В. - М., Химия, 1991. 432 с.

6. ГОСТ 12.1.010-76 Взрывобезопасность. Общие требования. - М.: Издательство стандартов. - 1976. - 6 с.

7. Белоусенко И.В., Ковалев А.П., Муха В.П. Прогнозирование безопасности предприятий// Безопасность труда в промышленности. – 1995 -№10 – с. 53-55.

8. Надежность систем энергетики. Терминология: Сборник рекомендованных терминов/АНСССР, комитет научно-технической терминологии. Научный совет по комплексной проблеме энергетики. – М., 1980. – Вып.95. – 44 с.

9. Ковалев А.П., Шевченко О.А. О вероятности возникновения аварий на промышленных предприятиях при эксплуатации электрооборудования. Материалы международной конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Феодосия, сентябрь 2002 г.) с. 89-94.

10. Ковалев А.П. О проблемах оценки безопасности электротехнических// Электричество. – 1991-№7. – с. 50-55.

11. Методика оценки пожарной безопасности шахтных кабельных сетей, электрооборудования и электрифицированных выработок на этапе проектирования, реконструкции и эксплуатации (разработана ДПИ, НПО «Респиратор» в 1989 г.), 25 с.

12. МАГАТЭ. Руководство по проведению вероятностного анализа безопасности атомных станций: Отчет. – М., 1990.

13. Справочник по ядерной энергетике: Пер. с англ./ Ф.Ран, А. Адамаитиадес, Дж. Кентон, Ч. Браун/ Под ред. В.А. Легасова – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 752 с.

14. Рагожин Ю.А. Измерить аварию. Безопасность труда в промышленности, 1993.-№6, с. 41-48.

15. А.П. Ковалев "О проблемах оценки безопасности технологических объектов топливно-энергетического комплекса Украины".

Вверх