Моделирование системы безопасности в составе АСУ ТП переработки газоконденсата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат наук Шершукова, Ксения Петровна

• Шершукова, Ксения Петровна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Шершукова, Ксения Петровна

Содержание

Введение

Глава 1 . Обзор научных работ по безопасности

1.1. Проблема промышленной безопасности в нефтегазовой отрасли

1.2. Обзор научно-исследовательских работ по обеспечению безопасности опасных производственных объектов

Глава 2 Анализ функционирования технологических процессов в нефтегазовой отрасли с целью определения степени их защищённости

2.1. Особенности исследуемого класса технологических процессов

2.2. Алгоритм анализа опасностей и рисков технологических процессов

2.2.1. Анализ технологических процессов с целью выявления возможных опасных последствий

2.2.2. Таблица классификации рисков

2.2.3. Определение класса риска

2.3. Пример определения класса риска процесса переработки газоконденсата

Глава 3 . Система безопасности технологического процесса

3.1. Обоснование необходимости установки системы безопасности

3.2.Система безопасности

3.2.1. Структура системы безопасности

3.2.2. Система противоаварийной защиты

3.2.3. Анализ применяемых систем, обеспечивающих безопасность в нефтегазовой промышленности

3.3. Алгоритм определения коэффициента снижения риска

3.4. Пример расчёта

Глава 4 Математическая модель распределённой системы управления как слоя защиты

4.1. Процесс функционирования

4.2. Математическая модель

4.3. Определение исходных данных

4.3.1. Определение интенсивностей с!,(], в) , <12 0, э)

4.3.2. Определение интенсивностей , |4]>8)

4.3.3. Определение вероятностей Р^э),РТ1 (), э)

4.4. Упрощённая математическая модель

4.5. Пример расчёта

Глава 5 . Математическая модель технологического блока и обслуживающей его системы противоаварийной защиты

5.1. Базовая модель системы (ТБ+ПАЗ)

5.1.1. Процесс функционирования системы (ТБ+ПАЗ)

5.1.2. Базовая модель

5.1.3. Алгоритм нахождения показателей системы (ТБ+ПАЗ)

5.1.4. Базовая модель и расчёт показателей с учётом длительности контрольной проверки

5.2. Частный вид базовой модели системы (ТБ+ПАЗ)

5.2.1. Укрупнение состояний базовой модели

4.2.2. Определение показателей безопасности

5.2.3. Расчёт показателей по упрощённой модели с учётом длительности контрольной проверки

5.3. Метод определения интенсивностей отказов подсистем с различными типовыми архитектурами

5.3.1. Особенности функционирования подсистем ПАЗ

5.3.2. Расчёт интенсивности необнаруженных отказов

5.3.3. Расчёт интенсивности обнаруженных отказов

5.3.4. Расчёт интенсивности ложных срабатываний

5.5. Пример расчёта

Заключение

Библиографический список литературы

Приложение 1. Технологическая схема

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование системы безопасности в составе АСУ ТП переработки газоконденсата»

Введение.

Актуальность проблемы. Все технологические процессы в нефтегазовой промышленности относятся к категории опасных производственных процессов. Эти процессы характеризуются тем, что на технологических объектах, входящих в их состав, могут возникать аварийные ситуации, способные привести к опасным последствиям: нанести вред производственному персоналу, населению и окружающей среде; привести к разрушению технологического оборудования; серьезным экономическим потерям и т.п. Значительная часть технических систем, предназначенных для защиты от опасных последствий, входит в состав автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП). Они осуществляют функцию защиты технологических объектов и образуют систему безопасности (СБ) в составе АСУ ТП.

В соответствии с данными Ростехнадзора только в 2012 г. в Российской Федерации на опасных производственных объектах нефтегазовой промышленности произошло 18 аварий. Ущерб от одной аварии может составлять от десятков тысяч до нескольких миллионов долларов.

Анализ статистических данных по аварийности на этих объектах, приведённый в справочнике Фёдорова Ю.Н. по проектированию АСУ ТП, показал, что более 59% аварийных ситуаций возникают из-за ошибок в техническом задании и проектировании систем, обеспечивающих безопасность технологических процессов.

Таким образом, актуальной проблемой является повышение уровня защищенности опасных технологических объектов за счет улучшения качества проектирования СБ.

Цель настоящей диссертации заключается в разработке математических моделей для определения показателей безопасности, характеризующих уровень защищённости технологических процессов, и алгоритма их использования на стадии проектирования СБ.

Для достижения цели решаются следующие задачи:

• Разработка алгоритма проведения анализа и декомпозиции технологического процесса с целью определения частоты возникновения аварийных ситуаций;

• Разработка и обоснование системы количественных показателей, характеризующей уровень защищенности технологических объектов;

• Разработка математических моделей распределенной системы управления (РСУ) и системы противоаварийной защиты (ПАЗ), входящих в состав СБ;

• Разработка алгоритма и программы применения предложенных моделей на стадии проектирования СБ, обеспечивающей приемлемую частоту возникновения аварийных ситуаций.

Научная новизна.

1. Впервые предложена система количественных показателей, которая включает в себя показатели безопасности, рекомендованные стандартами ГОСТ Р МЭК 61508, ГОСТ Р МЭК 61511, и показатели влияния ПАЗ на работу технологических объектов в составе процессов переработки газоконденсата.

2. Разработаны оригинальные математические модели по расчету предложенной системы показателей, учитывающие конечный период эксплуатации ПАЗ с типовыми архитектурами своих подсистем и особенности проведения контрольно-восстановительных работ.

3. Предложен алгоритм использования разработанных математических моделей при проектировании СБ, обеспечивающей приемлемую частоту

возникновения аварийных ситуаций на объектах переработки газоконденсата.

Защищаемые положения.

• Предложена система количественных показателей, позволяющая оценить уровень защищённости технологического процесса и

включающая в себя стандартные показатели безопасности и показатели влияния системы противоаварийной защиты на функционирование технологического процесса.

• Разработанные математические модели системы противоаварийной защиты, учитывающие особенности её функционирования при обслуживании технологических процессов, позволяют рассчитать предложенную систему показателей.

• Алгоритм и вычислительная программа применения разработанных моделей при проектировании СБ позволяют обеспечить приемлемую частоту возникновения аварийных ситуаций для процессов переработки газоконденсата.

Практическая значимость.

Проведённые в диссертации исследования указывают на то, что определяющим фактором при проектировании СБ является использование таблицы классификации рисков для оценки уровня защищённости технологического процесса.

Предложенные автором вычислительные программы, основанные на

использовании разработанных математических моделей, позволяют-

автоматизировать процесс проектирования системы безопасности и, как

следствие, существенно повысить качество проектирования такого рода

систем. Эти программы позволяют также сформировать научно-

обоснованные рекомендации по выбору периода проведения контрольно-

восстановительных работ этих систем, непосредственно влияющих на

показатели безопасности технологических объектов, и приняты к

6

использованию при разработке СБ предприятием

000«РусГазАвтоматика» - одной из проектных организаций по созданию автоматизированных систем управления в нефтегазовой отрасли.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на следующих конференциях и семинарах:

• международной научно-практической конференции «Контроль и автоматизация технологических процессов нефтегазовой отрасли», Москва, 2010 г.;

• девятой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности», Москва, 2011г.;

• международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность и охрана труда на предприятиях топливно-энергетического комплекса», Москва, 2011;

• IX Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», Москва, 2012;

• международной молодежной конференции «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы», Воронеж, 2012;

• международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность и охрана труда», Москва, 2012;

• семинаре ОАО Газпром «Обеспечение безопасности на производстве», Московская область, 2012;

• Всероссийской научно-практической интернет-конференции «Проблемы автоматизации технологических процессов добычи, транспорта и переработки нефти и газа», Уфа, 2013;

• семинаре ОАО Газпром «Современные решения в области АСУ ТП», Московская область, 2013.

Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации опубликованы в 15 статьях, в их числе 10 статей в изданиях перечня ВАК РФ.

Объём и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Диссертация содержит 165 страниц, 26 рисунков, 26 таблиц, список литературы из 122 названий.

Автор благодарит за научные консультации к.т.н. Шевцова В.А. и д.ф.-м.н. Карманова A.B., а также весь коллектив кафедры АТП за проявленные интерес и обсуждение основных аспектов диссертационной работы. Особую благодарность автор выражает д.т.н. Браго E.H. и к.т.н. Попадько В.Е. за советы и методические рекомендации.

Глава 1. Обзор научных работ по безопасности.

Приводится обзор современных работ, посвященных изучению проблемы промышленной безопасности. Особое внимание уделяется особенностям проблем промышленной безопасности в рамках нефтегазовой отрасли. 1.1. Проблема промышленной безопасности в нефтегазовой отрасли

В этом разделе описывается проблема промышленной безопасности в рамках одной из отраслей промышленности - в нефтегазовой отрасли. Приводятся некоторые особенности, которыми характеризуется проблема обеспечения безопасности сложных технологических процессов.

Проблеме безопасности всегда уделялось большое внимание, и её решением занимались на протяжении многих десятилетий специалисты различных областей знаний [5, 12, 17, 34, 42]. В последнее время решением этой проблемы занимаются и частные компании [52, 115], заинтересованные в получении прибыли от эксплуатируемых технологических объектов, и государственные надзорные органы [118, 119], заинтересованные в защите окружающей среды. Отчасти это связано с тем, что в нефтяной отрасли увеличивается количество опасных технологических объектов, т.е. объектов, обладающих потенциальной способностью приносить вред людям, собственности или окружающей среде, следовательно, растёт и суммарное количество инцидентов.

По данным Ростехнадзора [118] и WWF (World Wildlife Fund -Всемирный фонд дикой природы) [120], в нефтегазовом комплексе ежегодно происходят десятки аварий (см. таблицу 1.1).

Таблица 1.1 - некоторые данные по авариям.

№ Место Время Описание

1 Нефтебаза в Махачкале (ОАО «Дагнефтепродукт») 27.03.2008 Взрыв и пожар при перекачке нефти из танкера в резервуар. В результате полностью выгорел резервуар ёмкостью 10 000 т нефти.

2 Установка получения полипропилена (ООО «Ставролен») 04.04.2008 Выброс смеси пропилена с катализатором, как следствие, пожар на установке. Причина - несогласованные действий персонала при демонтаже клапана.

3 Платформа Deepwater Horizon (BP) 20.04.2010 Взрыв, вызвавший сильный пожар

№ Место Время Описание

4 Буровая установка «Монтара» (Тиморском море, Австралия) 2009 Разлив более 28 тысяч баррелей нефти, площадь нефтяного пятна около 25 тысяч квадратных километров

5 ООО «Нафтабурсервис», Иркутская обл., скв. 279 Чайкинского месторождения 01.02.09 Разрыв талевого каната с падением талевой системы. Причина: из-за обледенения не сработал ограничитель подъёма буровой установки Уралмаш 3-Д при подъёме бурильного инструмента.

6 ООО «Меридиан», пос. Нижний Одес (Республика Коми) 08.03.09 Выброс газоводяной смеси. Причина -нарушена герметичность скважины, вследствие наезда на устьевое оборудование при установке подъёмника УПА-60 на скважину.

7 ОАО «Татнефть» НГДУ«Лениногорскнефть», цех подготовки нефти. 19.04.09 Выброс газонефтяной смеси и взрыв. Пять человек получили термические ожоги II-III степени.

8 ООО «Байкитская нефтегазоразведочная экспедиция». 08.04.09 Возгорание топливно-воздушной смеси в двухблочной котельной (ПКН-2М). Причина - разгерметизация вентиля подачи топлива. Последствия: пожар, продолжавшийся до выгорания топлива и выведенное из строя котельное оборудование.

9 Пермский филиал Буровой компании «Евразия», Этышское месторождение, кустовая площадка в 8 км от г. Чернушки. 18.07.09 При перемещении вышечного блока произошло самопроизвольное скатывание в сторону передвижения с разрушением вышки, деформацией рамы шасси автокрана и поворотной части стрелы.

10 ООО «ЛУКОИЛ-Волгограднефтегаз». 07.08.09 Фонтанирование сырой нефти с возгоранием. Высота факела - 10 м. Причина - противоправные действия неустановленных лиц, попытки несанкционированного отбора нефти на устье скважины № 320 Кудиновского месторождения.

11 Белорусское УПНП и КРС ХМАО-Югра, Верхне-Коликеганское месторождение, куст № 38, скв. № 640. 23.09.09 При подъёме перфоратора началось нефтеводопроявление. Превентор закрыть не смогли. Произошло открытое фонтанирование. Фонтан ликвидирован.

12 «Нефтехимтранс», ХМАО-Югра, Ватинское месторождение, кустовая площадка № 19, скважина №51. 02.10.09 Взрыв кислотного агрегата с последующим его возгоранием. Произошёл при обработке скважины ингибитором СОНПАР 5403. Последствия: водитель-машинист кислотного агрегата получил ожоги кожного покрова (около 80 %) и от полученных травм скончался.

Таблица 1.1 иллюстрирует ситуацию, которая сейчас существует в нефтегазовой отрасли. Здесь приводится лишь часть аварий, произошедших за несколько лет. По имеющейся в открытом доступе [114, 118,119] информации частично анализируются причины их возникновения. Таким образом, если корректно сформировать технические требования к системам безопасности, то часть этих аварий можно было бы избежать, а тяжесть некоторых последствий снизить.

По данным WWF [120] катастрофа в Мексиканском заливе не является исключением в практике добычи углеводородов на шельфе. Начиная с 1975 года, в мире произошло около 60 серьезных аварий на морских нефтяных платформах. И даже наименее масштабные из них потребовали колоссальных усилий по ликвидации.

В соответствии с данными информационно-аналитического центра «Экспертиза промышленной безопасности» [117] в 2009 г. в Российской Федерации на опасных производственных объектах нефтегазовой отрасли, а именно в области добычи нефти и газа, произошло 17 аварий. При этом по сравнению с 2008 годом количество аварий в 2009 возросло где-то на 7 аварий. При этом необходимо отметить, что отслеживая динамику изменения количеств аварий во времени, обращают внимание на изменение объёмов добычи нефти и газоконденсата. Так, например, в 2008 г., по данным того же информационно-аналитического центра [117], объём добычи нефти с газовым конденсатом составлял 488.5 млн.т. А уже в 2009 г. объём добычи вырос на 1.2 % по сравнению с показателем 2008 г. и составил 494 млн. т. Этот прирост произошёл в основном за счёт ввода в эксплуатацию Ванкорского газонефтяного месторождения. Извлекаемые запасы Ванкорского газонефтяного месторождения составляют 95 млрд. м газа и 520 млн. т нефти. Таким образом, были построены графики (рисунок 1.1), которые отражают изменение количества аварий в течение 5 лет при изменении объёмов добычи нефти и газа.

Рисунок 1.1— Изменение аварийности при различных объёмах добычи

нефти и газоконденсата [117].

Из графика, представленного на рисунке 1.1, можно сделать вывод, что динамика изменения объёмов добычи нефти и газоконденсата не сильно влияет на рост аварийности. Так, например, в 2006 году по отношению к 2005 году возросли объёмы добычи, при этом аварийность снизилась. Таким образом, нельзя искать причины роста аварийности в увеличении объёмов добычи.

В соответствии с отчётом Ростехнадзора [118] можно проанализировать изменение аварийности на всех опасных производственных объектах в нефтехимической и

нефтеперерабатывающей промышленности за период с 2005 по 2011 год. По данным, представленным в соответствии с количественными оценками этого отчета на рисунке 1.2, можно увидеть, что вне зависимости от каких-либо внешних факторов аварийность не сильно уменьшается или увеличивается с течением времени, а колеблется около некоторого фиксированного значения.

о

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

года

^"Аварийность

--

!

1

Рисунок 1.2 - Изменение аварийности.

Таким образом, на основании этой официальной количественной информации можно сделать вывод об актуальности проблемы обеспечения безопасности опасных производственных объектов, к которым относятся практически все объекты нефтегазовой отрасли.

По данным Надзорного органа по обеспечению промышленной безопасности, охране окружающей среды и охране труда [116] основные причины аварий - это ошибки при определении проектных технических требований (рисунок 1.3). С этой информацией согласны и многие российские специалисты [83], которые также приводят в качестве основной причины возникновения аварий ошибки при формировании требований к автоматической системе безопасности. Это связано прежде всего с тем, что специалисты не прорабатывают особенности технологических процессов, не уточняя, таким образом, требований к системам безопасности.

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

■ Ошибки в технических

требованиях ■ Проект и реализация

■ Монтаж и ввод в эксплуатацию

■ Функционирование и обслуживание

■ Изменения после приёмки

Диаграмма причин возникновения опасных ситуаций на ТП

Рисунок 1.3- Причины возникновения опасных ситуаций по данным британского Надзорного органа по обеспечению промышленной

безопасности, охране окружающей среды и охране труда. В настоящее время вопрос безопасности АСУ ТП имеет стратегическое значение для нефтегазовой отрасли. Этой проблемой занимались многие научные работники, однако уровень аварийности и травматизма в отрасли остаётся высоким. Именно поэтому таким актуальным представляется изучение проблемы риска и безопасности современных технических систем.

1.2. Обзор научно-исследовательских работ по обеспечению безопасности опасных производственных объектов.

Этот раздел посвящен изучению научных работ, в которых поднимались вопросы обеспечения безопасности опасных производственных объектов. Также здесь рассматривались отрасли знания, близкие к промышленной безопасности и косвенно влияющие на возможность обеспечения бесперебойного функционирования технологических процессов в нефтегазовой отрасли.

Близкими к проблеме безопасности являются вопросы надёжности технических систем, которые получили развитие в трудах российских математиков Гнеденко Б.В. [16-20], Соловьева А.Д. [76,77], Коваленко И.Н. [45], Каштанова В.А. [43], Рыкова В.В. [68] и др.

Особое внимание уделялось разработкам, посвящённым обеспечению безопасности в нефтегазовой области. Были разработаны

методы оценки риска и опасностей, возникающих на опасных производственных объектах нефтегазовой отрасли, такими российскими учёными, как Генделем Г.Л., Гумеровым А.Г.[29], Гумеровым P.C. [29], Елохиным H.A., Козлитиным A.M., Короленко A.M., Корольченко А.Я., Котляревским В.А., Мартынюком В.Ф.[54], Мастрюковым Б.С., Махутовым H.A., Одишария Г.Э. , Сафоновым B.C., Хуснияровым М.Х., Швыряевым A.A., Шебеко Ю.Н. и другими исследователями. Необходимо отметить, что результаты анализа риска не учитываются при формировании технического задания на проектирование автоматических систем безопасности. Практически отсутствуют работы, которые на стадии проектирования СБ для опасных производственных объектов в нефтегазовой отрасли позволяли бы использовать методы анализа риска. Кроме того, зачастую анализ риска вообще не проводится на стадии проектирования данных систем, что также проводит к значительному количеству ошибок при проектировании. Указанные факты во многом определяют актуальность данной диссертационной работы.

Непосредственно прикладными вопросами безопасности и надёжности в конкретных отраслях промышленности, в том числе и в нефтегазовой, занимались Труханов В.М. [82], Матвеенко A.M. [82], Сухарев М.Г. [80,81], Северцев H.A. [72], Катулев А.Н.[42], Федоров Ю.Н. [83,83] и др. Также разрабатывали этот вопрос и иностранные специалисты: Пол Гран (Paul Gruhn), Гарри Чедди (Harry Cheddie)[122], Дейв Макдональд [52], David J Smith, Trevor Kletz, Morris Chudleigh, James Catmur, William M Goble, Paul Chung, в том числе сотрудники британского Надзорного органа по обеспечению промышленной безопасности, охране окружающей среды и охране труда, Американского общества приборостроителей США, Немецкая служба технического контроля и надзора - TUV, а также отдельных компаний Honeywell, HIMA-Sella [115] и т.д. В частности, Немецкая служба технического контроля и надзора известна благодаря тому, что именно эта организация создаёт рейтинги

15

самых надёжных автомобилей. Эта служба существует уже 140 лет и выполняет работы по сертификации оборудования систем управления и защиты с присвоением соответствующей категории по функциональной безопасности. ТЦУ не является организацией, издающей собственные стандарты, хотя может провести независимую сертификацию по стандартам третьей стороны. Обычно ТЦУ использует для оценки систем противоаварийной защиты всю имеющуюся систему международных стандартов.

Американские стандарты: ANSI/NFPA 85

2001

Американские стандарты: ANSI/ISA S84.01 1996

1998

Американские стандарты: ANSI/NFPA 8501-8506

Английский стандарт: BS EN 54

TUV - Technischer Uberwachungs-verien (Немецкая служба технического контроля и надзора)

1984

1989

Немецкие стандарты: DIN V 19250, DIN V VDE 0801

Рисунок 1.4- Зарубежные нормативные документы.

В 1980-х годах появились немецкие стандарты DIN V 19250 [109] и DIN V VDE 0801 [110], в которых говорилось о необходимости обеспечения надёжности систем безопасности. Стандарт DIN V 19250 вводит и определяет те требования, которым должны соответствовать проектируемые системы безопасности. Эти системы должны определяться классом риска - от Класса 1 (АК1) до Класса 8 (АК8). При этом номер класса зависит от тяжести последствий, возникающем на технологическом процессе. Таким образом, в соответствии с этим требованием необходимо

учитывать опасные последствия, которые могут возникнуть при эксплуатации этого процесса.

С появлением программного обеспечения появились новые проблемы, связанные со сбоями в работе систем противоаварийной защиты. Стандарт DIN V VDE 0801 [110] предлагает осуществить некоторую последовательность действий для определения корректности применения спроектированной системы безопасности для конкретной области промышленности и класса риска, заданного в соответствии с требованиями стандарта DIN V 19250. При проектировании, программировании на системном уровне, введении в эксплуатацию и сертификации должны быть выполнены определённые действия, результаты которых документируются. Эти действия осуществляются специальным образом подготовленными, независимыми специалистами. Таким образом, стандарт DIN V VDE 0801 формирует некоторый алгоритм действий, позволяющий определить номер класса риска (стандарт DIN V 19250), которому соответствует проектируемая система безопасности.

В 1995 году в США появился новый стандарт ISA S84.01 [121], предназначенный для использования в промышленности и учитывающий технические особенности систем безопасности. В стандарте используются уровни SIL, предложенные в стандарте IEC 61508 [27], и поддерживаются взаимосвязи с классом риска, введённым в стандарте DIN V 19250.

В 1996 году Британский стандарт BS EN 54 определил требования и критерии, которые должны учитываться при оценке надежности составных частей систем пожарной сигнализации. Этот стандарт фактически издаёт руководство по регистрации и обнаружению пожара, определяет правила установки пожарной сигнализации и т.д. BS EN 54 также может быть использован в качестве основы для оценки систем и их составных частей на необходимость проведения дополнительных мероприятий.

Европейский стандарт EN 954-1 [111] впервые вводит категории безопасности. При этом введённые категории безопасности соответствуют уровням полноты безопасности - SIL.

Некоторые аспекты проблемы обеспечения безопасности, связанные с устойчивостью функционирования динамических систем и методологические проблемы отражены в работах Северцева H.A. [72], Дивеева А.И., Ильичева A.B., Дедкова В.К. [27] и др.

На основе проведённых исследований и в результате длительного исторического процесса, описанного выше, были разработаны разнообразные методы обеспечения безопасности, которые нашли отражение в различных нормативных документах.

В настоящее время итоговыми стандартами являются МЭК 61508 [27] и МЭК 61511 [28], в которых излагается комплексный подход к обеспечению безопасности функционирования опасных производственных объектов средствами электронных и электрических систем безопасности. В частности, такие системы безопасности входят в состав АСУ ТП нефтегазовой промышленности, примером могут служить системы противоаварийной защиты опасных технологических объектов. Стандарт МЭК 61508 принят в 2008 году в качестве ГОСТ Р МЭК 61508. В МЭК 61508 формируется общий подход к управлению и проектированию технических систем безопасности. Этот стандарт рассматривает все фазы безопасного жизненного цикла: от проектирования систем безопасности до снятия их с эксплуатации. В 2003 году вышла первая часть стандарта МЭК 61511, который развивает идеи и концепции стандарта МЭК 61508 для промышленного применения и является своеобразным практическим руководством по применению предыдущего стандарта. Приемлемый риск выбирается в соответствии с рекомендациями стандартов и отраслевых нормативных документов и, в основном, определяется особенностями функционирования опасного технологического процесса и современными возможностями технических средств, входящих в состав систем

безопасности. Исходя из вышеуказанных стандартов, значению КСР может быть поставлен в соответствие некоторый уровень полноты безопасности (УПБ) - safety integrity level (SIL), который является важнейшей унифицированной характеристикой систем безопасности. Стандартами [27,28] вводятся четыре уровня полноты безопасности, которые соответствуют диапазонам КСР, приведенным в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - УПБ и соответствующие им диапазоны КСР.

Диапазон Уровень полноты безопасности (Safety Integrity Level)

SIL 1 SIL 2 SIL 3 SIL 4

КСР 10 - 102 102 - 103 10J - 1 o4 >104

В результате проведённого анализа можно выделить два направления, которые необходимо развивать для выполнения наиболее корректного проектирования системы безопасности, входящей в состав АСУ ТП.

Первое направление заключается в определении требований, которым должна соответствовать система безопасности, обеспечивающая приемлемый риск на всём технологическом процессе. Одним из основных требований является формирование таблицы классификаций рисков для конкретных классов технологических процессов, например, для процессов подготовки продукции нефтегазовых скважин. Эти требования позволяют сформировать показатели, которые являются основой технического задания на проектирование системы безопасности. В частности к этим показателям относятся коэффициент снижения риска, уровень полноты безопасности и т.д. Классификацией и формализацией этих требований занимались специалисты по анализу рисков Федоров Ю.Н., Любимов М.М., Матвеев В.Ф., Дейв Макдональд, Дирк Проски.

Ранее в отдельных отраслях промышленности и не в полном объёме по отношению к международным требованиям, изложенным в ГОСТ Р МЭК 61508 и МЭК 61511, для решения первой задачи использовались

собственные нормативные документы и отраслевые стандарты. Например, в нефтегазовой промышленности работали с РД 03-418-01 «Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов», РД 03-409-01 «Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей», РД 03-26-2007 «Методика прогнозирования последствий аварийных выбросов ОВ», РД 03-496-02 «Методические рекомендации по оценке ущерба от аварий на опасных производственных объектах», СТО Газпром 2-2.3-351-2009 «Методические указания по проведению анализа риска для ОПО газотранспортных предприятий ОАО«Газпром» 39-1.10-084-03», ГОСТ 51901-2002 «Управление надёжностью. Анализ риска технологических систем». Краткая характеристика Российских нормативных документов приводится в таблице 1.3.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шершукова, Ксения Петровна, 2013 год

Библиографический список литературы

1. Александров И.А. Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных смесей. - JL: Химия, 1975.

2. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчёта и основы конструирования. - М.: Химия, 1978.

3. Андреев Е.Б., Попадько В.Е. Программные средства систем управления технологическими процессами в нефтяной и газовой промышленности: Учебное пособие. - М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005.

4. Барзилович Е.Ю., Каштанов В.А. Некоторые математические вопросы теории обслуживания сложных систем. - М.: Сов. радио, 1971.

5. Барзилович Е.Ю., Каштанов В.А. Организация обслуживания при ограниченной информации о надежности системы. - М.: Сов. радио, 1975.

6. Барзилович Е.Ю., Каштанов В.А. Некоторые математические вопросы теории обслуживания сложных систем. - М.:Сов.радио, 1971.

7. Барлоу Р., Прошан Ф. Статистическая теория надёжности и испытания на безотказность. - М.: Наука, 1984.

8. Бекиров Т.М. Первичная переработка природных газов. - М.: Химия, 1987.

9. Бекиров Т.М., Ланчаков Г.А. Технология обработки газа и конденсата. -М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999

10. Брабанд Й., Шебе X. Коллективный риск, индивидуальный риск и их зависимость от времени // Научно-технический журнал «Надежность», №4 - М.: 2011.

11. Вентцель А.Д. Курс теории случайных процессов -М.: Наука, 1976.

12. Владимиров А.И., Косьмин В. Д. Гидравлический расчёт теплообменных аппаратов. Учебное пособие. -М.: ГАНГ им. И,М, Губкина, 1997.

13. Герцбах И. Теория надёжности с приложениями к профилактическому обслуживанию: Монография / Под ред. Рыкова В.В., пер. с англ. Сухарев М.Г. - М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М, Губкина, 2003.

14. Глазунов Л.П., Грабовецкий В.П., Щербаков О.В. Основы теории надежности автоматических систем управления. - Л.: Энергоатомиздат, 1984.

15. Глиценко А.И., Истомин В.А., Кульков А.Н., Сулейманов P.C. сбор и промысловая подготовка газа на северных месторождениях России. -М.: ОАО «Издательство»Недра», 1999.

16. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2011.

17. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьёв А.Д. Математические методы в теории надёжности. - М.: Наука, 1965.

18. Гнеденко Б.В., Хинчин А .Я. Элементарное введение в теорию вероятностей - М.: Наука, 1976.

19. Гнеденко Д.Б., Соловьёв А. Д. Одна общая модель резервирования с восстановлением // Изв. АН СССР, Техническая кибернетика, №6 - М.: 1974.

20. Гнеденко Д.Б., Соловьёв А.Д. Оценка надёжности сложных восстанавливаемых систем // Техническая кибернетика, №3. - М.:1975.

21. ГОСТ 16350-80 Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей.

22. ГОСТ 24.701-86 «Надежность автоматизированных систем управления. Основные положения». -М.: Издательство стандартов, 1987.

23. ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Термины и определения». — М.: Издательство стандартов, 1990.

24. ГОСТ 27.301-95 «Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения». - Минск: Издательство стандартов, 1996.

25. ГОСТ 27.310-95 «Надежность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения». - Минск: Издательство стандартов, 1997.

26. ГОСТ Р 51901-2002. Управление надежностью. Анализ риска технических систем. - М. ¡Госстандарт России, 2002

27. ГОСТ Р МЭК 61508. Функциональная безопасность систем электрических, электронных, программируемых электронных связанных с безопасностью. - М.: Стандартинформ, 2008.

28. ГОСТ Р МЭК 61511. Безопасность функциональная. Системы безопасности приборные для промышленных процессов. - М.: Стандартинформ, 2012.

29. Гумеров А.Г., Азметов Х.А., Гумеров P.C., Векштейн М.Г. Аварийно-восстановительный ремонт магистральных нефтепроводов. Под ред. Гумерова А.Г. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1998.

30. Давыдов А.Н., Бабишин В.Д., Дедков В.К., Дорошенко М.А. Метод оперативного анализа нестационарных случайных процессов на основе разложения исследуемой функции в интеграл Фурье // Имитационное моделирование. Теория и практика: Сборник докладов пятой юбилейной всероссийской научно-практической конференции ИММОД-2011. Том 2-СПб.: ОАО «ЦТСС». 2011. -с.33-38.

31. Даньшин A.B., Кротов A.B., Абрамов В.М. Оптимизация характеристик надежности и функциональной безопасности систем автоматизации при обеспечении требуемого уровня безопасности технологических процессов в нефтяной и газовой промышленности // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», №8 - М.: 2010.

32. Елизаров А.И. Проблема точности в исследовании надежности больших и сложных технических систем марковскими процессами // Труды международного научного семинара «Методические вопросы

исследования надежности больших систем энергетики» имени Ю.Н.Руденко, СЭИ СО РАН, ВНИИАЭС, 2001.

33. Ентус Н.Р., Шаризин В.В. Трубчатые печи в нефтеперабатывающей и нефтехимической промышленности. - М.: Химия, 1987.

34. Зайцева О.Б. Построение оптимальной стратегии управления в полумарковской модели безопасности // Научно-технический журнал «Надежность», №1 - М.: 2011.

35. Карманов A.B. Метод расчета стационарных показателей надежности объектов нефтегазоснабжения в условиях неполной информации об исходных данных. // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», № 5. - М.: 2004.

36. Карманов A.B., Телюк A.C., Шершукова К.П. Разработка технического задания на проектирование автоматических систем противоаварийной защиты // Тезисы докладов IX-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России». - М.:2012. - С. 104-105.

37. Карманов A.B., Чаркина J1.A. Метод оценки финитных вероятностей на основе агрегирования Марковской цепи. // Автоматика и Телемеханика, № 10. -М.: 2005.

38. Карманов A.B., Шевцов В.А., Шершукова К.П., Петрушенко С.П. Вычислительный алгоритм и результаты расчета показателей безопасности технологического объекта с системой противоаварийной защиты // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», № 5. - М.:2011. - С.47-51.

39. Карманов A.B., Шершукова К.П. Модель взаимодействия технологического объекта с системой противоаварийной защиты // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», № 12.-М.: 2010.-С.20-24.

40. Карманов A.B., Шершукова К.П., Телюк A.C. Метод определения проектных показателей безопасности системы противоаварийной защиты для процессов подготовки продукции нефтегазовых скважин // Научно-технический журнал «Надежность», №3. -М.: 2012. - С. 97-107

41. Карманов A.B., Шершукова К.П., Телюк A.C. Программный модуль расчета характеристик взаимодействия технологического объекта с системой противоаварийной защиты // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», №9. - М.: 2011. -С.25-28.

42. Катулев А.Н., Северцев H.A. Исследование операций: принципы принятий решений и обеспечение безопасности. Учеб. Пособие для вузов. - М.: Физико-математическая литература, 2000.

43. Каштанов В. А. Оптимальные задачи технического обслуживания. -М.: Знание, 1981.

44. Кемени Дж., Снелл Дж. Конечные цепи Маркова - М.: Наука, 1970.

45. Коваленко И.Н. Исследования по анализу надежности сложных систем. - Киев: Наукова Думка, 1975.

46. Колмогоров А.Н. Цепи Маркова со счётным числом возможных состояний // Бюлл. МГУ, №3 - М.: 1937.

47. Королюк B.C., Турбин А.Ф. Полумарковские процессы и их приложения. - Киев: Наукова думка, 1976.

48. Кузнецов В.Н. О полумарковской модели для нагруженного дублирования // Кибернетика, №4 - М.: 1980.

49. Ландрини Г. Критерии выбора компонентов с уровнем SIL 3 для РСУ и систем ПАЗ в соответствии с стандартами МЭК // Стандартизация и сертификация, №4 - М.:2009.

50. Лисанов М.В., Буйновский С.Н. О критериях приемлемого риска аварий на опасных производственных объектах производственных

объектах химического и нефтегазового комплекса // Безопасность труда в промышленности , №3 - М.:2009.

51. Лопатин А.С„ Филатов А.А., Халлыев Н.Х., Ангалев A.M., Венилюлин И.И., Решетников А.Д. Матоды и средства диагностики линейной части магистральных газопроводов: Учебное пособие /Под редакцией А.С, Лопатина. - М.: Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012.

52. Макдональд. Д. Промышленная безопасность, оценивание риска и системы аварийного останова. - М.: ООО «Группа ИДТ», 2007.

53. Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа: Учебное пособие для вузов. - М.: Химия, 1999.

54. Мартынюк В.Ф. Методология применения анализа риска в целях обеспечения промышленной безопасности на объектах нефтегазового комплекса. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук: 05.26.03. - М., 2009.

55. Машины и аппараты химических производств: Учеб. Пособие для вузов / Доманский И.В., Исаков В.П., Островский Г.М. и др., под общ.ред. Соколова В.Н. - СПб.: Политехника, 1992.

56. Методические рекомендации по разработке подготовки к принятию проектов технических регламентов, утв. Приказом Минпромэнерго России от 12 апреля 2006 г. №78.

57. Методическое руководство по оценке степени риска аварий на магистральных нефтепроводах, утверждено Приказом АК «Транснефть» от 30 декабря 1999г. №152, согласовано письмом Госгортехнадзора России от 7 июля 1999г. 310-03/418.

58. Мешалкин Л.Д. Сборник задач по теории вероятностей - М.: Изд-воМГУ, 1963.

59. Микадзе И., Арабули Н., Микадзе 3. Коэффициент использования технических систем, подверженных отказам // Автоматика и телемеханика, № 7 - М.:2009.

60. Овчаров C.B. Разработка методов анализа риска эксплуатации магистральных трубопроводов: Дисс. к.т.н. - М.:1997.

61. Ope О. Теория графов. - М.: Наука, 1980.

62. Основы расчёта и проектирования теплообменников воздушного охлаждения: Справочник / Бессонный А.Н., Дрейцер Г.А., Кунтыщ В.Б. и др. Под общ. ред. Кунтыщ В.Б. и Бессонный А.Н.. - СПб.: Недра, 1996.

63. Половко A.M., Гуров C.B. Основы теории надежности. - СПб.: БХВ-Петербург, 2008.

64. Пономарев A.A. Мониторинг текущей опасности технологического объекта на основе обобщённого показателя // Управление, вычислительная техника и информатика, Известия Томского политехнического университета, №5 - Томск: 2009.

65. Рамм В.М. Абсорбция газов. - М.: Химия, 1976.

66. РД 03-418-01 «Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов», 2-е издание, исправленное и дополненное, Москва, Государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2002

67. Романовский В.И. Дискретные цепи Маркова. - M.; JL: Гостехиздат, 1949.

68. Рыков В.В. Надёжность технических ситем и техногенный риск. - М.: РГУ нефти и газа. - 2001.

69. Сарымсаков Т.А. Основы теории процессов Маркова. - М.: Гостехиздат, 1954.

70. Сафонов B.C., Одишария Г.Э., Швыряев A.A. Теория и практика. Анализ риска в газовой промышленности. - М.: НУМЦ Минприроды России, 1996.

71. Сафонов B.C., Одишария Г.Э., Швыряев A.A.. Отраслевое руководство по анализу и управлению риском...при сооружении и

эксплуатации объектов добычи и транспорта...углеводородного сырья с целью повышения надежности и безопасности. М., РАО ГАЗПРОМ, 1996.

72. Северцев H.A. Надежность сложных систем в эксплуатации и отработке. - М.: Высшая школа, 1989.

73. Сираждинов С. X. Предельные теоремы для однородных цепей Маркова. - Ташкент: Изд-во АН УзССР, 1955.

74. Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. - М.: РГУ нефти и газа имени И.М, Губкина, 2012.

75. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы / Минстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 1997.

76. Соловьёв А.Д. Асимптотическое поведение момента первого наступления редкого события в регенерирующем процессе // Изв. АН СССР, Техническая кибернетика, №6 - М.: 1971.

77. Соловьев А.Д. Резервирование с быстрым восстановлением // Изв. АН СССР. Техническая кибернетика. // Известия Академии Наук СССР Техническая кибернетика, № 1. - М.: 1970.- С. 56 -71.

78. Справочник "Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Энергетическая безопасность (Нефтяной комплекс России)." -М.: Международный гуманитарный фонд «Знание», 2000.

79. Стандарт CSA С22.2 NO 199, «Органы управления безопасностью сжигания и твердотельные запалы для оборудования сжигания нефти и газа»

80. Сухарев М.Г. Марковские процессы (прикладные аспекты). Учебное пособие Издание 2-е, исправленное и дополненное. - М.: РГУ нефти и газа, 2007.

81. Сухарев М.Г. Надёжность систем энергетики и их оборудования: Справочник. В 4 томах. Надёжность систем газо- и нефтеснабжения. - М.: Недра, 1994.

82. Труханов В.М., Матвеенко A.M. Надежность сложных систем на всех этапах жизненного цикла - М.: Спектр, 2012.

83. Федоров Ю.Н. Справочник инженера АСУ ТП: проектирование и разработка. - М.: Инфра-Инженерия, 2008.

84. Федоров Ю.Н.. Основы построения АСУ ТП взрывоопасных производств. - М.: «Синтег», 2006.

85. ФЗ № 116-ФЗ от 21 июля 1997 года «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», принят Государственной Думой 20 июня 1997 года.

86. Хальд А. Математическая статистика с техническими приложениями. -М.:ИЛ, 1956.

87. Хинчин А.Я. Математические основания статистической механики. - М.; Л.: Гостехиздат, 1943.

88. Хинчин А.Я. Основные законы теории вероятностей. - М.; Л.: ГТТИ, 1932.

89. Хинчин А.Я. Предельные законы для сумм независимых случайных величин. - М.; Л.: ОНТИ, 1938.

90. Хинчин А.Я. Работы по математической теории массового обслуживания. - М.: Издательство физико-математической литературы, 1963.

91. Хинчин А.Я.. Асимптотические законы теории вероятностей. 2-е изд. - М.: КомКнига/URSS, 2005.

92. Хэнли Э., Кумамото X. Надежность технических систем и оценка риска. -М.: Машиностроение, 1984.

93. Шебе X. Различные подходы к определению допустимых интенсивностей опасных отказов // Научно-технический журнал «Надежность», № 2 - М.: 2011.

94. Шевцов В.А, Нгуен Ч.К. Определение закона распределения времени наработки отказов объектов по случайно цензурированным

выборкам. // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», №7. -М.: 2007.

95. Шевцов В.А., Нгуен Ч.К. Определение оптимальных значений надежности АСУ ТП по экономическим критериям. // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», №10.-М.: 2008.

96. Шевцов В.А., Шершукова К.П., Телюк A.C. Проектирование автоматических систем безопасности для процессов подготовки продукции нефтегазовых скважин // Тезисы докладов IX-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России». - М.:2012. - С. 126-127.

97. Шершукова К.П. Метод агрегирования в расчётах систем противоаварийной защиты с типовой архитектурой // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», № 9 - М.: 2012.-С.36-41.

98. Шершукова К.П. Определение показателей безопасности распределённой системы управления как слоя защиты технологических объектов // Проблемы автоматизации технологических процессов добычи, транспорта и переработки нефти и газа: материалы Всероссийской научно-практической интернет-конференции - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. - С.62-66.

99. Шершукова К.П. Расчёт коэффициента снижения риска распределённой системы управления // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», № 8 - М.: 2013. -С.33-38.

100. Шершукова К.П., Телюк A.C. Модель распределенной системы управления как слоя защиты технологических объектов // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», № 7 - М.:2012. - С.21-25.

101. Шершукова К.П., Телюк A.C. Определение приемлемого уровня полноты безопасности и его обеспечение средствами приборных систем безопасности // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), отдельный выпуск 9. - М.: 2011. - С.54-59.

102. Шершукова К.П., Телюк A.C. Оценка показателей безопасности автоматизированных систем управления как слоя защиты технологических процессов в газодобывающей отрасли // Материалы Девятой всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (газ, нефть, энергетика). -М.:2012. - С.32.

103. Шершукова К.П., Телюк A.C. Оценка риска опасных производственных объектов для проектирования автоматических систем безопасности // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), №ОВ6. - М.:2012. - С.82-89.

104. Шершукова К.П., Телюк A.C. Синтез систем противоаварийной защиты (в соответствии с ГОСТ Р МЭК 61508) // Материалы Международной молодежной конференции в рамках фестиваля науки. Министерство образования и науки Российской Федерации, Воронежский институт высоких технологий, Воронежский государственный технический университет. Воронеж: Издательско-полиграфический центр «Научная книга», 2012.-С.118-121.

105. Шершукова К.П., Телюк A.C. Система показателей для оценки функционирования средств противоаварийной защиты // Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина. Сб. научн. статей по проблемам нефти и газа, №3. - М.: 2012. - С. 173-184.

106. Ширяев А.Н. Вероятность - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1980.

107. Ширяев А.Н. Случайные процессы - М.: Изд-во МГУ, 1972.

108. Шульц В.Jl., Соболев В.А., Махутов Н.А. и др. Оценка кризисных ситуаций террористических угроз национальной безопасности: в 2 кн./под ред. В.Л. Шульца; Центр исследования проблем безопасности РАН. - М.: Наука, 2012.

109. DIN -V 19250 «Технология управления. Фундаментальные аспекты безопасности для контрольно-измерительной аппаратуры»

110. DIN V VDE 0801 «Принципы для компьютеров в системах, связанных с безопасностью»

111. EN 954-1 «Безопасность машин. Элементы безопасности систем проектирования. Часть 1. Общие принципы проектирования»

112. Dirk Proske. Catalogue of risks — Natural, Technical, Social and Health Risks. — Springer. — 2007.

113. http://iom.invensys.com

114. http://www.energy.siemens.com/

115. http://www.hima.com

116. http://www.hse.gov.uk

117. http://www.safeprom.ru/

118. http://www.gosnadzor.ru/

119. http://rpn.gov.ru/

120. http://www.wwf.org

121. ISA S84.01 Application of Safety Instrumented Systems for the Process Industry, http://www.isa.org

122. Paul Gruhn; Harry L. Cheddie. Safety Instrumented Systems: Design, Analysis, and Justification, bookfi.org

Приложение 1. Технологическая схема.

На приведённом рисунке изображена схема технологического процесса, но наиболее наглядным образом демонстрирует основные блоки технологического процесса, которые требуется выделить для его анализа с целью проектирования системы безопасности.