Практикум по экологической безопасности. Техногенная безопасность
 Скачать 1.25 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный энергетический университет» ТЕХНОГЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Практикум Казань 2020 УДК 614 ББК 68.9 Т38 Рецензенты: д.т.н., профессор КНИТУ КАИ им. А.Н. Туполева В.Г. Крюков; доцент, канд. биол. наук ФГБОУ ВО «КГЭУ» Э.Р. Бариева Т38 Техногенная безопасность: практикум / сост. А.В. Демин. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2020. – 31 с. Представлены основные теоретические сведения и практические задания по применению методов анализа дерева отказов и дерева событий, используемых для качественной и количественной оценки риска инцидентов и аварий на опасных производственных объектах; оценки последствий воздействия опасных факторов аварий для определения степени возможного поражения персонала и разрушения зданий и сооружений; расчета индивидуального риска при воздействии поражаю- щих факторов на территории и в зданиях опасного производственного объекта. Предназначен для студентов всех форм обучения по образовательным программам направлений подготовки 13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника, 13.04.02 Электроэнергетика и электротехника 13.04.03 Энергетическое машиностроение. УДК 614 ББК 68.9 © Казанский государственный энергетический университет, 2020 3 ВВЕДЕНИЕ В сфере обеспечения техногенной безопасности важное место занимают проблемы, связанные с промышленной, пожарной безопасностью и безопасностью в чрезвычайных ситуациях. Актуальной комплексной задачей является анализ опасностей и оценки риска возникновения аварий, в том числе и на опасных производственных объектах. Методология анализа и оценки риска, используемая в Российской Федерации, достаточно эффективна, и позволяет проводить качественную и количественную оценку риска. Для разработки и реализации мероприятий по обеспечению безопасности высокую значимость имеют результаты количественной оценки риска. Данное издание предоставляет возможность при изучении дисциплины «Техногенная безопасность» получения практических навыков по анализу опасностей и оценке риска на производственных объектах, а также расширения и углубления способности осуществлять критический анализ проблемных ситуаций на основе системного подхода, вырабатывать стратегию действий. Практикум может быть использован непосредственно при проведении практических занятий, а также при выполнении обучающимися индиви- дуальной самостоятельной работы. В практикуме приведены четыре практических занятия, темы которых логически взаимосвязаны. Структура каждого практического занятия включает: цель занятия; основные теоретические сведения и расчетные формулы; многовариантные задания для самостоятельной работы; контрольные вопросы. Номер варианта задания для самостоятельного выполнения соответствует порядковому номеру студента в журнале группы. Оформления отчета в отдельной форме не требуется. Результаты выполнения заданий приводятся в рабочей тетради каждым студентом в следующем порядке: тема занятия; номер варианта задания; основные расчетные формулы; численные результаты и их описание; основные выводы. 4 Практическое занятие № 1 МЕТОДЫ «АНАЛИЗ ДЕРЕВА ОТКАЗОВ» И «АНАЛИЗ ДЕРЕВА СОБЫТИЙ» Цель занятия – получение практических навыков по применению методов анализа техногенного риска для качественной и количественной оценки событий, приводящих к инциденту или аварии, и последствий таких событий. Основные теоретические сведения и расчетные формулы Метод «Анализа дерева отказов» (АДО) предназначен для качест- венного или количественного анализа комбинации отказов технических устройств, инцидентов, ошибок персонала и нерасчетных внешних (техногенных, природных) воздействий, приводящих к аварии на опасном производственном объекте (ОПО). Метод АДО используется для анализа возможных причин возникновения аварии и расчета ее частоты (на основе знания частот исходных событий) [1]. Структура дерева отказов включает одно головное (конечное нежелательное) событие (как правило, это авария и (или) инцидент), которое соединяется с набором соответствующих нижестоящих событий (ошибки, отказы, неблагоприятные внешние воздействия), образующих причинные цепи (сценарии аварий). Для связи между событиями в «узлах» деревьев используются знаки «И» и «ИЛИ». Логический знак «И» означает, что вышестоящее событие возникает при одновременном наступлении нижестоящих событий (соответствует перемножению их вероятностей для оценки вероятности вышестоящего события). Знак «ИЛИ» означает, что вышестоящее событие может произойти вследствие возникновения одного из нижестоящих событий. При анализе дерева отказа рекомендуется определять минимальные сочетания событий, определяющие возникновение или невозможность возникновения аварии (минимальные пропускное и отсечное сочетания соответственно). Минимальные пропускные сочетания – это набор исходных событий, предпосылок, обязательное (одновременное) возникновение которых достаточно для появления головного события (аварии). Минимальные отсечные сочетания – набор исходных событий, который гарантирует отсутствие головного события при условии невозникновения ни одного из составляющих этот набор событий. 5 Пример дерева отказов для сценария развития аварийной ситуации на химическом реакторе для оценки вероятности сброса опасных веществ в атмосферу через предохранительный клапан (ПК) приведен на рис. 1.1 [2]. Рис. 1.1. Пример дерева отказов Из приведенного дерева отказов следует, что для потери контроля над технологическим процессом и выброса опасного вещества в атмосферу с ПК должно произойти множество событий, основные из которых перечислены ниже. Согласно дереву отказов для выброса опасного вещества необходим не только подъем давления в реакторе по причине отказа систем регулирования температуры и контроля перемешивания, нарушений при подготовке каталитической смеси, но и отказа автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП). Кроме этого должен произойти отказ системы ингибирования, для чего должны произойти следующие события: – недостаточно ингибитора из-за отказа датчиков уровня в емкости хранения ингибитора; – недостаточное давление в системе азота из-за отказа системы регулирования давления; 6 – отказ системы противоаварийной защиты (ПАЗ); – непринятие или ошибочность действий оператором при поступлении сигнала о достижении максимально допустимого давления в реакторе и др. Вероятность события, у которого первопричины соединены связью «И», определяется по формуле: 1 , n i i P P (1.1) где P – вероятность вышестоящего события; P i – вероятность i-го нижестоя- щего события; i – количество нижестоящих событий. Для события, у которого первопричины соединены связью «ИЛИ»: 1 1 1 n i i P P (1.2) Например, вероятности событий P 9 и P 2 , показанных на рис. 1.1: 9 16 17 2 4 5 ; 1 1 1 P P P P P P . (1.3) Метод «Анализ дерева событий» (АДС) – количественный или полуколичественный метод, включающий построение последовательности событий, исходящих из основного события, как правило, аварии на ОПО. Метод АДС используется для анализа развития аварийной ситуации. Частота каждого сценария развития аварийной ситуации рассчитывается путем умножения частоты основного события на условную вероятность конечного события (например, аварии с разгерметизацией оборудования с горючим веществом в зависимости от условий могут развиваться как с воспла- менением, так и без воспламенения вещества). Пример дерева событий при разрыве сосудов под давлением представлен на рис. 1.2 [2]. На рис. 1.2 обозначены: исходная величина – частота разгерметизации Q 0 , на «ветвях» указаны (в скобках) условные вероятности промежуточных событий, крайние значения – частоты конечных событий Q 1 , …, Q 7 Значение частоты возникновения отдельного события или сценария пересчитывается путем умножения частоты возникновения инициирующего события на условную вероятность развития аварии по конкретному сценарию. 7 Например, 7 0 7 , Q Q P где 7 1,0 0,9 0,3 0,01 0,99 0,002673. P Если 3 0 5,5 10 , Q то частота возникновения события 7 равна 3 5 7 5,5 10 0,002673 1,47 10 Q год –1 Разгерметизация сосуда под давлением Разгерметизация сверху / снизу Обнаружение загазованности / обнаружение утечки Мгновенное зажигание Результирующее событие Рис. 1.2. Пример дерева событий для случая разгерметизации сосудов, работающих под давлением Задания для самостоятельной работы 1. Вычислите вероятность 1 Р потери контроля над процессом неконтролируемого роста давления с последующим срабатыванием ПК на одном реакторе. Для всех вариантов вероятности соответствующих событий: 2 2 2 3 2 5 8 10 11 12 10 ; 2 10 ; 2 10 ; 4 10 ; 3 10 . Р Р Р Р Р 8 Таблица 1.1 Исходные данные № варианта Вероятности событий, ×10 –2 Р 13 Р 14 Р 15 Р 16 Р 17 1 1,0 1,02 1,05 1,08 1,11 2 1,05 1,07 1,1 1,13 1,16 3 1,1 1,12 1,15 1,18 1,21 4 1,15 1,17 1,2 1,23 1,26 5 1,2 1,22 1,25 1,28 1,31 6 1,25 1,27 1,3 1,33 1,36 7 1,3 1,32 1,35 1,38 1,41 8 1,35 1,37 1,4 1,43 1,46 9 1,4 1,42 1,45 1,48 1,51 10 1,45 1,47 1,5 1,53 1,56 11 1,5 1,52 1,55 1,58 1,61 12 1,55 1,57 1,6 1,63 1,66 13 1,6 1,62 1,65 1,68 1,71 14 1,65 1,67 1,7 1,73 1,76 15 1,7 1,72 1,75 1,78 1,81 16 1,75 1,77 1,8 1,83 1,86 17 1,8 1,82 1,85 1,88 1,91 18 1,85 1,87 1,9 1,93 1,96 19 1,9 1,92 1,95 1,98 2,01 20 1,95 1,97 2,0 2,03 2,06 21 2,0 2,02 2,05 2,08 2,11 22 2,05 2,07 2,1 2,13 2,16 23 2,1 2,12 2,15 2,18 2,21 24 2,15 2,17 2,2 2,23 2,26 25 2,2 2,22 2,25 2,28 2,31 2. Вычислите условные вероятности и частоты результирующих событий Q 1 , …, Q 7 Таблица 1.2 Исходные данные Вариант 1 2 3 4 5 Q 0 , 10 –3 год –1 6,65 6,95 7,25 7,89 8,56 Вариант 6 7 8 9 10 Q 0 , 10 –3 год –1 7,65 7,95 8,25 8,89 9,56 Вариант 11 12 13 14 15 Q 0 , 10 –3 год –1 8,65 8,95 9,25 9,89 10,56 Вариант 16 17 18 19 20 Q 0 , 10 –3 год –1 10,67 10,97 10,25 10,89 8,56 Вариант 21 22 23 24 25 Q 0 , 10 –3 год –1 9,65 9,75 8,35 8,95 8,55 9 Контрольные вопросы 1. Объясните назначение метода «Анализ дерева отказов». 2. Дайте определение понятия «минимальные отсечные сочетания». 3. Дайте определение понятия «минимальные пропускные сочетания». 4. Укажите, в каких случаях используется логический знак «И». 5. Укажите, в каких случаях используется логический знак «ИЛИ». 6. Объясните назначение метода «Анализ дерева событий». 7. Дайте определение условной вероятности начального события. 8. Укажите, каким образом вычисляются частоты результирующих событий. Практическое занятие № 2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОРАЖАЮЩИХ ФАКТОРОВ ПРИ ВЗРЫВЕ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ОТКРЫТОМ ПРОСТРАНСТВЕ Цель занятия – получение практических навыков оценки последствий воздействия опасных факторов аварий с использованием вероятностных и детерминированных критериев. Основные теоретические сведения и расчетные формулы При оценке последствий воздействия опасных факторов аварий на опасных производственных объектах и для оценки степени возможного поражения людей и разрушения зданий, сооружений по вычисленным параметрам поражающих факторов могут использоваться как детермини- рованные (учитывающие только величину поражающих факторов), так и вероятностные критерии (по пробит-функции, характеризующей вероятность возникновения последствий определенного масштаба в зависимости от уровня воздействия) [2]. Детерминированные критерии устанавливают значения поражающего фактора, при которых наблюдается тот или иной уровень поражения (разрушения). Детерминированные критерии присваивают определенной величине негативного воздействия поражающего фактора конкретную степень поражения людей, разрушения зданий, инженерно-технических сооружений. 10 В случае использования детерминированных критериев условная вероятность поражения принимается равной 1, если значение поражающего фактора превышает предельно допустимый уровень, и равной 0, если значение предельно допустимого уровня поражения не достигается. Вероятностные критерии показывают, какова условная вероятность того или иного уровня поражения (разрушения) при заданном значении поражающего фактора. Независимо от источника возникновения все чрезвычайные ситуации имеют практически одни и те же факторы негативного воздействия на человека и среду его обитания. Это воздействие ударной волны при взрыве газовоздушных смесей, взрывчатых веществ, технологических установок и т. д.; термическое воздействие при пожарах; токсическое воздействие выбросов опасных химических веществ и т. п.; радиоактивное воздействие; механическое воздействие при поражении осколками, современным оружием, при обрушении зданий и сооружений и т. п. Одна и та же мера воздействия (количество воздействующего токсиканта, доза радиации, количество теплоты, избыточное давление ударной волны и др.) может вызвать последствия различной тяжести у разных людей, т. е. эффект поражения носит вероятностный характер. Величина вероятности поражения P пор (измеряется в долях единицы или в процентах) выражается функцией Гаусса, записываемой в виде: Pr 2 пор 5 1 Pr exp / 2 2π P f t dt (2.1) Верхним пределом интеграла является пробит-функция, которая отражает связь между вероятностью поражения P пор и дозой негативного воздействия D, Pr ln , a b D (2.2) где a и b – константы для каждого вещества и процесса, характеризующие специфику и меру опасности его воздействия; D – доза негативного воздействия (для оценки воздействия теплового излучения – функция плотности интенсивности теплового излучения и времени воздействия; для барического воздействия – избыточное давление на фронте ударной волны и импульс фазы сжатия; для токсического воздействия – концентрация токсического вещества и время воздействия). 11 Задания для самостоятельной работы 1. Вычислите значения избыточного давления и импульса волны давления. Вычислите значение пробит-функции и по табл. 2.1 [2] определите вероятность поражения от прямого воздействия на людей избыточного давления и импульса для заданного варианта. Для расчета избыточного давления p,кПа, развиваемого при сгорании газовоздушных смесей, используйте формулу: 0,33 0,66 2 3 0 пр пр пр 0,8 / 3 / 5 / , p p m r m r m r (2.3) где p 0 – атмосферное давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа); r – расстояние от геометрического центра газовоздушного облака, м; m пр – приведенная масса газа или пара, кг; Z – коэффициент участия, который допускается принимать равным 0,1; Q 0 – константа, равная 4,52 · 10 6 Дж/кг; m г – масса горючего газа, поступившего в результате аварии в окружающее пространство, кг. Формула для расчета приведенной массы газа или пара: пр сг 0 г / , m Q Q m Z (2.4) где Q сг – удельная теплота сгорания газа, Дж/кг. Импульс волны давления i, Па·с, рассчитывают по формуле: 0,66 пр 123 / . i m r (2.5) Формула для расчета значения пробит-функции: Pr 10 0,26 ln V , (2.6) где 8,4 9,3 17,5 / 29 0 / V p i Некоторые значения условной вероятности поражения приведены в табл. 2.1. Например, при значении пробит-функции, равном 5,10, условная вероятность поражения имеет значение 54 %; при значении пробит-функции, равном 7,51, условная вероятность поражения имеет значение 99,4 %. 12 Таблица 2.1 Зависимость условной вероятности поражения Р пор от величины пробит-функции Pr Условная вероятность поражения, % 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Величина пробит-функции 0 - 2,67 2,95 3,12 3,25 3,36 3,45 3,52 3,59 3,66 10 3,72 3,77 3,82 3,90 3,92 3,96 4,01 4,05 4,08 4,12 20 4,16 4,19 4,23 4,26 4,29 4,33 4,36 4,39 4,42 4,45 30 4,48 4,50 4,53 4,56 4,59 4,61 4,64 4,67 4,69 4,72 40 4,75 4,77 4,80 4,82 4,85 4,87 4,90 4,92 4,95 4,97 50 5,00 5,03 5,05 5,08 5,10 5,13 5,15 5,18 5,20 5,23 60 5,25 5,28 5,31 5,33 5,36 5,39 5,41 5,44 5,47 5,50 70 5,52 5,55 5,58 5,61 5,64 5,67 5,71 5,74 5,77 5,81 80 5,84 5,88 5,92 5,95 5,99 6,04 6,08 6,13 6,18 6,23 90 6,28 6,34 6,41 6,48 6,55 6,64 6,75 6,88 7,05 7,33 - 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 99 7,33 7,37 7,41 7,46 7,51 7,58 7,65 7,75 7,88 8,09 Таблица 2.2 Варианты заданий № варианта m г , кг Q сг , МДж/кг r, м № варианта m г , кг Q сг , МДж/кг r, м 1 40 30 14 14 66 43 40 2 42 31 16 15 68 44 42 3 44 32 18 16 70 45 44 4 46 33 20 17 72 46 46 5 48 34 22 18 74 47 48 6 50 35 24 19 76 48 50 7 52 36 26 20 78 49 52 8 54 37 28 21 80 50 54 9 56 38 30 22 82 51 56 10 58 39 32 23 84 52 58 11 60 40 34 24 86 53 60 12 62 41 36 25 88 54 62 13 64 42 38 2. Определите степень разрушения типовых промышленных зданий при рассчитанном значении избыточного давления для заданного варианта по табл. 2.3 [2]. 13 Таблица 2.3 Критерии разрушения типовых промышленных зданий от избыточного давления Степень разрушения Избыточное давление, кПа Полное разрушение зданий Более 100 Тяжелые повреждения, здание подлежит сносу 70 Средние повреждения зданий, возможно восстановление здания 28 Разрушение оконных проемов, легкосбрасываемых конструкций 14 Частичное разрушение остекления Менее 2 3. Определите степень разрушения для каждого типа зданий и сооружений при рассчитанном значении избыточного давления для заданного варианта по табл. 2.4 [2]. Таблица 2.4 Данные о степени разрушения производственных, административных зданий и сооружений, имеющих разную устойчивость Тип зданий, сооружений Разрушение при избыточном давлении на фронте ударной волны, кПа Слабое Среднее Сильное Полное Промышленные здания с тяжелым металли- ческим или железобетонным каркасом 20–30 30–40 40–50 > 50 Промышленные здания с легким каркасом и бескаркасной конструкции 10–20 25–35 35–45 > 45 Складские кирпичные здания 10–20 20–30 30–40 > 40 Одноэтажные складские помещения с металли- ческим каркасом и стеновым заполнением из листового металла 5–7 7–10 10–15 > 15 Бетонные и железобетонные здания и антисейсмические конструкции 25–35 80–120 150–200 > 200 Здания железобетонные монолитные повышенной этажности 25–45 45–105 105–170 170–215 Котельные, регуляторные станции в кирпичных зданиях 10–15 15–25 25–35 35–45 Деревянные дома 6–8 8–12 12–20 > 20 Подземные сети, трубопроводы 400–600 600–1000 1000–1500 1500 Трубопроводы наземные 20 50 130 – Кабельные подземные линии до 800 – – 1500 Цистерны для перевозки нефтепродуктов 30 50 70 80 Резервуары и емкости стальные наземные 35 55 80 90 Подземные резервуары 40 75 150 200 14 4. Определите условную вероятность травмирования и гибели людей, находящихся в зданиях, в зависимости от степени разрушения зданий при рассчитанном значении избыточного давления по табл. 2.5 [2]. Тип здания или сооружения – котельные, регуляторные станции в кирпичных зданиях. Таблица 2.5 Зависимость условной вероятности поражения человека с разной степенью тяжести от степени разрушения здания Тяжесть поражения Степень разрушения Полная Сильная Средняя Слабая Смертельное 0,6 0,49 0,09 0 Тяжелые травмы 0,37 0,34 0,1 0 Легкие травмы 0,03 0,17 0,2 0,05 5. На основании выполненных расчетов и проведенных оценок сформулируйте краткие выводы, содержащие основные рекомендации по предупреждению и защите от негативного воздействия поражающих факторов. Выбор рекомендаций по снижению риска аварии имеет следующие приоритеты: а) меры, снижающие возможность возникновения аварии, включающие: – уменьшение возможности возникновения инцидентов; – уменьшение вероятности перерастания инцидента в аварию; б) меры, снижающие тяжесть последствий возможных аварий, включающие: – уменьшение вероятности эскалации аварий, когда последствия какой- либо аварии становятся непосредственной причиной аварии на соседних составных частях ОПО; – уменьшение вероятности нахождения групп людей в зонах поражающих факторов аварий; – ограничение возможности возрастания масштаба и интенсивности воздействия поражающих факторов аварии; – уменьшение вероятности развития аварии по наиболее опасным сценариям возможной аварии; – увеличение требуемого уровня надежности системы противо- аварийной защиты, средств активной и пассивной защиты от воздействия поражающих факторов аварии; в) меры обеспечения готовности к локализации и ликвидации последствий аварий. 15 Для оптимизации разработанных рекомендаций по снижению риска аварии рекомендуется использовать следующую альтернативу: а) в рамках доступных ресурсов обеспечить максимальное снижение риска аварии при эксплуатации ОПО; б) обеспечить снижение риска аварий до требуемого уровня (в том числе допустимого риска аварии) при минимальных затратах ресурсов. Для систем управления промышленной безопасностью рекомендуется преимущественно использовать первый способ при краткосрочном и второй способ при среднесрочном и долгосрочном планировании безопасной эксплуатации ОПО. В качестве приоритетных способов обеспечения защиты в случае возникновения инцидентов и аварий рекомендуется использовать: – пассивную защиту эффективным расстоянием (включая физические барьеры) от опасного воздействия поражающих факторов возможных аварий на стадии проектирования ОПО; – активную защиту от перерастания аварийной опасности в угрозу аварии для жизни и здоровья человека, имущества и окружающей среды на стадии эксплуатации ОПО. Примеры способов пожаровзрывозащиты: – ограничение массы опасных веществ при хранении и в технологи- ческих аппаратах; – флегматизация горючих смесей в аппаратах и технологическом оборудовании; – вынос пожароопасного оборудования в изолированные помещения; – применение устройств, снижающих давление в аппаратах до безопасной величины при сгорании газовых и паровоздушных смесей; – установка в технологическом оборудовании быстродействующих отключающих устройств. |