Разработка методики оценки и прогнозирования риска аварийных ситуаций с целью повышения устойчивости коксохимического предприятия (на примере коксохимического производства оао “магнитогорский металлур

На правах рукописи

Тимиргалеева Лилия Шамилевна РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РИСКА АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ КОКСОХИМИЧЕСКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ (на примере коксохимического производства ОАО “Магнитогорский металлургический комбинат”) Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность» (отрасль химическая)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово – 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный техниче ский университет им. Г.И. Носова».

Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Сулейманов Марат Гиззатович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Исхаков Хамза Ахметович доктор технических наук Кравчук Игорь Леонидович Ведущая организация – Научно-исследовательский институт безопасности труда в металлургии (ОАО «НИИБТМЕТ).

Защита состоится 4 декабря 2008 г. в 1500 на заседании диссертационно го совета Д 212.102.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный тех нический университет» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28, ауд.1242, факс 8 (3842) 36-16-87.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Куз басский государственный технический университет».

Автореферат разослан «_»2008 г.

Ученый секретарь Ю.В. Лесин диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Коксохимическое предприятие является одной из важнейших отраслей промышленности и обеспечивает черную металлур гию и ряд других производств коксом, газообразными веществами и продук тами улавливания. Кокс остается неотъемлемой частью производства чугуна в доменных печах. Современные методы ведения доменного процесса в России и зарубежных странах позволили достичь расхода кокса на одну тонну чугуна до 450 – 500 кг. Поставленные задачи доведения потребления кокса до 300 – 350 кг к 2010 г. могут быть обеспечены улучшением его качества, совершен ствованием доменного процесса и вдуванием угольной пыли. В последние годы объемы выплавки чугуна в России возрастают. Снижение потребности в коксе путем сокращения его расхода исчерпывает себя. Удовлетворение его дефицита производится введением новых мощностей, увеличением срока экс плуатации коксовых батарей и повышением надежности работы технических систем. Последний путь ведет к повышению устойчивости работы предприя тия за счет снижения инцидентов и аварий и связанных с ними простоев.

На устойчивость работы коксового производства влияет качество сырья (угольных шихт) для коксования, технологические режимы работы печей, проведение своевременных профилактических ремонтов технических систем и оборудования, надежность машин, степень автоматизации производственного процесса и другие факторы. Оптимизация этих условий позволяет продлить срок эксплуатации батарей до 40 и более лет. Это доказано опытом работы коксохимических производств отечественных и зарубежных предприятий.

Несмотря на предпринимаемые меры, современные коксохимические произ водства теряют устойчивость работы из-за возникновения инцидентов и ава рий с разной долей вероятностью, по различным причинам и с последствиями (ущербами), достигающими высоких значений.

Специфика возникновения негативных ситуаций на коксохимических объектах заключается в объективной и полной неустранимости опасностей, а также в неопределенности и недостаточности информации о возможной их реализации.

В этих условиях систематизация причин аварийных ситуаций, выпол ненная на основе анализа факторов риска, расчеты уровней рисков и их про гнозирование на основе разработанных методик является актуальным направлением и не вызывает сомнений.

Целью работы является разработка методик оценки вероятности инци дентов (производственного риска) и с учетом ранжирования причин их воз никновения принятие управленческих решений по повышению устойчивости и эффективности работы коксохимического производства.

Идея работы состоит в том, что применение статистических материа лов по регламентированным и нерегламентированным простоям обеспечивает информацию о возникающих аварийных ситуациях и способствует созданию методик расчета вероятности возникновения инцидентов и аварий.

Задачи исследования:

- выявить наиболее неустойчивые производства коксохимического предприятия с целью обоснования действенных направлений снижения риска аварийных ситуаций;

- провести анализ существующих методов оценки риска опасных ситуа ций и разработать методики оценки риска возникновения инцидентов и аварий для коксового производства и производства по улавливанию продуктов коксо вания;

- разработать рекомендации на основе методического подхода к оценке рисков возникновения опасностей для повышения устойчивости работы кок сового цеха и цеха улавливания.

В качестве объекта исследования принято коксохимическое произ водство ОАО “Магнитогорский металлургический комбинат”.

Предметом исследования является методика оценки риска аварийных ситуаций опасных производственных объектов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: представительным объемом аналитической и статистической информации о возникающих авариях и инцидентах, регламен тированных и нерегламентированных простоях за последние 16 лет;

примене нием методов математической статистики и теории вероятности, экспертных оценок;

наличием расширенной базы данных о возможных факторах риска.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. К наиболее неустойчивым производствам коксохимического пред приятия, на которых происходит преобладающее количество аварийных ситу аций, относятся коксовый цех и цех улавливания, при этом усовершенствован ная классификация причин аварийных ситуаций на основе анализа видов ин цидентов и факторов риска позволяет установить совокупность возможных причин инцидентов и аварий на этих объектах.

2. Оценка вероятности возникновения инцидентов и аварий для коксо вых производств, основанная на учете совместного действия технических и организационных причин их возникновения и потерь времени по выявленным причинам, позволяет количественно оценить возможность возникновения ава рийных ситуаций.

3. Количественная оценка вероятности возникновения инцидентов и аварий, базирующаяся на теории процесса гибели и размножения, применима для цеха улавливания, в котором оборудование находится в условиях нагру женного и ненагруженного режима работы, меняющегося в соответствии с производственными программами.

4. Прогнозная оценка риска наступления отказов оборудования, с ис пользованием теоремы о производящей функции, которая учитывает вероят ность отказа и безотказной работы оборудования, позволяет повышать устой чивость коксохимического предприятия, снижая риск аварийных ситуаций за счет разработанных рекомендаций.

Научная новизна работы:

1. Усовершенствован классификатор причин аварий и инцидентов на основе систематизации факторов риска, возникающих при эксплуатации тех нических устройств коксохимического производства.

2. Предложен математический аппарат для оценки вероятности аварий и инцидентов, позволяющий количественно определить уровни рисков ава рийных ситуаций в цехах коксового производства.

3. Получена математическая модель для вероятностной оценки состоя ния работоспособности технических устройств цеха улавливания в условиях нагруженного и ненагруженного режима их работы.

4. Предложена методика прогнозирования уровня рисков на основе ис пользования теоремы о повторении опытов.

Практическое значение работы заключается в следующем: выявлен ный набор факторов риска позволяет прогнозировать последствия воздействия опасных ситуаций, назначать действенные меры по снижению количества и тяжести аварийных ситуаций. Представленная классификация причин реали зации факторов риска применима при разработке стандартов, предусмотрен ных федеральными законами, при оперативном управлении промышленной безопасностью и охраной труда на предприятии. Методики количественной оценки рисков могут быть использованы при разработке рекомендаций по снижению количества и тяжести инцидентов.

Реализация выводов и рекомендаций работы: идентификационные карты используются в локальных нормативных документах по промышленной безопасности при оценке и анализе уровня рисков и при принятии управленче ских решений по повышению устойчивости работы предприятий. Рекоменда ции по диагностическому контролю и замене технологических аппаратов учи тываются при проектировании промышленного объекта.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертацион ной работы были доложены, рассмотрены и одобрены:

- на VII Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов (с международным участием) “Управление рисками на уровне ре гиона и проблемы безопасности современного общества” (г. Иркутск, 16 - апреля 2002 г.);

- на VIII Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов (Иркутск, ИРГТУ, 15-18 апреля 2003 г.);

- на IV Всероссийской конференции “Проблемы повышения экологиче ской и промышленной безопасности производственно-технических комплек сов примышленных регионов” (г. Магнитогорск, 16-19 ноября 2004 г.);

- на первой студенческой научной конференции “Молодежь. Наука. Бу дущее.” (г. Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова, 6-8 апреля 2004 г.);

- на Всероссийской научной конференции “Прогнозирование и управ ление рисками” (г. Казань, 12 – 15 октября 2005 г.);

- на Международной научно-технической конференции молодых специ алистов (г. Магнитогорск, ОАО “ММК”, 14 – 17 апреля 2006 г.);

- на III Всероссийской научно-практической конференции (с междуна родным участием) “Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии” (г. Челябинск, 14 -16 ноября 2006 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 20 пе чатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, 4 глав, заключения, списка используемой литературы (116 наименова ний). Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит рисунков и 27 таблиц.

Работа выполнена на кафедре промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный техниче ский университет им. Г.И. Носова».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ состояния промышленной безопасно сти в коксовом цехе (КЦ) и цехе улавливания (ЦУ) ОАО “ММК”. Установле ны фактические и возможные виды аварий и инцидентов.

В коксовых цехах преобладающими инцидентами за исследуемый пе риод (16 лет) являются: “забуривания” кокса;

выход из строя коксовыталкива щих устройств;

сходы с рельс тушильного вагона;

выдача кокса на пути элек тровоза;

столкновение двересъемных машин, разрушение стенки отопительной системы, обесточивание оборудования, смещение стояков коксовых печей, загорание газа, загорание конвейерной ленты, загрузка ремонтируемой печи.

За этот период произошли отказы технических устройств 16 раз и печей в случаях.

Характерными инцидентами, произошедшими в цехе улавливания, яв ляются сбои в работе насосов, газопроводов коксового газа, газодувных ма шин, нарушения в подаче воды. Отмеченные инциденты происходили по два раза. Отказы в работе агрегатов нагнетателя коксового газа, трубопроводов надсмольной воды, запорной арматуры составляют по одному случаю.

Реализация этих аварийных ситуаций стала возможной в результате воздействия значительного количества причин. С целью унификации причин аварий, инцидентов и установления, существенно влияющих условий на устойчивость работы рассматриваемых производств, предложена усовершен ствованная автором классификация причин аварийных ситуаций (табл. 1).

Таблица Классификация причин аварий и инцидентов в КЦ и ЦУ 1 Технические причины Неудовлетворительное состояние технических устройств, зданий, 1. сооружений:

1.1.1 Неудовлетворительное техническое состояние зданий и сооружений 1.1.2 Неисправность технических устройств, оборудования 1.1.3 Неисправность средств или отсутствие средств противоаварийной защиты, сигнализации или связи 1.2 Несовершенство технологии или конструктивные недостатки, в том числе:

1.2.1 Конструктивное несовершенство технических устройств, оборудования Отклонение от технологии производства, в том числе:

1. 1.3.1 Отступление от требований проектной, технологической документации 1.3.2 Отклонение от регламента ревизии или обслуживания технических Продолжение табл. устройств 1.3.3 Некачественно выполненные ремонтные работы 2 Организационные причины Неправильная организация производства работ 2. Неэффективность или отсутствие производственного контроля за 2. соблюдением требований промышленной безопасности Низкий уровень знаний требований промышленной безопасности 2. Нарушение трудовой дисциплины, несанкционированные действия 2. исполнителей работ Несовершенство нормативных и технических требований 2. 3 Прочие причины 3.1 Сбои в поставке энергетических ресурсов (эл. энергии, пара, воды и др.) 3.2 Прекращение подачи сырья, отсутствие приема готовой продукции 3.3 Несвоевременное производство работ дочерними кампаниями и подряд ными организациями 3.4 Сбои, связанные с работой партнеров (кредитные задержки, невыполне ние пунктов договоров, несвоевременное проектирование средств защи ты и др.) Основными причинами возникновения аварийных ситуаций является: в коксовом цехе – организационные 60 %, технические 38 % и 2% прочие;

в цехе улавливания – организационные 48 % и технические 52 %.

В коксовом цехе выявлены инциденты, связанные с техническими при чинами в соответствии с пунктами табл. 1: 1.1 – 17%;

1.2 – 9%;

1.3 – 74%. Ор ганизационные причины установлены на основании пунктов: 2.1 – 14%;

2.2 – 29%;

2.3 – 9%;

2.4 – 45%;

2.5 – 3%. В цехе улавливания к техническим отнесе ны причины соответствующие пунктам: 1.1 – 23%;

1.2 – 15%;

1.3 – 62%. Орга низационные причины возникновения инцидентов установлены на основании пунктов: 2.2 – 59%;

2.4 – 33%;

2.5 – 8%.

Установление условий возникновения инцидентов и аварий произведе но при помощи усовершенствованного классификатора рискообразующих факторов применительно к коксохимическому производству, состоящего из восьмидесяти наименований, разделенных на организационные, технические и прочие.

На рассматриваемых объектах имеет место повторяемость инцидентов с одинаковыми сценариями на печах, тушильных вагонах и при работе бензоль ных скрубберов. Ущербы от аварийных ситуаций составляют от нескольких до сотен рублей на единицу произведенной продукции. Объективная их оценка возможна только на основании анализа результатов расчета уровня рисков.

Закономерности происхождения инцидентов по времени их реализации, про должительность восстановительных ремонтов, их тяжесть могут быть уста новлены путем решения задач с применением теорий, разработанных для слу чайных процессов.

Во второй главе проведен анализ научных достижений в области коли чественной и качественной оценки рисков в различных сферах деятельности человека. Показано практическое применение различных методик. Проведена оценка управленческих решений, направленных на снижение аварий и инци дентов с целью повышения устойчивости и эффективности работы предприя тий.

Накопленный зарубежный и отечественный опыт по решению проблем обеспечения защиты здоровья и жизни человека, а также вопросы снижения ущерба на опасных производственных объектах (ОПО) свидетельствует, что существует множество подходов в процедуре анализа риска. В практической деятельности промышленных предприятий преимущественно применяют ка чественные методы анализа. В последние 15 лет активно разрабатывается ме тодология количественной оценки реализации опасных факторов.

Качественный анализ применяется для выявления источников и причин риска, устанавливает взаимосвязь между рисковыми ситуациями, определяет объекты, в наибольшей степени подверженные риску, выявляет характер воз можных потенциальных убытков от реализации негативных ситуаций. Резуль татом анализа при качественной оценке опасности является получение ответа на вопросы, какие виды инцидентов и аварий возможны и каковы причины их реализации.

Количественный анализ подразумевает: численное определение значе ний рисков (сочетание вероятностей наступления неблагоприятных исходов и последствий от их реализации);

прогнозирование уровня;

оценку допустимых значений риска для исследуемой деятельности. Этот метод позволяет устано вить возможные ущербы при наличии знаний о цене и численных значениях риска. Кроме того, рассматриваемый метод облегчает работу управленческого персонала при планировании мероприятий и затрат с целью повышения устой чивости и эффективности работы предприятия. Необходимость использования количественного анализа рекомендована федеральными законами РФ, норма тивными документами Ростехнадзора и других надзорных организаций, а так же международными стандартами.

Результаты качественного анализа, как правило, служат важной исход ной информацией для осуществления количественного анализа. Следователь но, эффективным необходимо считать применение комплексных методов с использованием качественных и количественных оценок реализации опасно стей.

В последние годы количественным методам оценки посвящен значи тельный объем работ. Известны рекомендации и теоретические разработки Балабанова И.Т., Белова П.Г., Быкова А.А., Галанина А.Ф., Гражданкина А.И., Гранатурова В.М., Исхакова Х.А., Карнауха Н.Н., Клебанова Ф.С., Кравчука И.Л., Лабскер Л., Лисанова М.В., Мастрюкова Б.С., Махутова В.А., Онищенко В.Я., Осипова В.И., Петрова В.П., Портнова В.А., Сиразетдинова Т.К., Стани славчика Е.Н., Сулейманова М.Г., Хохлова И.В., Черновой Г.А., Черчинцева В.Д., Шлыкова В.Н. и других ученых и практиков. В работах этих специали стов отмечается, что при осуществлении мониторинга существует необходи мость проведения идентификации факторов риска, установления условий их реализации, расчетов по определению вероятности и последствия событий (риска), разработки мероприятий технического или организационного харак тера, прогнозирование и выявление рисков.

Выполнение эффективного мониторинга для коксохимического произ водства затрудняется отсутствием методик по выявлению видов, причин ин цидентов и аварий, оценке рисков, отсутствием математического аппарата по расчетам вероятностей реализации опасных ситуаций. Это связано с недоста точной изученностью процедуры оценки риска применительно к специфике работы коксовых батарей и цехов улавливания. Указанное сдерживает разра ботку превентивных мер и планирование приоритетных направлений по сни жению уровней аварий и инцидентов.

Для дальнейшего совершенствования работ по снижению аварийности и повышения устойчивости и эффективности функционирования предприятий возникает необходимость в решении следующих задач:

- расширение информационной базы данных об инцидентах и авариях на рассматриваемом объекте;

- разработка классификации факторов, воздействующих на технологи ческие процессы, машины и оборудование, а также на человека;

- разработка методик оценки и анализа риска;

- совершенствование управленческих решений по повышению устойчи вости работы коксохимического производства.

Третья глава посвящена разработке методик количественной оценки уровня риска на рассматриваемом предприятии.

В диссертационной работе в качестве базовой методики количественной оценки опасности рекомендована формула, соответствующая нормативным требованиям:

R=q*У. (1) Для расчета вероятности инцидентов и аварий и последствий от них унифицированные методики отсутствуют. Установлена применимость законо мерностей, разработанных Пуассоном с выполнением условий стационарно сти, ординарности и отсутствия последствий событий, связанных с инциден тами. Оценка теоретического и статистического распределения произведена по критерию хи-квадрат. Достоверность как для коксового цеха, так и для цеха улавливания близка к единице.

Следовательно, для расчета вероятностей обоснованным является ис пользование уравнений, применяемых при оценке надежности технических систем и в теории массового обслуживания.

Разработанные уравнения учитывают время фактической работы обору дования, затраченное на регламентированные и нерегламентированные про стои. Вероятность безотказной работы каждого агрегата рекомендуется рас считать по формуле Pбез== Траб/(Траб+Тнерегл), (2) где Траб – фактическое время работы оборудования, равное суммарному времени наработки на отказ за исследуемый период;

Тнерегл – время простоев, связанных с инцидентами.

Вероятность инцидентов получена исходя из нормирующего условия qотк=Тнерегл/(Траб+Тнерегл). (3) Фактическое время работы оборудования рассчитывается по формуле Траб= Ткал - (Трегл + Тнерегл), (4) где Ткал– годовой баланс рабочего времени: Ткал=8760 ч (24*365);

Трегл – время, необходимое для плановых осмотров и ремонтов, за мены оснастки, перехода на изготовление новых видов продукции, обуслов ленных технологическими регламентами.

При расчетах оценку фактического времени работы и простоев коксо вых батарей рекомендуется осуществлять в печи*часах, определяемых как произведение суточного времени (24 ч) на количество дней работы коксовых печей в месяц и на количество печей в батарее.

Количественная оценка устойчивости работы всего коксового цеха произвеведена применительно к последовательной и параллельной работе аг регатов (рис.1).

КБ- Выдача Тушение Загрузка Коксование кокса в кокса в коксовых угольной тушильный тушильной печей шихты Угольная вагон башне Разгрузка шихта кокса на коксовую Валовый рампу № Выдача Тушение кокс Загрузка Коксование КБ- кокса в кокса в поступает на коксовых угольной тушильный тушильной коксосор печей шихты вагон башне тировку КБ-3 Коксовый Выдача Тушение газ Загрузка Коксование кокса в кокса в поступает коксовых угольной тушильный тушильной в ЦУ печей шихты Угольная вагон башне Разгрузка шихта кокса на коксовую рампу № Выдача Тушение Загрузка Коксование КБ- кокса в кокса в коксовых угольной тушильный тушильной печей шихты вагон башне Рис. 1. Упрощенная схема технологического процесса коксового цеха:

КБ 1-КБ 4 - коксовые батареи №1-4;

ЦУ - цех улавливания 1. Определяется вероятность безотказной работы каждой из четырех коксовых батарей №1-4, работающих последовательно:

n Pi =P1*P2*P3*P4*Р5, Pбезотк. раб. КБ = (5) i где i – номера последовательно работающих технических устройств.

В формуле (5) приняты вероятности безотказной работы (Р1,Р2,…Р5) со ответственно загрузочного устройства, коксовых печей, выдачи кокса, ту шильного устройства и разгрузки кокса.

2. Рассчитывается вероятность отказов с учетом нормирующего условия n Pi.

q=1 - (6) i 3. Находятся вероятности безотказной работы для параллельно работа ющих блоков (КБ-1 и КБ-2, КБ-3 и КБ-4):

PбезоткКБ-1,КБ-2=1-q откКБ-1,КБ-2 ;

(7) PбезоткКб-3,КБ-4=1-q откКб-3,КБ-4, (8) где qоткКб-1,КБ-2, qоткКБ-3,КБ-4 - вероятность отказов четырех коксовых бата рей.

4. Оцениваются вероятности безотказной работы и отказов блока А (входят две коксовые батареи №1 и 2, работающие параллельно и коксовая рампа 1, работающая с ними последовательно):

РА безотк=(1-qотк КБ-1)*(1-qотк КБ-2)*Ррамп.1 безотк.;

(9) qА отказ=1-[(1-Ротк КБ-1)*(1-Ротк. КБ-2)*Ррамп.1 безотк]. (10) 5. Устанавливаются вероятности безотказной работы и отказов блока Б (входят две коксовые батареи №3 и 4, работающие параллельно и коксовая рампа 2, работающая с ними последовательно):

РВ безотк=(1-qотк КБ-3)*(1-qотк КБ-4)*Рбез.рамп.2;

(11) qВ отказ=1-[(1-qотк КБ-3)*(1-qотк. КБ-4)*Рбез.рамп.2]. (12) 6. Производится оценка вероятности отказов и безотказной работы для блоков А и В, работающих параллельно:

qотк АВ={1-[(1-qоткКБ-1)*(1-qотк.КБ-2)*Рбез.рамп1]}* (13) *{1-[(1-qотк КБ-3)*(1-qотк КБ-4)*Рбез.рамп.2]};

РбезАВ=1-qбезотк. АВ. (14) 7. Рассчитываются вероятности безотказной работы и отказов для кок сового цеха (блоки А, В и коксосортировка работают последовательно):

qзотк КЦ-2=qотк АВ*qотк коксосорт;

(15) Рбезотк КЦ-2=1-qотк КЦ-2. (16) Расчеты по разработанной методике за один год приведены в табл. 2.

Таблица Вероятности отказов и безотказной работы коксового цеха за 2006 г.

Блок 2 Блок АБлок В Блок АБ Блок АБ, КБ-4 Коксо- Косо КБ-1 КБ-2 КБ-3 Коксо- Блок коксосор вая вая сорти- (КБ-1,2) (КБ-3,4) ти рампа рампа ровка ровка 1 0,9957 0,9958 0,9966 0,996 0,99 0,993 0,98 0,99998 0,99998 0,989 0,992 0,99992 0, 0,004 0,0042 0,0033 0,0033 0,008 0,006 0,017 0,000016 0,00001 0,01 0,008 0,00008 0, Результаты вычислений за последние пять лет показывают, что уровень безотказной работы коксового цеха весьма высок и составляет: в 2002 г. – 0,9946;

в 2003 – 0,9954;

в 2004 – 0,9953;

в 2005 – 0,977;

в 2006 – 0,979.

Цех улавливания состоит из нескольких отделений. В них установлено N и задействовано n однотипных агрегатов (табл. 3), предназначенных для выполнения одних и тех же операций, работающих параллельно и(или) после довательно (рис. 2.).

Таблица Количество задействованного оборудования при различных производительностях цеха Количес- Производительность Количество задействован тво оборудования, тыс. м3/ч ного оборудования при оборудо- общая производительности, тыс.

Отделение одной вания м3/ч ед.

до 100 до Охлаждения коксового газа (ПГХ) 8 20 160 5 Машинное (газодувные машины) до 5 400 2 Сульфатное (сатураторы) до 4 320 2 Конечного охлаждения коксового до 4 320 2 газа (КГХ) до 40-50 до 80- Бензольное (скрубберы) 6 6 на линию на линию Рис. 2. Схема переработки коксового газа в цехе улавливания:

ПГХ – первичные газовые холодильники;

КГХ – конечные газовые холодильники В зависимости от объема перерабатываемого газа система может нахо диться в состоянии ненагруженного (при производительности 100 тыс. м 3/ч) и нагруженного (при производительности 150 тыс. м3/ч) резерва. Бензольное отделение не имеет резервных агрегатов и при большом объеме перерабатыва емого газа является наиболее слабым звеном. Технология предусматривает замену отказавшего оборудования резервным и поступление его в ремонт. По этому работа рассматриваемого цеха может быть описана системой диффе ренциальных уравнений, разработанных для процесса гибели и размножения.

При переработке прямого коксового газа объемом до 100 тыс. м3/ч (см.

табл. 3) система будет высокоработоспособной, так как количество резервных машин достаточно для замены любого неисправного. Для однотипных машин интенсивность отказов будет составлять =1/tН, и параметр восстановления вышедшей из строя машины =1/tобс, где tн – среднее время наработки на один отказ;

tобс – среднее время восстановления неисправного оборудования. Веро ятностное состояние оборудования для данного случая может быть рассчитано по формуле Р = [((n*) / µk) / k!]*exp(n*) /. (17) При неисправном оборудовании k=0 система работает безотказно. При k=1,2,…n рассматривается система с отказом одного, двух и более единиц оборудования.

Система будет работать безотказно до момента времени t, если ни разу до этого число отказавших агрегатов не превысит ­ n = m. Поэтому вероят ность безотказной работы системы составит:

P(t) = 1 – PN-n+1(t) = 1 – Pm+1(t). (18) Так как величина N-n+1 большая, то с небольшой погрешностью можно использовать выражение:

Р( t ) exp (-t / (TN-n+1)), (19) где ТN-n+1 – среднее время безотказной работы N-n+1 агрегата.

На основании анализа статистических данных актов расследования ин цидентов, журналов агрегатного состояния оборудования и других документов установлено, что на практике ни разу число отказавших элементов не превы шало N - n = m. Если ТN-n+1 значительно превышает t, не сложно доказать, что вероятность безотказной работы близка к единице. Практикой установлено, что за анализируемый период (16 лет) агрегаты системы цеха улавливания в количестве n+1 единиц одновременно не отказывали. Поэтому для агрегатов:

ПГХ, газодувных машин, сатураторов и КГХ exp (-t / (TN-n+1)) 1. (20) Для расчета вероятностного состояния при переработке коксового газа объемом до 150 тыс. м3/ч часть оборудования m может находиться в нагру женном резерве (см. табл. 3). Рассматриваемый случай может быть описан уравнением n Pк=[(1/(n-k)!(µ/)n-k)/( (1/c!)*(µ/))]c.

(21) с При k=0 система работает безотказно. При k=1,2…n формула (21) поз воляет определить вероятность отказов соответственно одного, двух и более оборудований.

Вычисления k, µk производятся по формулам: к=(n-к)* ;

µк= µ.

Если n* µ, то к= n*;

µк= µ, расчеты производятся по формуле Pк=(n*/µ)k*(1 – (n*/µ)). (22) Оценку вероятности отказов (инцидентов) каждого из агрегатов или си стемы в целом в отделениях осуществляется в следующей последовательно сти:

По формулам (2) и (3) рассчитываются вероятность отказов каждого ви да оборудования. Получены вероятности отказов одного: ПГХ - 0,0029, сату ратора - 0,0080, КГХ - 0,0069, скруббера - 0,0171;

одной газодувной машины 0,0083;

шести скрубберов - 0,0026.

Расчеты вероятности отказов (безотказной работы) системы однотипно го оборудования производятся по формулам: с учетом выражений (17)…(20) – для условий работы агрегатов в ненагруженном режиме;

(21), (22) – при рас смотрении работы оборудования с учетом нагруженного состояния. Значения и µ получены на основании использования статистических материалов и приведены в табл. 4.

Таблица Значения и µ для цеха улавливания Показатели ПГХ Газодувные машины Сатураторы КГХ Скрубберы Среднее время нара ботки на один отказ tн, 1727 658 806 816 ч.

0,0005 0,0015 0,00124 0,00122 0, Среднее время восста 5 6 7 6 новления, tобс ч.

µ 0,2 0,16 0,13 0,16 0, Так как n* µ, то вероятность безотказной работы одного ПГХ состав ляет 0,98. Технические системы газодувных машин, сатураторов, конечных газовых холодильников работают в режиме ненагруженного резервирования (см. табл. 3). Поэтому вероятность безотказной работы согласно выражениям (19) и (20) следует принять равной единице. Отказы в работе этих систем наступает только при потере устойчивости работы не мене трех агрегатов в каждом из рассмотренных отделений.

В бензольно-скрубберном отделении две линии работают параллельно.

В каждой из них установлено по три скруббера, работающих последовательно.

Резервирование оборудования в системе отсутствует. Полный отказ наступает при отказе обеих линий. Вероятность безотказной работы линий составляет Рк=0,96. При полном отказе обеих линий потребителям отправляется недоста точно очищенный газ.

Следовательно, за анализируемый период вероятность безотказной ра боты системы агрегатов цеха улавливания при производительности 150 тыс.

м3/ч составляет:

n Pi = P1*P2*P3*P4*P5 = 0,98*1*1*1*0,96=0,83, Pбезотк. раб.ЦУ №1 = i где Р1, Р2, Р3, Р4, Р5 - вероятность безотказной работы ПГХ, газодувных машин, сатураторов, КГХ, скрубберов соответственно.

Расчеты показывает высокую степень надежности отдельных агрегатов каждого из отделений. Имеющееся структурное резервирование (то есть при менение дополнительных элементов и агрегатов для замены отказавших) в значительной мере повышает эффективность всей системы вследствие умень шения вероятности отказа системы. Происходит и снижение тяжести послед ствий инцидентов из-за повышения надежности работы технических устройств и человека.

Для прогнозирования вероятности появления инцидентов использована теорема о производящей функции, которая вытекает из общей теоремы о по вторении опытов и применяется для ситуаций, когда вероятности появления событий различны.

Вероятность того, что событие А в n независимых опытах появится ровно m раз, равна коэффициенту при zm в выражении производящей функ ции:

n n(z) = (q1+p1*z)*(q2+p2*z)… (qn+pn*z) = (qi+pi*z), (23) i где qi – вероятность отказа элементов рассматриваемой системы;

pi – вероятность безотказной работы;

z– значения производящей функции.

В качестве объекта прогнозирования выбраны коксовые батареи. Коэф фициент при z4 будет показывать, что безотказно (за время t) будет работать система из четырех батарей;

при z3 - из трех;

при z2 - из двух, при z вероят ность того, что одна батарея будет работать безотказно. Вероятность того, что ни одна из батарей не будет работать безотказно, равна свободному члену.

Указанная формула позволила рассчитать и сравнить фактическое и прогноз ное значения вероятностей наступления инцидентов на 2007, 2008 гг. по дан ным предшествующего года.

2007 г. - 0,9842z4 + 0,0015z3 + 0,000066z2 + 0,00000025z + 0,00000000025;

2008 г. - 0,9839z4 + 0,0017z3 + 0,000055z2 + 0,00000022z + 0,00000000019.

Результаты расчетов приведены в табл. Таблица Результаты применимости методик для прогнозирования риска аварийных ситуаций Год 2004 2005 2006 2007 Фактический показатель 0,9991 0,999 0,99992 0,9998 Прогнозируемый показатель 0,978 0,98 0,9795 0,9842 0, Процент ошибки 1,9 1,9 1,6 1, Методика с применением теоремы о повторении опытов дает занижен ные результаты по надежности работы коксовых батарей по сравнению с фак тическими показателями, ошибка не превышает двух процентов, что является допустимым.

В четвертой главе рассматриваются вопросы, направленные на повы шение устойчивости работы объектов исследования. Определяются меры и разрабатываются рекомендации по снижению факторов, влияющих на надеж ную, эффективную работу коксовых батарей и оборудования по улавливанию и переработке продуктов коксования.

Главными из направлений для коксового цеха являются: повышение ка чества и стабилизация угольно-сырьевой базы уменьшением количества по ставщиков и рациональным подбором составов угольных шихт;

своевременная оценка состояния печного фонда и продление срока эксплуатации коксовых батарей за счет совершенствования диагностирования кладки коксовых бата рей современными аппаратами визуализации и ремонта внутренних стенок печей;

снижение ошибочных решений и нарушений путем совершенствования методов обучения и профессионального отбора персонала;

применение новых технических решений при реконструкции и строительстве коксовых батарей, обезграфичивание камер и ряд других мероприятий технического, технологи ческого и организационного мероприятий.

Повышение устойчивой работы цеха улавливания при производитель ности более 130-150 м3/ч возможно путем увеличения мощности первичных газовых холодильников и скрубберов.

Принятие решений о внедрении разработанных мероприятий осуществ ляется на основании анализа и оценки “затраты – выгода” и путем расчета промышленного риска на основании следующей формулы:

d Qi * Сi )+Пj+ПY], R=q*[t*( (24) i где q – вероятность реализации негативной ситуации (инцидентов);

t – суммарные потери времени, связанные с инцидентами;

Qi – объем продукции каждого вида, производимой в единицу вре мени;

Сi – стоимость каждого вида единицы продукции;

ПJ– затраты на восстановление технических устройств, агрегатов;

ПY – потери потребителей, связанные с недопоставкой продукции.

В работе приведены расчеты, связанные только с прямыми потерями производства кокса в результате простоев, по выражению (25). Результаты расчета показаны на рис. 3.

R=q*t*(Q*C), (25) где q – вероятность отказа на коксовых батареях;

t – суммарное время простоя коксовых батарей (печи*ч);

Q – объем выдачи (на один печи*ч в год);

С – себестоимость выпускаемой продукции (руб *т).

7000000 0, 5762021, 0, коксовых батареях 4268956, 4647638,6 4983820, 5000000 4715683, инцидентов на Риск, руб.

3975802, Вероятность 3377646,6 0, 3000000 0, 0, 0 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Год Рис. 3. Динамика вероятности возникновения аварийной ситуации за 2002 2008 гг.

Таким образом, уровни риска при производстве кокса имеют тенденцию к снижению в результате принятия организационных и технических мероприя тий. К ним относятся: проведение аудитов в рамках мониторинга промышлен ной безопасности, выполнение реконструкции печей и производство ремонтов по собственным технологиям. Исключением является 2005 г., где наблюдается повышение уровня риска. Это связано с несбалансированным поступлением сырья от большого количества поставщиков в 2004 и 2005 гг., с увеличением случаев “бурения” кокса, случаев отказа электротехнических устройств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате выполненных в диссертационной работе исследований решены актуальные научно-практические задачи, способствующие повыше нию устойчивости работы коксохимического предприятия. Результаты работы могут быть использованы в научных исследованиях и в работах, направленных на совершенствование практики страхования рисков при эксплуатации опас ных производственных объектов.

1. Установлены основные виды инцидентов, происходящие в условиях ОАО “ММК”, значительно повлиявших на эффективность работы предприя тия. Ими являются “тугой ход” при выпуске готового кокса (“забуривание”) и разрушение кладки печей коксовых батарей. Указанные виды и причины ин цидентов характерны и для других коксохимических предприятий РФ.

2. Проведенный анализ состояния промышленной безопасности позво лил установить наличие определенного резерва для повышения эффективно сти работы коксохимического производства. Таким направлением является повышение устойчивости работы путем снижения количества и тяжести инци дентов и аварий. Это дает возможность сократить время простоев технических систем, увеличить производство качественного кокса и газа.

3. Установлено, что происходящие инциденты отличаются по видам, причинам, вероятностям и последствиям возникновения. Количественную оценку влияния аварийных ситуаций на производственные показатели работы предприятия и принятие управленческих решений по повышению устойчиво сти работы объектов, прогноз уровня риска производственной опасности мож но провести только на основании учета этих факторов и расчета рисков.

4. Показаны различные методические подходы к оценке рисков в рабо тах отечественных и зарубежных специалистов. Имеются различия в оценке вероятности аварийных ситуаций. В настоящее время отсутствуют надежные, унифицированные методы их расчета. Имеющиеся методики не могут быть использованы для коксохимического производства в связи со специфичностью их работы.

5. Систематизированы опасные и вредные факторы, возникающие при эксплуатации технических устройств и аппаратов коксохимического произ водства на основе усовершенствования классификации причин аварий и инци дентов.

6. Усовершенствован классификатор факторов риска применительно к коксохимическому производству, позволяющий установить условия реализа ции аварийных ситуаций.

7. Получены математические модели для количественной оценки веро ятности аварий и инцидентов:

- учитывающие время фактической работы, регламентированные и нерегламентированные простои технических систем;

- для коксового цеха, учитывающие серийность работы печей в коксо вых батареях;

- для цеха улавливания, построенные на теории гибели и размножения, учитывающие нахождение оборудования в нагруженном и ненагруженном резерве.

8. Разработана методика прогнозной оценки риска аварий и инцидентов с использованием теоремы повторения опытов, позволяющая оценить вероят ность инцидентов в последующие годы.

9. Основные теоретические положения и практические рекомендации рассмотрены менеджментом ОАО “ММК”. Усовершенствованные в процессе исследования классификация причин аварий и инцидентов, перечень рискооб разующих опасных и вредных факторов, методика расчета вероятности аварий и инцидентов внедрены в локальные нормативные документы. Рекомендации по использованию аппаратов диагностирования при оценке состояния печного фонда будут учтены при проектировании коксовых батарей. Мероприятия, направленные на увеличение мощности первичных газовых холодильников, замену скрубберов на современные и с большей единичной мощностью, реа лизуются в настоящее время при реконструкции цеха улавливания.

Научные публикации по теме диссертации в журналах ВАК 1. Тимиргалеева, Л.Ш. Оценка вероятности аварий и инцидентов в кок совом цехе ОАО “ММК” / Тимиргалеева Л.Ш., Петухов В.Н., Сулейманов М.Г. и др. // Кокс и химия. - 2008. – № 4. - С. 22-26.

Другие научные публикации по теме диссертации 2. Тимиргалеева, Л.Ш. Безопасная эксплуатация кранов большой грузо подъёмности в кислородно-конвертерном производстве / Тимиргалеева Л.Ш., Петров А.В., Черчинцев В.Д. // Промышленная экология и безопасность жиз недеятельности. Изв. Челяб. науч. Центра. - 2002. - Вып. 2. - С. 40-48.

3. Тимиргалеева, Л.Ш. Оценка факторов риска возникновения инциден тов на грузоподъемных кранах ККЦ ОАО «ММК» / Сулейманов М.Г., Тимир галеева Л.Ш., Прошкина О.Б. и др. // Современные угрозы человечеству и обеспечение безопасности жизнедеятельности: Сб. науч. тр. – Иркутск:

ИРГТУ, 2003. - Т. 1. - С. 175-176.

4. Тимиргалеева, Л.Ш. Идентификация аварийных ситуаций в кисло родно-конвертерном цехе ОАО «ММК» / Сулейманов М.Г., Тимиргалеева Л.Ш., Бикмухаметов М.Г. и др. // Современные угрозы человечеству и обеспе чение безопасности жизнедеятельности: Сб. науч. тр. – Иркутск: ИРГТУ, 2003.

- Т. 1. - С. 199-201.

5. Тимиргалеева, Л.Ш. Оценка последствий риска и инцидентов на ККЦ ОАО “ММК” / Тимиргалеева Л.Ш., Лямова Л.В., Олефир Т.В., Сулейманов М.Г. // Молодежь. Наука. Будущее: Сб.науч.тр. – Магнитогорск: МГТУ им.

Г.И.Носова, 2004. - Вып. 2. - С. 111-113.

6. Тимиргалеева, Л.Ш. Причинно-следственный анализ риска инциден тов на ККЦ ОАО “ММК” / Тимиргалеева Л.Ш., Денисова О.А., Сулейманов М.Г. // Молодежь. Наука. Будущее: Сб.науч.тр. – Магнитогорск: МГТУ им.

Г.И.Носова, 2004. - Вып. 2. - С.131-134.

7. Тимиргалеева, Л.Ш. Оценка вероятности возникновения инцидента на ККЦ ОАО «ММК» / Тимиргалеева Л.Ш., Бикмухаметов М.Г., Денисова О.А., Фаррахова А.В., Гальцова К.Е. // //Проблемы повышения экологической и промышленной безопасности производственно-технических комплексов промышленных регионов: Сб.науч. трудов. – Магнитогорск: МГТУ, 2004. - С.

28-31.

8. Тимиргалеева, Л.Ш. Совершенствование работ по управлению рис ками / Сулейманов М.Г., Тимиргалеева Л.Ш., Уржумцев В.В., Денисова О.А., Фаррахова А.В. // Проблемы повышения экологической и промышленной без опасности производственно-технических комплексов промышленных регио нов: Сб. науч. тр. – Магнитогорск: МГТУ, 2004. - С. 39-43.

9. Тимиргалеева, Л.Ш. Влияние аварийных ситуаций на эффективность работы ОНРС ККЦ ОАО «ММК» / Сулейманов М.Г., Тимиргалеева Л.Ш., Корнеев В.М. // Литейные процессы. Вып. 5: Межрегион. сб. науч. трудов/ под ред. Колокольцева В.М. Магнитогорск: МГТУ им. Г.И.Носова, 2005. - С.178 182.

10. Тимиргалеева, Л.Ш. Методика оценки риска по показателям про стоя, потерь продукции и финансовых потерь предприятия / Бигеев В.А., Су лейманов М.Г., Тимиргалеева Л.Ш. // Прогнозирование и управление рисками:

Материалы Всерос. науч. конф. / под общ. ред. Сиразетдинова Р.Т., Ференца А.В. – Казань, 2005. - С.45-47.

11. Тимиргалеева, Л.Ш. Стратегия управления производственными рис ками металлургических предприятий / Сулейманов М.Г., Тимиргалеева Л.Ш., Уржумцев В.В., Кутный С.И. // Теория и технология металлургического про изводства: Сб. науч. трудов / под ред. В.М.Колокольцева. Вып. 6. - Магнито горск: МГТУ им. Г.И. Носова, 2005. - С. 201-207.

12. Тимиргалеева, Л.Ш. Факторы риска потерь энергии при энергосбе режении ККЦ ОАО “ММК” // Сб. тез. докладов Междунар. науч.-техн. конфе ренции молодых специалистов. – Магнитогорск, 2006. - С. 123-125.

13. Тимиргалеева, Л.Ш. Риски и ресурсосбережение в сталеплавильном производств / Бигеев В.А., Сулейманов М.Г., Тимиргалеева Л.Ш. // Проблемы человеческого риска: научный журнал. №1. - 2006. - С. 123-125.

14. Тимиргалеева, Л.Ш. Возможность снижения потребления энергети ческих ресурсов за счёт снижения аварийных ситуаций в ККЦ ОАО «ММК» / Сулейманов М.Г., Тимиргалеева Л.Ш. // Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии: Сб. материалов III Всерос. науч.-практ. конференции (с международным участием). – Челябинск: Изд-во ЗАО «ЧМТ», 2006. - С. 39-42.

15. Тимиргалеева, Л.Ш. Анализ сопряженности технологических нару шений и состояний аварийности на машинах непрерывной разливки стали / Девятченко Л.Д., Тимиргалеева Л.Ш. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. Магнитогорск: МГТУ, 2006. - №3 (15). - С. 15-23.

16. Тимиргалеева, Л.Ш. Совершенствование методики профессиональ ного отбора работников металлургических предприятий / Сулейманов М.Г., Тимиргалеева Л.Ш., Уржумцев В.В., Кутный С.И.;

Магнитогорск. гос. техн.

ун-т - Магнитогорск, 2007. – 49 с.: ил. Деп. в ВИНИТИ 23.04.07, №447-2007.

17. Сулейманов, М.Г. Количественный анализ опасностей на объектах металлургии / Сулейманов М.Г., Тимиргалеева Л.Ш., Уржумцев В.В., Кутный С.И. // Проблемы человеческого риска – М.: Ин-т пром. риска, 2007. - №2. - С.

51-56.

18. Вербицкая, Е.А. Методика, анализ и управление риском в ЛПЦ- ОАО “ММК” / Вербицкая Е.А., Шакирова А.К., Радуль М.А., Сулейманов М.Г., Тимиргалеева Л.Ш. // Материалы 65-й научно-технической конферен ции: Сб.докл. – Магнитогорск: ГОУ ВПО “МГТУ им. Г.И.Носова”, 2007. - Т.1.

- С.133-136.

19. Тимиргалеева Л.Ш. Идентификация и причины риска коксового производства и направления повышения устойчивости работы предприятия / Сулейманов М.Г., Тимиргалеева Л.Ш., Уржумцев В.В. // Вестник МГТУ им.

Г.И. Носова. - 2007. - №3 (19). - С. 49-51.

20. Тимиргалеева, Л.Ш. Оценка вероятности инцидентов и устойчиво сти работы цеха улавливания КХП ОАО “ММК” / Тимиргалеева Л.Ш., Сулей манов М.Г., Уржумцев В.В., Кутный С.И., Бородулин Ю.Н. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – 2008. – №2 - С. 74-78.