Анализ надёжности и риска сложной технической системы - компрессорной станции (2В - ; КС работоспособна, когда работоспособна одна из групп нагнетателей (по 2 ГПА в каждой группе), при этом ГПА № 3 не учитывать

Введение
Газовая промышленность — отрасль топливно-энергетического комплекса, включающая разведку, разработку и эксплуатацию месторождений природного газа, его комплексную переработку, подземное хранение, транспортирование по магистральным трубопроводам, а также поставку различным отраслям промышленности и коммунально-бытовому хозяйству для использования в качестве источника энергии и химического сырья.
Природные горючие газы из естественных источников (например, "вечные огни" в Дагестане, Казахстане, Азербайджане, Иране и др.) использовались человеком с незапамятных времён. Зарождение газовой промышленности относится к концу 18 — началу 19 веков, когда искусственный горючий газ, получаемый сухой перегонкой каменного угля, начали применять для освещения улиц городов в Великобритании, Франции, Бельгии и др. К середине 19 в. относят использование природного газа как технологического топлива (например, на базе месторождения Дагестанские Огни было организовано стекольное производство). В дореволюционной России не существовало газовой промышленности в современном ее понимании. На промыслах Баку и Грозного вместе с нефтью в незначительных объёмах добывался нефтяной газ, который частично использовался для местных нужд, однако его основное количество выпускалось в атмосферу или сжигалось в факелах. Месторождения природного газа были неизвестны. По объёмам производства и применения газа дореволюционная Россия резко отставала от стран Западной Европы.
Компрессорный цех с ГПА является основным технологическим объектом КС. На КС может быть несколько компрессорных цехов с различными типами ГПА. Обычно число цехов на КС соответствует числу ниток магистральных газопроводов, которые подходят к КС. По мере прокладки новых ниток газопровода предусматривается строительство новых компрессорных цехов.
Проблема повышения надёжности магистральных трубопроводов, эксплуатируемых в сложных природно-климатических условиях, удалённость газопромысловых и компрессорных станций на головных участках газопроводов от развитых транспортных и энергосистем определяют особую актуальность решения проблемы обеспечения их бесперебойным электроснабжением. Структура, номенклатура электрооборудования и выбор источников электроэнергии систем энергоснабжения зависят от вида ГПА, установленных на КС.
 
1. Теоретическая часть
1.1. Основные задачи теории надежности, технического диагностирования и анализа риска.
Теория надежности – научная дисциплина, которая изучает закономерности сохранения во времени техническими системами свойства выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов и транспортирования. Основные задачи, которые изучает теория надёжности, следующие:
отказы технических систем (средств, систем);
критерии и количественные характеристики надёжности;
методы анализа и повышения надежности элементов и систем на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации;
методы испытания технических средств на надёжность;
методы оценки эффективности повышения надежности.
Техническое диагностирование – процесс определения технического состояния с определенной точностью. Система технического диагностирования в настоящее время решает следующие задачи:
Проверка исправности (работоспособности) технических систем, как в совокупности объектов, так и каждого объекта в действительности;
Обнаружение и поиск неисправного (неработоспособного) ФЭ с заданной глубиной;
Прогнозирование технического состояния;
Контроль правильности действий оператора или экипажа при эксплуатации;
Информирование оператора о возникновении технических состояний, влияющих на безопасность использования и эффективность применения;
Реконфигурация структуры технической системы в случае обнаружения отказа;
Накопление и обобщение статистических данных в интересах совершенствования системы эксплуатации и ремонта.
Анализ риска или риск-анализ – процесс идентификации опасностей и оценки риска для отдельных лиц, групп населения, объектов, окружающей среды и других объектов рассмотрения.
Задачи анализа риска:
Задача определения допустимого уровня риска, стандартов безопасности обслуживающего персонала, населения и защиты окружающей среды;
Определение допустимого уровня риска происходит в условиях недостаточной или непроверенной информации, особенно когда это касается новых технологических процессов или новой техники;
Решение в ходе анализа вероятностных задач, что может привести к существенным расхождениям в получаемых результатах;
Анализ риска рассматривается как процесс решения многокритериальных задач, которые могут возникнуть как компромисс между сторонами, заинтересованными в определенных результатах анализа.
1.2 Принципы расчёта структурной схемы
Система с последовательным соединением элементов.
В такой системе отказ любого элемента равносилен отказу системы в целом.



Пусть в качестве показателя безотказности для каждого элемента задана вероятность безотказной работы Ri(t), i=1,N.
Вероятность безотказной работы системы за время t есть R(t)=p(τ>t)
Это условие эквивалентно тому, что каждый элемент из N элементов проработает безотказно (τ > t), что можно представить как вероятность совместного события: P(τ > t) = P(τ1 > t, τ2 > t,…, τN > t).
Так как отказы каждого из элементов возникает независимо друг от друга, то совместная вероятность независимых событий есть произведение вероятностей этих событий, поэтому R(t)= ∏_(i=1)^N▒〖Ri(t).〗
При практических расчётах наиболее часто в качестве показателя безопасности используют λ – характеристики. Тогда R(t)= ∏_(i=1)^N▒e^(-∫_0^t▒〖λi(τ)dτ〗)
В частном случае, характерном для периода нормальной эксплуатации, λi(t)=λi, i=1,N, откуда R(t) = ∏_(i=1)^N▒e^(-λi t) = e-λt
где λ= ∑_(i=1)^N▒λi – интенсивность отказа всей системы.
Функция распределения времени безотказной работы системы при последовательном соединении элементов остаётся экспоненциальной, если для каждого элемента эта функция также была экспоненциальной. Для среднего времени безотказной работы имеем: Т0=∫_0^∞▒R(t)dt=1/(∑_(i=1)^N▒λi)
Что даёт простую схему вычислений этой характеристики для системы по известным значениям интенсивностей отказов для составления ее элементов.
Система с параллельным соединением элементов.
Элементы в системе по надёжности соединены параллельно, если отказ системы наступает при отказе всех составляющих её элементов. Схема соединения в этом случае имеет вид:



∅ ∅
.
.
.



Пусть в качестве показателя безотказности для каждого элемента задана вероятность безотказной работы Ri(t),i=1,N.
Тогда вероятность отказа i-го элемента Qi(t)=1-Ri(t).
Вероятность отказа системы Qc(t)=∏_(i=1)^N▒〖Qi(t)〗, а вероятность безотказной работы системы R(t)=1- Qc(t)=1-∏_(i=1)^N▒〖Qi(t)〗=1-∏_(i=1)^N▒〖[1-〗 Ri(t)].
Тогда для нормального периода эксплуатации R(t)=1-(1-е-λit).
В частном случае, если λi=λ, имеем R(t)=1- [1-е-λt]N,
откуда видно, что при параллельном соединении элементов по надёжности функция распределения времени безотказной работы системы не является экспоненциальной даже при условии, что для каждого элемента эта функция была экспоненциальной.
Для среднего времени безотказной работы системы имеем
Т0=∫_0^∞▒〖R(t)dt=∫_0^∞▒〖[1-(1-e〗〗-λt)N]dt= 1/λ (1+ 1/2 + 1/3 + 1/4+…+ 1/N)

 
1.3 Расчеты показателей диагностической модели
Принцип метода поиска неисправностей последовательного типа заключается в следующем: элементарные проверки осуществляются в определённом порядке, обработка информации в интересах принятия решения о месте неисправности осуществляется непосредственно после каждой элементарной проверки. Пусть имеется система, содержащая N произвольно соединённых между собой функциональных элементов. Присвоим каждому из N элементов порядковый номер j=1, 2, ..., N. Каждый ФЭ характеризуется параметром Хj (или их набором), измерение которого (которых) позволяет сделать вывод о виде технического состояния этого ФЭ. Такое разбиение системы на ФЭ и введение параметров Xj по существу означает, что сформирована диагностическая модель.
Метод последовательного поиска неисправностей реализуется с помощью соответствующих алгоритмов последовательного типа (ПТ), структура которых определяется в зависимости от выбранной целевой функции или показателя. По величине охвата проверками функциональных элементов алгоритмы ПТ делятся на одиночные и групповые. В первом случае элементарной проверке подвергается каждый функциональный элемент, в другом – группа элементов. Рассмотрим эти алгоритмы подробнее.
Введём ряд предположений и допущений: 1) в момент построения схемы поиска техническое состояние всей системы с вероятностью единица классифицируется как неработоспособное и обусловлено неработоспособным состоянием только одного из ФЭ; 2) за время проверок дополнительные отказы не возникают; 3) при проверках ФЭ техническое состояние каждого из них классифицируется правильно с вероятностью единица и не зависит от технического состояния других ФЭ.




 
1.4 Этапы анализа риска. Особенность построения «дерева событий» и «дерева отказов»
Процесс проведения анализа риска включает следующие основные этапы:
планирование и организация работ;
идентификация опасностей;
оценка риска;
разработка рекомендаций по уменьшению риска.
Особенность построения «дерева отказов»
Тщательному анализу причин отказов и выработке мероприятий, наиболее эффективных для их устранения, способствует построению «дерево отказов» и неработоспособных состояний. Такой анализ проводят для каждого периода функционирования, каждой части или системы в целом.
«Дерево отказов» (аварий, происшествий, последствий, нежелательных событий, несчастных случаев и т.д.) лежит в основе логико-вероятностной модели причинно-следственных связей отказов системы с отказами её элементов и другими событиями (воздействиями); при анализе возникновения отказа состоит из последовательностей и комбинаций нарушении и неисправностей, и таким образом оно представляет многоуровневую графологическую структуру причинных взаимосвязей, полученных в результате прослеживания опасных ситуаций в обратном порядке, для того чтобы отыскать возможные причины их возникновения.
Главное преимущество дерева отказов (по сравнению с другими методами) заключается в том, что анализ ограничивается выявлением только тех элементов системы и событий, которые приводят к данному конкретному отказу системы или аварии.
Особенность построения дерева событий.
«Дерево событий» – алгоритм рассмотрения событий, исходящих от основного события (аварийной ситуации).
«Дерево событий» используется для определения и анализа последовательности (вариантов) развития авария аварии, включающей сложные взаимодействия между техническими системами обеспечения безопасности. Вероятность каждого сценария развития аварийной ситуации рассчитывается путём умножения вероятности основного события на вероятность конечного события. При его построении используется прямая логика. Все значения Р очень малы.
При построении дерева событий выполняется правило: верхняя ветвь соответствует желательному событию («успех»), нижняя – нежелательному («отказ»).




2. Расчетная часть
2.1 Условия работоспособности
Объект - компрессорная станция по работе с сжиженным природным газом (без учёта изначально введённого резервного газоперерабатывающего агрегата) при условии работы одной из групп нагнетателей.
Принцип работы компрессорной станции по работе с сжиженным природным газом. Обвязка КС содержит входной и выходной трубопроводы с охранными кранами А и В, кран К20 для подключения и отключения КС, входной кран К7, отключающие краны К8, К8а и обратные клапаны на выходе рабочих групп нагнетателей, сбросные свечи с кранами К17, К18, К18а.