Виды отказов систем газоснабжения

Виды отказов систем газоснабжения.

Отказы элементов  газовых  могут быть разделены  на две неравные группы. Первую группу составляют внезапные отказы, вторую — постепенные. К внезапным отказам  следует отнести такие крупные  повреждения элементов систем, которые  вызывают необходимость немедленного отключения участка. При установлении места такого повреждения сразу  выявляют участок сети, который должен быть отключен, извещают всех потребителей, присоединенных к этому участку, о прекращении подачи им газа и  участок отключают от газовой  сети. К внезапным отказам могут  привести и менее серьезные повреждения, если они расположены вблизи жилых  и общественных зданий, при этом есть опасность попадания вытекающего  газа в эти здания.  
Повреждения линзовых компенсаторов и конденсатосборников приводят к необходимости отключения участка газопровода, поэтому параметр потока отказов этих повреждений должен быть приплюсован к параметру со газопроводов. Считая, что задвижки с компенсаторами устанавливают примерно через 3 км, а конденсатосборники через 2 км, к параметру потока отказов следует прибавить добавку, 11(км-год).

Работа элемента системы газоснабжения представляется следующим образом. Элемент работает до отказа. После отказа его выключают  из системы, ремонтируют (заменяют) и  вновь включают в работу. В любой  момент времени t элемент может находиться или в состоянии исправности, или в состоянии отказа. Последовательность отказов элемента во времени составляет поток отказов. Поток отказов  характеризуется параметром потока отказов со, который является аналогом интенсивности отказов к. Для  потоков отказов ординарных и  не имеющих последействия эти  понятия совпадают.  
Современный уровень строительства, контроля качества строительно-монтажных работ, а также эксплуатации газовых сетей обеспечивает весьма малую величину параметра потока отказов. Малая вероятность отказов газовых сетей является также следствием простоты их конструкций и статического режима работы, при котором они не несут предусмотренных расчетом знакопеременных и инерционных нагрузок.  Отказы возникают при случайном совпадении повышенных нагрузок на ослабленных элементах, поэтому отказ является случайным и редким событием. Случайные отказы элементов системы газоснабжения относят к простейшему потоку случайных событий или однородному процессу Пуассона. Такие процессы характеризуются стационарностью, отсутствием последействия и ординарностью. Покажем, что эти условия выполняются и для систем газоснабжения.

Стационарности  отвечает такой поток случайных  событий, когда вероятность наступления  определенного их числа на заданном промежутке времени зависит от длительности рассматриваемого промежутка, но не зависит  от его сдвига на ту или иную величину по оси времени. В процессе эксплуатации параметр потока отказов элементов  систем газоснабжения сохраняется  примерно постоянным. Следовательно, число  отказов пропорционально рассматриваемому промежутку времени и не зависит  от его сдвига в пределах времени  эксплуатации. Таким образом, элементы системы газоснабжения обладают свойством стационарности. Если элемент  характеризуется отсутствием последействия, то это значит, что отказы возникают  независимо друг от друга. Распределительные  газопроводы проектируют таким  образом, чтобы разрыв одного участка  газопровода не мог послужить  причиной повреждения другого. При  выключении из работы параллельного, кольцующего  участка или оборудования расходы  газа через другие участки возрастают, но при этом давление в городской  сети не увеличивается, поэтому не увеличивается  и нагрузка на трубу. Из изложенного  следует, что системы газоснабжения  не имеют последействия. Ординарностью  обладают такие системы, у которых  практически невозможно появление  двух или нескольких отказов за малый  промежуток времени. Системы газоснабжения  обладают свойством ординарности.  
Для элементов систем газоснабжения время наработки на отказ несоизмеримо больше среднего времени ремонта (примерно на четыре порядка), поэтому коэффициент готовности практически равен единице и не используется для оценки надежности элементов газовых сетей.

Системы газоснабжения  — ремонтируемые системы. Поэтому  они характеризуются ремонтопригодностью  — свойством, заключающимся в  приспособленности системы к  предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем  проведения технического обслуживания и ремонтов. Основным показателем  ремонтопригодности системы газоснабжения  является время восстановления отказавшего  элемента. 
Для возможности оценки надежности системы прежде всего необходимо точно сформулировать понятие отказа элемента, рассмотреть физические и вероятностные условия возникновения отказов. Вообще отказ элемента — это нарушение его работоспособности, для восстановления которой необходим ремонт с отключением элемента из системы. Однако не всякое отключение элемента приводит к отказу системы. Если отключение произвести в период спада нагрузки, в нерабочие дни промышленных предприятий, тогда это отключение не скажется на газоснабжении потребителей. Поэтому под отказом элемента исходя из условий работоспособности системы будем понимать внезапный отказ, когда необходимо срочное отключение элемента. Такой отказ приведет к нарушению работы системы, к материальному и моральному ущербу.

Как уже было сказано  По своему характеру отказы газовых объектов делятся на две группы: аварии и неисправности.

 По тяжести последствий  отказы подразделяются на четыре  категории:

I - аварии, приведшие к поражениям объектов других ведомств и окружающей среды, нанесшие народнохозяйственный ущерб, и аварии, повлекшие за собой несчастный случай с особо тяжелыми последствиями (с числом погибших 5 и более человек);

II - аварии, приведшие к поражениям соседних газовых объектов, нанесшие значительный внутриотраслевой ущерб, и аварии, повлекшие за собой групповой несчастный случай с числом погибших 2-4 человека;

III - аварии, вызванные разрушениями отдельных узлов объекта, как повлекшие, так и не повлекшие за собой несчастный случай;

IV - частичные потери работоспособности элементами (узлами) газовых объектов (неисправности).

 Первичная информация  об обнаружении отказа, поступившая  от патрульного, производственного  персонала или посторонних лиц,  должна быть немедленно и полностью  зафиксирована в оперативном  журнале производственного подразделения  (ЛПУ, СПХГ, ГПУ, УДТГ, ОПС и др.).

По получении первичной  информации диспетчер (сменный инженер) должен немедленно известить об обнаружении  отказа руководителей подразделения  и аварийно-восстановительной или  ремонтной службы, диспетчерскую  службу производственного объединения, а при необходимости - пожарную команду  и газоспасательную службу, и принять  меры по получению оперативной (уточненной) информации о категории, возможной  причине и степени опасности  развития отказа для газового объекта, сооружений других ведомств и окружающей среды.

 Оперативная информация  об отказе любой категории  по поступлении немедленно должна  быть зафиксирована в оперативном  журнале производственного подразделения  и сообщена диспетчерской службе  производственного объединения  и контролирующей районной инспекции  государственного газового надзора.

При возникновении в результате отказа опасности, угрожающей объектам, зданиям и сооружениям других ведомств и окружающей среде, оперативная  информация о возможности развития отказа, кроме того, должна быть немедленно передана организациям-владельцам этих зданий и сооружений, а также соответствующим  советским и хозяйственным органам.

Оперативная информация об отказе по поступлении от производственного  подразделения должна быть зафиксирована  диспетчерской службой объединения  в оперативном журнале и сообщена руководителям объединения.

 Оперативная информация  о характере и последствиях  аварий всех категорий, полученная  диспетчерской службой производственного  объединения, должна быть немедленно  передана по подчиненности соответствующим  службам и руководителям вышестоящих  органов.

Системы газоснабжения  обладают рядом особенностей функционирования, отказов, восстановления, учет которых в “надежностных” моделях анализа требует применения (и развития) практически всех основных методов теории надежности, а также методов моделирования эффективности газоснабжения при условии существования отказов приводящих к снижению производительности системы газоснабжения. Так, при возникновении отказов на магистральных газопроводах (МГ) и/или компрессорных станциях (КС) функционирование всей системы газоснабжения продолжается, но с пониженными уровнями эффективности газоснабжения. Более того, некоторые виды и наборы отказов приводят к возникновению аварийных событий, когда процессы восстановления уже заключаются не столько в восстановлении отказавшего оборудования, сколько в устранении самой аварии и её последствий. Да и анализ эффективности функционирования всей системы газоснабжения при авариях может заключаться не только в учете неработающего оборудования. “Надежностные” модели для систем с несколькими уровнями эффективности функционирования, уровнями опасностей в литературе называют многоуровневыми.

Модели, применяемые  при исследованиях надежности систем, могут быть разделены на два класса:1) cтатические, в которых состояния системы определяются наборами работоспособных и неработоспособных элементов в момент времени t; 2) динамические, когда происходящие события, отказы рассматриваются как процессы, развивающиеся во времени.

В рамках статических  моделей анализ надежности проводится следующими методами: метод, использующий основные формулы теории вероятностей (вероятность суммы и произведения событий, формула полной вероятности) и комбинаторики; применяется, главным образом, для последовательно-параллельных, параллельно-последовательных структурных надежностных схем и схем «m из n»;методы, основанные на записи логических условий, интересующих исследователя функций через состояния элементов системы с последующим применением теории алгебры логики (логико-вероятностные методы, используемые в деревьях отказов, схемах функциональной целостности (СФЦ), блок-схемах надежности).

В рамках динамических моделей применяются: моделирование систем марковскими процессами;  методы теории восстановления, полумарковских и регенерирующих процессов (в основном,используются асимптотические результаты либо для системы в целом, либо для отдельных резервированных звеньев); статистическое имитационное моделирование (Монте Карло моделирование)

Классические статические  модели для восстанавливаемых систем позволяют рассчитывать лишь дифференциальные (мгновенные) показатели надежности, определяемые в момент времени t (коэффициент готовности, параметр потока отказов, средняя эффективность в момент времени t). Никаких особенностей функционирования, отказов, восстановления они не позволяют учитывать,а учитывают лишь структурное нагруженное резервирование, при независимости отказов, восстановления.

Динамические модели позволяют вычислять все основные показатели надежности невосстанавливаемых  и восстанавливаемых систем - мгновенные, интервальные (вероятность безотказной работы (отказа) на интервале времени), независящие от времени стационарные показатели (средняя наработка между отказами, среднее время простоя. . . ). Практически все основные особенности, приводящие к зависимостям в отказах, восстановлении могут быть отражены в динамических мо-

делях. Укажем на некоторые  из них, присущие для систем газоснабжения. Помимо многоуровневости функционирования и отказов, имеет место несовместность разных видов отказов элементов и системы, последовательность возникновения отказов разных видов, особенно при моделировании функционирования с учетом противоаварийных, блокировочных систем, произвольная нагруженность резерва в КС, временнoе резервирование, обусловленное, например, наличием промежуточных накопителей, ограничения на число ремонтных бригад, ЗИП. Конечно, не все эти особенностиобязательно требуется учитывать во всех случаях выполнения проектных работ. Так, при обосновании инвестиций, эскизном проектировании возможен укрупненный “надежностный” анализ с использованием классических логико-вероятностных методов. Задача адекватного моделирования надежности систем сложной структуры, к которым относятся системы газоснабжения, решается только с помощью специализированных программных средств. Причем для преодоления катастрофического роста размерности модели, необходимо проводить декомпозицию системы (структурную, логическую). Для оценки характеристик надежности частей системы, выделяемых при декомпозиции, может потребоваться применение различных расчетных методов. Среди методов оценки показателей надежности систем наиболее адекватны по поставленным задачам методы теории марковских процессов, статистического имитационного моделирования. Эти методы хорошо проработаны и покрывают большинство задач анализа надежности, дополняя друг друга с точки зрения учета специфических факторов надежностной модели. Аналитические марковские модели надежности являются более предпочтительным выбором при анализе высоконадежных систем. Однако здесь возникают известные проблемы размерности (рост пространства состояний модели и связей между состояниями). Вычислительные мощности современных компьютеров позволяют решить часть проблемы, связанную со сложностью численного решения систем дифференциальных и алгебраических уравнений большой размерности, порождаемых марковскими графами. Однако другая (эргономическая) часть этой проблемы, а именно, трудность входного описания модели и определения ее параметров человеком, остается. В самом деле, быстродействие, объемы оперативной памяти, средства динамического распределения памяти, присутствующие в современных языках программирования,

• позволяют легко решать системы уравнений с тысячами и более неизвестных даже на современных персональных компьютерах и ноутбуках, не говоря уже о крупномасштабных специализированных вычислительных кластерах. Для человека же построение марковского графа с тысячью вершин является чрезвычайно трудной задачей. Здесь не помогают даже самые совершенные графические редакторы, внедренные в современное ПО анализа надежности (Relex, Isograph. . . ). Более компактным и менее трудоемким способом задания моделей надежности являются схемы функциональной целостности (СФЦ) и деревья отказов (ДО). Возможность представления в деревьях отказов и в схемах функциональной целостности интересующего вершинного события через промежуточные чрезвычайно существенна. Во-первых, критерии отказа системы (возникновения вершинных событий), как правило, формулируются в терминах промежуточных событий. Во-вторых, промежуточные события описывают состояние выделенных при структурной декомпозиции блоков (совокупностей элементов) системы. Рассматривая промежуточное событие в качестве конечного (для конкретного блока), можно, последовательно применяя правила построения деревьев отказов, в конечном счете, добраться до первичных (базовых) событий, каковыми являются, например, отказы элементов системы. Таким образом, имеется, по сути, возможность иерархического описания и построения модели возникновения отказов системы, наиболее выгодной в смысле трудоемкости (уход от полных переборов, присущих, например, марковским моделям) и снижения размерности задачи. Однако классические (статические) деревья отказов, имеющие только три вида логических операторов И, ИЛИ, НЕ и являющиеся визуальной интерпретацией логико-вероятностных методов, не позволяют в полной мере учесть перечисленные особенности “надежностного поведения” сложных систем. В этом случае может быть предложен подход, основанный на агрегировании статических и динами-ческих моделей при использовании мнемоники ДО. Этот подход и был использован при анализе надежности газоснабжения потребителей природного газа на объектах, проектируемых в ОАО «ГИПРОГАЗЦЕНТР». Работы выполнялись на программном комплексе моделирования надежности и безопасности Relex Reliability Studio 2007 (США). Интегрированный многомодульный программный комплекс Relex содержит модули деревьев отказов, деревьев событий, блок-схем надежности, модуль марковского моделирования, модуль прогнозирования показателей безотказности электронных и механических средств (элементов модели), причем имеется база данных для электронного и механического оборудования, модуль анализа видов и последствий отказов и др. Практически все модули сопрягаемы и, в частности, базовое событие в дереве отказов может быть смоделировано марковским процессом. Так, при анализе газопровода, имеющего кольцевую топологию, сравнивались два варианта с различными диаметрами газопроводов. Для трех КС на «кольце» и пяти КС, подводящих газ к «кольцу» были построены марковские модели, учитывающие многоуровневость функционирования, ненагруженное резервирование, ограничение на число ремонтных бригад. Уровни эффективности функционирования при отказах определялись гидравлическими расчетами. Для полученных уровней строились деревья отказов, учитывающие возможные состояния КС и отказы газопроводов. Правда, учитывались только безаварийные события отказов элементов (т.е. не рассматривались возможные взрывы, пожары, часто возникающие при разрывах трубопроводов). Принципиально такие события могут быть учтены, но необходимы хотя бы согласованные исходные данные. Для моделирования было построено порядка 50 деревьев отказов, и это только для однократных и некоторых двукратных отказов. Отказами большей кратности пренебрегали, и была сделана оценка вероятности всех неучтенных кратных отказов.