Статья: Использование математических методов обработки данных при сравнительном анализе динамического техногенного риска промышленных объектов

Использование математических методов обработки данных при сравнительном анализе динамического техногенного риска промышленных объектов

Воронина В.Э.,

Богданов В.В.

Генчиков А.В.

Аннотация

В работе дается обзор математических методов обработки данных, используемых при сравнительном анализе динамического технологического риска промышленных объектов; проведен расчёт рисков на тестовой модели мусороперерабатывающего предприятия по открытым данным Росстата. Показана возможность транспонирования используемых математических методов с гражданских промышленных объектов на военные.

Ключевые слова: энергоэнтропийная концепция, энергопотребление, техногенная опасность, промышленный объект, динамический технологический риск.

Annotation

The paper provides an overview of the mathematical methods of data processing used in the comparative analysis of the dynamic technological risk of industrial facilities; the calculation of risks was carried out on a test model of a waste recycling enterprise according to open data from Rosstat. The possibility of transposition of the used mathematical methods from civil industrial facilities to military ones is shown.

Key words: energy-entropic concept, energy consumption, technogenic hazard, industrial facility, dynamic technological risk.

Техногенная опасность и основные положения теории риска

Для обоснования и оценки техногенной опасности существует энерго - энтропийная концепция, сущность которой кратко сформулирована в следующих пунктах:

1. Энергопотребление - выработка, хранение и преобразование энергии (механической, электрической, химической и других) - технологический процесс, постоянно связанный с техногенной опасностью.

2. Техногенная опасность - нежелательное высвобождение накопленных потенциалов и их разрушительное распространение в виде соответствующих потоков.

3. Сопровождение внезапных нежелательных выбросов потоков энергии и вещества техногенными происшествиями - гибелью людей, повреждениями техники и/или природной среды.

4. Данные происшествия являются результатом потери управления энергомассообменом, потоки которого разрушительно влияют на людей, оборудование и внешнюю среду.

Указанные предпосылки, приводящие к трагическим происшествиям, подразделяются на ошибочные действия людей, отказы технологического оборудования и неблагоприятные воздействия на них извне. Эмпирические данные подтверждают рассматриваемую энергоэнтропийную концепцию, т.е. все известные техногенные происшествия обусловлены разрушительным высвобождением энергии и вредных веществ

Г оворя о техногенных опасностях и основных положениях теории риска, уместно привести следующие аксиомы о потенциальной опасности технических систем [1, стр. 67]:

Аксиома 1. Любая техническая система потенциально опасна.

Аксиома 2. Техногенные опасности существуют, если повседневные потоки вещества, энергии и информации в техносфере превышают пороговые значения.

Аксиома 3. Источниками техногенных опасностей являются элементы техносферы.

Аксиома 4. Техногенные опасности действуют в пространстве и во времени. Аксиома 5. Техногенные опасности оказывают негативное воздействие на человека, природную среду и элементы техносферы одновременно.

Аксиома 6. Техногенные опасности ухудшают здоровье людей, приводят к травмам, материальным потерям и к деградации природной среды.

Методы оценки риска технологий безопасности и управление риском

Опасность - это последствие воздействия негативных (опасных и вредных) факторов на конкретный объект (предмет) или процесс и является вероятностной категорией.

При определенных обстоятельствах вероятность возникновения опасности при осуществлении совокупности некоторых событий H₁, H₂, H_n может быть выражена с помощью формулы полной вероятности

где P(G\Hi)-условная вероятность опасности G, P(Hi) - вероятность этого события.

Категория «риск» является производной от понятий "опасность" и "уязвимость". Оно характеризует утрату объектом (субъектом) устойчивости (защищенности) к оказываемому на него неблагоприятному воздействию [2, стр. 16]. Риск предполагает, во-первых, существование источника опасности; во-вторых, его воздействие на данный объект; в-третьих, недостаточная защищенность (уязвимость) этого объекта к такому воздействию. Таким образом, наличие опасности и уязвимости является необходимым и достаточным условием возникновения риска; схема формирования риска от внешней опасности приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема формирования риска от внешней опасности

Кроме того, риск - количественная мера опасности с учетом ее последствий, проявления которых приносят ущерб (экономический, социальный, экологический и др.). Чем больше ожидаемый ущерб, тем значительнее риск и вероятность проявления соответствующей опасности:

где: Р - вероятность опасности события или процесса, W- магнитуда ожидаемого ущерба, R- риск.

Технический риск - комплексный показатель надежности элементов техносферы. Он определяет вероятность аварии или катастрофы при эксплуатации машин, механизмов, реализации технологических процессов, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений:

где: R_T- технический риск; АТ - число аварий в единицу времени (t) на идентичных технических системах и объектах; Т - число идентичных технических систем и объектов, подверженных общему фактору риска (f). (t- единица времени; f - фактор риска.)

Прежде чем перейти к конкретным примерам оценки динамического риска по вышеуказанным формулам и построению математических моделей, уместно привести некоторые основные моменты методики оценки рисков.

При разработке проблем риска и обеспечении безопасности технических систем самое пристальное внимание уделяется системному подходу к учету и изучению разнообразных факторов, влияющих на показатели риска,именуемому оценкой риска. Оценка риска включает анализ частоты, анализ последствий и их сочетаний [3, 4].

С точки зрения системного подхода выделяются три направления:

1) безопасность (надежность) технологических систем, включая аварийные ситуации;

2) воздействие токсичного загрязнения на здоровье человека и окружающую среду;

3) восприятие риска людьми (экспертами, рядовыми гражданами, общественностью.

Существует четыре разных подхода к оценке риска [5, 6]:

• Инженерный - опирается на статистику поломок и аварий, на вероятностный анализ безопасности (ВАБ);

• Модельный - через построение моделей воздействия вредных факторов на человека и окружающую среду;

• Экспертный - через опрос опытных экспертов;

• Социологический - исследуется отношение населения к различным видам риска.

Имеется много неопределенностей, связанных с оценкой риска. Анализ неопределенностей - необходимая составная часть оценки риска. Различают следующие виды анализа.

Количественный анализ риска (КАР) -- это универсальным метод определения показателя эксплуатационных возможностей относительно данного уровня безопасности или заданной цели. Метод используется в ядерной и химической промышленности США и Европы. В России метод КАР в наиболее развитом виде применяется в ядерной энергетике и известен как ВАБ - вероятностный анализ безопасности.

Метод КАР рассматривает все возможные случаи (аварии) из-за какой- либо деятельности и оценивает вероятность или частоту каждого такого события и связанные с ними последствия через количество несчастных случаев. Полученная информация затем может быть суммирована и представлена в удобном виде. Классическая схема количественной оценки рисков представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема количественной оценки риска

Анализ рисков заключается в выявления факторов рисков, определения их значимости, далее осуществляется анализ и прогноз вероятности нежелательных событий, и их влияния на осуществления заданных целей.

Как правило, вероятность возникновения события и последующее построение модели определяется по имеющимся статистическим данным, для определения вероятности последствий используются объективный и субъективный методы.

При сравнительном анализе динамического технологического риска в различных регионах РФ серьезная проблема возникает приобращения с отходами производств, твердых коммунальных отходах (ТКО) и их переработкой. В настоящее время опыт Европейских стран показывает, что уже сейчас ТКО можно перерабатывать практически на 100 %. Такой показатель - свыше 99% - был зафиксирован, например, в Швеции осенью 2014 г., где менее 1 % мусора вывозится на полигон для захоронения [7]. Швеция является признанным лидером по переработке ТКО в электроэнергию. В стране сейчас 98,6 % отходов поступают в переработку и на производство электроэнергии. Для всего остального мусора действует следующий алгоритм: из отходов отбирается вторсырье, пригодное для переработки, затем -- сырье для получения энергии. Электростанции на основе сжигания отходов работают путем загрузки мусором печей, сжигая который, получает пар, используемый для вращения генератора турбины, производящий электроэнергию. Затем это электричество направляется в национальную сеть и распределяется по всей стране. Полученная из мусора электроэнергия «питает» миллион шведских домохозяйств, а тепло отапливает 300 тыс. квартир и частных домов. В настоящее время в Швеции функционирует 32 завода по переработке отходов в тепловую и электроэнергию. За счет комплексного управления отходами, поступление мусора на полигоны за 15 лет снизилось до 1,4 %. Объем энергии, полученной из отходов, вырос до 48,8 %. Попавшие на полигоны отходы - это, зола, полученная после пережигания мусора, переработанного в тепло и электричество. В стране широко применяется система «депозитов», когда в цену продукции закладывается стоимость ее утилизации. Относительно экологической безопасности опыт Швеции показывает, что, несмотря на рост в течение последних лет объемов коммунальных отходов, выброс диоксинов в атмосферу с мусоросжигательных заводов составляет всего 5 - 6% от всех выбросов.

Из-за отсутствия в атмосфере биотических факторов, самоочистка протекает медленно, к тому же атмосфера является наиболее чувствительной (по сравнению с гидросферой и литосферой) составляющей экосферы, поэтому необходима и настоятельна на государственном уровне оценка состояния и устойчивости атмосферы посредством технологий мониторинга и прогнозирования [8].

В качестве примера далее рассмотрена отечественная динамика выбросов загрязняющих веществ МСЗ№3 (мусоросжигательного завода г.

Москвы) за пять лет (2013-18 гг.) с использованием стационарных (данные ГПБУ «Мосэкомониторинг») и мобильных газоанализаторов на уровне выбросной трубы и общеобменной вентиляции (основных источников выбросов) на основании открытых источников Росстата. Характеристики источников загрязнения атмосферы представлены в таблице 1.

Таблица 1.Выбросы загрязняющих веществ МСЗ №3

Содержание в отходящих газах компонентов, представляющих опасность для окружающей среды, определяется как исходным составом перерабатываемых отходов, так и условиями их переработки. Например, концентрация хлористого и фтористого водорода, оксидов серы напрямую зависит от содержания хлора, фтора и серы в отходах, тогда как концентрация оксидов азота и углерода, углеводородов определяется температурой процессов, наличием избыточного кислорода и другими технологическими условиями.

В соответствии с ограничением по приему на переработку ТКО, содержащих серу и хлор (ионообменные смолы, пластикат, резина), можно принять, что максимальное содержание элементарных серы и хлора ограничено величиной 1 масс. % для каждого элемента.

На основе вышеприведённых статистических данных по МСЗ №3, были построены графики средних концентраций, из зарегистрированных в очищенных дымовых газах линии №1 перед дымовой трубой, мг/Нм³ и линии №2 перед дымовой трубой, а также их совокупные выбросы с 1.01.2013 по 31.12.2018 [9].

Из графиков (рис.3,4) видно, что количество выбрасываемых дымовых газов практически не изменяется во времени.

Рис. 3. График концентраций выбрасываемых загрязняющих веществ в атмосферу трубой №1 МСЗ №3 с 1.01.2013 по 31.12.2018.

В Российской Федерации основным принципом нормирования выбросов вредных химических веществ является обеспечение предельно-допустимых концентраций (в воздухе рабочей зоны, максимальных разовых и среднесуточных) в приземном слое атмосферы после рассеяния факела выбросной трубы и с учетом фоновых концентраций загрязнителя (ГН 2.2.5.1313-03).