Методологические аспекты анализа пожаровзрывобезопасности и экономичности котельных установок промышленного предприятия

Вестник Челябинского государственного университета.

2018. № 7 (417). Экономические науки. Вып. 61. С. 192—199.

УДК 331.45

ББК 65.246.95

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ АНАЛИЗА ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ И ЭКОНОМИЧНОСТИ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

К. Ш. Ямалетдинова, А. И. Щелчкова, Л. Ф. Хасанова2, А. Р. ГалеевО^, О. Г. Мартынов^, С. Т. Рахманова, Р. И. Ахметшин2

1 Челябинский государственный университет, Челябинск, Россия 2 Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа, Россия

Согласно концепции устойчивого экономического и экологического развития регионов РФ, решение экологических проблем является весьма актуальной задачей, так как концентрация промышленного производства отдельных регионов оказывает высокую нагрузку на экологию. Республика Башкортостан (РБ) характеризуется большим количеством потенциально опасных объектов, эксплуатирующих различные взрывопожароопасные установки. По статистическим данным известно, что примерно 80—85 % аварий в РБ сопровождаются взрывом и пожаром. В настоящей работе рассмотрены основные проблемы пожаровзрывобезопасности промышленных объектов на примере котельных установок и проведен их анализ с помощью графических методов, таких как диаграмма Парето, диаграмма Исикавы, круговая диаграмма, секторограмма и дерево событий. А также с помощью графических средств причинно-следственной диаграммы показаны затраты на эксплуатацию котельных установок.

Ключевые слова: устойчивое развитие региона, экологическая безопасность, пожаровзрывобезо-пасность, затраты на эксплуатацию, котельная установка, диаграмма Парето, диаграмма Исикавы.

Одним из актуальных трендов устойчивого развития страны является концепция устойчивого развития региона, предполагающая реализацию программ как устойчивого социального развития, так и устойчивого экономического и экологического развития.

Политика любого региона охватывает многообразные сферы управленческих, экономических и экологических отношений [8—11]. К ним относят: отношения собственности, финансово-кредитную, налогово-бюджетную системы; организационно-управленческие, производственно-экономические отношения; природопользование и др. Наиболее подробно аспекты управленческих решений, влияющих на развитие регионов, изложены в работе В. И. Бархатова, Д. А. Плетнева, З. С. Биткуловой [12].

Совокупность отношений обеспечивает устойчивое развитие, которое должно характеризоваться прежде всего экономической эффективностью, экологической безопасностью и социальной справедливостью. Экономика, не демонтирующая биосферу, то есть поддерживающая экосистему, — одна из главных задач обеспечения гарантированного устойчивого развития региона.

Реализация концепции экономического и экологического развития в условиях отдельно взя-

того региона вошла в повестку Экономического форума «Зауралье-2018» (9—10 июня 2018 г.), на котором глава Башкортостана Р. З. Хамитов обозначил основные тенденции развития данной проблемы.

Применяя идею концепции устойчивого развития региона к Республике Башкортостан, необходимо учитывать такие ее особенности, как подверженность территории различным стихийным геологическим процессам, значительная концентрация промышленного производства и, следовательно, высокая нагрузка на ее экологию. РБ входит в группу субъектов РФ имеющих первую степень опасности по возникновению чрезвычайных ситуаций и возможному их воздействию на население и территорию. Около 50 % населения РБ находится в потенциальных зонах ЧС. РБ характеризуется большим количеством потенциально опасных объектов, использующих взрыво-, пожаро- и химически опасные вещества.

В 2017 г., по данным Главного управления МЧС России по Республике Башкортостан, в республике зафиксировано семь чрезвычайных ситуаций. Для населения и территории РБ наибольшую опасность представляют техногенные ЧС.

Основные источники таких ЧС — это аварии на опасных производственных объектах раз-

личных отраслей промышленности региона. Наибольшую опасность представляют предприятия, расположенные в городах Уфа, Стерлитамак, Салават, Мелеуз.

Подавляющее большинство опасных производственных объектов нефтегазодобычи и переработки, ТЭЦ, котельных и прочего являются по-жаровзрывоопасными.

Рассмотрим аспект пожаровзрывоопасности промышленного предприятия, эксплуатирующего котельные установки.

Среди систем теплоснабжения котельные остаются самым востребованным вариантом получения энергии и тепла. Одновременно котельные согласно действующим нормам закона относятся к опасным производственным объектам, требующим повышенного внимания к обслуживанию и эксплуатации.

Аварийные ситуации могут возникать по различным причинам, однако основными являются: низкое качество монтажа и ремонта оборудования, коррозия, сбои в системе автоматизации, ошибки персонала, внешние факторы и др. Также одной из главных опасностей при возникновении аварийных ситуаций в котельных является

разгерметизация или повреждение газопровода с утечкой взрывоопасного газа и последующим взрывом образующегося облака парогазовоздуш-ной смеси.

Как правило, взрывы и пожары возникают вследствие искр, которые, в свою очередь, появляются в результате взаимодействия и трения частиц топлива (газа) с металлами и твердыми частицами грунтовой поверхности. Такие аварии принято приравнивать к чрезвычайным ситуациям, поскольку они могут повлечь за собой человеческие жертвы, значительные материальные убытки, нарушения жизнедеятельности людей, а также нанести глобальный ущерб окружающей среде.

В России эксплуатируется более 70 000 паровых и водогрейных котлов. Статистические данные, представленные на рис. 1 в виде структурной секторной диаграммы, свидетельствуют о том, что из этого общего количества больше половины котельных действуют на газе, треть — на дизельном топливе, 10 % — комбинированные и не более 5 % — твердотопливные [1].

Технические характеристики различных видов котельных представлены в табл. 1 [2].

Комбинированные 10%

Твердотопливные 5%

Жидкотопливные

31%

Газовые 54%

Рис. 1. Котельные установки в зависимости от вида применяемого топлива

Технические характеристики различных видов котельных

Таблица 1

Вид установки Характеристики

Мощность, кВт КПД, % Рабочее давление, бар Температура теплоносителя, °С Гидравлическое со-противление, МПа Расход топлива, м3/ч Цена за 1 кВт мощности, р. Цена оборудования, тыс. р.

Газовая 2000 94 6 115 0,01 236 0,5 737

Комбинированная 2000 97 6 100 0,03 200 3,3 802,6

Жидкотопливная 2000 90 5 110 0,0002 245 2,8 456

Твердотопливная 2000 83 36 200 0,07 294 0,9 650

Для сравнения технических характеристик различных видов котельных установок хорошо применить секторограмму, представляющую собой, по сути, многомерную радиальную диаграмму, в которой следует провести столько осей, сколько рассматривается параметров. Для каждого типа значений создается своя собственная ось, со своей шкалой и градуировкой, которая исходит из центра диаграммы.

Численные значения параметров, соответствующие данному виду котельной установки, соединяются одной замкнутой ломаной. Таких замкнутых ломаных на диаграмме будет столько, сколько рассматривается типов.

Для наглядной оценки характеристик рассматриваемых видов котельных установок построим секторограмму (рис. 2), позволяющую сравнить их числовые показатели.

Проанализировав полученную секторограмму, можно сделать следующие выводы.

Наиболее эффективными и экономичными являются газовые котельные установки, так как при высокой мощности и КПД, сравнительно низком гидравлическом сопротивлении затраты на установку и эксплуатацию остаются невелики.

Мощность, кВт

Приведем основные виды затрат на эксплуатацию котельных установок с помощью причинно-следственной диаграммы Исикавы (рис. 3), которая является графическим изображением, в сжатой форме и логической последовательности распределяющим причины явления. Как показано выше, применение газовых котельных установок является наиболее целесообразным, поскольку другие котельные установки уступают им по многим параметрам. Однако широкое использование природного газа в котельных может привести к аварийным ситуациям. Аварии газовых котельных, по статистике, являются наиболее частыми техногенными чрезвычайными ситуациями [3].

Определено, что аварийные ситуации в котельных чаще всего связаны с утечкой природного газа вследствие разгерметизации газопровода. Для анализа причины ЧС, связанной с разгерметизацией газопровода в котельной предприятия N построена диаграмма Исикавы, представленная на рис. 4.

Основная цель применения диаграммы Исикавы в данном случае — выявить влияние факторов на процесс разгерметизации газопровода в котельной установке на всех уровнях. Главным достоинством ее является то, что она

Расход топлива, м3/ч

Стоимость 1 кВт, р.

Температура теплоносителя, °С

Гидравлическое сопротивление, МПа

за Рабочее давление, бар

Газовые

Жидкотопливные

- Комбинированные

- Твердотопливные

Цена оборудования, тыс. р.

КПД, %

Рис. 2. Секторограмма сравнительных характеристик различных видов котельных установок

Стоимость топлива

Рис. 3. Диаграмма Исикавы, иллюстрирующая основные виды затрат на эксплуатацию котельных установок

Внешнее факторы

Ошибки оператора

Сбой в системе автоматизации

Рис. 4. Комплексное влияние факторов на разгерметизацию газопровода в котельной установке

дает наглядное представление не только о тех факторах, которые влияют на рассматриваемый процесс разгерметизации, но и о причинно-следственных связях этих факторов.

Для решения и представления основных проблем, приводящих к разгерметизации,

диаграмма Шсикаъы дополнена диаграммой Парето (рис. 5), позволяющей выявить основные причины, с которых нужно начинать решать проблему.

Диаграмма Парето основана на статистических данных, представленных в табл. 2 [4].

30

120 %

25

30

100 %

80 %

60 %

40 %

20 %

0

Механические Взрывы Коррозия Разрывы Повреждения

повреждения топлива сварных в результате

газопровода швов природных явлений

Количество случаев, раз/год —• Накопленный итог, %

Рис. 5. Диаграмма Парето по типам причин разгерметизации газопровода в котельной установке

Таблица 2

Статистические данные по типам причинразгерметизации газопровода в котельной установке

Проблема Количество случаев, раз/год Накопленный итог, кол-во случаев Накопленный итог, %

Механические повреждения газопровода 25 25 52

Взрывы топлива 12 37 77

Коррозия 6 43 90

Разрывы сварных швов 3 46 97

Повреждения в результате природных 1 47 100

явлений

Как видно из диаграммы, первые две проблемы возникли примерно в 77 % случаях. Диаграмма Парето в данном формате высвечивает ключевые области и помогает группам установить приоритеты в своей деятельности.

Для определения, анализа и графического представления вариантов развития аварии используется «дерево событий», которое представлено на рис. 6.

На основе «дерева событий» произведен расчет вероятности возникновения наиболее опасного и вероятного сценария развития ЧС. По результатам расчета вероятность возникновения наиболее опасного сценария развития ЧС — взрыв парогазового облака — составила 0,610-4 год-1, вероятность возникновения наиболее вероятного сценария развития ЧС — рассеивание парогазового облака — составила 0,7 • 10-4 год-1 [5].

Таким образом, возможности графического анализа и представления проблемы пожаровзры-вобезопасности промышленного предприятия N эксплуатирующего котельные установки, в настоящей работе были выражены в виде построения таких диаграмм, как круговая диаграмма, секторограмма, диаграмма Исикавы и диаграмма Парето. Экономичность эксплуатации котельной установки также представлена в виде диаграммы Исикавы. Полученные диаграммы позволяют наглядно и в полном объеме понять проблему, что в дальнейшем поможет найти пути ее решения [6—9]. Представление данных в графическом виде позволяет решать самые разнообразные задачи, что является одним из основных достоинств графических возможностей анализа какой-либо проблемы.

вспышка)

Рис. 6. Разработка сценариев развития ЧС в котельной установке с помощью «дерева событий»

Спи соклитературы

1. Лыкова, А. И. Анализ опасностей при эксплуатации городских котельных / А. И. Лыкова, Е. В. Яковлева // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки : сб. ст. по материалам XXX междунар. студенч. науч.-практ. конф. — 2015. — № 3 (29). — С. 178—182.

2. Технический каталог котельного оборудования «LAVART». — Омск, 2014. — 75 с.

3. Гостева, А. В. Прогнозирование чрезвычайных ситуаций на магистральных газопроводах на основе результатов анализа риска / А. В. Гостева, Е. В. Глебова, А. Н. Черноплёков // Нефть, газ и бизнес. — 2009. — № 9. — С. 68—70.

4. Сравнительный анализ статистических данных по аварийности на магистральных трубопроводах в России и в Западной Европе / В. В. Кузнецов, A. A. Ляпин, P. E. Монахов, C. B. Шавкин // Нефть, газ и бизнес. — 2007. — № 12. — С. 49—56.

5. Лисанов, М. В. Анализ риска и декларирование безопасности объектов нефтяной и газовой промышленности / М. В. Лисанов, А. С. Печеркин, В. И. Сидоров // Сертификация и безопасность оборудования. — 1998. — № 1. — С. 37—41.

6. Графические особенности анализа ветроэнергопотенциала региона / В. В. Галиакберов, О. Г. Мартынова, Р. И. Ахметшин, С. Т. Рахманова // Сборник материалов VII Международной научно-практической конференции «Современные тенденции развития науки и производства». Т. 2. — Кемерово : ЗапСиб НЦ, 2017. — С. 99—104.

7. Графические особенности анализа экономической эффективности энергии ветра / К. Ш. Ямалетди-нова, В В. Галиакберов, О. Г. Мартынова, С. Т. Рахманова, Р. И. Ахметшин // Вестн. Челяб. гос. ун-та. — 2018. — № 3 (413). — С. 149—156.

8. Графический анализ аварийных ситуаций на опасных производственных объектах / К. Ш. Ямалет-динова, И. С. Алексеев, Э. Р. Тазитдинов [и др.] // Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике : материалы VII Междунар. науч.-практ. конф. (Уфа, 2—3 апр. 2018 г.). Ч. 1. — Уфа : РИЦ БашГУ, 2018. — С. 44—49.

9. Моделирование экологических ЧС, вызванных загрязнением водных объектов / И. Ю. Кияшко, Л. Ю. Кияшко, А. Н. Елизарьев [и др.] // Успехи соврем. естествознания. — 2016. — № 2. — С. 159—163.

10. Плетнев, Д. А. Теория корпорации: опыт системно-институционального исследования : монография : в 2 ч. Ч. 1 / Д. А. Плетнев. — Челябинск : Изд-во Челяб. гос. ун-та, 2013. — 260 с.

11. Плетнев, Д. А. Теория корпорации: опыт системно-институционального исследования : монография : в 2 ч. Ч. 2 / Д. А. Плетнев. — Челябинск : Изд-во Челяб. гос. ун-та, 2013. — 252 с.

12. Бархатов, В. И. К вопросу об идеологии, методологии и технологиях разработки управленческих решений в российских корпорациях / В. И. Бархатов, Д. А. Плетнев, З. С. Биткулова // Вестн. Челяб. гос. ун-та. — 2013. — № 32 (323). — С. 69—76.

Сведения об авторах

Ямалетдинова Клара Шаиховна — доктор технических наук, профессор Челябинского государственного университета, Челябинск, Россия. clara-yk@yandex.ru

Щелчкова Анастасия Игоревна — магистрантка Уфимского государственного авиационного технического университета, Уфа, Россия. Kulborisowanastya@yandex.ru

Галеева Алина Рифкатовна — магистрантка Уфимского государственного авиационного технического университета, Уфа, Россия. galeeva-alina@list.ru

Хасанова Лейсян Флюровна — магистрантка Уфимского государственного авиационного технического университета, Уфа, Россия. lesyaonelesya@gmail.com

Мартынова Ольга Галиевна — кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования машин и ме -ханизмов Уфимского государственного авиационного технического университета, Уфа, Россия. olgamar07@ mail.ru

Рахманова Светлана Талгатовна — старший преподаватель кафедры конструирования машин и механизмов Уфимского государственного авиационного технического университета, Уфа, Россия. raxm.sveta@mail.ru

Ахметшин Рустам Ильясович — старший преподаватель кафедры конструирования машин и механизмов Уфимского государственного авиационного технического университета, Уфа, Россия. ahmetshin@bk.ru.

Bulletin of Chelyabinsk State University.

2018. No. 7 (417). Economic Sciences. Iss. 61. Pp. 192—199.

METHODOLOGICAL ASPECTS OF FIRE AND EXPLOSION SAFETY ANALYSIS AND EFFICIENCY OF INDUSTRIAL BOILER PLANTS

K.Sh. Yamaletdinova

Chelyabinsk State University, Chelyabinsk, Russia. clara-yk@yandex.ru

A.I. Shchelchkova

Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia, Kulborisowanastya@yandex.ru

A.R. Galeeva

Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia. galeeva-alina@list.ru

L.F. Khasanova

Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia. lesyaonelesya@gmail.com

O.G. Martynova

Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia. olgamar07@mail.ru

S.T. Rakhmanova

Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia. raxm.sveta@mail.ru

R.I. Akhmetshin

Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia. ahmetshin@bk.ru

According to the concept of sustainable economic and environmental development of the regions of the Russian Federation, the solution of environmental problems is very relevant, concentration of industrial production of individual regions exerts a high burden on the environment. The Republic of Bashkortostan (the Republic

of Bashkortostan) is characterized by a large number of potentially dangerous facilities that operate various explosive and fire hazardous installations. According to statistics, it is known that approximately 80—85 % of accidents in the Republic of Bashkortostan are accompanied by an explosion and a fire. In this paper, the main problems of fire and explosion safety of industrial facilities are considered using the example of boiler plants and their analysis is performed using graphical methods such as Pareto diagram, Ishikawa diagram, pie chart, pie chart and event tree. And also with the help of graphical means of the cause-effect diagram shows the cost of operation of boiler plants.

Keywords: sustainable development of the region, environmental safety, fire and explosion safety, operating costs, boiler plant, Pareto chart, Ishikawa diagram.

References

1. Lykova A.I. Analiz opasnostey pri ekspluatatsii gorodskikh kotel'nykh [Analysis of hazards in operation of city boiler houses]. Nauchnoye soobshchestvo studentovXXIstoletiya. Tekhnicheskiye nauki [Scientific community of students of the XXI century. Technical sciences], 2015, no. 3 (29), pp. 178—182. (In Russ.).

2. Tekhnicheskiy katalog kotel'nogo oborudovaniya "LAVART" [Technical catalogue of boiler equipment "LAVART"]. Omsk, 2014. 75 p. (In Russ.).

3. Gosteva A.V. Prognozirovaniye chrezvychaynykh situatsiy na magistral'nykh gazoprovodakh na osnove rezul'tatov analiza riska [Forecasting emergency situations on main gas pipelines based on the results of a risk analysis]. Neft', gaz i biznes [Oil, Gas and Business], 2009, no. 9, pp. 68—70. (In Russ.).

4. Kuznetsov V.V Sravnitel'nyy analiz statisticheskikh dannykh po avariynosti na magistral'nykh trubo-provodakh v Rossii i v Zapadnoy Evrope [Comparative analysis of accident statistics on main pipelines in Russia and in Western Europe]. Neft', gaz i biznes [Oil, Gas and Business], 2007, no. 12, pp. 49—56. (In Russ.).

5. Lisanov M.V. Analiz riska i deklarirovaniye bezopasnosti ob''ektov neftyanoy i gazovoy promyshlennosti [Risk analysis and declaration of safety of oil and gas industry facilities]. Sertifikatsiya i bezopasnost' oborudovaniya [Certification and safety of equipment], 1998, no. 1, pp. 37—41. (In Russ.).

6. Galiakberov V.V. Graficheskiye osobennosti analiza vetroenergopotentsiala regiona [Graphical features of wind energy potential analysis of the region]. Sovremennye tendentsii razvitiya nauki i proizvodstva [Modern Trends in Development of Science and Production], 2017, vol. 2, pp. 99—104. (In Russ.).

7. Yamaletdinova K.Sh. Graficheskiye osobennosti analiza ekonomicheskoy effektivnosti energii vetra [Graphical features of the analysis of the economic efficiency of wind energy]. Vestnik Chelyabinskogo gosu-darstvennogo universiteta [Bulletin of Chelyabinsk State University], 2018, no. 3 (413), pp. 149—156. (In Russ.).

8. Yamaletdinova K. Sh. Graficheskiy analiz avariynykh situatsiy na opasnykh proizvodstvennykh ob''yektakh [Graphical analysis of emergencies at hazardous production facilities]. Innovatsii i naukoyemkiye tekhnologii v obrazovanii i ekonomike. Ch. 1 [Innovations and High Technologies in Education and Economics. Pt. 1]. Ufa, 2018. Pp. 44—49. (In Russ.).

9. Kiyashko I.Yu. Modelirovaniye ekologicheskikh ChS, vyzvannykh zagryazneniyem vodnykh ob''ektov [Modeling of environmental emergencies caused by pollution of water bodies]. Uspekhi sovremennogo yestest-voznaniya [The successes of modern natural science], 2016, no. 2, pp. 159—163. (In Russ.).

10. Pletnev D.A. Teoriyakorporatsii: opytsistemno-institutsional'nogo issledovaniya v 2 ch. Ch. 1 [Theory of corporations: the experience of system-institutional research in 2 pt. Pt. 1]. Chelyabinsk, 2013. 260 p. (In Russ.).

11. Pletnev D.A. Teoriya korporatsii: opyt sistemno-institutsional 'nogo issledovaniya v 2 ch. Ch. 2 [Theory of corporations: the experience of system-institutional research in 2 pt. Pt. 2]. Chelyabinsk, 2013. 252 p. (In Russ.).

12. Barkhatov V.I., Pletnev D.A., Bitkulova Z.S. K voprosu ob ideologii, metodologii i tekhnologiyakh raz-rabotki upravlencheskikh resheniy v rossiyskikh korporatsiyakh [On the issue of ideology, methodology and technologies for developing managerial decisions in Russian corporations]. Vestnik Chelyabinskogo gosudarst-vennogo universiteta [Bulletin of Chelyabinsk State University], 2013, no. 32 (323). Pp. 69—76. (In Russ.).