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

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).

Рис. 4. График концентраций выбрасываемых загрязняющих веществ в атмосферу 2 трубой МСЗ №3 за указанный период.

В европейских странах устанавливаются квоты на выброс загрязнителей из трубы каждой установки в единицах концентрации (мг/куб. м) или мощности выброса (г/с). Так, Директива Европейского Парламента и Совета Европы по сжиганию отходов № 2000/76/ЕС от 4 декабря 2000 г. следующим образом нормирует предельные нормы выброса в воздух (таблица 2):

Таблица 2.Предельные нормы выброса загрязняющих веществ в воздух

Совокупное воздействие загрязнения атмосферного воздуха и загрязнения воздуха внутри жилых помещений ежегодно приводит к 7 млн. случаев преждевременной смерти, главным образом, в результате увеличения смертности от инсульта, болезней сердца, хронической обструктивной болезни легких, рака легких и острых респираторных инфекций. Более 8 0% людей, проживающих в городских районах, где ведется мониторинг качества воздуха, подвержены воздействию загрязнения воздуха, по своему уровню превышающего предельные значения, установленные в руководствах ВОЗ [10].

Проведен расчет максимального значения приземной концентрации вредного вещества по методике, изложенной в ОНД-86. Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества Стах (мг/м³) определялось по формуле:

где А - коэффициент температурной стратификации, А=180; М - мощность выброса вредного вещества, г/с; F- коэффициент оседания вредных веществ, F=1; mи n- коэффициенты, учитывающие условия выхода газо-воздушной смеси из устья источника выброса; - коэффициент рельефа местности, п =1; Н - высота источника выброса, H=63м; V - расход газо-воздушной смеси, м3/ч; Т - разность между температурами выбрасываемой газо-воздушной смеси и воздуха.

Был рассчитан потенциальный канцерогенный риск начала развития хронических заболеваний при использовании этих максимальных приземных концентрации загрязняющих веществ (по результатам их рассеивания) на границе расчетной СЗЗ (15 м) в долях ПДКм.р при переработке ТКО (твердых коммунальных отходов) на МСЗ № 3, плазменным методом, а также определяются для сравнения фоновые концентрации для таких выбросов как NO2, SO2, CO, выбросы неорганической пыли, хлористого водорода по формуле:

где: С - средняя суточная концентрация вредного вещества; ПДКсс- предельно допустимая концентрация среднесуточная; K3-коэффициент запаса, равный 7,5 для 1 класса опасности, 6 - для 2 класса, 4,5 - для 3 класса и 3,0 - для 4 класса опасности; b - коэффициент изоэффективности, равный 2,4 для 1 класса, 1,31 - для 2 класса, 1,0 - для 3 класса и 0,86 - для 4 класса опасности; T - время средней продолжительности человеческой жизни (70 лет). На рис. 5, 6 представлены результаты расчетов.

Рис. 5. Риск начала развития хронических заболеваний.

Рис.6. Сравнительный анализ рисков мусороперерабатывающих предприятий

Основой и исходными данными для последующего прогнозирования качественных оценок воздушного слоя служат наблюдения по сети автоматизированных станций. Обнаружение фактов высоких концентраций вредных выбросов и их своевременное предупреждение в совокупности с прогнозированием потенциального возникновения этих негативных явлений - основная цель регулярного мониторинга. И если для создания базы данных не требуется, как правило, специально разработанных софт-пакетов (небольшой объем данных для исследователя может быть сохранен в том же MSExel, для баз данных большего объёма уже требуются специальные программы - Orange, Power BI, NodeXLи др...), то для осуществления прогнозирования используются математические модели, наиболее распространенные из которых - статистическая модель Arimax, содержащая зависимость будущего значения от прошлого в виде некоторого уравнения. Ансамблевый прогноз, Модель ПЛАВ, Модель GFS. GlobalForecastSystem(Глобальная Система Прогнозирования). Модель COSMO, содержащаяся в таких прикладных пакетах программ, как Loginom6.4. Low-codeплатформа Loginomделает продвинутую аналитику доступной бизнес-пользователям. Визуальный конструктор позволяет настроить все процессы анализа: интеграция, подготовка данных, моделирование, визуализация. Loginomсокращает время от тестирования гипотезы до создания работающего бизнес-процесса.

Таким образом, количество выбросов постоянно растет и очевидно, что ни одна технология сама по себе проблемы ТКО не решит. И МСЗ, и полигоны являются источниками выбросов полиароматических углеводородов, диоксинов и других опасных веществ. Эффективность технологий можно рассматривать лишь в общей цепочке жизненного цикла предметы потребления - отходы. Проекты МСЗ, на борьбу с которыми общественные экологические организации потратили много сил, в нынешней экономической ситуации еще долго могут так и оставаться проектами. С целью дальнейшего сокращения загрязнения окружающей среды отходами и экономии природных ресурсов за счет использования отходов, необходимо разработать и внедрить целевую программу "Отходы" с основными направлениями:

- проведение паспортизации отходов любого природопользователя с четким определением их опасности и сертификации.

- создание необходимых условий для сокращения объемов образования отходов, повышение уровня их использования и предотвращения на этой основе загрязнения окружающей среды, путем совершенствования правовых, экономических) организационно-управленческих, нормативно-методических и других регуляторов образования, использования и размещения отходов.

- использование существующего промышленного потенциала округов для переработки образования отходов, участие в финансировании программ, направленных на снижение образования отходов, их переработки.

Учитывая полученные результаты расчёта риска начала развития хронических заболеваний от МСЗ № 3, становится ясным, что техногенную опасность со стороны нефтеперерабатывающих и нефтехимических объектов следует учитывать при разработке технологий, которые должны отвечать стратегическим требованиям энергетической, экономической и экологической безопасности.

Продукты переработки углеводородных систем в процессе их использования оказывают серьезное влияние на качество жизни человека. Так, например, выбросы в атмосферу от автотранспорта сегодня составляют до 80% от общего загрязнения и в значительной степени зависят от качества применяемых топлив. После ряда аварий в ядерной энергетике и других потенциальных опасных отраслях промышленности было осознано, что бытовавшая ранее «концепция техники безопасности», опирающаяся на принцип «реагировать и выправлять», не отвечает требованиям времени. Так как само общество заботится о снижении ущерба от опасных и вредных производственных факторов путем внедрения соответствующих мер и средств защиты. Такой подход ориентирован на источник опасности, основным методом обеспечения и совершенствования безопасности служит метод проб и ошибок.

Пассивность и сосредоточение внимания лишь на эмпирических данных поставили соответствующих специалистов в положение пожарной команды, лихорадочно реагирующей на кризисные ситуации. Вот почему выходом из создавшегося положения стала выдвинутая новая «концепция приемлемого риска», в основе которой лежит принцип «предвидеть и предупреждать». Она основывается на знании природы объективно существующих опасностей, закономерностях появления и снижения обусловленного ими ущерба. Система безопасности должна быть ориентирована на объекты, подвергающиеся воздействию, т.е. на человека и окружающую среду, а не на источник.

Для объективного решения проблемы уменьшения тяжести последствии аварий (снижения вероятности реализации поражающего потенциала современных промышленных объектов и рациональной подготовки к действиям в ЧС) необходимо заранее оценивать опасность количественно. При этом, очевидно, методы количественной оценки потенциальной опасности промышленных объектов должны быть, по возможности, чувствительны к организационным и инженерно-техническим мероприятиям по снижению опасности.

Любая технология несет определенный риск для окружающей среды и общества, который нельзя игнорировать. Особенно важен тщательный анализ рисков для новых технологий, возникающих не в результате «эволюционного» развития, а в результате качественного скачка в науке и возникновением разрыва между новыми знаниями и предыдущим опытом.

Наука о риске сформировалась в последней четверти закончившегося века, она безусловно будет одной из ведущих в новом столетии. Важнейшая особенность науки о риске - ее междисциплинарный характер с теснейшем взаимодействием естественных и гуманитарных наук.

Главная цель анализа риска состоит в снижении его до приемлемого уровня. Важно принимать во внимание следующие тезисы, учитывающие жесткость регулирования:

1. Любой риск, который можно устранить, не создавая при этом дополнительных или новых рисков, является неприемлемым и должен быть предотвращен или сведен к минимуму риска возникновения чрезвычайной ситуации, а также ее последствий.

2. Если риск устранить нельзя - то его надо оценить и разработать эффективные способы его снижения и контроля. Отсюда следует принципиальный вывод -- важнейшим элементом анализа риска оказывается идентификация опасности, где создается концептуальная модель (без четко сформулированной опасности или в ее отсутствие риска нет).

Применительно к чрезвычайным ситуациям в качестве идеализированной цели управления выступает обеспечение управления развития общества при условии его полной безопасности для здоровья и жизни людей. Как и всякий идеал, данная цель принципиально недостижима: определенная степень риска всегда присутствует, однако ее практическая ценность состоит в том, что она (цель) закономерно вытекает из объективной потребности общества к сохранению целостности и динамической устойчивости как биосоциальной системы. В то же время мера продвижения этой системы к идеалу в реальном масштабе времени, равно как и средства их достижения, выбираются обществом, исходя из конкретных экологических, культурно-исторических и социально-экономических условий. Это определяет тип управления.

В настоящее время в России осуществляется переход от регистрации совершившегося факта к осознанию необходимости использования методов анализа опасности для предварительного исследования технических систем и объектов повышенного риска с целью предотвращения аварий. Однако исследования риска как научное направление находится пока лишь в стадии становления, и существующий в стране научный базис анализа риска не адекватен потребностям развития общества.

Анализ должен охватывать все этапы - от создания до «захоронения» исчерпавшей себя технологии, вплоть до устранения вредных последствий ее использования.

Следует отметить, что промышленные объекты гражданского предназначения с точки зрения предлагаемой математической теории отличаются от гражданских лишь качественными характеристиками (указать какими - там в разы больше взрывчатых веществ или этих углеводородов - Вам же лучше известно или там новые параметры появляются по опасности.

Как сообщает министерство обороны РФ, мусороперерабатывающие заводы в Вооруженных силах России в первую очередь могут появиться в отдаленных и труднодоступных гарнизонах, эта идея не связана с утилизацией боеприпасов и военной техники, и будут отличаться от гражданских только степенью техногенной опасности и усиленной охраной. Кроме того, министр обороны РФ С.К. Шойгу сообщил, что в скором времени будет запущена программа по строительству мусороперерабатывающих заводов в воинских частях. "Целый ряд гарнизонов находятся в удаленных регионах, соответственно, вопросы жизнеобеспечения, экологии должны решать военные. В этом плане, например, для арктических подразделений и подразделений, расположенных в труднодоступных местах, решение вопроса с экологией, включая и переработку твердых бытовых отходов, это нормальная естественная практика" (цитата). Он напомнил, что последние несколько лет Минобороны провело ряд экологических экспедиций по сбору, утилизации мусора и различных конструкций, которые оставались на островах Арктики еще со времен Советского Союза.

Таким образом, расчеты рисков и их динамики для промышленных гражданских объектов легко переносимы на военные объекты с небольшими корректировками по ряду количественных и качественных показателей.

В связи с возникновением трудноразрешимых проблем санитарного характера как при захоронении на полигонах, так и в случаях компостирования и повторного использования в качестве оптимального способа, позволяющего почти полностью уничтожать отходы, количество которых из года в год увеличивается, было предложено мусоросжигание.

Вместе с тем, исследования, выполненные с учётом потенциальной возможности использования ТКО в качестве энергоносителя, имеющийся практический опыт показывают, что сжигание является наиболее доступной и эффективной технологией переработки отходов, особенно перспективной для реализации в городах с большой численностью населения, высокоразвитых промышленных зонах, а также в крупных зонах отдыха и курортных районах. Сказанное подтверждается успешным опытом работы, например, экологически чистого мусоросжигательного завода, размещенного в центре жилой и курортной зоны в Монако [11].

Все термические методы переработки отходов являются экологически безопасными при соблюдении технологических норм и при использовании современных методов газоочистки. Эффективность термической переработки ТКО определяется составом отходов, технологией процесса, степенью подготовки отходов к сжиганию и стабилизацией их состава, режимом процесса, технологией автоматизации процесса.

Поскольку сжигание ТКО является эффективным способом обезвреживания отходов, необходимо определить оптимальное место мусоросжигания в системе комплексной переработки ТКО. Очевидно, что сжиганию следует подвергать не всю образующуюся массу ТКО, а преимущественно их горячую, достаточно усреднённую фракцию, что существенно снизит вредное влияние газовых выбросов на окружающую среду, уменьшит потребную производительность печей и позволит выделить ценные компоненты ТКО для использования в качестве вторичного сырья.

Основная тенденция развития мусоросжигания - переход от прямого сжигания ТКО к оптимизированному сжиганию выделенной из ТКО горючей (топливной) фракции и переход от сжигания как процесса ликвидации ТКО к сжиганию как процессу, обеспечивающему, наряду с обезвреживанием отходов, получение тепловой и электрической энергии. Один из перспективных путей решения проблемы ТКО в городах - обезвреживание отходов термическими методами на специальных заводах. Как показывают проведенные расчеты рисков в это случае использование классической схемы утилизации с современными инженерными тенденциями существенно минимизирует последствия потенциальных техногенных рисков.

Список используемой литературы

2. Белов П.Г. Управление рисками, системный анализ и моделирование: учебник и практикум для бакалавриата и магистратуры / П. Г. Белов. -- М.: Издательство Юрайт, 2014. -- 728 с. -- Серия: Бакалавр и магистр. Академический курс.

3. Акимов В.А. и др. Надежность технических систем и техногенный риск. - М.: ЗАО ФИД «Деловой экспресс», 2002, 368 с.

4. Кузьмин И.И., Махутов Н.А., Хетагуров С.В. Безопасность и риск: эколого - экономические аспекты. Спб.: изд-во Сп.ГУЭиФ, 1997, 164с.

5. Вайсман Я.И. Тенденции и перспективы управления твердыми бытовыми отходами на урбанизированных территориях //Вестник Пермского государственного технического университета. Урбанистика. - 2011. - № 1. - С. 81-99.

6. Бернадинер И.М., Ковальчук А.А. Утилизация твердых бытовых отходов методом паровоздушной газификации // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. - 2014. - № 2 (14). - С. 81-96.

7. Что нам делать с мусором: пример Швеции: сайт Варламова [Электронный ресурс]. https://varlamov.ru/3386005.html(дата обращения: 11.01.2022)

8. Систер В.Г., Воронина В.Э., Тарчигина Н.Ф. Процессы переработки твёрдых промышленных отходов. - М.: Мосполитех, 2019. -156 с.

9. Генчиков А.В. ВКР, Мосполитех, Москва, 2019 г.

10. Глобальные рекомендации ВОЗ по качеству воздуха (22.09.2021) Вопросы и ответы [Электронный ресурс]. https://www.who.mt/rn/news-room/questions-and- answers/item/who-global-air-quality-guidelines(датаобращения: 11.01.2022).

11. Утилизация отходов в Монако в центре дискуссий: Горячие новости (28.03.2019) [Электронный ресурс]. https://www.hellomonaco.ru/vkurse/novosti/utilizatsiya-othodov-v-monako-v- tsentre-diskussij/(дата обращения: 11.01.2022).

Размещено на Allbest.ru