RIMASYS – THEORY GUIDE OBSAH 1. STRUČNÝ POPIS PROGRAMU 1.1. STRUKTURA PROGRAMU 1.1.1. Program pro PC 1.1.2. Program pro tablet 2. TEORETICKÉ PODKLADY 2.1. VÝPOČET RIZIKA 2.2. STUDIE NEBEZPEČÍ HAZOP A ÚROVNĚ BEZPEČNOSTI SIL 2.3. MATICE RIZIKA 2.4. FUZZY HODNOCENÍ LITERATURA
1. STRUČNÝ POPIS PROGRAMU Systém RIMaSys [4], [10], [12] vyvíjený ve firmě VÍTKOVICE ÚAM a.s. je software, který slouží ke sběru dat z prováděných kontrol a jejich vyhodnocení s využitím metod RBI. Systém zahrnuje aplikaci pro tablet a aplikaci pro PC. Obě aplikace musí mezi sebou komunikovat a přenášet potřebná data. Data, se kterými program pracuje, se ukládají do jedné souborové databáze v datové složce programu. Obě aplikace jsou zaměřeny na energetický komplex tepelné elektrárny Prunéřov II.
1.1. STRUKTURA PROGRAMU Systém RIMaSys má dvě samostatné části: - program pro PC (notebook) s operačním systémem Windows - program pro tablet (obecně zařízení s operačním systémem Android a dotykovou obrazovkou). Program pro tablet je jednodušší a pracuje s menším množstvím dat. Nejprve zajistí import dat o požadovaných kontrolách z PC. Hlavním úkolem je sběr dat výsledků kontrol a jejich případná úprava na místě kontroly. Nakonec provede export výsledků kontrol do PC. Program pro PC je mnohem složitější a pracuje s velkým množstvím dat. V první řadě definuje všechna zařízení, která mohou být kontrolována a dále všechny kontroly, které na nich mohou být prováděny. S tím souvisí zadání mnoha servisních dat, která se při definování zařízení a jejich kontrol používají. Dále zajišťuje export dat o požadovaných kontrolách do tabletu, import výsledků kontrol z tabletu, možnost prohlížení a dalšího zpracování dat importovaných z tabletu, získaných během prohlídek kontrolovaných komponent. S tím souvisí nastavení příslušných komunikačních parametrů PC a tabletu. Závěrečnou funkcí programu pro PC je vyhodnocení výsledného rizika dalšího provozu kontrolovaných komponent včetně zobrazení celé matice rizika. 1.1.1. Program pro PC Program RIMaSys pro PC umožňuje: - definování zařízení (tzn. kotlů) a kontrol, které se na nich provádějí. Spolu s tímto je nutné nadefinovat data (např. seznam fyzikálních jednotek, materiálů, parametrů kotle atd.), která se při definování zařízení a jejich kontrol používají. - export dat o požadovaných kontrolách do tabletu - import výsledků kontrol z tabletu - vyhodnocení kontrol Data, se kterými program pracuje, se ukládají do jedné souborové databáze v datové složce programu. Až do třetí verze programu se používala databáze typu MSSQL server. Od čtvrté verze programu se přešlo k použití databáze typu SQLite, která se ukázala jako výhodnější. Spuštění programu RIMaSys na PC se provede kliknutím na ikonu odkazující na soubor RIMaSys.exe.
1.1.2. Program pro tablet Tabletem se má na mysli v podstatě jakékoliv zařízení vybavené operačním systémem Android verze 4.4 a vyšší s dostatečně velkým touchscreenem. V praxi je vhodné i použití mobilních telefonů např. Samsung Galaxy. Program RIMaSys pro tablet umožňuje: - import dat o požadovaných kontrolách z PC - sběr dat výsledků kontrol a jejich případná úprava na místě kontroly (označení místa na fotografii, pořízení schematického náčrtu apod.) - export výsledků kontrol do PC Data, se kterými program v tabletu pracuje, se ukládají do jedné souborové databáze typu SQLite v datové složce programu. Spuštění programu RIMaSys na tabletu se provede klepnutím na ikonu aplikace RIMaSys.
2. TEORETICKÉ PODKLADY 2.1. VÝPOČET RIZIKA Program RIMaSys jako hlavní výstup projektu VG20132015109 [1] umožňuje ohodnocení míry rizika podle matematicky kvalifikovaného očekávání nebezpečí poruchy vybraných komponent klasické elektrárny Prunéřov II s využitím metody RBI [4]. Provozní inspekce při použití metody RBI se obecně zaměřují na nejvíce problematické konstrukční uzly zařízení, u kterých jsou intervaly inspekcí kratší než u méně problematických konstrukčních uzlů. Časové intervaly mezi kontrolami se stanovují na základě vyhodnocení rizik. Riziko R = pf * C se rovná součinu pravděpodobnosti vzniku nepříznivé události (Probability of Failure – PoF) a očekávané škody při vzniku nepříznivé události (Consequence of Failure – CoF). Spolehlivost ps = 1 – pf je pravděpodobnost, s jakou nedojde k nepříznivé události. Deterministicky je třeba v určitém časovém úseku (např. po celou dobu životnosti konstrukce) splnit podmínku spolehlivosti pf po , kde po je přijatelná (např. návrhová) hodnota pravděpodobnosti poruchy. Riziko se stanovuje při použití metody RBI vždy s ohledem na technický stav daného zařízení a předpokládanou rychlost degradace hlavního degradačního mechanismu. Podle způsobu výpočtu pravděpodobnosti rizika se metody RBI dělí na kvalitativní, kvantitativní a semi-kvantitativní. Největší počet komponent zařízení se hodnotí kvalitativním přístupem. Kvalitativní metodika RBI je založena na vizuálních prohlídkách a vyhodnocování pochůzkového programu. Sestavují se kontrolní listy, určí se kritická místa a vypracuje se pochůzkový formulář. Klasifikace stavu komponent zařízení při prohlídkách se obvykle „fuzzifikuje“ a riziko se vyhodnocuje podle matice rizika. Fuzzy analýza zohledňuje problémy spojené se subjektivitou hodnocení, a také neurčitostí, pokud je vyžadována přesná odpověď na neurčitou otázku. Kvantitativním přístupem se hodnotí, vzhledem k celkovému počtu komponent, nejmenší počet nejdůležitějších komponent zařízení. Komponenty střední důležitosti se hodnotí pomocí semi-kvantitativního přístupu. Obecně se předpokládá, že metoda RBI je vhodná pro všechny technologicky významné konstrukce. Původně se metoda RBI začala používat a dále se rozvíjela zejména pro uskladňovací nádrže na ropu, zařízení rafinerií a petrochemický průmysl. Zavádění metod RBI do chemického, energetického průmyslu a letectví vyplývá ze snahy o snížení ekonomických nákladů při zachování celkové bezpečnosti. Z norem a popisů metody RBI je znát původní orientace metody na ropný průmysl. Bližší podrobnosti lze nalézt v normách např. [13] a ve zprávách [4], [5].
2.2. STUDIE NEBEZPEČÍ HAZOP A ÚROVNĚ BEZPEČNOSTI SIL V rámci komplexní obnovy elektrárny Prunéřov II byly vypracovány pro vybrané celky elektrárny systematické bezpečnostní studie metodou HAZOP (Hazard and Operability Study). Studie HAZOP byly podkladem pro následné stanovení úrovně integrity bezpečnosti. Informace uvedené ve studiích jsou také využitelné jako podklady pro tvorbu systému RIMaSys. Výsledky studie HAZOP pro elektrárnu Prunéřov II využívá zpráva [3]. Studie je užitečná pro rozpoznání slabých míst systémů a lze ji také použít ke zkoumání nebezpečí a potenciálních problémů spojených s různými stavy daného systému jako jsou najíždění, běžný provoz, pohotovostní stav a nouzové odstavení.
Analýza HAZOP se zabývá rozpoznáváním možných odchylek od cíle projektu a potom se pokračuje ve dvou směrech. Hledají se potenciální příčiny odchylky a odvozují se následky odchylky. Rozpoznání odchylek se zjistí procesem kladení otázek s použitím předem stanovených vodících slov. Úspěch studie HAZOP velmi závisí na schopnosti a zkušenosti vedoucího studie a na znalostech a zkušenostech členů týmu a na jejich ovlivňování. Výsledná hodnota studie HAZOP závisí na úplnosti a přesnosti prezentace projektu včetně cíle projektu. Výstupem studie HAZOP jsou podrobnosti o rozpoznaných nebezpečích a problémech, doporučení pro další studie, opatření ohledně nejistot během studie, seznam členů týmu při každém jednání, seznam všech částí uvažovaných při analýze a jejich odůvodnění, seznam všech týmem použitých výkresů, tabulek a zpráv. Na konci studie má tým schválit závěrečnou zprávu o studii. Pro určení úrovně integrity bezpečnosti systémů a zařízení (Safety Integrity Level – SIL) [3] se sestavuje strukturovaný diagram rizika používající rizikové parametry. Na obrázku 2.1 je ukázán převzatý diagram rizika pro vybrané celky elektrárny Prunéřov II [3]. Stručný výpis výsledků klasifikace rizikových parametrů pro vybrané celky elektrárny Prunéřov II je uveden v [3]. Další podrobnosti jsou uvedeny ve zprávě [3].
Obr. 2.1 Diagram rizika pro vybrané celky EPR-II
2.3. MATICE RIZIKA Určení matice rizika pro případ kvalitativního hodnocení konstrukcí a kvalitativního způsobu hodnocení následků havárie spočívá v několika krocích [4], [9]. Nejprve je třeba vypočítat faktor pravděpodobnosti. Potřebné vstupní hodnoty se získají z vyplněného pochůzkového formuláře. Číselná hodnota faktoru pravděpodobnosti se
převede na třídu rozsahu pravděpodobnosti, která stanovuje míru pravděpodobnosti ohrožení (ztráty) integrity zařízení. Ukázka je uvedena v tabulce 2.1. Rozsah faktoru pravděpodobnosti může být pro různá zařízení odlišný (bude vycházet z rozsahu hodnocení pravděpodobnosti poruchy). Tab. 2.1 Třídy rozsahu pravděpodobnosti Faktor pravděpodobnosti Třídy rozsahu pravděpodobnosti ζ < 2,15
zanedbatelný
2,15 ≤ ζ < 2,5
nízký
2,5 ≤ ζ < 3
střední
ζ≥3
vysoký
Dále je třeba určit faktory ekonomických, bezpečnostních, ekologických následků. Jednotlivé faktory následků se převedou na odpovídající třídu následků, čímž se dostanou jednotlivě ekonomické, bezpečnostní a ekologické následky. Ukázka je uvedena v tabulce 2.2. Tab. 2.2 Třídy následků Faktor následků Třídy následků χ<2
zanedbatelné
2 ≤ χ < 2,5
nízké
2,5 ≤ χ < 3
střední
χ≥3
vysoké
Stanoví se celkové následky, které odpovídají nejvyšší dosažené třídě následků při hodnocení ekonomických, bezpečnostních a ekologických následků. Nakonec se na základě znalosti třídy pravděpodobnosti a třídy celkových následků sestaví matice rizika. Ukázka je uvedena v tabulce 2.3. Podle matice rizika lze stanovit riziko vyplývající z ohodnoceného technického stavu zařízení a možných následků z něho vyplývajících. Riziko se přitom stanovuje zvlášť pro každé zařízení.
Tab. 2.3 Matice rizika
Riziko
vysoká
nízké
vysoké
střední
nízké
střední
vysoké
extrémní
nízká
zanedbatelné
nízké
střední
vysoké
zanedbatelná zanedbatelné zanedbatelné
nízké
střední
zanedbatelná
střední
vysoká
extrémní extrémní
Třída pravděpodobnosti
Třída následků
nízká
Hodnoty, které může riziko nabývat, lze vysvětlit stupnicí od 1 do 5 odpovídající v podstatě prospěchovému hodnocení. Ukázka je uvedena v tabulce 2.4. Tab. 2.4 Stupně rizika Stupnice hodnocení rizika Slovně
Číselně
Popis stavu zařízení
extrémní
5
Zařízení v nevyhovujícím provozním stavu
vysoké
4
Zařízení v špatném provozním stavu
střední
3
Zařízení v dobrém provozním stavu
nízké
2
Zařízení v kvalitním provozním stavu
zanedbatelné
1
Zařízení v excelentním provozním stavu
Správné určení rizika je velmi závislé na zkušenosti hodnotitelů, kteří musí znát hodnocené zařízení z procesního i pevnostního hlediska. V praxi je běžné, že hodnocení není postaveno na schopnostech jedince, ale je vždy prací celého týmu, kde jsou zastoupeny všechny potřebné profese. Nabízí se možnost využití fuzzy přístupu hodnocení, kdy lze do jisté míry postihnout nejistoty, které při hodnocení technického stavu mohou nastat.
2.4. FUZZY HODNOCENÍ Významným ukazatelem spolehlivosti zařízení sledovaných v rámci bezpečnostního systému elektráren je pravděpodobnost poruchy.
Ve zprávě [7], která se věnuje pravděpodobnostnímu přístupu výpočtu poruchy zařízení, je pro výpočet pravděpodobnosti poruchy uvedeno několik přibližných simulačních a aproximačních metod. Základní simulační metodou je klasická metoda Monte Carlo. Simulační technika LHS (Latin Hypercube Sampling) patří do kategorie pokročilých simulačních metod a je speciálním typem numerické simulace Monte Carlo. Mezi aproximační metody patří metoda FORM (First Order Reliability Method) a SORM (Second Order Reliability Method). Další možností je použití metody plochy odezvy RSM (Response Surface Method). Podrobněji je popsána aproximační metoda plochy odezvy v kombinaci s umělou neuronovou sítí (artificial neural network based response surface method, ANN-RSM) a stochastickou simulační metodou LHS pracující s malým počtem simulací. Uvedenou kombinací lze dosáhnout velké časové úspory při vyčíslení požadovaných ukazatelů spolehlivosti. Další podrobnosti lze najít ve zprávě [7]. Ve zprávě [8], která se zabývá fuzzy přístupem výpočtu poruchy zařízení, je popsán výpočet pravděpodobnosti poruchy pomocí fuzzy funkcí využitelných pro kvalitativní přístup inspekce. Fuzzy analýza pravděpodobnosti poruchy zahrnuje sestavení matice možností poruchy, vytvoření matice funkcí příslušnosti, získání vektoru funkcí příslušnosti, určení vektoru výsledků možnosti poruchy a konečně výpočet vektoru pravděpodobnosti poruchy. Výsledkem je pravděpodobnost poruchy ve tvaru, který ji umožňuje vyhodnocovat stochastickými metodami. Pravděpodobnost poruchy je stanovena s použitím vstupních informací obdržených metodami inspekce a údržby a dalších nedestruktivních metod diagnostického sledování životnosti. Rozhodnutí o spolehlivosti či nespolehlivosti každého zařízení se stanoví porovnáním obdržených pravděpodobností poruchy s cílovými hodnotami. S využitím vypočítaných hodnot pravděpodobností poruch jednotlivých zařízení lze ohodnotit riziko jako násobek pravděpodobnosti poruchy a očekávaných ekonomických následků. Další detaily jsou uvedeny ve zprávě [8].
LITERATURA [1] Smlouva o poskytnutí účelové podpory na řešení projektu výzkumu, vývoje a inovací s názvem „Zvýšení prevence proti závažným haváriím energetických celků pomocí metod inspekce a údržby založených na základě rizika ve spojení s metodami diagnostického sledování životnosti“, VG20132015109, uzavřená mezi smluvními stranami Česká republika-Ministerstvo vnitra a VÍTKOVICE ÚAM a.s., č.j. MV-14543-5/OBVV-2013. [2] Ramík Z.: Projekt č. VG20132015109, Elektrárna Prunéřov II, zpráva VÍTKOVICE ÚAM a.s., arch. č. V3030/13, prosinec 2013. [3] Ramík Z.: Projekt č. VG20132015109, Etapa 1.1 Klasifikace zařízení z hlediska jejich rizikovosti, zpráva VÍTKOVICE ÚAM a.s., arch. č. V3051/13, prosinec 2013. [4] Gottvald J., Stoniš J., Ryšavý P., Vejvoda S., Kala Z.: Projekt č. VG20132015109, Etapa 1.2 Kvalitativní klasifikace následků pro výpočet rizika 1, Etapa 1.5 Vytvoření a analýza vhodnosti užití fuzzy funkcí, Etapa 1.6 Kvantifikace následků pro výpočet rizika 1, Etapa 1.8 Vytvoření mobilní aplikace pro provádění vizuální inspekce, zpráva VÍTKOVICE ÚAM a.s., arch. č. V3053/13, prosinec 2013. [5] Ramík Z.: Projekt č. VG20132015109, Etapa 2.1 Kvalitativní klasifikace následků pro výpočet rizika 2, zpráva VÍTKOVICE ÚAM a.s., arch. č. V3079/14, červenec 2014. [6] Halamíček Z., Fiala L., Míček R.: Projekt č. VG20132015109, zpráva VÍTKOVICE POWER ENGINEERING a. s., arch. č. TZ-804.6-031, říjen 2014. [7] Lehký D.: Projekt č. VG20132015109, Etapa 2.4 Pravděpodobnostní přístup výpočtu poruchy zařízení, zpráva FAST VUT Brno, prosinec 2014. [8] Kala Z.: Projekt č. VG20132015109, Etapa 2.9 Zavedení fuzzy funkcí pro kvalitativní přístup inspekce, zpráva FAST VUT Brno, prosinec 2014. [9] Janošťák J., Stoniš J., Ramík Z.: Projekt č. VG20132015109, Etapa 2.2 Kvantifikace následků pro výpočet rizika 2, Etapa 2.3 Kvantitativní popis degradačních mechanismů, Etapa 2.7 Vytvoření klasifikace pro kvalitativní přístup inspekce, Etapa 2.8 Vytvoření mobilní aplikace pro provádění vizuální inspekce 2, Etapa 2.10 Metodika výpočtu matice rizika pro kvalitativní přístup, zpráva VÍTKOVICE ÚAM a.s., arch. č. V3105/14, prosinec 2014. [10] Klich S: Dokumentace k programu RIMaSys, zdrojové kódy a ovládání (e-maily z let 2014, 2015). [11] Pavlík a kol.: Komplexní obnova elektrárny Prunéřov II. Technická zpráva OB02kotelna, souhrnná část, ŠKODA PRAHA Invest s.r.o, č. 4-EG-10764, revize e, 04/2012. [12] Janošťák J., Stoniš J., Ramík Z.: Risk-Based Inspection of Some Components of Power Plant Prunéřov-II. In: Proc. of extended abstracts of the 21st International Conference Engineering Mechanics, Svratka, Czech Republic, 2015, paper No. 112, pp. 114-115, ISBN 978-80-86246-42-0, ISSN 1805-8248. [13] API 573, Inspection of Fired Boilers and Heaters, recommended practice, 2nd. Ed, 2003.
