Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные подходы к оценке безопасности сооружений ГЭС 5
1.1. Актуальность поставленной задачи 5
1.2. Детерминированные методы 8
1.3. Статистический подход в оценке безопасности плотин 10
1.4. Применение вероятностных методов в оценке безопасности ГЭС 24
1.5 Применение экспертных методов оценки безопасности ГТС 35
Глава 2. Общие закономерности распределения частоты реализаций аварийных ситуаций на гидроэлектростанциях 48
2.1 Общие принципы классификации сценариев аварийных ситуаций 48
2.2. Автоматизированная информационно-аналитическая система отказов и аварийных ситуаций на ГЭС мира (АИАС «ГТА») 53
2.3. Классификация сценариев аварийных ситуаций на основе системного анализа базы данных аварийных ситуаций на ГЭС 60
Глава 3. Применение метода экспертных оценок для определения вероятности реализации причин возникновения аварийных ситуаций на конкретной ГЭС 66
3.1. Применение общих закономерностей сценариев аварийных ситуаций к оценке их числа и частоты реализации на конкретном объекте гидроэнергетики 66
3.2. Методика ранговых экспертных оценок для определения приоритета причин аварийных ситуаций на конкретной ГЭС 69
3.3 Методика временного прогнозирования для оценки вероятности реализации на конкретном объекте ГЭС причин, вызывающих аварийные ситуации 78
Глава 4. Автоматизированная система обработки экспертных оценок расчета числа сценариев аварийных ситуаций и частоты их реализации на конкретном объекте гидроэнергетики 87
4.1. Разработка структуры автоматизированной системы обработки экспертных оценок 87
4.2. Апробация предлагаемой в диссертации методики определения возможных сценариев аварийных ситуаций и частоты их реализации на примере Нижегородской ГЭС 91
Заключение 103
Литература 105
Приложение 1 113
Приложение 2 114
- Статистический подход в оценке безопасности плотин
- Автоматизированная информационно-аналитическая система отказов и аварийных ситуаций на ГЭС мира (АИАС «ГТА»)
- Методика ранговых экспертных оценок для определения приоритета причин аварийных ситуаций на конкретной ГЭС
- Апробация предлагаемой в диссертации методики определения возможных сценариев аварийных ситуаций и частоты их реализации на примере Нижегородской ГЭС
Статистический подход в оценке безопасности плотин
Статистическому подходу и использованию мнений экспертов в оценке безопасности плотин посвящена серия работ Иващенко И.Н. с соавторами [16,17,18,19,20,21,22,23].
Так, в работе [17] рассматриваются принципиальные вопросы повышения оперативности и объективности оценок надежности и безопасности эксплуатируемых сооружений. Методика, разрабатываемая автором, базируется на формализованных, обобщенных оценках, формируемых с помощью интегральных критериев безопасности (индексах повреждения) и системе правил типа " если - то".
В работе делается попытка разработать пути интегральной оценки состояния сооружения на основе данных натурных наблюдений и правил, являющихся обобщением опыта эксплуатации ГТС.
Однако, здесь не показано, ни как определять величины Ik, ни как функционирует экспертная система, ни каковы ее решающие правила. Поэтому данная работа носит характер описания возможного пути оценки безопасности ГТС, а не разработки конкретной методики.
Положительным моментом работы является понимание того, что решение поставленной задачи без метода экспертных оценок невозможно из-за неопределенности исходных данных.
Работа [18] посвящена анализу опыта эксплуатации больших плотин на базе статистических данных по авариям и отказам. Отмечается, что опыт гидростроительства, представленный в статистических данных, является важнейшей основой для оценки риска, совершенствования норм и правил проектирования, строительства и эксплуатации ГТС. Подчеркивается, что увеличение числа гидросооружений повышает значение проблемы их безопасности. В мире построено свыше ста тысяч плотин, возможные аварии которых связаны со значительными материальными и социальными ущербами. Издание мирового ре-гистра[53] содержит сведения о 35 тысячах больших плотин. В СССР построено 597 грунтовых и 70 бетонных плотин высотой более 15 м.
Информация собранная СИГБ и в других работах.[54,55,56,57,58,59,60-70] содержит сведения о 1105 случаях повреждений и 108 разрушениях и касается 33 стран, имеющих около 15 тыс. плотин. Почти половина разрушений и более трети повреждений проходила в период строительства, первого наполнения водохранилища и в первые пять лет эксплуатации. Определенная по этим данным среднегодовая частота разрушений составила(0.5-К2) 10"4 для бетонных и (2.5-Н5) 10" для грунтовых плотин. Эти величины могут служить характеристикой уровня надежности и безопасности, который общество считает допустимым (на этом уровне соотносятся затраты на строительство, обеспечение безопасности и осредненные ущербы).
Статистическая информация собранная СИГБ не является полной, что привело к занижению среднегодовой частоты разрушений. Кроме того, эта выборка неоднородна, т.к. объединяет плотины, построенные в странах с различными природными условиями, традициями и правилами проектирования, строительства и эксплуатации, а также разные по высоте и периоду строительства.
В работе [18], для повышения однородности выборки, рассмотрен анализ аварий на ГТС США (в США более 80 тыс. плотин из которых 1126 высотой более 30 м). (В США в связи с серией аварий 70х годов принят закон об инспекции плотин (создана программа инспекции 68 тыс. плотин)). Здесь проанализировано 1612 случаев аварий на 1191 плотине США. В большинстве случаев(60%) аварии произошли в ситуациях поддающихся расчету. Их причинами явились- случайные неблагоприятные отклонения воздействий и свойств материалов от расчетных значений.
В то же время, значительная доля(31%) аварий, произошла вследствие неучета явлений не поддающихся расчету, недостатка необходимой для принятия правильного решения информации или ошибок на стадии проектирования и строительства(26 %) или эксштуатации(3.5%). Некоторая доля повреждений (7%) носит медленно протекающий, необратимый характер (старение).
Более детальный анализ выполнен для плотин построенных после 1950 г. высотой более 30 м. В выборке было 247 случаев грунтовых и 31 случай бетонных плотин. Здесь 49 % случаев, где причина определялась превышением расчетных значений, 48% ошибками и неучтенными явлениями и 3% старения. По структурным элементам: 41%- тело плотины,32% - водохранилища и водосбросные сооружения; 27%- основания и сопряжения плотин. Этот же анализ выделяет следующие виды предельных состояний:
- нарушение общей прочности или устойчивости сооружений (грунтовые -12.5%, бетонные -38.7 %);
- чрезмерные перемещения конструктивных элементов плотины или основания, трещинообразование, раскрытие швов (грунтовые 12 %; бетонные-42%);
- нарушение фильтрационной прочности основания, тела плотины или их сопряжения, либо чрезмерные фильтрационные расходы (грунтовые 30%; бетонные 9,6%).
В целом, рассмотренная статистическая информация по плотинам США достаточно представительна и позволяет выполнить оценку среднегодовой частоты аварий. Так она составляет для повреждений: (1- 2)10" ; а для крупных аварий и повреждений (3-Н5) 10"
К недостаткам работы следует отнести большой разброс среднегодовой вероятности аварий на ГТС, что вероятно связано с разными сроками их службы в разных выборках.
В статье Золотова Л.А. и Иващенко И.Щ19] рассматривается концепция безопасности ГТС.
В основу исследований также положена статистическая выборка аварий и повреждений на гидротехнических сооружениях. Анализ этой выборки позволяет выделить три основные формы разрушения плотин:
а) размыв (разрушение) тела плотины или ее береговых сопряжений при переливе через гребень, вследствие экстремальных расходов воды; повреждения при недостаточной пропускной способности водосбросных сооружений; аварий в зоне водохранилища;
б) нарушение прочности (устойчивости), либо чрезмерные перемещения сооружения, основания или зоны их сопряжения;
в) нарушение фильтрационной прочности, либо чрезмерные потери воды в основании, теле плотины или их сопряжениях;
На долю каждой из трех предложенных форм приходится примерно равное число аварий.
Утверждается, что причинами повреждений и аварий больших плотин примерно в равной мере являются нерасчетные ситуации и ошибки(27%), а также случайные отклонения воздействий и свойств от расчетных значений (28%). Остальные случаи (45%) не идентифицируются. Авторы в концепцию безопасности ГТС включают теоретические положения и методы решения трех основных взаимосвязанных задач: контроля, оценки и управления безопасностью.
Безопасность сооружений обеспечивается при проектировании, строительстве и эксплуатации. На каждом этапе должны быть проконтролированы, оценены и, по возможности, устранены причины разрушений, аварий, повреждений.
Автоматизированная информационно-аналитическая система отказов и аварийных ситуаций на ГЭС мира (АИАС «ГТА»)
В мире построено свыше ста тысяч подпорных гидротехнических сооружений, в том числе свыше тридцати пяти тысяч больших плотин. К «большим» относятся плотины высотой более 15 м., а также плотины высотой от 10 до 15 м при соблюдении одного из следующих условий: протяженность по гребню не менее 500 м.; максимальный паводковый расход не менее 2000м7с ; сложные условия в основании.
Как известно, основным сооружением гидроузла является плотина с ее основанием и сопряжением с берегами; разрушение в какой - либо ее части или создание аварийных ситуаций в процессе работы влечет за собой наиболее тяжелые последствия, часто сопровождающиеся человеческими жертвами и требующие огромных затрат на их ликвидацию.
Однако, помимо плотины, в состав гидротехнического узла входит ряд других сооружений объекта, таких как здание ГЭС, водохранилище и др., отказы которых в разной степени влияют на аварийное состояние гидроэнергетического объекта в целом. Из-за большого фактографического материала для анализа аварийных ситуаций, очевидно, необходимо иметь автоматизированный банк данных таких явлений.
Основной особенностью такого банка данных является то, что элементом базы данных должно быть описание ( сценарий) аварии или отказа. Но эти описания в литературе носят совершенно разнообразный характер, определяемый типом документа откуда берется информация. Поэтому для создания автоматизированной системы прежде всего надо иметь единый тип описания аварийной ситуации на гидроузле. При этом должны быть учтены как требования к созданию автоматизированной системы поиска, так и получение максимально большей формализации информации.
На основании проведенного анализа аварийных ситуаций, полученных из разных источников , предложена форма типового макета для их описания ( см. рис. 2.3.).
В этом макете введено как описание самой аварии, так и параметры объекта, на котором она произошла. Поэтому все данные разделены на группы: паспортные данные гидроузлов и описание аварийной ситуации или отказа. Помимо качественной и количественной информации, заданной в макете, предусмотрена возможность представления визуальной информации по аварии в виде схем, рисунков, фотографий.
Все данные входящие в макет аварийной ситуации, организованы в структурную схему, позволяющую создать алгоритм многовариантного поиска для решения любой задачи в указанной проблеме.
Структурная схема базы данных приведена на рисунке 2.4.
Структура системы управления базы данных (СУБД), созданная для данной АИАС, позволяет решать следующие задачи:
- поиск;
- ввод и корректировка;
- обработка;
- представление графической информации(схемы);
- выход.
Эти задачи представлены в виде главного меню (см. рис.2.5.)
Алгоритмы СУБД позволяют, с выбранной в результате поиска совокупностью объектов, осуществлять следующие операции.
1. Многократно углублять поиск по другим параметрам, сужая диапазон выбранных объектов поискового пространства (алгоритм- метод последовательных приближений. Он позволяет осуществлять поиск не только по одному параметру, а по нескольким, что дает возможность выбирать сценарии процесса аварийных ситуаций).
2. Осуществлять новый поиск по другому варианту ( многовариантность решения задачи).
3. Просматривать графическую информацию, относящуюся к выбранной совокупности.
4. Осуществлять обработку результатов поиска по выбранной совокупности объектов (построение гистограмм и статобработка).
5. Вызывать, в случае необходимости, помощь для разъяснения смысла тех или иных операций.
6. Осуществлять печать необходимой информации.
Последнее направление работы поискового режима (рис.2.6.) это поиск по типам отказов и повреждений. Предлагаемое СУБД меню, указывающее ветвление путей поиска, отражает структуру базы данных, показанную на рисунке 2.4. Следует подчеркнуть, что оригинальность алгоритмов работы СУБД, созданных на базе принятых принципов и с учетом специфики элементов базы данных и запросов к ней, позволили иметь гибкую автоматизированную поисковую систему, обладающую высоким быстродействием, возможностью многовариантной проработки задачи, изучения ее с разных точек зрения, благодаря комплексному использованию трех типов данных: качественных, количественных и графических.
Информация, содержащаяся в банке данных по отказам и аварийным ситуациям на ГЭС мира имеет специфически качественный, описательный, чисто субъективный характер. В связи с этим ее обработка также специфична , так как вопрос дальнейшего использования этой информации не может быть математически формализован ( нет алгоритмической базы знаний). Но, с другой стороны,, эти данные представляют огромную ценность с точки зрения обеспечения надежности и безопасности ГЭС, так как путем их обобщения могут быть получены выводы о глубинных причинах того или иного типа аварий, даны предложения по изменению проекта, режимов и условий эксплуатации, корректировке нормативных документов и принятия других важнейших решений (разработки метода оценки вероятности реализации сценариев аварийных ситуаций).
Методика ранговых экспертных оценок для определения приоритета причин аварийных ситуаций на конкретной ГЭС
Основной задачей экспертов, как показано в предыдущем параграфе, является установление значений величин P3(Xji), определяющих вероятность реализации на конкретном объекте XjiG1=l 2,...,22) причины возникновения аварийной ситуации в іЬІИ год обследования, где і=1,2,..., 5. (Смысл причин показан на рис.2.9 главы 2). Для решения задачи эксперт, на основании своего опыта и знания состояния конкретного объекта заполняет таблицу по форме 3.1.
Как показывает опыт, эксперт определяет величины Рэ последовательно по годам прогнозирования, начиная с первого года обследования и далее на пятилетний период. Однако, сразу дать численное значение вероятности реализации каждой из двух десятков возможных причин аварийной ситуации весьма затруднительно.
Поэтому, здесь, предлагается этот процесс осуществлять двумя этапами. На первом этапе эксперты устанавливают возможные причины возникновения аварийных ситуаций в ряд по степеням вероятности их реализации на обследуемом объекте, т.е. составляют ранжированные ряды причин аварийных ситуаций для каждого эксплуатации объекта. При этом составляется таблица 3.2., в которой каждой причине присваивается ранг R от 1 до 22. (ранг R=l присваивается причине с наибольшей вероятностью реализации).
Здесь, Rjj-ранг Xji причины в іьш год обследования. Как известно [4,5,6,71-82], назначение рангов осуществляется группой экспертов (обычно от 8 до 12). Для объективной обработки их данных и выработке единого мнения ниже предлагается следующий алгоритм метода ранговых экспертных оценок.
Пусть в работе участвует "т" экспертов: Э],Э2,...,Эт.
Разработка процедур метода ранговых оценок здесь проводится с учетом необходимости их реализации на ЭВМ.
Последовательность процедур, реализующих поставленную задачу, представлена на рисунке 3.1.
Процедура 1 подразумевает получение каждым экспертом ряда предпочтения причин аварийных ситуаций на конкретном объекте в іьш год обследования.
Процедура 2 осуществляет операции получения согласованной группы ранжировок и исключение экспертов имеющих особое, резко не совпадающее с основной группой экспертов мнение.
На следующем этапе реализуется процедура 3 получения обобщенного результата экспертизы - агрегированного ряда предпочтений (обобщенного мнения).
Обратная связь между второй и первой процедурой алгоритма позволяет эксперту, который не попал в основную группу ранжировок, после дополнительного изучения и анализа проблемы изменить свое мнение и представить откорректированную ранжировку ряда.
Рассмотрим подробно операции, выполняемые в каждой из трех описанных выше процедур. .
Процедура 1 реализуется следующими операциями:
Обучение эксперта методам составления ряда предпочтений. В данной работе рекомендуется применять метод последовательных сравнений [71].
Если неравенство (3.6) выполняется, то ранжировки представленные всеми экспертами группы будут согласованы. В этом случае дальнейшая обработка передается процедуре 3.
Если же неравенство (3.6) не выполняется, то осуществляется операция 2.2 поиска и исключения тех рядов предпочтения, которые ухудшают согласованность мнений экспертов.
2.2 Алгоритм поиска и исключения особых мнений экспертов.
1. Из исходной группы m ранжировок исключают ряд предпочтения эксперта Эк , и исследуют на согласованность группу (т-1) ранжировок.
Для этой группы вычисляют коэффициент конкордации W(K) по формуле (3.7), учитывая, что число экспертов не т, а (т-1).
Затем сравнивают полученное значение W(K) с коэффициентом конкордации исходной группы ранжировок Wo. Если W(K) Wo, т.е. согласованность новой группы ранжировок хуже исходной, то, очевидно, ранжировка кого эксперта не ухудшала согласованность всей группы экспертов и может быть оставлена в ней.
Если W(K) W0. т.е. согласованность новой группы ранжировок лучше исходной, то, следовательно, ранжировка к эксперта ухудшала согласованность всей группы и должна быть из нее исключена. В этом случае эксперту предлагается еще раз ознакомится с объектом и возможность изменить свое мнение. Если эксперт настаивает на своих выводах, он исключается из группы экспертов, а его мнение выводиться в раздел "особые мнения".
Описанная выше операция должна быть циклически проведена для всех экспертов группы. В результате из исходной группы ранжировок будут исключены все ряды предпочтения не совпадающие с мнением основной группы экспертов. Окончательно согласованная группа m m ранлсировок может быть представлена в виде матрицы (таблица 3.5) ( здесь, т - число экспертов в оставшейся согласованной группе).
Для проверки согласованности следует для этой группы снова проверить условие (3.6): Wo 0.8 для группы т ранжировок.
Процедура 3, основанная на методе выделения лидера[71] осуществляется нижеследующими операциями, (так как рассматривается согласованная группа ранжировок, то применяется метод формальной агрегации).
Операция 3.1. Определяется причина аварийной ситуации Xji обобщенного (агрегированного) ряда, которой присваивается ранг 1, т.е. наиболее опасная для рассматриваемого объекта.
Для этого из группы согласованных ранжировок ( таблица 3.5.) выбираются все причины Xji, и т. д., которым присвоен ранг равный 1.
Апробация предлагаемой в диссертации методики определения возможных сценариев аварийных ситуаций и частоты их реализации на примере Нижегородской ГЭС
Для контрольной проверки всех предложенных в разработанной здесь методике алгоритмов и функционирования программного обеспечения автоматизированной системы экспертных оценок в данном параграфе рассмотрен пример оценки частоты реализации аварийных ситуаций для конкретного объекта Нижегородской ГЭС.
1. Решения поставленной задачи осуществляются группой из восьми экспертов.
2. Для эффективной работы каждого эксперта им объяснены основные приемы выставления экспертных оценок: метод сравнения, метод выделения лидера и т.д..
3. Для повышения достоверности выставляемых оценок, экспертам была предоставлена информация по Нижегородской ГЭС, имеющаяся в автоматизированной системе информационно-аналитического обеспечения безопасности объектов энергетики (разработана и функционирует во ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева). К этой информации относится:
- паспортные данные Нижегородского гидроузла (табл. 4. 1.);
- компоновка Нижегородского гидроузла и другая графическая информация, представленная разрезами: по гидроагрегату; по водосбросной, бетонной плотине; русловой, грунтовой плотине с указанием основных параметров этих сооружений (рис 4.2.,4.3.,4.4.,4.5.);
- декларация безопасности ГТС Нижегородской ГЭС.
- выводы и рекомендации актов обследования состояния ГТС Нижегородской ГЭС за 1994 и 1998 г.
Акт обследования Нижегородской ГЭС за 1994 код.
Выводы
8.1. В результате осмотра гидротехнических сооружений Нижегородской ГЭС, изучения имеющихся материалов натурных наблюдений, проекта и научно-технических отчетов, а также, ознакомившись с перечнем и ходом выполнения ремонтных работ, комиссия считает:
8.1.1. Состояние основных гидротехнических сооружений ГЭС, включая земляные плотины, эдакие ГЭС, водосливную плотину и их механическое оборудование признать удовлетворительным и отвечающим условиям дальнейшей безопасной эксплуатации.
8.1.2. Выполняемые эксплуатационным персоналом контрольные наблюдения, техническое обслуживание и ремонтные мероприятия позволяют поддерживать сооружения и оборудование в надлежащем рабочем состоянии, обеспечивающим их безопасность.
8.1.3. Выполнению ремонтно-восстановительных работ в полном объеме мешает недостаток их финансирования.
8.2. Для дальнейшего обеспечения надежности и безопасности гидротехнических сооружений комиссия рекомендует:
8.2.1. В соответствии с п.З. 1. 1. ПТЭ (14-е издание, изменение N 3) заказать специализированной организации (АО "ВНИИГ им. В.Е. Веденеева") НИР по многофакторному исследованию и оценке прочности, устойчивости и эксплуатационной надежности напорных гидротехнических сооружений ГЭС, находящихся в эксплуатации более 25 лет. (Срок 1994-95 г.г.)
8.2.2. Заказать разработку с участием специализированных организаций комплект Методических рекомендаций по проведению контрольных натурных наблюдений за напорными гидротехническими сооружениями ГЭС, обработке и анализу их результатов. (Исполнители: АСГВНИИГ им. В.Е.Веденеева", НИИЭС срок 1994-95гг.)
8.2.3. В соответствии с п.З. 1.19. ПТЭ (14-е издание, изменение N 3) переработать с привлечением проектной организации "Инструкцию по ликвидации аварий гидротехнических сооружений". (Исполнители: НГГЭС, АО Гидропроект, срок 1995-96 г.г.)
8.2.4. Учитывая длительный срок эксплуатации провести ревизию контрольно измерительной аппаратуры (по необходимости), установленной на сооружениях с отражением в документации. (Исполнитель — ГЭС. Срок 1995 год)
8.2.5. Оснастить напорные пьезометры в основании бетонных сооружений образцовыми манометрами. (Исполнитель — Нижегородская ГЭС. Срок 1995 год)
8.2.6. Выполнить нивелирование верха дренажных труб в дренажных колодцах трубчатого дренажа. (Исполнитель — Нижегородская ГЭС. Срок 1996 год)
8.2.7. Произвести ремонт зон разрушения плит крепления верхового откоса земляных плотин бетоном необходимой морозостойкости. (Исполнитель — Нижегородская ГЭС. Срок 1994-95 г.г.)
8.2.8. Произвести досыпку камня в низовой откос дренажной призмы русловой плотины N 3 и создать резерв камня для выполнения аналогичных ремонтных работ. (Исполнитель — Нижегородская ГЭС. Срок 1995-96 г.г.)
8.2.9. Выполнить ремонт межплитовых уплотнений креплений верхового откоса земляных плотин. (Исполнитель — Нижегородская ГЭС. Сроки — ежегодно)
8.2.10. Учитывая, что гидротехнические сооружения Нижегородской ГЭС, запроектированные и построенные в 50-х годах по существующим тогда нормам, и их фактическое состояние по результатам натурных наблюдений и исследований, проведенных научно-исследовательским институтом ВНИИГ и институтом "Гидропроект", стабилизировалось, комиссия считает недопустимым проведение реконструктивных и других работ, увеличивающих нагрузки на сооружения и из меняющих их характеристики, как непосредственно на сооружениях, так и в их охранной зоне (реконструкция и расширение проезжей части автомобильной дороги, в т. ч. и мостов, строительство новых мостовых переходов, судопроход ных сооружений и т. п. ) .
8.2.11. В соответствии с п.3.3. приказа РАО "ЕЭС России" от 1. 12.93 г. N 197 и в целях повышения оперативности и качества контроля: - разработать и внедрить на НГЭС информационно-диагностическую систему на базе микро-ЭВМ, обеспечивающую хранение, обработку и анализ данных наблюдений, оценку состояния сооружений. (Исполнитель — НИИ ЭС. Срок 1995-96 г.г.)
8.2.12. Фамилии ответственных лиц За ведение паспортов на сооружениях внести в паспорта. (Исполнитель — НГЭС. Срок 06.1994 г.)
8.2.13. Привести архивные экземпляры паспортов на гидротехнические сооружения в соответствии с требованиями ПТЭ. (Исполнитель — НГЭС. Срок 1995 г.)
