بخشی از مقاله
تحليل ريسک و ارزيابي قابليت اعتماد در ايستگاههاي سوخت رساني CNG
چکيده
در اين مقاله به بررسي ايمني و تحليل ريسک ايستگاههاي سوخت رساني CNG در سطح اول و دوم PRA پرداخته شده است . ابتدا در بخش شناخت سيستم ، ساختار يک ايستگاه سوخت رساني سريع به ٤ بخش تحويل و اندازه گيري گاز طبيعي، تراکم ، مخازن نگهدارنده تحت فشار، و توزيع کننده ها تقسيم شده است . سپس با استفاده از روش سيستماتيک FMEA خرابي هاي منجر به رها شدن گاز CNG در ايستگاه به طور کيفي شناسايي شده اند.
پس از آن از طريق ترسيم و تحليل درختهاي خطا، فرکانس رها شدن گاز CNG در ايستگاه محاسبه شده است .
آخرين مرحله از کار تحليل پيامد هاي ناشي از رها شدن گاز CNG در ايستگاه مي باشد. اين مهم از طريق مدل درختهاي واقعه انجام شده است . پيامدهاي مطرح در سطح دوم PRA ، با توجه به واقعه رأس تعريف شده عبارتند از: آتش سوزيهاي سازه اي، انفجار و وجود پتانسيل خفگي. با توجه به مدلسازي هاي صورت گرفته و و ترکيب آنها با هم مشخص شد که بيشترين فرکانس رها شدن گاز CNG، در اتاقک کمپرسور خواهد بود که اين اتاقک متشکل از کمپرسور و مخازن تحت فشار نگهدارنده گاز CNG است . به دليل بسته بودن اين فضا، بالتبع پيامدهاي ناشي از وقوع واقعه رأس رها شدن گازCNG در اين بخش از ايستگاه بسيار بيشتر از ساير قسمتهاي آن مي باشد.
تمامي اين فرکانسها به طور کمي در اين مطالعه محاسبه شده اند.
کلمات کليدي: گاز طبيعي فشرده (CNG) ،جايگاههاي سوخت گيري CNG، تحليل ريسک ، ارزيابي قابليت اعتماد، ايمني
مقدمه
ادامه روند توليد خودروهايي که با فن آوري کهن و تفکر يارانه اي عرضه مي شوند و نيز تردد خودروهاي فرسوده ، روز به روز بر مشکلات اقتصادي، اجتماعي و زيست محيطي کشورها مي افزايد. در چنين شرايطي تلاش براي شناسايي و تأمين سوختي ارزان و پاک که جايگزين مناسبي براي سوخت هاي مايع متداول همچون بنزين و گازوئيل باشد ضرورت مي يابد.گاز طبيعي همواره به عنوان مهمترين گزينه در اين بخش مطرح بوده است .
عناصر اصلي تشکيل دهنده گاز CNG1 ، متان (CH4) وتاحدي اتان (C2H6) بوده وتقريباً هميشه به صورت گازي مي باشد.[١٢] از آنجا که در فشار اتمسفريک انرژي موجود در گاز نسبت به حجم آن پايين است ، بنابراين به منظور استفاده از اين سوخت بايستي آن را متراکم کرد به طوريکه انرژي موجود در واحد حجم مخزن خودرو به اندازه اي باشد که براي طي مسافت معقولي کفاف کند. در نتيجه با متراکم کردن گاز طبيعي، گاز CNG حاصل مي شود که حتي در فشار bar ٢٥٠ نيز حالت گازي سوخت حفظ مي شود. . براي مثال اگر مخزن ذخيره گاز خودرويي معادل ٥٠ ليتر آب گنجايش داشته باشد، مقدار CNG موجود در اين مخزن معادل ١٥ ليتر بنزين خواهد بود. بنابراين اتومبيلي که مصرف آن در هر صد کيلومتر برابر ١٠ ليتر بنزين باشد با اين مقدار
CNG مي تواند ١٥٠ کيلومتر را طي کند.[١٩]
از مهمترين مزاياي رويکرد به سوخت جايگزين CNG مي توان به وجود ذخاير عظيم گاز طبيعي و وجود شبکه توزيع توزيع گسترده آن در کشور و همچنين کاهش واردات بنزين و کاهش ميزان انتشار آلاينده هاي زيست محيطي اشاره کرد. اما لزوم موفقيت هر طرحي بررسي تمام جوانب اصلي آن مي باشد. يکي از مهمترين ابعاد اين طرح بررسي نکات ايمني و تحليل ريسک مخاطرات مربوط به آن مي باشد. به همين منظور در اين مطالعه به بررسي ايمني جايگاههاي سوخت گيري CNG پرداخته شده است . [١٧]
انواع ايستگاههاي سوخت رساني CNG
با توجه به اينکه يکي از مهمترين بخشها در زمينه تحليل ريسک شناسايي سيستم تحت بررسي مي باشد، بنابراين ابتدا به طور خلاصه انواع ايستگاهها، و سپس تجهيزات به کار رفته در آنها به طور کامل ذکر مي گردند.
ايستگاههاي CNG از ديدگاههاي مختلف مورد تقسيم بندي قرار مي گيرند. اما دريک تقسيم بندي کلي از ديدگاه سرعت سوخت رساني مي توان سيستمهاي سوخت گيري CNG را به دو دسته سوخت گيري کند٢ و سوخت گيري سريع ٣ تقسيم کرد.
[8]
در سيستم سوخت رساني سريع اتومبيلهاي معمولي در زماني بين ٢ تا ٣ دقيقه و کاميون و اتوبوسها در زماني بين ٤ تا ٨ دقيقه سوخت گيري خواهند نمود. سيستم کند در مواقعي کاربرد دارد که اتومبيل براي مدتي خاص ، به مدت چند ساعت در روز يا در طول ساعات شب در پارکينگ استفاده نشود. در شکل (١) اجزاي مختلف يک ايستگاه را به طور دقيقتر بر حسب اينکه سيستم سوخت رساني آن کند يا سريع باشد، نشان داده شده است . [١٩]
٢
در حقيقت در ايستگاههاي سوخت رساني سريع به منظورسوخت دهي در حجم بالا وزمان کوتاه ، از يک سري مخازن بين کمپرسور و توزيع کننده استفاده مي گردد. در اين سيستم سوخت دهي در مدتي که ايستگاه در ماکزيمم سوخت دهي قرار ندارد، از کمپرسورها به منظور پر کردن مخازن تا ظرفيت موردنظر استفاده مي شود. مسلماً هر چه ظرفيت مخزن و فشار مورد نظر بيشتر باشد زمان انجام سوخت گيري نيز کمتر خواهد بود. در اين حالت ابتدا کمپرسور ، مخازن پر فشار ايستگاه را به فشار و ظرفيت مورد نظر مي رساند و سپس سوخت گيري از مخزن ايستگاه به مخزن خودرو انجام مي گيرد. در حاليکه در ايستگاههاي سوخت رساني کند مخازن پرفشار ايستگاه وجود ندارند و سوخت گيري مستقيماً از کمپرسور صورت مي گيرد.
ايستگاههاي سوخت رساني که به طور عمومي مورد استفاده قرار مي گيرند به دليل تراکم خودروهاي سوخت گيري کننده ، بايستي زمان سوخت گيري هر خودرو در آنها تا حد امکان کم باشد. به همين دليل سايتهاي عمومي سوخت رساني که در نقاط مختلف شهرها و حتي مناطق بين شهري تعبيه شده اند، از نوع ايستگاههاي سوخت رساني سريع مي باشند.
شکل (١) اجزاي مختلف ايستگاههاي سوخت رساني CNG (سيستم کند وسريع )
تجهيزات مورد استفاده در ايستگاههاي سوخت رساني سريع
در ايستگاههاي CNG معمولاً گاز طبيعي از طريق لوله کشي گاز شهري و پس از عبور از اتاقک اندازه گيري فيلتر وتعدادي شير
به قسمت ورودي کمپرسور هدايت خواهد شد. تجهيزات اصلي مورد نياز يک ايستگاه عبارتند از:
- دبي سنج گاز١
- خشک کن ٢ در ورودي يا خروجي کمپرسور
- کمپرسورکه گاز طبيعي ورودي را تا فشار bar ٢٥٠ فشرده مي سازد.
- شيرهاي اولويت ٣ که وظيفه جهت دهي جريان از کمپرسور به مخازن را دارند.
- مخازن ذخيره گاز طبيعي که گاز CNG در فشار حدود bar ٢٥٠ در آنها ذخيره مي شود.
- پانل شيرهاي ترتيبي ١ که وظيفه جهت دهي جريان را از مخازن به توزيع کننده بر عهده دارند.
٣
- شير 2DLV که وظيفه قطع جريان را در هنگامي که مخزن خودرو کاملا از فشار مناسب پر باشد.
- توزيع کننده الکتريکي سوخت ٣که سوخت را از طريق يک تيرک شيلنگ به مخزن خودرو منتقل مي کند.
- ساير شيرها و فيلترها [٢١]
از بين تجهيزات ذکر شده کمپرسور مهمترين جزء يک ايستگاه محسوب مي شود، که بيش از يک سوم قيمت کل ايستگاه را شامل مي شود. درايستگاههاي CNG کمپرسورها گاز طبيعي را معمولاً تا فشارpsig ٣٦٠٠ متراکم مي کنند. اين کمپرسورها عموماً از نوع رفت و برگشتي بوده و به کمپرسورهاي سيلندر پيستوني نيز معروفند. فشار ورودي کمپرسور يا همان فشار تغذيه بسته به موقعيت قرارگيري جايگاه سوخت گيري، ممکن است ازpsig ٥٠ تا 250psig متغير باشند.
در برخي موارد رطوبت موجود در سيال فشرده شده باعث خوردگي و آسيب رساندن به تجهيزات مي شود. در سيستمهاي CNG
وجود رطوبت موجب زنگ زدگي در سيستم ، تشکيل هيدراتهاي متان ، يخ زدن گاز و در نتيجه مسدود شدن مسير عبور گاز مي گردد. به همين علت استفاده از خشک کن در سيستمهاي CNG از اهميت خاصي برخوردار است . متأسفانه علي رغم رطوبت زياد گاز طبيعي موجود در سيستم لوله کشي شهري تهران ، ايستگاههايي که توسط شرکت دلتا (اکثر ايستگاهها در شهر تهران توسط همين شرکت نصب شده اند.) نصب شده اند فاقد خشک کن مي باشند.
همانطور که گفته شد نصب يک مخزن فشار بالا به طرز چشم گيري زمان سوخت گيري را کاهش مي دهد. همچنين از روشن و خاموش شدن زياد کمپرسور جلوگيري خواهد شد. ضمن اينکه مي توان اين مخازن را طوري طراحي کرد که تا حدودي سوخت رساني در يک اختلاف فشار ثابت انجام شود. تعداد اين مخازن ٢٧ عدد بوده که ١٢ عدد آنها فشار پايين ٩ عدد فشار متوسط و ٦ عدد فشار بالا هستند. اين مخازن به صورت آبشاري مورد استفاده قرار مي گيرند. بدين ترتيب که در در طراحي از نوع ٥:٣:٢ ،
٥٠% ظرفيت سوخت رساني از طريق مخازن فشار پايين ، ٣٠% آن از طريق مخازن فشار متوسط و ٢٠% باقيمانده از طريق مخازن فشار بالا انجام خواهد گرفت . در اين سيستم در بهترين حالت از ٤٠-٣٥% ظرفيت مخازن مي توان بهره برداري نمود.
توزيع کننده وسيله انتقال سوخت از ايستگاه به خودرو مي باشد. توزيع کننده ها داراي سيستم کنترلي مي باشند که از طريق آنها مي توان ميزان سوخت تزريقي را اندازه گيري نمود. همچنين داراي امکاناتي هستند که در هنگام پر شدن مخزن خودرو و رسيدن به فشار مورد نظر، تزريق سوخت قطع خواهد شد. اجزاي توزيع کننده ها معمولاً عبارتند از: جريان سنج ، حسگرهاي فشار، صفحه نمايش اتصالات قطع کننده ٤، شيلنگ ٥، نازل سوخت رساني . [١٩]
توصيف مدل PRA6 در تحليل ريسک و ازيابي قابليت اعتماد سيستمها
ريسک را مي توان به صورت احتمال وقوع پيامدهايي نامطلوب (مثل مرگ و مير و يا بيماري انسانها، صدمات اقتصادي ، فجايع زيست محيطي و ... ) براي سيستم يا محيط اطراف آن تعريف کرد. ميزان ريسک را مي توان از طريق حاصلضرب حاصلضرب فرکانس وقايع در ميزان صدمات حاصل شده از آن را محاسبه کرد.
٤
ريسک ( Consequence) = فرکانس وقوع حادثه ( Event ) × پيامدهاي ناشي از حادثه مورد نظر( Consequence)
Event time time
معادله (١) Total Risk =ƒRi
i
در اينگونه آناليزها بايد به سؤالاتي پاسخ دهيم که هر کدام از آنها از سه جزء مهم تشکيل شده اند.
الف ) چه حادثه (حوادثي) ممکن است براي سيستم به وجود آيد؟
ب ) احتمال به وقوع پيوستن هر حادثه چقدر است ؟
ج ) پيامدهاي به وقوع پيوستن هر حادثه براي سيستم و محيط اطراف آن چه مي تواند باشد؟[١]
سطوح PRA
آناليز ازريابي احتمالاتي ريسک (PRA) ممکن است در يکي از سه سطح موجود آن انجام گيرد. هريک از سطوح بيانگر ميزاني از جزئيات است که در تحليل ريسک به آن پرداخته مي شود.
سه سطح PRA براي ايستگاههاي CNG به صورت زير تعريف مي شوند.
سطح ١ : بررسي احتمال اينکه يکي از شرايط بحراني براي ايستگاه پيش بيايد. مثلاً احتمال اينکه حادثه رها شدن گاز CNG در ايستگاه رخ دهد.
سطح ٢ : در اين سطح علاوه بر تحليل هايي که در سطح ١ انجام مي شود، پيامدهايي که هر يک از اين شرايط بحراني براي سيستم ممکن است ايجاد کنند نيز مورد بررسي قرار مي گيرند. مثلاً تعيين احتمال انفجار يا آتش سوزي در صورتيکه گاز CNG
در ايستگاه رها شود.
سطح ٣ : علاوه بر بررسي ها انجام شده در سطوح ١ و٢ احتمال اينکه پيامد هاي به وجود آمده در سطح ٢ بر روي زندگي انسانها و محيط اطراف تاثير نامطلوب بگذارد مورد تحليل قرار مي گيرد. در اينجا سطح سوم PRA مي تواند به صورت احتمال مرگ و مير انسانها در صورت وقوع انفجار و آتش سوزي ناشي از رها شدن گاز CNG تعريف شود.
در اين مطالعه تحليل ريسک در سطح اول PRA انجام شده است .
اولين مرحله در فرآيند تحليل ريسک شناسايي دقيق اجزاي سيستم مورد بررسي است . تحليل ريسک بايد در موقعيت کاملاً تعريف شده و معيني صورت گيرد و بخشهايي از درون يا بيرون سيستم که ممکن است تحت تأثير ريسک قرار بگيرند کاملاً شناسايي شوند. تحليل ريسکي که بر مبناي شناخت دقيق و صحيح از سيستم استوار نباشد قطعاً تحليلي سطحي و گذرا خواهد بود.[٦]
تحليل سناريوي مخاطرات
پس از شناسايي کامل سيستم مرحله بعد تحليل سناريوي مخاطرات است . براي اين کار بهتر است سيستم را به تعدادي اجزا و زير سيستمهاي کوچکتر تفکيک کرد. سپس تحليلگر به دنبال اين خواهد بود که کدام قسمت از اجزاي سيستم يا زير سيستمها ممکن است نادرست عمل کنند. به اين طريق مي توان پتانسيل مخاطرات مرتبط با سيستم را شناسايي کرد. تحليل سناريوي مخاطرات عموماً به صورت سيتماتيک از طريق تنظيم فرمهايي انجام مي شود. در اين مرحله پس از مشخص شدن تيم مطالعه کننده از طريق يکي از روشهاي زير جهت شناسايي منابع ريسک اقدام مي شود.
١) تحليل مقدماتي مخاطره (PHA1)
٢) تحليل حالات و پيامد هاي خرابي (FMEA2)
٣) تحليل حالات و پيامدها و درجه اهميت خرابي (FMECA3)
٤) بررسي مخاطرات و قابليت انجام کار(HAZOP4)
٥) بانکهاي اطلاعاتي مرتبط [٣] و [١٤]
تحليل کمي مخاطرات
پس از شناسايي کيفي مخاطرات در مرحله بعد به تحليل کمي ريسک پرداخته مي شود و بر روي تعيين احتمال بروز هر يک از مخاطرات بالقوه در هر يک از اجزا و زير سيستمهاي سيستم اصلي متمرکز شده است . مراحل اصلي در اين بخش را مي توان به صورت زير خلاصه کرد.
مرحله ١- تصميم گيري در مورد روش و ميزان جزئيات :
تکنيکهاي مختلفي در اين قسمت ممکن است مورد استفاده قرار بگيرد. در اين مرحله روش مورد استفاده جهت انجام تحليل ريسک انتخاب مي شود. چه بسا فقط به روشهاي کيفي بسنده شود. يکي از معمولترين روشهاي کمي جهت انجام اين کار استفاده از روش ترسيمي درختهاي خطاي سيستم مي باشد که از طريق تحليل اين درختهاي خطا مي توان فرکانس مخاطرات شناسايي شده در قسمت قبل را به دست آورد.
مرحله ٢- احتمال رخداد وقايع :
اين مرحله يکي از حساسترين و به نوعي مهمترين بخشهاي کار محسوب مي شود. در اين قسمت از تحليل کمي احتمال رخداد وقايع آنها از طريق ترکيب اطلاعات مختلف و در بعضي اوقات از طريق ايده هاي کارشناسي انجام مي شود.
مرحله ٣- پيش بيني پيامدها:
پيش بيني پيامدها معمولاً توسط تحليل گر ريسک انجام نمي شود. در اين قسمت ، تحليل هر کدام از پيامدهاي مربوطه نيازمند کارشناس مربوط به همان مخاطره مي باشد. به عنوان مثال اگر مخاطره مورد بررسي رها شدن گاز مخاطره انگيزي باشد، مهمترين
مواردي که کارشناس مربوطه به آن توجه مي کند عبارتند از:
الف ) پيش بيني دبي گاز رها شده .
ب ) نحوه رها شدن گاز در مناطق تحت ريسک
ج ) احتمال احتراق
د) اثرات احتراق مثل انفجار، موج انفجار و يا چگونگي اشاعه حرارت .
ه ) بررسي اثراتي همچون افزايش ميزان سم بدن و جراحات احتمالي وارده بر بدن انسان .
معمولترين روش جهت تحليل پيامدهاي مخاطرات بالقوه سيستم ، استفاده از آناليز درخت واقعه مي باشد.
آناليز عدم دقت يا عدم قطعيت ٥ در مورد منابع اطلاعاتي و همچنين در مورد مدل مورد استفاده براي سيستم بايستي انجام شود.
روش بسيار معمول و سنتي در برآورد ميزان عدم قطعيت استفاده از آناليز حساسيت است . در اين روش اثر تغييرات در مورد
٦
اطلاعات ورودي و يا در مدل مفروض مورد بررسي قرار مي گيرد. تحليل حساسيت مي تواند بر روي قسمتهايي که از اهميت ويژه اي برخوردارند، انجام شود.[٤] و [١١]
تحليل کيفي و کمي مخاطرات در ايستگاههاي CNG
پس از شناسايي و معرفي ايستگاههاي سوخت رساني سريع که در قسمت هاي پيشين توضيح داده شد، جهت شناسايي مخاطرات
سيستم به ٤ زيرسيستم کوچکتر تفکيک مي شودکه اين ٤ قسمت عبارتند از:
الف ) تحويل و اندازه گيري گاز طبيعي
ب ) متراکم سازي گاز طبيعي
ج ) ذخيره سازي گاز طبيعي
د) توزيع کننده CNG
نتايج مطالعات FMEA در ايستگاههاي CNG
جهت شناسايي مخاطرات در سايتهاي عمومي سوخت رساني CNG از روش FMEA استفاده شده است . FMEA ابزاري مهندسي جهت ارزيابي قابليت اعتماد سيستمها است . به کمک اين ابزار تحليلي مي توان کليه حالاتي را که يک سيستم دچار خرابي شود و همچنين اثرات خرابي ها را بر روي خود سيستم و يا محيط اطراف سيستم مورد بررسي قرار داد. . اين روش ، روشي بسيار سيستماتيک بوده و در آن تمام اجزاي سيستم جهت تعيين اثرات خرابي مورد بررسي قرار مي گيرند.[٥] در اين مطالعه سعي شده است تا وقايعي را شناسايي کرد که منجر به واقعه رأس رها شدن گاز CNG در ايستگاه خواهند شد. وقايع پايه اي که منجر به اين واقعه رأس مي شوند، عمدتاً معلول يکي از موارد زير مي باشند.
̅ طراحي نادرست (مثل عدم تعبيه خشک کن گاز طبيعي در ايستگاه و در نتيجه وجود رطوبت بيش از حد مجاز در گاز طبيعي که خود منجر به وقوع حوادث نامطلوب بعدي مي شود.)
̅ خرابي ساختاري در اثر نقصان مواد تشکيل دهنده (خستگي، خوردگي، فرسايش )
̅ خرابي تجهيزات مکانيکي ( مثل عدم عمکرد صحيح شيرهاي ايمني )
خطاي اپراتور (خطاي انساني در بستن شيرهاي دستي جداکننده بخشهاي مختلف سيستم سوخت رساني در مواقع اضطراري )
̅ وقايع خارجي (برخورد وسايط نقليه به توزيع کننده ها)
نتايج حاصل از تحليل درختهاي خطا در ايستگاههاي CNG
از طريق رسم درختهاي خطا مي توان روابط علت و معلولي بين وقايع پايه و واقعه رأس رها شدن گاز CNG را در ايستگاه ، به صورت گرافيکي نشان داد. [١٠] رسم درختهاي خطا از طريق مطالعه نقشه هاي P&ID شرکت دلتا و همچنين استفاده از تجربيات اپراتورهاي با سابقه انجام شده است . جهت ترسيم و تحليل درختهاي خطا از نسخه ششم نرم افزار SAPHIRE (آخرين نسخه موجود آن ) استفاده شده است .
