Автоматизация системы противопожарной защиты технологической установки полимеризации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Алешков, Александр Михайлович

• Алешков, Александр Михайлович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Алешков, Александр Михайлович

Введение.

Глава 1. Анализ пожаровзрывоопасности технологической. установки полимеризации как объекта автоматизации

1.1.Опасности пожаров, взрывов и аварий на объектах

Нефтепереработки и нефтехимии

1.2. Оценка уровня опасности технологической установки. полимеризации (на примере Московского НПЗ)

1.3. Анализ пожарной опасности и оценка риска технологической установки полимеризации.

1.4. Моделирование аварийных ситуаций и прогнозирование параметров зон взрывоопасных концентраций в воздухе открытой технологической установки полимеризации.

1.4.1. Анализ и выбор моделей расчета полей аварийной загазованности окружающей среды.

1.4.2. Моделирование аварийных ситуаций на открытых установках НПЗ и расчет параметров полей взрывоопасных концентраций.

Выводы.

Глава 2. Сетевая модель прогнозирования пожароопасных ситуаций в технологических процессах полимеризации.

2.1. Постановка задачи сетевого моделирования пожаровзрывоопасных технологических процессов.

2.2. Сетевая модель процесса производства полипропилена методом полимеризации

2.2.1. Определения для сетевой модели производства полипропилена методом полимеризации . 84"

2.2.2. Особенности автоматизации физического процесса полимеризации

2.2.3. Сетевая модель процесса полимеризации.

2.2.4. Выбор путей и матрицы преобразования.

2.3. Пример расчета сетевой модели полимеризации при пожароопасном режиме работы установки.

2.3.1. Расчет составляющей потоков продуктов, протекающих в разомкнутых путях установки.

2.3.2. Расчет контурной составляющей потоков продуктов.

Выводы по 2 главе.

Глава 3. Разработка обобщенной структуры автоматизированной системы управления противопожарной защитой технологической установки полимеризации

3.1. Принципы построения АСУ противопожарной защитой.

3.2. Описание функциональной структуры АСУПЗ установки полимеризации.ИЗ

3.3. Организационное обеспечение АСУПЗ.

3.4. Информационное обеспечение АСУПЗ ТУП.

3.4.1. Принципы организации информационного обеспечения АСУПЗ.

3.4.2. Построение системы классификации и кодирования.

3.4.3. Организация сбора и передачи информации.

3.4.4.0рганизация внутримашинной и внемашинной информационной базы.

3.4.5. Принципы построения видеокадра.

3.5. Разработка алгоритмического и программного обеспечения

АСУПЗ установки полимеризации

3.5.1. Структура программного обеспечения АСУПЗ.

3.5.2. Описание алгоритма задач верхнего и нижнего уровней управления

3.5.3. Описание алгоритма поддержки межуровневого обмена.

Выводы.

Глава 4. Исследование и организация технического обеспечения

АСУПЗ технологической установки полимеризации МНПЗ.

4.1.Анализ использования средств микропроцессорной и вычислительной техники в системах пожарной автоматики.^^

4.2. Разработка структуры технических средств АСУПЗ.

4.3. Описание процесса функционирования автоматизированного комплекса (АК) противопожарной защитой.

4.4. Расчет уровня автоматизации технологического объекта управления противопожарной защитой.

4.5. Концепция взаимосвязи АСУПЗ с интегрированной информационно-управляющей системой МНПЗ.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация системы противопожарной защиты технологической установки полимеризации»

Ущерб от промышленных технологий нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов для окружающей среды и здоровья людей можно характеризовать риском, характер и масштабы которого зависят от типа и объемов потребляемого топлива, способов его использования, уровня технологии и эффективности проведения работ по уменьшению загрязнений. Вопросы повышения уровня пожароопасное™ и проблемы охраны окружающей среды для предприятий нефтеперерабатывающей промышленности являются весьма актуальными. Это объясняется следующими факторами: концентрацией химических энергоносителей, нефти и нефтепродуктов, их способностью гореть, взрываться и загрязнять опасными выбросами атмосферу; наличием потенциальных опасностей, вызывающих материальные и людские потери; опережающим развитием объемов производства по сравнению с совершенствованием мер предупреждения аварийных и пожароопасных ситуаций; чрезвычайно высокой энергонасыщенностью объектов нефтеперерабатывающей промышленности. Типовой нефтеперерабатывающий завод производительностью 10-15 млн. т/год сосредотачивает на своей территории от 200 до 500 тыс. т углеводородного топлива, энергосодержание которого эквивалентно 2-5 мегатоннам тротила [14]; интенсификацией технологии, ростом единичных мощностей аппаратов, вследствие чего такие параметры, как температура, давление, содержание взрывопожароопасных веществ растут и приближаются к критическим; несовершенной технологией сбора и утилизации загрязняющих, в том числе пожароопасных, компонентов, попавших в окружающую среду при производстве нефтепродуктов.

Номенклатура выпуска нефтеперерабатывающего завода с передовой технологией, обеспечивающей комплексную переработку сырья, стала состоять из сотен позиций, причем многие из изготавливаемых продуктов взрывопожароопасны и (или) токсичны. Перечисленные особенности современных объектов нефтепереработки обусловливают их потенциальную взрывопожарную опасность. Экономическая целесообразность кластеризации промышленных предприятий ведет к созданию индустриальных комплексов, в которых узлы энергораспределения, тепло- и газоснабжения в большей части размещаются в местах проживания населения.

Вследствие создания высокоинтенсивных технологических процессов по переработке нефти и их остаточных компонентов, а также установок большой единичной мощности возникли принципиально новые требования по обеспечению безопасности как к созданию этих производств, так и к их размещению: обеспечение высокой надежности их функционирования производств с целью уменьшения выбросов пожароопасных веществ в окружающую среду; организация оптимальной работы каждого аппарата, системы и всей технологической схемы с учетом совокупных требований энерготехнологии, экономики, экологии и пожаробезопасности; оптимальное распределение нагрузок по аппаратам, реакторам, подсистемам, обеспечивающее наиболее полную регенерацию энергетических потоков и эффективное использование материальных ресурсов с целью полной утилизации всех возможных выбросов взрывопожароопасных веществ в окружающую среду.

На современном этапе повышение уровня пожарной безопасности неразрывно связано с комплексным решением рассматриваемых проблем всего нефтеперерабатывающего производства, включающим следующие основные этапы [6 - 13]: анализ опасности и оценка риска современных объектов нефтепереработки; разработка и внедрение системы мониторинга окружающей среды, основными задачами которого являются слежение за качеством окружающей среды, выявление источников загрязнений пожароопасными компонентами, предупреждение возможных аварийных ситуаций и оперативное принятие мер по их устранению; разработка методов повышения безопасности производства на базе исследований и совершенствования технологических процессов и реконструкции оборудования; совершенствование систем управления производством, технологическими процессами, качеством окружающей среды и взрывопожаробезопасностыо.

Ежегодно в мире на нефтеперерабатывающих предприятиях происходит до 1500 аварий, 4 % которых уносят значительное число человеческих жизней; материальный ущерб в среднем составляет свыше 100 млн. долл. в год, причем аварийность имеет тенденцию к росту [14].

Основную опасность промышленной территории объектов нефтепереработки представляют образование зон взрывоопасных концентраций (ВОК), пожары и взрывы. Из них пожары составляют 58,5 % от общего числа опасных ситуаций, образование зон ВОК - 17,9 %, взрывы - 15,1 %, прочие опасные ситуации - 8,5 % [15, 16]. Пожары и взрывы на открытых технологических установках возникают в ситуациях, которые характеризуются следующими факторами: неконтролируемым выбросом горючих Ьред в атмосферу, загазованностью территории и образованием взрывоопасного облака топливно-воздушной смеси (TBC), наличием источников зажигания.

Опасность загрязнения промышленной территории нефтеперерабатывающих объектов связана с образованием полей (зон) концентраций углеводородов, превышающих предельно допустимые значения и достигающих нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР) как при возможной аварии, так и при регламентном режиме работы технологического оборудования.

Изучение причин возникновения аварий на основе научной методологии позволяет решать важнейшие практические вопросы промышленной безопасности. Выявление опасных производственных факторов и зон их воздействия на прилегающие к предприятиям жилые объекты способствует внедрению новых технологий обеспечения безопасности и оптимизации мер и средств подавления развития и локализации аварий.

Проводимые ранее экспериментальные исследования относились в основном к изучению распространения зон ВОК и токсичных концентраций в воздушной среде промплощадок нефтебаз и НПЗ при нормальном режиме работы технологического оборудования [17-20]. Кроме того, эти исследования носили локальный характер и базировались в большей части на определении размеров взрывоопасных зон, образованных одним или несколькими точечными источниками выделения (трубопроводов, реакторов и др.).

Так, на Московском НПЗ по данным инвентаризации [6, 11] имеется около

300 организованных и неорганизованных стационарных источников выброса (резервуары, реакторы, поверхности испарения очистных сооружений, неплотности запорной арматуры и фланцевых соединений технологических установок и др.), из которых ежесуточно в атмосферу завода может выделяться до 110 т углеводородных газов. Выборочная экспресс-оценка воздушной среды на содержание углеводородного поллютанта, проводимая заводской лабораторией (отбор проб воздуха проводится в 5 точках на промтерритории завода и в 6 точках контроля в санитарi но-защитной зоне), не позволяет достаточно объективно оценить опасность воздушной среды объекта исследования. Необходимы комплексные теоретические исследования возможной загазованности воздушной среды территории НПЗ при регламентном и аварийном режимах функционирования технологического оборудования и разработка на базе этих исследований автоматизированной системы управления противопожарной защитой (АСУПЗ). В этой связи представляется целесообразным проведение расчетов, включающих полномасштабную комплексную оценку динамики полей пожаровзрывоопасных компонентов на промышленной территории технологических установок углубленной переработки нефтяного сырья на примере Московского НПЗ. Проведение этой оценки позволит разработать карты содержания углеводородного поллютанта в атмосфере, установить пределы изменения концентрации загрязнителя, определить зоны повышенного содержания опасных компонентов, выбрать тип датчиков для подсистемы автоматического контроля зон ВОК АСУПЗ [21].

Для изучения и прогнозирования рассеивания взрывопожароопасных веществ (в том числе облаков TBC) целесообразно проведение математического моделирования. Значительных результатов в исследованиях в данной области достигли Главная геофизическая обсерватория, Центральная аэрологическая обсерватория РАН и Международная группа по оценке риска "CONCAWE" [22 - 26]. Однако для расчетов полей аварийной загазованности промышленной территории нефтеперерабатывающих объектов можно использовать,весьма ограниченное число моделей в связи со спецификой данного производства, обращающихся в технологии веществ, рельефа местности и метеоусловий. Поэтому для этих потенциально опасных предприятий необходим анализ и выбор расчетных моделей, позволяющих учитывать особенности возможных аварий, и проведение вычислительных эксперимептов для моделирования аварийных ситуаций и прогнозирования опасности зон ВОК как для самого объекта, так и для ближайших жилых районов и соседних промышленных объектов.

Вопросам контроля и защиты промышленной территории НПЗ от аварийных зон ВОК стали уделять внимание сравнительно недавно [27-29]. Согласно установленным нормам [30] промышленная территория открытых технологических установок оснащается автоматическими газоанализаторами-сигнализаторами, спектр производства которых достаточно широк [31-35]. Общими недостатками систем противоаварийной защиты, содержащих в своей основе такие приборы, в большинстве случаев являются: малоканальность отдельного газоанализатора и вследствие этого неоправданно большое количество вторичных приборов; малая информативность; невозможность прогнозирования опасности аварийной загазованности; отсутствие самодиагностики; неудобство в техническом обслуживании; отсутствие контроля исправности и срабатывания систем защиты; отсутствие фиксации аварийных режимов (дата, время, место, причина и т.д.).

Существующие на объектах нефтепереработки и нефтехимии отечественные установки пожарной сигнализации, элементы электроуправления установок пожаротушения относятся к обычному (релейному) типу, выполнены автономно, связи между установками и их с микропроцессорной и вычислительной техникой, в основном, отсутствуют. Это не позволяет создавать системы пожаровзрывобезопас-ности, объединяющие технические средства пожарной и противоаварийной автоматики как единое целое [36]. Отмеченные недостатки ликвидируются при проектировании и внедрении на объектах нефтепереработки автоматизированной системы управления противопожарной защитой (АСУПЗ) [36-39].

Значительный вклад в разработку теоретических основ создания АСУПЗ потенциально опасных объектов внесли российские ученые Топольский Н.Г., Федоров A.B., Блудчий Н.П., Абросимов A.A. и др. Вместе с тем, доля научных публикаций в области формализованного описания и алгоритмизации структур АСУПЗ нефтеперерабатывающих объектов пока незначительна. До настоящего времени не рассмотрены в полном объеме важные вопросы создания подсистем АСУПЗ реализующих функции раннего обнаружения и ликвидации аварийных ситуаций.

АСУПЗ - сложная динамическая система открытого типа, для исследования и описания которой следует использовать принцип системного подхода [40-42, 238]. Ряд фирм выставили на рынок системы подобного типа; например, системы "SAFETY REVIEW" (фирма RIKEN REIKICO., LTD, JAPAN) и "SAFER" (фирма SAFER Emergency Systems Inc., Col., USA) [15, 43]. Однако эти системы не осуществляют прогнозирования распространения зон ВОК, диагностирования и оперативного прогнозирования аварийных ситуаций в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП) и средствами противоаварий-ной защиты объектов нефтепереработки (водяные и паровые завесы, системы орошения, системы отключения, переключения, блокировки и т.п.) [38, 39, 43-57].

Открытым остается также вопрос о создании подсистем реализующих функцию оперативного прогнозирования пожароопасных ситуаций в технологических процессах углубленной переработки нефтепродуктов и получения полипропилена. Алгоритмическая структура математического обеспечения АСУПЗ должна включать разработку сетевой модели процесса полимеризации, анализ динамики изменений пожароопасных параметров с целью определения возможности возникновения аварийной ситуации. Актуальность разработки такой модели состоит в необходимости определять и динамически оценивать состояние системы, изменение параметров процессов при изменении структуры связей ее элементов. Существующий математический аппарат моделирования таких ситуаций не может в полной мере обеспечить комплексное решение данных задач, так как применяемые в настоящее время модели не учитывают одновременное описание изменений структуры связей элементов и изменений процессов внутри структуры сложной системы.

Перечисленные проблемы в комплексе подтверждают необходимость создания АСУПЗ на объектах с технологическим процессом получения полипропилена. Данная научно-техническая задача является актуальной и ее решение направлено на повышение безопасности нефтеперерабатывающих и нефтехимических комплексов.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Пожарная безопасность в Российской Федерации на период до 2012 года», в рамках "Комплексной программы по созданию автоматизированных систем управления пожарной безопасностью объектов различного назначения для отраслей народного хозяйства на 2005-2010 и последующие годы», в соответствии с планом реконструкции АСУП Московского НПЗ, АСУТП ОАО «Нефтехимия», НПЗ «ООО КИНЕФ» и в соответствии с планом научной деятельности Академии ГПС МЧС России.

Объектом исследования является система противопожарной защиты, а предметом исследования - процесс создания и функционирования АСУПЗ, технологической установки полимеризации.

Цель и задачи исследования.

Целью диссертационного исследования является повышение уровня пожа-ровзрывобезопасности объектов нефтехимического производства на основе разработки формализованных методов построения и алгоритмизации АСУ противопожарной защитой технологической установки полимеризации.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие научные задачи:

- комплексный анализ пожаровзрывоопасности технологической установки полимеризации, включающий статистическую оценку опасности пожаров, взрывов и аварий; установление их причинно-следственных связей; анализ технологических особенностей нефтехимического процесса полимеризации; определение уровня опасности и анализ риска основных технологических блоков и элементов установки полимеризации и оценка последствий возможных аварий;

- анализ существующих моделей и расчетных методов по определению параметров полей концентраций пожаровзрывоопасных веществ-в атмосфере открытых технологических установок; определение требований к данным моделям, являющимися основой для разработки алгоритмов и программ расчета зон взрывоопасных концентраций (ВОК); выполнение вычислительных экспериментов для моделирования аварийных ситуаций и прогнозирования опасности распространения полей TBC как для самого объекта исследования, так и для ближайших технологических установок, предприятий и жилых районов;

- разработка обобщенной структуры АСУПЗ технологической установки полимеризации и входящих в нее функциональной, организационной структур и структуры комплекса технических средств (КТС);

- разработка на основе анализа сложных систем и тензорного метода сетевой модели функционирования подсистемы оперативного прогнозирования пожароопасных ситуаций в АСУТП полимеризации с реализацией в виде алгоритмов вычислительных программ;

- разработка формализованных описаний информационного и программного обеспечений, включающих информационную и алгоритмическую структуру АСУПЗ, порядок классификации и кодирования информации, организацию сбора и передачи информации, организацию внутримашинной и внемашинной баз, а также разработку алгоритмов задач верхнего, нижнего уровней управления и поддержки межуровневого обмена АСУПЗ установки полимеризации, входящих в состав действующей интегрированной информационно-управляющей системы (ИИУС) Московского НПЗ;

- реализация результатов диссертационного исследования и оценка уровня автоматизации предлагаемого варианта защиты.

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, которые выносятся на защиту и характеризуются научной новизной:

- Результаты комплексного анализа пожаровзрывоопасности технологической установки полимеризации, включающего анализ параметров и их взаимосвязей, определяющих развитие потенциально опасных режимов; оценку уровня опасности и анализ риска основных технологических блоков и элементов установки полимеризации и последствий возможных аварий на примере Московского НПЗ.

- Результаты моделирования возможных аварийных ситуаций и прогнозирования параметров зон до- и взрывоопасных концентраций на территории исследуемого объекта; алгоритмы, программы расчетов динамики полей TBC и результаты вычислительных экспериментов в соответствии с принятыми сценариями аварий.

- Теоретические основы сетевого моделирования и прогнозирования пожароопасных ситуаций в АСУТП полимеризации с применением тензорных методов моделирования и расчета сложных систем с использованием двойственных сетей.

- Обобщенная структура АСУПЗ технологической установки полимеризации, включающая: общесистемные решения и результаты научно-технического обоснования автоматизированного комплекса пожаровзрывозащиты с расширенными функциональными возможностями, а также организационную, функциональную, информационную, алгоритмическую, программную и техническую структуры.

- Результаты обоснования и разработки общих принципов организации информационного обеспечения АСУПЗ, включающих: сбор и передачу информации, систему классификации и кодирования, создание внутри- и внемашинной информационных баз.

- Алгоритмы и программы информационно-управляющей подсистемы АСУПЗ, реализующей функцию оперативного прогнозирования развития аварийной загазованности на промтерритории объекта исследования.

- Структура программного обеспечения АСУПЗ установки полимеризации с представлением схемы алгоритмов задач верхнего и нижних уровней управления.

Методы исследования. В работе использованы: методы системного анализа, моделирования и оптимизации АСУ противопожарной защитой; расчетные методы прогнозирования динамики распространения облаков TBC; тензорные методы моделирования пожароопасных ситуаций и расчета сложных систем с использованием теории двойственных сетей.

Практическая ценность и значимость работы определяется использованием результатов исследований на промышленных объектах и в учебном процессе, в т.ч. в разработках: методологии комплексного решения задачи создания автоматизированной системы управления противопожарной защитой технологических установок по углубленной переработке нефти, методов моделирования и расчета параметров динамики полей до- и взрывоопасных концентраций TBC; теоретических основ построения математических моделей прогнозирования пожароопасных ситуаций в виде двойственных сетей, позволяющих проводить одновременное описание как структуры, так и процессов системы; а также на уровне полезной модели: автоматизированной системы управления противопожарной защитой потенциально опасных производств. '

Реализация результатов работы. Представленные в диссертации результаты исследований нашли практическое применение на промышленных объектах и в учебном процессе, в т.ч.:

На ОАО «Московский нефтеперерабатывающий завод» с целью повышения уровня пожаровзрывобезопасности предприятия реализованы: методология комплексного подхода к обеспечению пожаровзрывобезопасности процесса полимеризации; результаты анализа опасности и оценки риска; функциональные, организационные и информационные структуры АСУПЗ установки полимеризации; принципы организации технического обеспечения, структура и процессы функционирования. КТС; технические предложения по созданию алгоритмов, математического и программного обеспечений АСУПЗ; теоретические основы создания АСУПЗ технологической установки полимеризации в в составе интегрированной информационно-управляющей системы МНПЗ.

В ОАО «Нефтехимия» использованы при разработках: технических решений по повышению информативности средств охранно-пожарной сигнализации и контроля зон ВОК, исходных данных для создания щитов и шкафов управления автоматическими установками пожаротушения нового поколения.

В Академии Государственной противопожарной службы МЧС России использованы в учебном процессе на кафедре пожарной автоматики.

Реализация результатов исследований в промышленности и учебном процессе подтверждена соответствующими актами.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, достигнута за счет применения для решения поставленных задач апробированных математических методов; значительного объема аналитических и экспериментальных исследований; согласованности полученных результатов с известными данными исследований в смежных областях.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены и получили одобрение на следующих международных научно-практических конференциях:

Интерполитех-2010» в рамках XIII Международной выставки средств обеспечения безопасности государства - Москва, Всероссийский выставочный центр (ВВЦ) (2010 гг.).

Системы безопасности» - Москва, Академия государственной противопожарной службы МЧС России (2008 гг.);

Системы безопасности» - Москва, Академия государственной противопожарной службы МЧС России ( 2009 гг.);

Системы безопасности» - Москва, Академия государственной противопожарной службы МЧС России (2010 гг.).

У-я Международной научно-практической конференции курсантов, студентов и.слушателей» - г.Минск «Командно-инженерный институт» МЧС РБ.

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 13 научных статей, 7 из перечня изданий, рекомендованных ВАК, 5 доклада на конференциях, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Одна работа опубликована без соавторов.

Личный вклад автора. В совместных публикациях автору принадлежит: постановка и формализация задач исследования, разработка методов и конструктивных решений, теоретические обобщения и прикладные расчеты, участие в технической реализации и внедрении разработок. В совместных публикациях и изданиях имеет место единое и неделимое единство.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (158 наименований) и 6 приложений на 10 стр. Основное содержание работы изложено на 209 стр. машинописного текста, содержит 47 рисунков и 26 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Алешков, Александр Михайлович

15. Результаты работы защищены свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ, реализованы на Московском НПЗ и НПЗ «ООО КИНЕФ» Ленинградской области, а так же используются в учебном процессе Академии ГПС МЧС России.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации осуществлено решение крупной научно-технической задачи, имеющей большое значение для потенциально опасных отраслей промышленности - разработка автоматизированной системы управления противопожарной защитой технологической установки полимеризации НПЗ, позволяющая повысить уровень пожаровзрывобезопасности нефтеперерабатывающих и нефтехимических комплексов.