Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие нефтеперерабатывающих комплексов, обладающих высокой энергонасыщенностью, сопровождается ростом количества и масштабов пожаров и взрывов топливно-воздушных смесей (ТВС), наносящих значительный ущерб, как самим предприятиям, так и природной среде и населению. Ущерб от промышленных технологий таких потенциально опасных производств для окружающей среды и здоровья людей характеризуется риском, характер и масштабы которого зависят от типа и объемов потребляемого топлива, способов его использования, уровня технологии и эффективности проведения работ по охране окружающей среды и обеспечению противопожарной защиты. Последовательное увеличение удельного веса углеводородного топлива (нефть, газ, конденсат) в мировом экономическом балансе - сложившаяся закономерность, и в обозримой перспективе эта тенденция сохранится. Поэтому повышение уровня пожаровзрывобезопасности объектов нефтепереработки и нефтехимии остается одной из важнейших составных частей обеспечения защиты населения и окружающей среды от угроз техногенного характера.
Ежегодно в мире на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях происходит до 1500 аварий, которые уносят значительное число человеческих жизней; материальный ущерб составляет свыше 100 млн. долл. в год, причем аварийность имеет тенденцию к росту. Основную опасность представляют аварии с образованием зон взрывоопасных концентраций, пожары и взрывы, при этом пожары составляют 58,5 %, аварии - 17,9 %, взрывы - 15,1 %, прочее - 8,5 %.
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 пожаровзрывобезопасности, объединяющие технические средства пожарной и противоаварийной автоматики как единое целое. Отмеченные недостатки ликвидируются при проектировании и внедрении на объектах нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности автоматизированных систем управления противопожарной защитой (АСУПЗ). 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.
Значительный вклад в разработку теоретических основ создания АСУПЗ потенциально опасных объектов внесли российские ученые Топольский Н.Г., Федоров А.В., Блудчий Н.П., Абросимов А.А. и др. Результаты данных исследований позволяют разрабатывать общие подходы и теоретические основы автоматизации процесса функционирования систем противопожарной защиты объектов промышленности и гражданского строительства без формализованного описания, алгоритмизации и реализации функций раннего обнаружения и ликвидации аварийных ситуаций в технологических процесссах нефтехимических производств.
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 и АСУТП ОАО «Нефтехимия», а также в соответствии с планом научной деятельности Академии ГПС МЧС России.
Объектом исследования является система противопожарной защиты, а предметом исследования - процесс создания и функционирования АСУ противопожарной защитой технологической установки полимеризации.
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является повышение уровня пожаровзрывобезопасности технологической установки полимеризации на основе разработки формализованных методов построения и алгоритмизации АСУ противопожарной защитой.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие научные задачи:
-выполнить комплексный анализ пожаровзрывоопасности
технологической установки полимеризации, включающий статистическую оценку опасности пожаров, взрывов и аварий, установить их причинно-следственные связи; провести анализ технологических особенностей нефтехимического процесса полимеризации; определить уровень опасности и риска основных технологических блоков установки полимеризации с оценкой последствий возможных аварий; определить методы автоматизированного контроля и противопожарной защиты;
- проанализировать существующие модели и расчетные методы по
определению параметров полей концентраций пожаровзрывоопасных веществ в
атмосфере открытых технологических установок; определить требования к
данным моделям, которые являются основой для разработки алгоритмов и
программ расчета зон взрывоопасных концентраций (ВОК) в составе
программного обеспечения АСУПЗ; выполнить вычислительные эксперименты
для моделирования аварийных ситуаций и прогнозирования опасности
распространения полей ТВС как для самого объекта исследования, так и для
ближайших технологических установок, предприятий и жилых районов;
разработать обобщенную структуру АСУПЗ технологической установки полимеризации и входящих в нее функциональной, организационной структур и структуры комплекса технических средств (КТС);
на основе анализа сложных систем и тензорного метода разработать сетевую модель функционирования подсистемы оперативного прогнозирования пожароопасных ситуаций в АСУТП полимеризации для реализации в виде алгоритмов вычислительных программ;
разработать формализованные методы построения информационного и программного обеспечений, а также алгоритмы задач верхнего, нижнего уровней управления и поддержки межуровневого обмена АСУПЗ установки полимеризации, входящих в состав действующей интегрированной информационно-управляющей системы (ИИУС) Московского НПЗ;
Основные методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, моделирования и оптимизации АСУ; расчетные методы прогнозирования динамики распространения полей концентраций пожаровзрывоопасных газов и паров; тензорные методы моделирования пожароопасных ситуаций и расчета сложных систем с использованием теории двойственных сетей; теории графов, теории вероятностей и математической статистики, а также теории дифференциального исчисления.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:
- получены новые результаты комплексной оценки уровня опасности и анализа риска основных технологических блоков и элементов установки полимеризации нефтехимического производства с определением основных характерных аварийных режимов и предложением способов их автоматизированного контроля;
получены новые результаты моделирования возможных аварийных ситуаций и прогнозирования параметров зон до- и взрывоопасных концентраций на территории исследуемого объекта; алгоритмы, программы расчетов динамики полей ТВС и результаты вычислительных экспериментов в соответствии с принятыми сценариями аварий;
разработаны алгоритмы и программы информационно-управляющей подсистемы АСУПЗ, реализующей функцию оперативного прогнозирования развития аварийной загазованности на промтерритории объекта исследования;
- предложена сетевая модель функционирования подсистемы оперативного
прогнозирования пожароопасных ситуаций в АСУТП полимеризации с
реализацией в виде алгоритмов вычислительных программ;
получена обобщенная структура АСУПЗ нефтехимического производства, включающая: общесистемные решения, формализованное описание и алгоритмизацию организационной, функциональной, информационной, технической структур АСУПЗ, а также структуры программного обеспечения с представлением алгоритмов решения задач верхнего и нижних уровней управления.
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 полимеризации, методов моделирования и расчета параметров динамики полей до- и взрывоопасных концентраций топливно-воздушных смесей, защищенных свидетельством о государственной регистрации программ для ЭВМ; теоретических основ построения математических моделей прогнозирования пожароопасных ситуаций в виде двойственных сетей, позволяющих проводить одновременное описание как структуры, так и процессов внутри системы.
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» на установке
полимеризации (ОАО «Нефтехимия»), а именно: 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 составе интегрированной информационно-управляющей системы Московского НПЗ;
на ООО «КИНЕФ» (НПЗ г. Кириши, Ленинградская область) внедрены при разработках: технических решений по повышению информативности средств охранно-пожарной сигнализации и контроля зон взрывоопасных концентраций, исходных данных для создания щитов и шкафов управления автоматическими установками пожаротушения нового поколения.
в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России использованы при подготовки лабораторных работ по курсу «Производственная и пожарная автоматика для предупреждения пожаров и взрывов», подготовки разделов учебника «Производственная и пожарная автоматика. Часть I. Производственная автоматика для предупреждения пожаров и взрывов» на кафедре пожарной автоматики.
Реализация результатов исследований в промышленности и учебном процессе подтверждена соответствующими актами.
На защиту выносятся:
- научно-методические основы создания автоматизированной системы
управления противопожарной защитой технологического процесса
полимеризации;
сетевая модель функционирования подсистемы оперативного
прогнозирования пожароопасных ситуаций в технологическом процессе
полимеризации для реализации в виде алгоритмов вычислительных
программ;
обобщенная структура АСУПЗ технологической установки
полимеризации с расширенными функциональными возможностями,
включающая общесистемные решения, формализованное описание и алгоритмизацию организационной, функциональной и информационной структур АСУПЗ;
структура программного и технического обеспечения АСУПЗ технологической установки полимеризации, а также блок-схемы алгоритмов задач верхнего и нижних уровней управления.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций,
приведенных в диссертационной работе, достигнута за счет применения комплекса взаимодополняющих методов, адекватных цели, объекту, предмету и
задачам исследования; значительным количеством публикаций результатов диссертации в печати; практической проверкой и внедрением полученных результатов; 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 г.).
«Системы безопасности» - Москва, Академия государственной противопожарной службы МЧС России (2008, 2009, 2010 гг.).
«Обеспечение безопасности жизнедеятельности: проблемы и перспективы» - Минск, Государственное Учреждение Образования «Командно -Инженерный Институт» МЧС Республики Беларусь (2011 г.).
Публикации. По тематике диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 13 научных статей, 7 которых из перечня изданий, рекомендованных ВАК, 5 докладов на конференциях, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
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.
