Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Описание технологического процесса получения серы методом клауса и постановка задачи исследования 10
1.1. Описание технологического процесса получения серы методом Клауса 10
1.2. Возможные аварийные положения на объекте и меры ію их ликвидации 17
1.3. Состояние вопросов обеспечения безопасности процесса получения серы метом Клауса (литературный обзор) 19
1.4. Постановка задачи исследования 25 ,
Выводы по первой главе 28
ГЛАВА 2. Процедура идентификации предаварийных ситуаций на технологических объектах управления 29
2.1. Ситуационная модель технологического процесса как источника предаварийных ситуаций 29
2.2. Идентификация причин предаварийных ситуаций па объектах управления 36
2.3. Вычислительная процедура обработки качественной информации в режиме реального времени 39
2.4. Функциональная структура системы идентификации предаварийных ситуаций 54
Выводы по второй главе 57
ГЛАВА 3. Система идентификации предаварийных ситуаций установки получения серы методом клауса58
3.1. Методика анализа технологического объекта управления как источника предаварийных ситуаций 58
3.2. Анализ термического реактора установки Клауса как источника предаварииных ситуаций 63
3.3. Верификация процедуры идентификации предаварииных ситуаций методом имитационного моделирования 77
Выводы по третьей главе 93
ГЛАВА 4. Реализация системы идентификации предаварииных ситуаций установки клауса 94
4.1, Алгоритмическая структура системы идентификации предаварииных ситуаций 94
4.2, Интеграция программного обеспечения системы идентификации предаварииных ситуаций и SCADA-систем 102
4.3, Техническая структура системы идентификации предаварииных ситуаций 106
Выводы по четвертой главе 109
Выводы 110
Список литературы 111
Приложения 122
- Описание технологического процесса получения серы методом Клауса
- Ситуационная модель технологического процесса как источника предаварийных ситуаций
- Методика анализа технологического объекта управления как источника предаварийных ситуаций
- Алгоритмическая структура системы идентификации предаварииных ситуаций
Введение к работе
Экономическое развитие России в большой степени определяется положением дел в газоперерабатывающей отрасли. Существенную долю в этой отрасли занимает производство серы из углеводородного сырья» По оценкам экспертов содержание серы в нефти и природном газе составляет 2*109 т. В углеводородном сырье сера представлена в основном в виде сероводорода, меркаптанов и других сероорганических соединений, В нашей стране находится семнадцать сероводородсодержащих газоносных бассейнов. Концентрация сероводорода в них составляет от 0,015 до 26>5%.
Сера находит широкое применение в народном хозяйстве. Она применяется в производстве серной кислоты, различных видов резины и пластмасс, а также для изготовления взрывчатых веществ» Самым распространенным способом получения серы является производство по методу Клауса, Свыше 90% мирового производства серы приходится на эту технологию [94]. В нашей стране метод Клауса применяется для получения серы на Астраханском, Оренбургском и других газоперерабатывающих заводах. Таким образом, в настоящее время регенерация серы из сероводорода является основным источником ее получения.
В последние годы наблюдается тенденция увеличения мощности и количества установок получения серы. При этом безопасность процесса обеспечивается системой аварийных сигнализаций и блокировок. Автоматическая остановка процесса осуществляется в течении 5 мин. При номинальной мощности установки 95000 м3/ч за это время в атмосферу выбрасывается 8000 м не переработанного кислого газа. Это приводит к кратковременному стократному превышению ПДК. На Астраханском газоперерабатывающем заводе установка получения серы по методу Клауса используется для переработки продуктов реакций всех остальных
л, производств. Поэтому ее остановка может привести к остановке всего
завода, что связано с большими экономическими потерями.
В таких условиях использование традиционной системы аварийных
блокировок не может служить гарантией обеспечения достаточного уровня
безопасности и экологической чистоты производства. Необходимо
использование систем позволяющих заблаговременно идентифицировать
возможный переход процесса в аварийный режим и предотвратить его
остановку.
,ч Разработка таких систем сопряжена с определенными трудностями.
Это связано с отсутствием адекватных математических моделей процессов, развитие которых может привести к аварии. Основными препятствиями на пути создания математического описания этих процессов являются большое число факторов определяющих положение на объекте и необходимость обработки качественной информации. К ней можно отнести информацию о составе сырья, состоянии технологического оборудования и др.
Таким образом, создание системы идентификации пред аварийных
ситуаций для установки получения серы методом Клауса, позволяющей
повысить безопасность процесса, является, несомненно, актуальной научной
и практической проблемой,
ь Целью настоящей работы является повышение безопасности процесса
получения серы методом Клауса за счет раннего распознавания предаварийных ситуаций.
Научная проблема - создание процедуры идентификации предаварийных ситуаций процесса получения серы методом Клауса.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- синтезировать интеллектуальную ситуационную модель процесса
получения серы методом Клауса, предназначенную для идентификации
предаварийных ситуаций и их причин;
к \ - создать быстродействующий алгоритм обработки количественной и
качественной информации в режиме реального времени;
разработать методику анализа технологического процесса как источника предаварийных ситуаций;
разработать в составе АСУ ТП процесса получения серы методом Клауса систему идентификации предаварийных ситуаций и соответствующую базу знаний;
оценить эффективность системы идентификации.
Л Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись
общая теория автоматического управления, математическое моделирование, теория нечетких множеств и методы искусственного интеллекта. Научная новизна работы состоит в следующем:
предложена процедура построения ситуационных моделей технологических процессов, использующих как количественную, так и качественную информацию;
разработана методика анализа технологического процесса как источника предаварийных ситуаций;
построена ситуационная модель термического реактора установки получения серы методом Клауса;
tir1 - разработан быстродействующий алгоритм обработки качественной
информации, для использования в режиме реального времени. Практическая ценность работы:
создана база знаний о термическом реакторе установки получения серы методом Клауса, как об источнике предаварийных ситуаций;
разработана система идентификации предаварийных ситуация установки получения серы методом Клауса.
Апробация работы. Основные теоретические и прикладные результаты
, диссертационной работы изложены в 12 публикациях.
(\ Результаты работы докладывались на XII Международной научной
конференции «Математические методы в технике и технологиях MMTT-XII» (г. Великий Новгород, 1999), XIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-2000» (г. Санкт-Петербург, 2000), XIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях MMTT-XIV» (г. Смоленск, 2001), XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Тамбов, 2002), XVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-Дон» (г. Ростов-на-Дону? 2003), XVII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях MMTT-XVII» (г. Кострома, 2004).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложений. Она изложена на 139 страницах, содержит 22 рисунка. Список литературы включает в себя 96 наименований. Приложения объемом 17 страниц.
Во введении показана актуальность, сформулирована цель, определена
научная новизна и практическая ценность результатов данной работы,
^ приведено краткое содержание работы по главам.
В первой главе приведено описание технологического процесса получения серы методом Клауса, Дано описание возможных аварийных положений и мер по их ликвидации. Проведен обзор работ по обеспечению безопасности технологического процесса получения серы методом Клауса, Сформулирована цель исследования, поставлены задачи, решение которых необходимо для ее достижения.
Во второй главе приведена процедура построения ситуационной модели технологических процессов. Разработан быстродействующий
8
V\ вычислительный алгоритм обработки количественной и качественной
информации в режиме реального времени.
Проведено исследование вычислительных процедур, подтверждающее целесообразность использования модифицированного алгоритма. Разработана система идентификации предаварийных ситуаций, использующая предложенную ранее ситуационную модель процесса.
Третья глава посвящена вопросам построения системы идентификации предаварийных ситуаций для установки получения серы методом Клауса. Предложена методика анализа технологического объекта как источника предаварийных ситуаций. Проведен соответствующий анализ термического реактора установки Клауса, Создана база знаний о термическом реакторе как об источнике предаварийных ситуаций. Приведены результаты имитационного моделирования, подтверждающие корректность предложенной процедуры идентификации предаварийных ситуаций и созданной базы знаний.
В четвертой главе предложена реализация системы идентификации
предаварийных ситуаций для установки получения серы методом Клауса,
разработана алгоритмическая, функциональная и информационная структуры
системы идентификации, даны варианты выбора технической структуры.
^ Автор выносит на защиту следующие основные положения:
процедура построения интеллектуальных ситуационных моделей технологических процессов, использующих как количественную, так и качественную информацию;
интеллектуальная ситуационная модель термического реактора установки получения серы методом Клауса;
быстродействующи й алгоритм обработки количественной и качественной информации для использования в режиме реального времени;
методика анализа технологического объекта как источника предаварийных ситуаций;
система идентификации предаварийньтх ситуаций и база знаний для термического реактора установки получения серы методом Клауса,
*
*
Описание технологического процесса получения серы методом Клауса
Сера, наряду с углем, нефтью, известняком и поваренной солью относится к пяти основным видам сырья химической промышленности. Она выпускается в двух основных формах: «элементарная сера» (с концентрацией S 99,5% и выше) и в виде химических соединений, в частности, серной кислоты. Основной выпуск серы (свыше 2/3) осуществляется в элементарной форме и доля ее увеличивается. Производство элементарной серы осуществляется на рудниках самородной серы путем извлечения се из газа, нефти и угля. Получение серы из газа и нефти начало развиваться быстрыми темпами в течение четырех последних десятилетий XX века. Одним из способов получения газовой серы является метод Клауса. Продуктом этого метода является сера техническая газовая ГОСТ 127.1-93. Способ производства серы методом Клауса был разработан более 100 лет назад и начал использоваться в промышленности с 1890г. В настоящее время все установки получения серы по методу Клауса построены по одинаковой технологической схеме, имеют одинаковый принцип действия, отличия заключаются лишь в особенностях конструкции и размерах отдельных аппаратов, способах подогрева технологического газа перед каталитическими реакторами и типах катализатора.
В данной работе рассматривается установка получения серы по методу Клауса работающая на Астраханском газоперерабатывающем заводе (АГПЗ),
Установка предназначена для получения элементарной серы из кислого газа, выделенного в процессе сероочистки природного газа. В отделении Клаус путем прямого окисления в реакционных печах сероводорода до элементарной серы и SO2 (термическая часть) и дальнейших реакций H2S и SC 2 на слое катализатора (каталитическая часть) получается основной объем серы. В термической части выход достигает 55%, а в каталитической части -40% от общего количества серы. Производительность установки составляет 79,35 т/ч серы, по кислому газу 95000 м3/ч - номинальная, 96900 м3/ч -максимальная. Продукцией является сера техническая газовая, соответствующая ГОСТ 127-76,
Технологический процесс преобразования содержащегося в кислом газе сероводорода в элементарную серу основан на реакции Клауса: 2H2S + S02 « 3/nS + 2Н20 + Хккал/моль, где п - количество атомов серы в молекуле, зависящее от температуры реакции (от 2 до 8), Эта реакция осуществляется в два этапа: на первом этапе (термическом) поток кислого газа подается в печь реакции, где смешивается с воздухом и сжигается, при этом происходит окисление примерно 1/3 H2S до SO2 при высокой температуре (900 - 1350 С), HjS + З/2О2 = ЩО + S02 + 124-138 ккал/ч В печах реакции наряду с основными идут побочные реакции: С02 + H2S = COS + Н20 СН4 + 2S2 = 2H2S + CS2 Степень конверсии в печах составляет около 55%. На втором этапе (каталитическом) газ проходит два последовательно установленных каталитических конвертора, где две трети неокисленного H2S реагируют с образующимся S02. 2H2S + S02 = 2Н20 + 3/nSn + 22,2 ккал/молъ Полученные на первом этапе сероорганические соединения подвергаются реакции гидролиза на катализаторе: CS2 + 2H20 = 2H2S+C02 COS + Н20 = С02 + H2S Степень конверсии после отделения Клаус увеличивается до 95%. f4 Сера, получаемая на каждом этапе процесса, выделяется из реакционной среды путем конденсации, что позволяет перемещать равновесие реакции в направлении образования серы.
Для очистки хвостовых газов отделения Клаус и увеличения степени конверсии по установке до 99,6 % применяется процесс Сульфрин. Основой процесса является реакция Клауса на катализаторе (активном глиноземе) при температуре 150 С. 2H2S + S02 = Н20 + 3InSn + 3500 ккал/моль В соответствии с современной технологией получения серы кислый газ tJfV О 2 с температурой до 60 С и давлением от 0,6 до 0,85 кгс/см поступает в сепаратор В01, который предназначен для улавливания капельной жидкости, содержащейся в газе. При достижении заданного уровня жидкость, накопившаяся в сепараторе, откачивается насосами. Для освобождения сепаратора В01 от давления предусмотрен ручной сброс на факел низкого давления. После сепарации кислый газ разделяется на 4 потока: к печам F01, F11, F02 и угольный фильтр В06.
К печам F01 /F11 кислый газ поступает через отсекатели на тангенциальные двойные горелки: - центральную с отсекающей задвижкой с ручным приводом для ж работы на малых расходах; - кольцевую с отсекающей задвижкой с электроприводом для работы с номинальной производительностью. Для регулирования кислого газа используются регуляторы, клапана которых установлены на линии кислого газа. Для оптимального сжигания кислого газа на входе в термический реактор предусмотрен регулятор соотношения воздух/кислый газ. Расходомер основного воздуха через блок соотношения изменяет сигнал на регулятор, который воздействует на клапан ч кислого газа- Выход сигнала из регулятора давления кислого газа является коррекцией для регулятора расхода основного воздуха. В случае недостатка кислого газа (понижения давления) система регулирования понижает расход воздуха. На установке имеется система аварийной сигнализации и блокировки. При значительном понижении давления кислого газа (0,6 кг/см2) срабатывает предупредительная сигнализация. При дальнейшем падении давления ниже 0,5 кгс/см2 установка автоматически останавливается. При недостатке воздуха 40% срабатывает сигнализация и блокировка при 35%. При нарушении соотношения воздух/кислый газ срабатывает сигнализация.
Температура сгорания кислого газа 900 - 1350 С. Для контроля температуры используются оптические пирометры- Предусмотрена сигнализация по превышению 1450 С. Автоматическая остановка печей осуществляется при температуре 1550 С. Продукты реакции печей F01/F11 поступают в трубное пространство котлов Н01/Н11, где охлаждаются до температуры 250-350 С. Для охлаждения газа используется питательная вода, подаваемая насосами в барабаны котлов с получением пара среднего давления равным 25 кгс/см2 Уровень воды в барабанах В02/В12 регулируется двумя параллельно работающими регуляторами. Продукты термической реакции отделения Клаус, выходящие из котлов Н01/Н11, поступают в трубное пространдтво первого конденсатора Е01, где охлаждаются до температуры 160-200 С. Сконденсированная сера через два гидрозатвора по ссропроводу выводится в яму суточного хранения Т01.
Для охлаждения газа в Е01 используется питательная вода, подогретая до 150-155 С. Вода подается в межтрубное пространство конденсатора с получением пара низкого давления 4-6 кгс/см . Газы, выходящие из Е01, поступают на подогрев во вспомогательную печь F02. В этой печи за счет сжигания кислого газа (2% от общего количества), основной поток технологического газа смешивается и подогревается до 240-280 С. Соотношение воздух/кислый газ выдерживается 4:1, тем самым достигается избыточное содержание SO2 в газе, необходимое для проведения реакций гидролиза в конверторе R01,
Газы, подогретые в F02, проходят сверху вниз через слой катализатора конвертора R01, где происходят химические реакции с преобразованием H2S и SC 2 в серу и гидролиз COS, CS2. За счет реакций происходит повышение температуры до 350-365 С- Контроль температуры катализатора по слоям -верхнему и нижнему, осуществляется термопарами. На случай загорания серы и повышения температуры в аппарате предусмотрена подача пара во входной трубопровод R01.
Ситуационная модель технологического процесса как источника предаварийных ситуаций
Для идентификации предаварийных ситуаций необходима модель, описывающая зависимость ситуации на объекте от совокупности значений координат технологического процесса. Назовем такую модель интеллектуальной ситуационной моделью (ИСМ). " Рассмотрим структуру интеллектуальной ситуационной модели (см. рис. 2.1), Входными координатами ИСМ являются все параметры технологического процесса, изменение значений которых может привести ситуацию на объекте к аварийной. Единственный выход модели характеризует текущее положение на объекте.
Входы ИСМ могут быть трех видов. Первая группа это координаты технологического объекта: управляющие, возмущающие и выходные. Значения некоторых их них могут быть измерены количественно, информация о других доступна только в виде качественной оценки. Для » прогнозирования развития процесса необходима информация о динамической составляющей значений координат объекта- Для формализации такой информации используются параметры второй группы, которые представляют собой скорости изменения значений параметров первой группы. Если координата технологического объекта оценивается качественно, то таким же образом оценивается и скорость ее изменения. Координаты третьей группы описывают внутренние характеристики объекта. Как правило, они соответствуют некоторым коэффициентам, имеющим физический смысл. При наличии аналитической модели их значения могут 5 быть вычислены количественно, иначе их оценка производится оператором в вербальной форме.
Для формализации таких данных используется аппарат нечетких множеств, который позволяет математически описать информацию, сформулированную экспертом на естественном языке. Будем считать входы модели (XI ... XN) лингвистическими переменными (ЛП). Например, лингвистическая переменная «Температура», «Давление в реакторе» и т.д. Каждой ЛГТ поставим в соответствие некоторое множество элементов, на котором будем описывать ее значения. Для переменной «Температура» это могут быть элементы соответствующие 05 50, 100, 150, 200 и 250 С- При этом каждое значение ЛП представляет собой нечеткое подмножество такого множества. Предположим, для переменной «Температура» определены значения «Низкая», «Средняя» и «Высокая», заданные нечеткими множествами:
Низкая = ЦО/0; 0,9/50; 0,2/100; 0,0/150; 0,0/200; 0f0/250};
Средняя = {0,0/0; 0,4/50; 1,0/100; 0,9/150; 0,2/200; 0,0/250}; (2.3)
Высокая = {0,0/0; 0,0/50; 0,0/100; 0,1/150; 0,9/200; 1,0/250};
Графическое изображение функций принадлежности упомянутых выше значений представлено на рис. 2.2. Для формализации выхода ИСМ предлагаем использовать так же лингвистическую переменную. Назовем эту ЛП «Ситуация» и обозначим Г. Значения этой переменной определены на множестве, состоящем из следующих элементов: «Авария», «ПАС», «Сильное отклонение от нормы» (СОН), «Малое отклонение от нормы» (МОН), «Норма». ЛП «Ситуация» может принимать такие значения как: «Близка к ПАС», «Близка к норме». Функции принадлежности этих значений представлены на рис. 2.3.
R вычисляется на априори. В режиме реального времени осуществляется идентификация текущего состояния объекта. Нечеткое множество Ymeii, характеризующее выходную координату, вычисляется путем последовательного проведения операции MinMax композиции текущих значений нечетких множеств, описывающих параметры объекта XlmeKt Х2тєк, ... XNmCK, и матрицы нечеткого отношения R.
Если XI - «большое положительное» и Х2 — «большое отрицательное», то ситуация - «близка к норме», иначе, если XI — «малое пололсительное» и Х2 — «малое отрицательное», то ситуация - «близка к ПАѻà иначе, если XI - «нулевое» и Х2 - «нулевое», то ситуация — «критическая».
В случае возникновения ПАС необходимо принять меры по восстановлению нормального режима- Характер этих мер напрямую зависит от причины вызвавшей ПАС. Таким образом, требуется идентифицировать не только ПАС, но и ее причину.
Причины, вызывающие ПАС можно разделить на три группы. К первой группе причин отнесем повреждение технологического оборудования. Наступление ПАС, вызванной причинами этой группы характеризуется изменением структуры объекта и нарушением связей между его координатами. Перевести процесс в нормальный режим, в таком случае, возможно только после его немедленной остановки, К причинам второй группы отнесем изменения входных координат объекта. Эти изменения могут быть вызваны либо внешними возмущениями, либо некорректными действиями оператора. В случае возникновения причин второй группы і необходимо сформировать такие управляющие воздействия, которые не позволят перейти процессу в аварийный режим, и, по возможности» сдвинуть его в сторону нормы. Причины третьей группы — это повреждение одного или нескольких информационных каналов. Заметим, что в случае возникновения недостоверной информации может возникнуть не ПАС как таковая, а лишь ее образ. При возникновении ПАС, вызванными причинами третьей группы, необходимо сформировать список измерительного оборудования требующего проверки и замены. Информация о причинах ПАС доступна в виде экспертных ЗНР ЧИЙ вида.
Методика анализа технологического объекта управления как источника предаварийных ситуаций
Использование предложенной выше процедуры идентификации ПАС предполагает наличие продукционной базы знаний. Наполнение базы знаний производится на этапе проектировали я системы. Эффективность распознавания предаварийных ситуаций напрямую зависит от полноты и точности правил» формирующих базу. В этой базе должны найти отражение все аварийные и предаварииньте ситуации, которые могут возникнуть на технологическом объекте. Задача формирования базы знаний усложняется тем, что современные технологические объекты характеризуются большим количеством параметров и взаимосвязей между ними. Для того чтобы упростить процесс формирования базы знаний, а так же для того чтобы обеспечить ее полноту была разработана соответствующая процедура.
В соответствии с предлагаемой процедурой все правила, формирующие базу знаний, разделены на четыре группы. К первой группе относятся правила, соответствующие аварийной ситуации. Вторая группа состоит из правил, отражающих предаварийные ситуации, возникшие в результате нанесения управляющих воздействий или текущих возмущений- Правила третьей группы предназначены для учета ситуаций, вызванных повреждением информационных каналов. Четвертую группу составляют правила, соответствующие ситуациям, вызванным повреждением технологического оборудования.
Рассмотрим подробнее процесс создания правил, отражающих возникновение аварийной ситуации. Как правило, возможные аварийные положения на объекте заранее известны и характеризуются достижением одним или несколькими параметрами некоторых критических значений. Назовем такие параметры потенциально опасными факторами (ПОФ). Обычно такие аварийные положения отражены в регламенте установки. Чаще всего критическим значениям ПОФ соответствует аварийная сигнализация и блокировка. Для формализации ПОФ предлагается использовать лингвистические переменные. Состав нечетких множеств, описывающих значения этих переменных, определяется диапазоном возможных значений ПОФ и необходимой для целей идентификации точностью- Для каждого ПОФ вводятся значения, соответствующие аварийным положениям. Назовем такие значения критическими. Для каждого критического значения каждого ПОФ объекта необходимо создать отдельное правило следующего вида: «Если Параметр 1 = Любое и Параметр і — Критическое и Параметр N = Любое, то Ситуация Аварийная», " где «Параметр і» соответствует ПОФ. Значение «Любое» соответствует такому значению лингвистической переменной, при котором функции принадлежности всех элементов, описывающего его множества равны единице. Совокупность таких правил формирует в пространстве состояний объекта область аварийных ситуаций (ОАС).
На следующем этапе генерируются правила идентифицирующие ПАС, вызванные изменением входных координат технологического процесса. Такие ситуации характеризуются двумя признаками. Во-первых, они достаточно близки к ОАС. В качестве показателя степени близости предлагается использовать время, за которое текущая ситуация может трансформироваться в аварийную. Чем меньше это время, тем ближе ситуация к аварии. Во-вторых, характер изменений значений координат процесса таков, что в пространстве состояний объекта ситуация перемещается в сторону ОАС и за некоторое критическое время (tKp) может ее достигнуть.
Для того чтобы выделить все такие ситуации, необходимо оценить взаимосвязи параметров объекта, а точнее - их динамическую составляющую. Для этого среди множества параметров объекта выделяются такие параметры, изменение значений которых может вызвать изменения значений других координат объекта. Назовем эти параметры влияющими. С точки зрения управления процессом это могут быть управляющие параметры или возмущения. На следующем этапе необходимо сформировать список параметров, значения которых могут изменяться под действием других координат объекта» Назовем такие параметры зависимыми. Заметим, что в общем случае одна и та же координата объекта может играть по отношению к другим роль как влияющего, так и зависимого параметра. Затем для каждой пары влияющий-зависимый параметр оценивается характер динамической связи. Необходимо отметить, что в качестве параметров объекта целесообразно использовать не только непосредственно измеряемые значения, но и скорости их изменения. Назовем такие параметры динамическими. Как будет показано ниже, эти параметры играют немаловажную роль при идентификации ПАС.
На основании полученной информации формируется список всех ситуаций непосредственно предшествующих аварии. Для каждой такой ситуации составляется перечень возможных изменений влияющих параметров и ПОФ, сдвигающих объект в пространстве состояний к ОАС. Далее генерируются собственно правила идентифицирующие ПАС. Каждое правило содержит в себе описание ситуации близкой к ОАС и «опасной» динамики, которая может привести к аварии. Приведем несколько простейших примеров: «Если Расход кислого газа = Среднее отрицательное отклонение от нормы и Изменение расхода кислого газа = Большое отрицательное, то Ситуация = ПАС»; «Если Температура в реакторе = Среднее положительное отклонение и Изменение расхода кислого газа на входе в реактор = Положительное и Изменение расхода воздуха на входе в реактор = Положительное, то Ситуация = ПАС».
Создание правил отражающих повреждение информационных каналов системы управления возможно при наличии некоторой избыточности информации. Избыточность может быть двух видов: структурная и алгоритмическая [41], Структурная избыточность подразумевает дублирование информационных каналов. При наличии такой избыточности возможно создание правил вида: «Если Параметрі ф Параметр! то ситуация — предаварийиая». Если имеется информация о некоторой взаимосвязи различных параметров, можно говорить о присутствии алгоритмической избыточности. Такая взаимосвязь может быть выражена в виде модели процесса (как четкой, так и нечеткой). В качестве минимодсли может выступать продукционное правило. Например, если известно, что при высоком расходе кислого газа температура в термическом реаісгоре должна быть высокой, то правило, идентифицирующее ПАС, вызванную повреждением информационного канала, будет выглядеть следующим образом: «Если Расход кислого газа = Большой и Температура в реакторе = Низкая, то Ситуация = ПАС». Правила четвертой группы формируются на основе анализа данных о технологическом оборудовании. Для построения таких правил необходимо
осуществить декомпозицию объекта на элементарные участки. Для каждого участка создается перечень возможных повреждений. Затем формируется сочетание значений технологических параметров характерных для данного повреждения. Например, трубопроводу свойственны два вида повреждений: нарушение герметичности и потеря пропускной способности. Для первого вида характерно следующее сочетание параметров: давление очень низкое, расход очень большой. Во втором случае имеем ситуацию, при которой давление велико, а расход очень мал. При формировании правил четвертой группы могут так же использоваться параметры смежных участков технологического процесса. Например, расход на выходе термического реактора велик, а на входе в печь дожига мал.
Алгоритмическая структура системы идентификации предаварииных ситуаций
Функционирование системы идентификации ПАС в отрыве от системы управления процессом представляется нецелесообразным. Поэтому СИПАС должна разрабатываться как составная часть структуры управления. Тарим образом, структура СИПАС во многом определяется структурой управления технологическим процессом.
Процесс получения серы методом Клауса обладает рядом особенностей, которые необходимо учитывать при выборе структуры управления: - большое количество измеряемых факторов; - значительная территориальная распределенность оборудования; - необходимость централизации системы идентификации ПАС; - повышенные требования к надежности системы управления вследствие взрыво-пожароопасности процесса.
Перечисленные особенности предполагают использование двухуровневой структуры системы управления. Основным преимуществом такой структуры является распределение функций системы между оборудованием различных уровней и, как следствие, повышенная надежность функционирования. При этом микроконтроллеры нижнего уровня предназначены для целей стабилизации отдельных параметров и передачи информации о процессе в центральную управляющую ЭВМ. Задачи идентификации ПАС в такой структуре возлагаются на центральную ЭВМ верхнего уровня. Такое распределение функций между частями системы позволит оптимально использовать существующую систему автоматизации без внесения существенных изменений в техническую реализацию.
Рассмотрим структуру СИПАС, основанную на двухуровневой системе управления, представленную на рис, 4.1. Информация о параметрах технологического процесса измеряемая при помощи первичных преобразователей (ПП) посредством устройств приема-передачи информации (УППИ) поступает на микроконтроллеры нижнего уровня (МК). На эти микроконтроллеры возложены функции регулирования отдельных параметров процесса и передача информации на верхний уровень. Воздействие на технологический объект осуществляется при помощи исполнительных механизмов (ИМ), управляемых микроконтроллерами нижнего уровня. Функции управления процессом и идентификации ПАС возложены на ЭВМ верхнего уровня. Кроме того, ЭВМ верхнего уровня должна иметь возможность сопряжения с управляющей машиной АСУП всего завода в целом. Таким образом, осуществляется возможность построения более сложной трехуровневой системы управления. Целесообразно также предусмотреть резервную ЭВМ второго уровня, находящуюся в «горячем» резерве с возможностью автоматического перевода на нее управления при отказе основной машины.
В режиме реального времени система идентификации ПАС должна выполнять следующие основные функции: - сбор и регистрацию параметров процесса, индикацию параметров для оператора и автоматическую блокировку при выходе процесса за установленные границы параметров; - расчет оценки текущей ситуации на объекте на основе значений параметров, оцениваемых количественно; - ввод и регистрацию качественной информации о процессе, поступающей от оператора; - оценка режима с учетом качественной информации и, в случае необходимости, переход к идентификации причин ПАС.
Кроме всех вышеперечисленных функций» при проектировании системы идентификации ПАС должна быть предусмотрена возможность оперативного влияния на ход процесса, а также полный переход на ручное управление, в случае необходимости. Выберем основные точки контроля количественной и качественной информации о процессе. Кислый газ с температурой до 60 С и давлением от 0,6 до 0,85 кгс/см2 поступает в сепаратор В01. При этом осуществляется анализ состава кислого газа (H2S, СН), Кроме того, измеряется уровень жидкости в сепараторе. К печам F01/F11 кислый газ поступает через отсекатели на тангенциальные двойные горелки. Перед горелками осуществляется контроль расхода кислого газа- Необходимый для сжигания кислого газа технологический воздух поступает от воздуходувок К01/К11. Измерение расхода осуществляется соответствующими датчиками.
Для первичного разогрева установки предусмотрена подача топливного газа в топочное пространство F01/F11, Температура сгорания кислого газа 900 - 1350 С. Контроль температуры осуществляется оптическими пирометрами. Визуальный контроль за пламенем и состоянием футеровки печей осуществляется через смотровые окна. Для автоматического контроля пламени предусмотрены специальные датчики. Продукты реакции печей Р01/11 поступают в трубное пространство энерготехиологических котлов (далее котел) Н01/Н11, где охлаждаются до температуры 250-350 С- Газ охлаждается в котлах НО IЛ 111, служащих для получения пара среднего давления- Количество пара, вырабатываемого в котлах, контролируется датчиками расхода. Давление в барабанах контролируется датчиками давления. Для визуального контроля уровня в барабане предусмотрены водоуказательные стекла. Расход воды контролируется датчиком с регистрацией на экране монитора. Для охлаждения газа используется котел -утилизатор Е01. В Е01 подается питательная вода, поступающая с Y260, подогретая в Е04 до 150 С - 155 С, Вода ЕЕ подается в межтрубное пространство котла - утилизатора Е01 с получением пара низкого давления до 5 кгс/см . Уровень воды в котле Е01 контролируется, регистрируется и поддерживается регулятором, клапан которого установлен на линии входа питательной воды в аппарат. Визуальный контроль уровня воды в котле осуществляется по двум водоуказательным стеклам. Также предусмотрены контакторы уровней: низкого уровня (сигнализация), высокого уровня (сигнализация) и блокировка очень низкого уровня (останов F01, Fll, F02). Расход воды измеряется датчиком с индикацией и регистрацией на экране монитора. Давление в аппарате контролируется датчиком с выводом и регистрацией на экране монитора. Газы, выходящие из Е01, поступают на подогрев во вспомогательную печь F02, Розжиг печи и ее разогрев производится на топливном газе. Контроль расхода топливного газа осуществляется датчиком, установленным по месту (у печи). Температура на выходе из печи F02 поддерживается регулятором температуры изменением расхода воздуха. Расход воздуха регистрируется на экране монитора. Соотношение воздух/кислый газ поддерживается регулятором. Визуальный контроль пламени и состояния футеровки печи осуществляется через смотровые окна. Предусмотрен датчик для автоматического контроля , за пламенем. Газы, подогретые в F02, проходят сверху вниз через слой катализатора конвертора R01, где происходят химические реакции с преобразованием H2S и SO в серу и гидролиз COS, CS2- Контроль температуры катализатора по слоям - верхнему и нижнему, осуществляется термопарами с выводом показаний и регистрацией на экране монитора. Контроль температуры газа на выходе из аппарата осуществляется датчиком с выводом на экран монитора.
