Содержание к диссертации
стр.
Введение 5
Глава 1. Анализ пожаровзрывоопасности технологической 17
установки висбрекинга как объекта автоматизации
1.1.Опасности пожаров, взрывов и аварий на объектах 17
нефтеперерабатывающей промышленности
1.2. Оценка уровня опасности технологической установки висбрекинга 28
(на примере Московского НПЗ)
1.3. Анализ пожарной опасности и оценка вероятностей аварийных 33
ситуаций на ТУ висбрекинга
1.4. Моделирование аварийных ситуаций и прогнозирование параметров 65
зон взрывоопасных концентраций в воздухе открытой технологической
установки висбрекинга МНПЗ
Выводы 78
Глава 2. Сетевая модель прогнозирования пожароопасных ситуаций в 80
технологических процессах углубленной переработки нефтепродуктов
Постановка задачи сетевого моделирования пожаровзрывоопасных 80 технологических процессов
Сетевая модель процесса висбрекинга при углубленной 88 переработке нефтяного сырья
Определения для сетевой модели по висбрекингу 88
Особенности автоматизации физического процесса висбрекинга „„
2.3. Пример расчета сетевой модели висбрекинга при пожароопасном 100
режиме работы установки
Расчет составляющей потоков продуктов, протекающих в 101 разомкнутых путях установки
Расчет контурной составляющей потоков продуктов 104
2.4. Алгоритм расчета сетевых моделей при разделении на произвольные
подсистемы 108
Пример расчета сети при изменении соединений ветвей 108
Пример расчета сети по частям t nQ
Выводы 119
Глава 3. Разработка обобщенной структуры автоматизированной системы управления противопожарной защитой (АСУПЗ)
технологической установки висбрекинга МНПЗ 122
Принципы построения АСУПЗ 122
Описание функциональной структуры АСУПЗ 125
Организационное обеспечение АСУПЗ 134
Информационное обеспечение АСУПЗ 137
Принципы организации информационного обеспечения АСУПЗ 137
Построение системы классификации и кодирования 138
Организация сбора и передачи информации 149 3.4.4.Организация внутримашинной и внемашинной информационной 151 базы
3.4.5. Принципы построения видеокадра 154
3.5. Разработка программного обеспечения АСУПЗ НПЗ 156
Структура программного обеспечения АСУПЗ 1 ,
Описание алгоритма задач верхнего и нижнего уровней управления 157
Описание алгоритма поддержки межуровневого обмена 160 Выводы 163
Глава 4. Исследование и организация технического обеспечения
АСУПЗ технологической установки висбрекинга МНПЗ 165
4.1.Анализ использования средств микропроцессорной и вычислительной 165
техники в системах пожарной автоматики
Разработка структуры комплекса технических средств 172
Описание процесса функционирования автоматизированного ком-
197 плекса противопожарной защитой
4.4. Расчет уровня автоматизации технологического объекта управления
198 противопожарной защитой
4.5. Концепция взаимосвязи АСУШ с интегрированной информационно-управляющей системой Московского НПЗ
Выводы 217
Заключение 219
Литература 222
Приложения 242
П. 1. Акты внедрения результатов диссертационной работы 242
П, 2. Классификация типов сообщений 245
П. 3. Классификация и кодирование файлов с нормативно-справочной 246
информацией. Классификатор тина электрических цепей
П. 4. Перечень выходных сигналов АСУПЗ 247
П. 5. Структурная схема программного обеспечения верхнего уровня 248
АСУПЗ
П. 6. Алгоритм блока контроля оперативного состояния АСУПЗ 250
П. 7. Алгоритм блока поддержки нормативно-справочной информации 251
П. 8. Алгоритм блока задач нижнего уровня управления АСУПЗ 252
П. 9. Алгоритм блока проверки параметров СПТ 253
П. 10. Алгоритм блока «Проверка цепей пиропатронов» 254
П. 11. Алгоритм блока «Проверка баллонов» 255
П. 12. Алгоритм блока «Проверка режима пуска СПТ» 256
П. 13. Алгоритм блока «Контроль шлейфов УГП» 257
П. 14. Алгоритм блока «Пожар» 258
П. 15. Алгоритм блока «Проверка шлейфов УПС» 259
П. 16. Свидетельство на полезную модель № 41983 «Автоматизированная 260
система управления противопожарной защитой»
Перечень сокращений 261
Введение к работе
Актуальность проблемы. Предприятия нефтеперерабатывающей промышленности одновременно являются одними из главных источников пожаро-взрывоопасности и напряженной техногенной обстановки. Развитие нефтеперерабатывающих комплексов, обладающих высокой энергонасыщенностью, сопровождается ростом количества и масштабов пожаров и объемных взрывов топливно-воздушных смесей, наносимого ущерба как самим предприятиям, так и окружающим сооружениям, населению, природной среде. Поэтому повышение пожарной безопасности объектов нефтепереработки продолжает оставаться одной из важнейших составных частей обеспечения защиты населения от угроз техногенного характера [1]. На долю нефтеперерабатывающих производств приходится около 48 % выбросов пожароопасных веществ в атмосферу. Так, например, в 1995 г. данными предприятиями было выброшено в атмосферу свыше 1 млн. т. взрывопожа-роопасных веществ; однако, доля их улова оставалась невысокой (47,7%). В этих выбросах доминируют углеводороды (23 % суммарного выброса в атмосферу) [2]. Одной из основных причин пожароопасности и загрязнения окружающей среды являются также аварийные разливы нефти на трубопроводных системах. Это связано с тем, что в последние годы резко возросла степень агрессивности перекачиваемых по трубопроводным коммуникациям водонефтяных эмульсий, пластовых и сточных вод в связи с вступлением разработки большинства старых месторождений в более позднюю стадию; увеличением доли месторождений, где добывается нефть с повышенным содержанием сернистых соединений; массовым применением методов заводнения пластов с созданием агрессивной кислотной среды. Поэтому основной причиной аварийных разливов нефти является внутренняя коррозия металла (до 86 %). Техногенная опасность со стороны нефтеперерабатывающих объектов должна учитываться при создании развивающейся энергетики будущего, которая должна отвечать требованиям энергетической, экономической, экологической и взрывопожаробезопасности [3, 4]. Последовательное увеличение удельного веса углеводородного топлива (нефть, газ, конденсат) в мировом экономическом балансе - сложившаяся закономерность и в обозримой перспективе эта тенденция сохранится [5].
Ущерб от промышленных технологий нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) 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 взрыво-пожароопасных 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
7 газоснабжения в большей части размещаются в местах проживания населения.
Вследствие создания высокоинтенсивных технологических процессов по переработке нефти, 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 пожаробезопасное;
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 взрывопожаробезопасностью.
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
8 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 сред в атмосферу, загазованностью территории и образованием взрывоопасного облака топливио-воздушной смеси (ТВС), 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 (подземные и наземные резервуары, автоцистерны наливной эстакады и др.).
Так, на Московском НПЗ по данным инвентаризации [6, П ] имеется около 300 организованных и неорганизованных стационарных источников выброса (резервуары, цистерны сливно-наливных эстакад, поверхности испарения очистных сооружений, неплотности запорной арматуры и фланцевых соединений технологических установок и др.), из которых ежесуточно в атмосферу завода может выделяться до ПО т углеводородных газов. Выборочная экспресс-оценка воздушной
9 среды на содержание углеводородного поллютанта, проводимая заводской лабораторией (отбор проб воздуха проводится в 5 точках на промтерритории завода и в 6 точках контроля в саиитарно-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 ТВС) 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 экспериментов 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 установ-
10 ленным 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 отечественные установки пожарной сигнализации, элементы электроуправления установок пожаротушения относятся к обычному (релейному) типу систем и включают: безадресные пожарные извещатели; приемно-контрольные приборы; релейные шкафы управления пуском модулей газового, порошкового и аэрозольного пожаротушения; шкафы сигнализации установок пожаротушения; силовые шкафы управления исполнительными механизмами установок водяного и пенного пожаротушения. Каждая установка выполнена автономно, связи между установками и их с микропроцессорной и вычислительной техникой, в основном, отсутствуют. Это не позволяет создавать системы пожаробезопасное, 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 А.В., Блудчий Н.П., Абросимов А.А. 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 REIKTCO., 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 подсистемы оперативного прогнозирования пожароопасных ситуаций в АСУТП технологической установки по углубленной переработке нефти (висбрекинга), входящей в систему математического обеспечения АСУЇЇЗ [46, 58, 59]. Алгоритмическое и программное обеспечения такой системы должно включать разработку математической модели потоков продуктов в процессе висбрекинга, анализ динамики изменений пожароопасных параметров с целью определения опасности возникновения аварийной ситуации. Актуальность разработки такой модели состоит в необходимости определять и динамически оценивать состояние системы, изменение параметров ее процессов при изменении структуры связей элементов. Эта проблема также актуальна для контроля и управления современными потенциально опасными техническими системами в связи с ростом влияния ряда факторов, которые особенно проявляются в современных условиях: усложнение систем; рост числа изменений и переключений элементов в процессе технического обслуживания, при ремонте и замене оборудования; модернизация систем в течение времени их жизни (в связи с ускорением научно-технического прогресса); динамика технологических процессов затрудняет возможности управления, контроля и адекватной реакции при возникающих изменениях со стороны оператора.
Нарушение и разъединение связей, каналов распространения потоков сырья и продуктов углубленной переработки происходят вследствие превышения критических показателей основных параметров технологического процесса (давление, температура, концентрация и т.д.). Это требует расчета, оценки, наблюдения, сравнения значений наиболее важных показателей с допустимыми значениями, кон-
12 троль превышения допустимых значений, а также "жесткий" контроль отклонений
параметров, при которых аварийный участок отключается от основного процесса с
целью минимизировать количество вышедших из системы элементов и обеспечить
локализацию и ликвидацию пожаровзрывоопасной ситуации.
Существующий математический аппарат моделирования таких ситуаций не может в полной мере обеспечить комплексное решение данных задач, так как применяемые уравнения не учитывают взаимосвязь изменений структуры связей элементов и изменений процессов [60-62]. Поэтому представляется целесообразным разработать математическую модель функционирования подсистемы оперативного прогнозирования пожароопасных ситуаций на технологической установке висбре-кинга, реализовав ее в виде алгоритмов вычислительных программ информационно-управляющей подсистемы верхнего уровня управления АСУПЗ МНПЗ.
Перечисленные проблемы в комплексе составляют основу создания автоматизированной системы управления противопожарной защитой. Данная научно-техническая задача является актуальной и ее решение направлено на повышение уровня пожаровзрывобезопасности нефтеперерабатывающих и нефтехимических комплексов.
Диссертационная работа выполнена в рамках «Комплексной программы по созданию автоматизированных систем управления пожарной безопасностью объектов различного назначения для отраслей народного хозяйства на 2000-2005 и последующие годы» и в соответствии с планом научной деятельности Академии Государственной противопожарной службы МЧС России,
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационного исследования является повышение уровня пожаровзрывобезопасности процессов углубленной переработки нефтепродуктов иутем разработки и формализованного описания обобщенной структуры АСУ противопожарной защитой технологической установки висбрекинга.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи исследования;
