Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. Комплексный анализ пожаровзрывоопасности нефтеперерабатывающих производств
1 Л. Опасности пожаров, взрывов и аварий на объектах нефтеперерабатывающей промышленности
1,2. Оценка уровня опасности технологических установок глубокой переработки нефти (на примере Московского НПЗ)
L3. Анализ пожарной опасности технологической установки каталитического крекинга (Г-43-107) МНПЗ и оценка вероятностей аварийных ситуаций
1.4. Моделирование аварийных ситуаций и прогнозирование параметров зон взрывоопасных концентраций на промышленной территории Г-43-107
1.5. Анализ особенностей газовыделения в технологических помещениях АСУТП Г-43-107 на ранней стадии возникновения пожара
Выводы 60
Глава 2. Экспериментальные исследовании динамики распространения полей концентраций водорода и оксида углерода в технологических помещениях АСУТП установки Г-43-107 на ранней стадии возникновения пожара
2Л. Аналитический обзор, особенности конструкции и применения газовых пожарных извешателей в составе АСУПЗ
2.2. Методика экспериментальных исследований распространения водорода и монооксида углерода в воздушной среде технологических помещений установки Г-43-107 МНПЗ
2.3. Экспериментальная часть и результаты эксперимента
2.4. Анализ результатов экспериментальных исследований 93
2.5. Методика рационального размещения газовых пожарных извещателей
Выводы 112
Глава 3. Теоретические основы построения сетевых моделей прогнозирования пожароопасных ситуаций в технологических процессах глубокой переработки нефти и нефтепродуктов
3.1, Выбор и обоснование применения сетевых моделей процесса глубокой переработки нефти и нефтепродуктов в составе АСУПЗ
3.2, Сетевая модель процесса каталитического крекинга 123
3.3, Расчет температурного режима системы реактор-регенератор 131
3.4, Расчет сетевой модели системы реактор-регенератор контурным источником воздействия- горение кокса
3.5, Расчет сетевой модели системы реактор-регенератор в процессе режима пуска
Выводы 152
Глава 4. Разработка обобщенной структуры АСУ противопожарной защитой технологической установки каталитического крекинга Г-43-107
4.1. Принципы построения АСУПЗ 158
4.2. Описание функциональной структуры АСУПЗ Г-43-107 159
4.3. Организационное обеспечение АСУПЗ Г-43-107 167
4.4. Разработка и организация технического обеспечения 170 АСУПЗ Г-43-107
4.5. Информационное обеспечение АСУПЗ Г-43-107 202
4.6. Структура программного обеспечения АСУПЗ Г-43-107 224 Выводы 232
Заключение 235
Литература 239
Приложения 263
П. 1. Акты внедрения результатов диссертационной работы 263
П. 2. Структурная схема программного обеспечения верхнего уровня АСУПЗ Г-43-107
П. 3. Алгоритм блока контроля оперативного состояния АСУПЗ 268
П. 4. Алгоритм блока поддержки справочно-нормативной информации
П. 5. Алгоритм блока задач нижнего управления АСУПЗ Г-43-107 270
П. 6. Алгоритм блока проверки параметров СПТ 271
П. 7 .Алгоритм блока «Проверка цепей пиропатронов» 272
П. 8. Алгоритм блока «Проверка баллонов» 273
П. 9. Алгоритм блока «Проверка режима пуска СПТ» 274
П, {0. Алгоритм блока «Контроль шлейфов УТЛ» 275
П. 11. Алгоритм блока «Пожар» 276
П. 12. Алгоритм блока «Проверка шлейфов УПС» 277
Перечень сокращений 278
Введение к работе
Пожарная опасность со стороны нефтеперерабатывающих объектов должна учитываться при создании развивающейся энергетики будущего, которая должна отвечать требованиям противопожарной, энергетической, экономической, экологической безопасности [1-4],
Вопросы по обеспечению пожаровзрывобезопасности для предприятий нефтеперерабатывающей промышленности являются весьма актуальными. Это объясняется:
наличием потенциальных опасностей, вызывающих материальные и людские потери;
концентрацией химических энергоносителей, нефти и нефтепродуктов, их способностью гореть, взрываться и загрязнять опасными выбросами атмосферу; .
опережающим развитием объемов производства;
изменением ассортимента нефти (появление сернистых и высокосернистых нефтей и газового конденсата);
чрезвычайно высокой энергонасыщенностью объектов нефтеперерабатывающей промышленности. Типовой нефтеперерабатывающий завод (НПЗ) 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;
У интенсификацией технологии, ростом единичных мощностей аппаратов, вследствие чего такие параметры, как температура, давление, содержание взрывопожароопасных веществ растут и приближаются к критическим.
Современные предприятия нефтеперерабатывающей промышленности является постоянным источником угроз, имеющих глобальный социальный характер и требующих принятий адекватных мер по обеспечению безопасности населения и окружающей среды. Значительное число техногенных опасностей возникает на предприятиях нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.
Развитие нефтеперерабатывающей промышленности, высокая энергонасыщенность её предприятий сопровождается ростом количества и масштабов пожаров, объёмных огненных взрывов топливно-воздушной смеси и наносимого ими ущерба Поэтому повышение уровня пожаровзрывобезопасности нефтеперерабатывающих предприятий продолжает оставаться одной из важнейших частей обеспечения защищённости населения и окружающей среды от угроз техногенного характера.
Характерной особенностью систем пожаровзрывобезопасности нефтеперерабатывающих предприятий является необходимость борьбы с угрозами возникновения пожаров и взрывов не только на территории открытых технологических установок (где сосредоточены огромные объёмы нефти и нефтепродуктов), но и внутри производственных, административных, хозяйственно-бытовых и других зданий, помещений (где находятся пожароопасные вещества и материалы, электрооборудование, приборы и т.д), что требует проведения постоянного автоматического контроля и принятия соответствующих мер пожаровзрывобезопасности.
Вследствие создания высокоинтенсивных технологических процессов по переработке нефти, к которым относится установка каталитического крекинга, а таюке установок большой единичной мощности возникли принципиально новые требования по обеспечению безопасности, как к созданию этих процессов, так и к их размещению и эксплуатации;
• обеспечение высокой надежности 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 энерготсхнологии, экономики, экологии, пожарной безопасности и противоаварийной защиты;
• 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 взрывопожарной 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 систем автоматизированного 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 и пожаровзрывобезопасностыо.
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. Так, в США за последние тридцать лет число аварий на объектах нефтепереработки увеличилось в 3 раза, число человеческих жертв - почти в 6 раз, материальный ущерб - в 11 раз [14].
Основную опасность промышленной территории объектов нефтепереработки представляют аварийная загазованность, пожары и взрывы. Из них пожары составляют 58,5 % от общего числа опасных ситуаций, загазованность -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 топливно-воздушной смеси (ТВС), наличием источников зажигания.
Ранее проводимые экспериментальные исследования относились в основном к изучению загазованности воздушной среды 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, 11] 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 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 санитарно-защитной зоне), не позволяет достаточно объективно оценить опасность воздушной среды объекта исследования. Необходимы теоретические исследования загазованности воздушной среды территории НПЗ при аварийных режимах функционирования технологического оборудования и разработка на базе этих исследований автоматизированной системы управления противопожарной зашитой (АСУПЗ). В этой связи представляется целесообразным проведение исследований, включающих комплексное моделирование аварийных ситуаций и расчетную оценку загазованности ножаровзрывоопасными компонентами промышленной территории в соответствии с принятыми сценариями аварий. Проведение этой оценки позволит разработать карты содержания углеводородо-воздушных смесей в атмосфере, установить пределы изменения концентрации загрязнителя, определить зоны повышенного содержания опасных компонентов, выбрать тип датчиков для автоматического контроля загазованности промтерритории защищаемой установки [21].
Ряд фирм выставили на рынок системы подобного типа; например, системы "SAFETY REVIEW" и "SAFER" [15, 43]. Однако эти системы не осуществляют прогнозирования аварийной загазованности, диагностирования и оперативного прогнозирования аварийных ситуаций в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП) и средствами противоаварийной защиты объектов нефтепереработки (водяные и паровые завесы, системы орошеная и тлі.) [38, 39,43 - 57].
Также открытым остается вопрос о создании подсистемы оперативного прогнозирования пожароопасных ситуаций в АСУТП наружных установок по глубокой переработке нефтепродуктов, входящей в систему математического обеспечения АСУ ПЗ [46, 58, 59]. Алгоритмическое и программное обеспечения такой системы должно включать разработку математической модели потоков продуктов в процессе глубокой нефтепереработки, 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).
Нарушение и разъединение связей, каналов распространения потоков сырья и продуктов нефтепереработки 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, контроль 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 теоретические основы создания сетевых моделей функционирования подсистемы оперативного прогнозирования пожароопасных ситуаций на объектах глубокой переработки нефти и нефтепродуктов, реализовав се в виде алгоритмов программного обеспечения АСУПЗ НПЗ.
Существующие на объектах нефтепереработки отечественные установки пожарной сигнализации, элементы электроуправления установок пожаротушения относятся к обычному (релейному) типу, выполнены автономно, связи между установками и с микропроцессорной и вычислительной техникой, в основном, отсутствуют. Это не позволяет создавать системы пожаробезопасное™, объединяющие технические средства пожарной и противоаварийной автоматики как единое целое. Отмеченные недостатки ликвидируются при проектировании и внедрении на объектах нефтепереработки автоматизированных систем управления противопожарной защитой (АСУПЗ).
Для нефтеперерабатывающих производств технологически важным центром являются помещения АСУТП (помещения контроллеров, управляющих ЭВМ, серверных, источников бесперебойного питания и т.п., связанные между собой разветвленной сетью кабельных каналов, галерей и туннелей), возникновение пожара (загорания) в которых может привести к аварийной остановке технологического процесса. Достоверным способом предупреждения аварийной ситуации в таких помещениях на ранней стадии, предшествующей возгоранию, является контроль химического состава воздуха, резко изменяющегося из-за термического разложения, пиролиза, перегретых и начинающих тлеть горючих материалов. Именно на этой стадии можно принять адекватные меры оповещения и тушения, по сигналу от газовых пожарных извсщатслей (ГПИ) включенных в состав АСУПЗ, ликвидировав тем самым развивающуюся пожарную опасность на ранней стадии ее возникновения.
Перечисленные проблемы в комплексе подтверждают необходимость создания АСУПЗ на объектах глубокой переработки нефтепродуктов. Данная научно-техническая задача является актуальной и ее решение направлено на повышение безопасности 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», в соответствии с планом реконструкции АСУ производством МНПЗ и в соответствии с планом научной деятельности Академии ГПС МЧС России.
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационного исследования является повышение уровня пожаровзрывобезопасности процессов глубокой переработки нефтепродуктов путем разработки обобщенной структуры АСУ противопожарной защитой технологической установки каталитического крекинга на примере Московского НПЗ.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи исследования:
- комплексный анализ пожаровзрывоопасности технологической установки каталитического крекинга (Г-43-107), включающий статистическую оценку опасности пожаров, взрывов и аварий; установление их причинно-следственных связей; анализ технологических особенностей процесса глубокой переработки нефтепродуктов; определение уровня опасности основных технологических блоков и элементов установки Г-43-107 Московского НПЗ и оценка последствий возможных аварий;
- анализ существующих моделей и расчетных методов по определению параметров полей концентраций пожаровзрывоопасных веществ в атмосфере открытых технологических установок; разработка алгоритмов и программ расчета зон взрывоопасных концентраций (ВОК) для математического обеспечения АСУПЗ; выполнение вычислительных экспериментов с целью моделирования аварийных ситуаций и прогнозирования опасности распространения облаков топливно-воздушных смесей (ТВС) как для самого объекта исследования, так и для ближайших технологических установок, предприятий и жилых районов;
экспериментальные исследования основных параметров полей концентраций водорода и оксида углерода в воздухе технологических помещений АСУТП установки Г-43-107 на начальной стадии загорания; анализ характеристик полей исследуемых концентраций на различных высотах в зависимости от конвективных потоков и удаленности от источника выделения; разработка рекомендаций по применению ГПИ;
- разработка на основе анализа сложных систем и тензорного метода, сетевой модели функционирования подсистемы оперативного прогнозирования пожароопасных ситуаций в АСУТП каталитического крекинга с реализацией в виде алгоритмов вычислительных программ;
- разработка обобщенной структуры ЛСУПЗ технологической установки каталитического крекинга и входящих в нее функциональной, организационной структур и структуры комплекса технических средств;
- разработка описаний информационного и программного обеспечений, включающих информационную и алгоритмическую структуру ЛСУПЗ, порядок классификации и кодирования информации, организацию сбора и передачи информации, организацию внутримашинпой и внемашинпой баз, а также разработку алгоритмов задач верхнего, нижнего уровней управления и поддержки межуровневого обмена АСУПЗ установки Г-43-107, входящих в состав действующей интегрированной информационно-управляющей системы (ИИУС) Московского НПЗ;
- реализация результатов диссертационного исследования и оценка уровня автоматизации предлагаемого варианта защиты.
Методы исследования. В работе использованы: методы системного анализа, моделирования и оптимизации АСУ противопожарной защитой; расчетные методы прогнозирования динамики распространения облаков ТВС и полей концентраций водорода и оксида углерода; тензорные методы моделирования пожароопасных ситуаций и расчета сложных систем с использованием теории двойственных сетей.
Научная новизна, В диссертации получены следующие результаты, которые выносятся на защиту и характеризуются научной новизной:
- Результаты комплексного анализа пожаровзрывоопасности технологического процесса углубленной переработки нефтепродуктов, включающего анализ параметров и их взаимосвязей, определяющих развитие потенциально опасных режимов; оценку уровня опасности основных технологических блоков и элементов установки каталитического крекинга 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 ТВС и результаты вычислительных экспериментов в соответствии с принятыми сценариями аварий.
- Методика и результаты экспериментальных исследований полей концентраций водорода и оксида углерода в производственных помещениях технологической установки Г-43-107 МНПЗ на начальной стадии возникновения пожара, а также зоны распределения контролируемых газов в воздухе объекта исследования.
г - Теоретические основы сетевого моделирования и прогнозирования пожароопасных ситуаций в АСУТП каталитического крекинга с применением тензорных методов моделирования и расчета сложных систем с использованием двойственных сетей.
- Обобщенная структура АСУПЗ установки каталитического крекинга, 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 аварийных зон ВОК на промтерритории объекта исследования,
- Структура программного обеспечения АСУПЗ установки каталитического крекинга с представлением схемы алгоритмов задач верхнего и нижних уровней управления.
Практическая ценность 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 глубокой переработки нефти и нефтепродуктов, методов моделирования и расчета параметров динамики полей до- и взрывоопасных концентраций ТВС; теоретических основ построения математических моделей прогнозирования пожароопасных ситуаций в виде двойственных сетей, позволяющих проводить одновременное описание как структуры, так и процессов системы; рекомендаций по применению и рациональному размещению газовых пожарных извещателей.
Реализация результатов работы. Представленные в диссертации результаты исследований нашли практическое применение на промышленных объектах и в учебном процессе, в т.ч.:
На ОАО «Московский НПЗ» с целью повышения уровня пожаровзрывобезопасности предприятия реализованы: методология комплексного подхода к обеспечению пожаровзрывобезопасности процесса каталитического крекинга; результаты анализа опасности и оценки риска; функциональные, организационные и информационные структуры АСУПЗ установки Г-43-107; 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 каталитического крекинга в составе интегрированной информационно-управляющей системы МНПЗ.
На НПП "ДЕЛЬТА" использованы при разработках: технических решений по повышению информативности средств пожарной сигнализации и контроля зон ВОК, исходных данных для создания газовых пожарных извещателей, газоанализаторов и газоаналитических систем 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.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в выступлениях, обсуждены и получили одобрение в 2001-2006 г.г. на международных, всесоюзных, региональных и республиканских научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах по соответствующим направленням, в т.ч.: международных конференциях «Информатизация систем безопасности» и «Системы безопасности» (Москва, АГПС МЧС РФ, 2001-2006 г.г.); на совместных заседаниях кафедр пожарной автоматики, специальной электротехники, автоматазированпых систем и связи, пожарной безопасности технологических процессов и учебно-научного комплекса автоматизированных систем и технологий в Академии ГПС МЧС России.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 20 научных работ.
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 неделимое единство. Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 258 наименований и 12 приложений на 16 стр. Основное содержание работы изложено на 279 стр. машинописного текста, содержит 49 рисунков и 35 таблиц.
Похожие диссертации на Разработка автоматизированной системы управления противопожарной защитой технологической установки каталитического крекинга
