Введение к работе
Актуальность
В настоящее время в нефтегазовой отрасли эксплуатируется большое количество объектов, характеризующихся как высокой сложностью протекающих в них технологических процессов, так и высокой степенью потенциальной опасности, которую эти объекты представляют для обслуживающего персонала, населения близлежащих районов и окружающей среды. Управление технологическими процессами зачастую сопряжено с необходимостью мониторинга большого количества технологических параметров и принятия точных и своевременных решений при возникновении нештатных ситуаций, способных привести к отказам оборудования и инициировать аварийные сценарии.
Проблемам обеспечения промышленной безопасности на объектах нефтегазовой отрасли посвящены работы А. А. Абросимова, А.Ю. Абызгильдина, П.Г. Белова, МБ. Бесчастнова, А.П. Веревкина, Г. Кистера, Е.Ф. Егорова, Е.В. Кловач, A.M. Козлитина, В.А. Котляревского, И.Р. Кузеева, Н.В. Лазарева, М.В. Лисанова, В. Маршалла, В.П. Мешалкина, А.И. Попова, Т.В. Савицкой, СП. Сущева, P.P. Тляшевой, М.Х. Хусниярова и др.
В настоящее время в отрасли широко внедряются современные средства управления технологическими процессами, системы противоаварийной защиты, образующие вместе с технологическим оборудованием автоматизированные технологические комплексы (АТК) и позволяющие в значительной степени снизить риски возникновения аварийных ситуаций. Однако, до сих пор принятие решений в нештатных ситуациях выполняется обслуживающим персоналом. Статистика показывает, что 70% промышленных аварий вызвано ошибочными действиями персонала в нестандартных ситуациях. В этой связи актуальной является задача разработки научных основ системы поддержки принятия решений (СППР), способной за счет мониторинга значений технологических параметров отслеживать отклонения в нормальном режиме протекания процесса и своевременно выдавать рекомендации
обслуживающему персоналу для предотвращения развития аварийных ситуаций.
Область исследования соответствует требованиям паспорта специальности ВАК 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль): 6 Исследование и разработка средств и методов, обеспечивающих снижение пожарной и промышленной опасности технологических процессов, предупреждения пожаров и аварий, тушения пожаров; 11 Разработка научных основ создания устройств автоматического контроля и управления системами обеспечения промышленной и пожарной безопасности и жизнеобеспечения работников при нештатных ситуациях.
Целью диссертационной работы является разработка научных основ системы поддержки принятия решений в аварийных ситуациях, позволяющей предотвращать возникновение и развитие аварий на объектах нефтегазовой отрасли посредством оперативного принятия решений при обнаружении отказов1, возникающих в процессе эксплуатации объекта и способных инициировать аварийные ситуации.
Для достижения цели решаются следующие задачи:
1 Провести анализ причин возникновения и последствий возможных
аварийных ситуаций блока ректификации газофракционирующей установки
(ГФУ) на основе применения метода исследования опасности и
работоспособности HAZOP и выявить параметры технологического процесса,
выход за допустимые границы изменения которых позволяет выявить на
ранних этапах возможные аварийные ситуации;
2 Разработать научную основу процедуры оперативного
диагностирования отказов элементов АТК ректификационных колонн,
базирующуюся на применении нейросетевых моделей, связывающих выход за
допустимые границы изменения параметров технологического процесса и
вероятные отказы, способные привести к авариям;
1 Под отказом в данной работе понимается нарушение работоспособного состояния объекта (ГОСТ 27.002-89).
-
Для обучения, верификации и тестирования нейросетевых моделей разработать компьютерную модель блока ректификации ГФУ с возможностью имитации отказов элементов АТК;
-
Разработать алгоритм прогнозирования развития аварийных ситуаций, включающий усовершенствованную методику расчета массы взрывоопасного облака для учета изменения состава и физико-химических свойств многокомпонентных углеводородных смесей при выбросе из технологического оборудования;
-
Разработать алгоритм принятия решений в виде продукционной модели, позволяющей формализовать знания о необходимых мерах по предотвращению аварий, полученные с помощью метода исследования опасности и работоспособности HAZOP;
6 Реализовать алгоритмы оперативного диагностирования отказов
элементов АТК ректификационных колонн, прогнозирования развития
аварийных сценариев и поддержки принятия решений в виде программного
комплекса, представляющего собой дополнение к существующей системе
управления технологическим процессом.
Методы исследования
При решении поставленных в работе задач использовались: метод исследования опасности и работоспособности (HAZOP), методы имитационного компьютерного, нейросетевого и продукционного моделирования.
Научная новизна
1 На основе анализа причинно-следственных связей событий,
приводящих к отказам, и аварийных ситуаций разработана процедура
оперативного диагностирования элементов автоматизированных
технологических комплексов ректификационных колонн, в основу которой положена двухуровневая неиросетевая модель, позволяющая по выходу за допустимые границы изменения измеряемых технологических параметров
выявлять отказы: утечки из технологических трубопроводов и неисправности технических средств системы управления.
-
Построена математическая модель испарения бензина с поверхности аварийного пролива, учитывающая влияние степени перегрева технологической среды до аварийного выброса, процессы теплообмена с окружающей средой, а также изменение давления насыщенных паров, молекулярной массы и фракционного состава в процессе испарения. Сравнением с экспериментальными данными показано, что относительная погрешность модели не превышает 3,1%. Показано, что стандартная методика оценки массы испарившейся жидкой фазы, не учитывающая ее многокомпонентного состава, дает завышенный результат.
-
Предложена архитектура системы поддержки принятия решений в аварийных ситуациях, которая включает: процедуру оперативного диагностирования элементов автоматизированных технологических комплексов ректификационных колонн на основе нейронных сетей, продукционную модель принятия решений и алгоритм прогнозирования опасности развития аварийных сценариев с применением математической модели испарения бензина - и позволяет выявлять аварийные ситуации на ранней стадии их возникновения и снижать степень тяжести их последствий за счет сокращения времени принятия решения оперативным персоналом в 15 раз.
На защиту выносятся
-
Процедура оперативного диагностирования отказов элементов АТК на основе двухуровневой нейросетевой модели.
-
Математическая модель испарения бензина с поверхности аварийного пролива, учитывающая зависимость давления насыщенных паров, молекулярной массы и плотности от сложного многокомпонентного состава.
3 Система поддержки принятия решений в виде комплексного
программного продукта.
Практическая ценность
Внедрение предлагаемой СППР в аварийных ситуациях позволяет повысить уровень безопасности объекта за счет своевременного обнаружения отказов элементов автоматизированных технологических комплексов, оперативного принятия решения по их устранению и предотвращению возникновения и развития аварийных ситуаций.
Результаты, полученные в работе, а именно алгоритм диагностирования отказов элементов АТК на основе нейросетевой модели, алгоритм принятия решений на основе продукционной модели, продукционная модель принятия решений и алгоритм прогнозирования опасности развития аварийных сценариев с применением математической модели испарения нефтепродуктов используются при проведении практических и лабораторных работ по дисциплинам:
«Диагностика и надежность автоматизированных систем» в рамках подготовки инженеров по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств (в нефтепереработке и нефтехимии)» и бакалавров по направлению 220200 «Автоматизация и управление»;
«Обеспечение надежности и безопасности химико-технологических процессов» в рамках подготовки инженеров по специальности 240802 «Основные процессы химических производств и химическая кибернетика».
Алгоритм диагностирования отказов элементов автоматизированных комплексов ректификационных колонн на основе нейросетевой модели, алгоритм принятия решений в аварийных ситуациях на основе продукционной модели и алгоритм прогнозирования опасности развития аварийных сценариев с применением усовершенствованной математической модели испарения нефтепродуктов использовались в ООО ЭПЦ «Трубопроводсервис» при разработке проектно-сметной документации «Техническое перевооружение УСН4/2 цеха №1. Блок колонн, блок рибойлеров, узел регулирующих клапанов УСН4/2 ООО «ННПО» в рамках создания системы управления и противоаварийной защиты.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах, конкурсах, конгрессах: IV международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научный потенциал студенчества в XXI веке» (Ставрополь, 2010), всероссийском семинаре «Энергоэффективность и энергобезопасность на предприятиях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства» (Салават, 2010), XVII международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (Севастополь, 2010), всероссийской научно-технической конференции «Проблемы управления и автоматизации технологических процессов и производств» (Уфа, 2010), международной научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2011), международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка - 2011» (Уфа, 2011), 62 научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2011), IV всероссийской научной конференции «Теория и практика массообменных процессов химической технологии (Марушкинские чтения)» (Уфа, 2011), X всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара, 2011), IX всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности, образовании и экологии» (Москва, 2012), XIII международной молодежной научной конференции «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2012» (Ухта, 2012), VIII международной научно-практической конференции «Дни науки» (Прага, 2012), всероссийской научно-практической интернет-конференции «Проблемы автоматизации технологических процессов добычи, транспорта и переработки нефти и газа» (Уфа, 2013), международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка - 2013» (Уфа, 2013).
Публикации
Основные результаты диссертационных исследований опубликованы в 12 печатных работах, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАК.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников (100 наименований) и 3 приложений. Работа содержит 129 страниц, включает 36 рисунков, 19 таблиц.
