Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ предметной области и формулировка задач исследования 11
1.1 Анализ аварий в котельных в России и за рубежом 11
1.2 Обзор и анализ методов управления безопасностью 17
1.2.1 Обзор постоянных методов обеспечения безопасности 18
1.2.2 Обзор периодических методов обеспечения безопасности 19
1.3 Обзор автоматизированных систем управления безопасностью в котельных 24
1.4 Литературный обзор по автоматизации и управлению безопасностью в котельных 28
1.5 Формулировка научной задачи и частных задач исследования 30
ГЛАВА 2. Разработка расчётной зависимости для вычисления комплексного показателя состояния безопасности котельной 32
2.1 Обобщённая расчётная зависимость для определения показателя безопасности 32
2.2 Выявление наиболее опасных факторов в газовой котельной 36
2.3 Определение действующих и допустимых параметров источников опасности
2.3.1. Определение действующих и допустимых параметров температуры и давления теплоносителя 40
2.3.2. Определение действующих и допустимых параметров концентрации метана в верхней зоне 44
2.3.3. Определение действующих и допустимых напряжений в стенке трубопровода 46 2.3.4. Определение действующих и допустимых значений температуры на наружной поверхности стенки трубопровода 49
2.4 Расчётная зависимость для вычисления комплексного показателя безопасности автоматизированнойгазовой котельной 52
ГЛАВА 3. Разработка системного и программного управления противоаварийной защитой котельных на основе комплексного показателя состояния безопасности 55
3.1. Структурная схема системы управления противоаварийной защитой котельных на основе комплексного показателя состояния безопасности 56
3.2. Кластерный анализ параметров безопасности 57
3.3. Алгоритм функционирования системы управления противоаварийной защитой котельных на основе комплексного показателя состояния безопасности
3.4. Разработка программного средства управления противоаварийной
защитой котельных на основе комплексного показателя состояния безопасности
3.5. Определение необходимого количества реализаций 65
ГЛАВА 4. Получение экспериментальных данных и разработка методики построения систем управления противоаварийной защитой котельных на основе комплексного показателя состояния безопасности 68
4.1. Общая характеристика коррозии и накипеобразования (старения) 69
4.2. Проведение частных экспериментов исследования 75
4.2.1. Описание экспериментальных макетов 75
4.2.2. Проверка работоспособности системы. Обработка результатов эксперимента . 80
4.3. Проведение общего эксперимента 94
4.3.1. Газовая котельная предприятия ООО «Газлайн» 94
4.3.2. Описание и результаты эксперимента 97
4.3.3. Методика построения систем управления противоаварийной защитой котельных на основе комплексного показателя состояния безопасности 99
Заключение 102
Список литературы 103
- Обзор постоянных методов обеспечения безопасности
- Определение действующих и допустимых параметров температуры и давления теплоносителя
- Кластерный анализ параметров безопасности
- Проверка работоспособности системы. Обработка результатов эксперимента
Обзор постоянных методов обеспечения безопасности
На сегодняшний день на рынке имеется немало аппаратно-программных средств, как зарубежного, так и отечественного производства.
Основным примером является SCADA (аббр. от англ. supervisory control and data acquisition, диспетчерское управление и сбор данных) – программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления. SCADA может являться частью АСУ ТП, АСКУЭ, системы экологического мониторинга, научного эксперимента, автоматизации здания и т. д. SCADA-системы используются во всех отраслях хозяйства, где требуется обеспечивать операторский контроль за технологическими процессами в реальном времени. Данное программное обеспечение устанавливается на компьютеры и, для связи с объектом, использует драйверы ввода-вывода или OPC/DDE серверы. Программный код может быть как написан на языке программирования (например на C++), так и сгенерирован в среде проектирования [89].
Иногда SCADA-системы комплектуются дополнительным ПО для программирования промышленных контроллеров. Такие SCADA-системы называются интегрированными и к ним добавляют термин SoftLogic.
Термин «SCADA» имеет двоякое толкование. Наиболее широко распространено понимание SCADA как приложения, то есть программного комплекса, обеспечивающего выполнение указанных функций, а также инструментальных средств для разработки этого программного обеспечения. Однако, часто под SCADA-системой подразумевают программно-аппаратный комплекс. Подобное понимание термина SCADA более характерно для раздела телеметрия.
Значение термина SCADA претерпело изменения вместе с развитием технологий автоматизации и управления технологическими процессами. В 80-е годы под SCADA-системами чаще понимали программно-аппаратные комплексы сбора данных реального времени. С 90-х годов термин SCADA больше используется для обозначения только программной части человеко-машинного интерфейса АСУ ТП. Из недостатков данной системы можно отметить её уязвимость для хакерских атак. Так, в 2010 году с использованием вируса Stuxnet была осуществлена атака на центрифуги для обогащения урана в Иране. Таким образом, для защиты информационных комплексов, содержащих SCADA системы, требуется соблюдение общих требований информационной безопасности.
Программа «Диспетчеризация котельной» предназначена для on line мониторинга работоспособности всех систем котельной, своевременного оповещения контролирующего котельную персонала об авариях, удалённого управления элементами котельной (через plc-контроллер). Имеется возможность удалённого ввода рабочих установок и настроек параметров котельной, а также выбора и коррекции графиков работы котлов (через plc-контроллер) [27].
Для проектирования трубопроводов в котельной в трехмерном пространстве чаще всего используют отдельные модули, интегрируемые в программное обеспечение систем автоматизированного проектирования (САПР) [28], предназначенного для пространственного проектирования промышленных предприятий и управления проектной информацией. К их числу относятся: модуль 3D Piping для AutoPlant, модуль MagiCAD к AutoCAD, модуль Piping к программному продукту PlantSpace, модуль Omi- Pine, интегрируемый в MicroStation и другие. Данные модули позволяют создавать трехмерные модели трубопроводов, путем выбора из базы данных его элементов и подбора изоляции, пополнять данную базу и, в конечном итоге, получать из созданной модели изометрические чертежи и спецификации [50].
Программный продукт «CAESAR II» фирмы «COADE» [29, 30] (США) выполняет статический и динамический анализ труб и систем трубопроводов, включая оценку труб из армированного стекловолокном пластика (FPR) и подземных трубопроводов; учет ветровых, волновых и сейсмических нагрузок; влияние компенсаторов, клапанов, фланцев и штуцеров аппаратов на гибкость системы. Программа автоматически моделирует стальные конструкции и подземные трубопроводы, выполняет спектральный анализ и анализ динамики изменения, содержит базы данных элементов и расширенную базу данных по материалам с данными по допустимым напряжениям.
Пакет программ «PipelineCraft» фирмы GreenPine (Канада) и «Pipeline Studio» компании Energy Solutions (США) позволяют проектировать сложные системы магистральных трубопроводов и проводить их техническое обслуживание. Пакет программ «Pipeline Studio» позволяет проводить гидравлический анализ, обнаруживать утечки и вести учет продукции.
К отечественным аналогам, получивших широкое распространение можно отнести программные средства «СТАРТ» [31, 32, 33], «РЕСУРС», «Изоляция», «ШТУПЕР-МКЭ» и «Поток- 1Ф», разработанные ООО «НТП Трубопровод» г. Москва. Программы средства «СТАРТ» предназначены для расчета прочности и жесткости трубопроводов различного назначения, при статическом и циклическом нагружении, согласно стандартам и нормам [34, 35, 36].
Программа «Ресурс» [37, 38] предназначена для расчета остаточного ресурса элементов трубопроводных систем под действием коррозионно-эрозионного воздействия по скорости износа, а также по их статистике отказов. Программа позволяет рассчитать наработку на отказ трубопровода после гидравлических испытаний повышенным давлением. Программа «Изоляция» позволяет провести расчет и выбор тепловой изоляции трубопроводов и оборудования, а после сформировать проектную документацию.
Программа «ШТУЦЕР-МКЭ» [41] для расчета прочности и жесткости места соединения штуцера с сосудом (аппаратом) с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Данная программа дает возможность оценки прочности и устойчивости как элемента, в который врезается штуцер, так и расчет укрепления отверстия под действием только давления по нормативным документам [39, 40].
Определение действующих и допустимых параметров температуры и давления теплоносителя
Метан (лат. Methanum) – простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха, химическая формула — CH4. Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты (обычно тиолы) со специфическим «запахом газа». Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека. [66] Однако имеются данные, что метан относится к токсическим веществам, действующим на центральную нервную систему. [67] Накапливаясь в закрытом помещении, метан взрывоопасен. Обогащение одорантами делается для того, чтобы человек вовремя заметил утечку газа. На промышленных производствах эту роль выполняют датчики, и во многих случаях метан для лабораторий и промышленных производств остается без запаха. [65]
У людей, работающих в шахтах или на производствах, где в воздухе присутствуют в незначительных количествах метан и другие газообразные парафиновые углеводороды, описаны заметные сдвиги со стороны вегетативной нервной системы (положительный глазо-сердечный рефлекс, резко выраженная атропиновая проба, гипотония) из-за весьма слабого наркотического действия этих веществ, сходного с наркотическим действием диэтилового эфира. Действующие значения концентрации метана определяются при помощи газоанализаторов. По типу газоанализаторы бывают мобильными, полустационарными (переносными) и стационарными. Мобильные (или портативные) газоанализаторы представляют собой легкие и малогабаритные приборы различной спецификации: для контроля и анализа дымовых и технологических газов, для определения высоких концентраций, для экологического контроля и мониторинга процессов горения и т.д. Портативные газоанализаторы эффективны там, где либо нерационально, либо невозможно применение стационарных приборов и систем: при добыче и транспортировке газа и нефти, в туннелях и колодцах, АЗС, объектах общепромышленного типа и водоканалах.
Стационарные газоанализаторы используются для контроля концентрации газа в технологических измерениях концентрации газов, контроля выбросов в нефтехимии, энергетике, цементной промышленности и металлургии. Стационарные газоанализаторы предназначены для непрерывной работы. Они, как правило, громоздкие и тяжелые. Основное достоинство заключается в гибкости и универсальности приборов, позволяющих экономично и эффективно решать вопросы комплексного контроля в непрерывном режиме опасных рабочих зон всего предприятия. Стационарные газоанализаторы постоянно регистрируют степень загазованности, как у операторов, так и непосредственно на объектах.
Полустационарные или переносные газоанализаторы имеют меньшие габариты и без особого труда перемещаются между объектами, причем они достаточно легко запускаются в работу. Как и в случае стационарных систем, у переносных газоанализаторов количество замеряемых газов индивидуально в зависимости от набора датчиков.
По количеству каналов газоанализаторы могут быть одно- и многоканальными. Например, разработаны газоанализаторы метана индивидуального измерения CH4 и совмещенные газоанализаторы метана и угарного газа СО. К слову, современные многоканальные газоанализаторы позволяют увеличивать количество каналов измерений в любом количестве. На сегодняшний день разработано много моделей приборов импортного и отечественного производства с различными характеристиками разных категорий точности. На рынке представлен широкий выбор приборов, как индивидуального измерения, так и комплексного.
Допустимая концентрация метана или предельно допустимая концентрация (ПДК) определяются согласно [69] и равна 7000 мг/м3. ПДК - концентрация вредного вещества, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 ч и не более 40 ч в неделю, в течение всего рабочего стажа не должна вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений. Воздействие вредного вещества на уровне ПДК не исключает нарушение состояния здоровья у лиц с повышенной чувствительностью [69].
Любые изменения в трубопроводе (коррозия, старение, изменение температуры, изменение давления, развитие дефекта и т.д.) приводят к изменению действующих напряжений в материале стенки трубопровода.
Большинство существующих (традиционных) методов и средств НК описанных в параграфе 1.2.2 направлены на поиск конкретного дефекта, его размеров (глубины, протяженности и т.п.). Между тем, основными источниками развития повреждений технологического оборудования являются зоны концентрации напряжений (ЗКН). Для своевременного выявления ЗКН [70, 71, 72] обосновано применение «пассивных» методов диагностики, использующих энергию излучения конструкций - метод акустической эмиссии и метод магнитной памяти металла. Данные методы имеют существенные недостатки и высокую стоимость. Поэтому для непрерывного контроля технического состояния оборудования и контроля напряженно-деформированного состояния был использован метод тензометрии. Этот метод позволяет измерять деформации, вызываемые изменением внутреннего давления и весовых нагрузок. Сущность метода заключается в том, что на участке измерений деформации устанавливается измерительный прибор (тензометр) [73, 74].
Кластерный анализ параметров безопасности
Управлять безопасностью на производстве – сложная задача, требующая комплексного подхода со стороны руководителей. Основной целью управления безопасностью труда является организация работы по обеспечению безопасности, снижению травматизма и аварийности, профессиональных заболеваний, улучшению условий труда на основе комплекса задач по созданию безопасных и безвредных условий труда.
Информационная технология управления безопасностью жизнедеятельности представляет системно организованную последовательность операций, выполняемых над информацией с использованием средств и методов автоматизации. Типовыми операциями являются элементарные действия над информацией, начиная от сбора и регистрации данных и заканчивая процессом выработки управленческого решения. Средства и методы автоматизации включают технику, программы, способы и подходы в организации информационных систем и технологий. Информационные технологии, связанные с управлением безопасностью жизнедеятельности, различаются составом, назначением, степенью автоматизации, надежностью, объемом решаемых задач. Обеспечение безопасных условий жизнедеятельности на современном этапе предполагает использование информационных технологий для управления источниками и причинами возникновения опасностей, прогнозирования и оценки их воздействия в пространстве и времени, защиты человека и окружающей природной среды от опасностей техногенного характера. Управление безопасностью техносферы на базе мониторинга опасностей и применение наиболее эффективных мер и средств защиты позволяет использовать информационные системы и технологии во всех областях деятельности человека [77]. Для построения структурной схемы системы управления противоаварийной защитой котельных во второй главе была разработана расчётная зависимость для вычисления показателя состояния безопасности автоматизированной газовой котельной, учитывающая давление и температуру теплоносителя, состояние оборудования и трубопроводов, концентрацию метана.
На рис. 3.1.1. представлена структурная схема системы управления противоаварийной защитой котельных. Объектом управления является газовая котельная. В котельной устанавливаются регистрирующие приборы: датчики температуры и давления теплоносителя, механического напряжения в стенке трубопроводов, концентрации метана и бесконтактный термометр для измерения температуры наружной поверхности стенки трубопровода. Более подробно они описаны в параграфе 2.3. Функциональная схема системы управления противоаварийной защиты котельных представлена на рис. 3.3.2.
С момента запуска котельной датчики начинают фиксировать данные и они поступают в компьютер (ЭВМ). С момента запуска котельной датчики начинают фиксировать данные, и они поступают в компьютер (ЭВМ) через аналого-цифровой преобразователь (устройство ввода), формируя базу данных. С определённым интервалом времени создаётся база статистических значений измеряемых параметров. В компьютер вводятся данные по трубопроводам и предельно-допустимые значения технологических параметров и параметров состояния. Таким образом, формируется база знаний. Производится расчёт комплексного показателя безопасности на основании расчётной зависимости (2-17), разработанной во второй главе. Чтобы дать оператору (ЛПР) информацию о приближающейся опасности, в компьютере определяется зона безопасности (описание классификации зон приведено в параграфе 3.2). При помощи устройств вывода информация передаётся оператору по интернету или на сотовый телефон. Оператор видит цвет зоны безопасности, численное значение комплексного показателя безопасности и фактор, который является наиболее опасным. После этого он может приостановить работу котельной или вызвать обслуживающую организацию в зависимости от степени и источника опасности.
Рис. 3.1.1. Структурная схема управления противоаварийной защитой котельных на основе комплексного показателя состояния безопасности
Для увеличения информативности и избавления оператора системы управления безопасностью от необходимости запоминания допустимых значений параметров безопасности в программном обеспечении управления безопасностью реализован кластерный анализ. Под кластеризацией понимается деление промежутка величин показателей безопасности на несколько зон. Большое количество кластеров (зон безопасности) может отрицательно сказаться при работе оператора с системой, поэтому для облегчения работы с системой и упрощения задачи кластеризации количество кластеров было определено равным 4.
Кластерный анализ (англ. Data clustering) — задача разбиения заданной выборки объектов на подмножества (кластеры) на основании некоторого математического критерия качества классификации, так, чтобы каждый кластер состоял из схожих объектов, а объекты разных кластеров существенно отличались [79, 80].
Термин кластер (англ. Cluster) означает гроздь, пучок, скопление, группа элементов, характеризуемых каким-либо общим свойством.
Задача кластеризации тесно связана с понятием доверительный интервал. В математической статистике доверительные интервалы дают представление о точности и надёжности оценки параметра показателя безопасности.
Проверка работоспособности системы. Обработка результатов эксперимента
Произведение концентраций при данной температуре является постоянной величиной и, если СКТСАН ПР, происходит выпадение осадка (твердой фазы). Образующиеся в толще воды кристаллические частицы осаждаются на поверхности нагрева в виде слоя накипи или остаются во взвешенном состоянии как подвижный шлам.
Накипь может появиться в результате увеличения концентрации одного из ионов, образующих труднорастворимые соединения, что является следствием химических процессов. Таким образом, низкое содержание Са в воде еще не означает, что не будет кальциевых отложений.
Наибольшее влияние на процесс накипеобразования оказывают катионы Са2+ и Mg2+ и анионы С2-3, ОН-, SO2-4, SiO2-3. Определенные сочетания этих катионов и анионов в виде солей представляют собой труднорастворимые вещества. Накипеобразующими соединениями, например, являются: карбонат кальция и магния (СаСО3, MgCO3), гидрат магния (Mg(OH)2), сульфат кальция (CaSO4), силикаты кальция и магния СаSiO3, MgSiO3). Карбонат кальция образуется в результате нагрева из бикарбоната: Са(НСО3)2СаСО3 +H2O+СО2. Повышение концентрации в воде углекислоты СО2 может смещать равновесие реакции влево, т. е. ведет к образованию бикарбоната. Однако для котловой воды, где идет процесс кипения и СО2 удаляется, наиболее характерен переход Са(НСО3)2 в карбонат СаСО3. Аналогичная реакция идет и с бикарбонатом магния при нагревании: Mg(HCO3)2 MgCO3 + Н2О + СО2. При нагревании воды с высокой щелочностью происходит гидролиз карбоната магния с образованием труднорастворимого соединения гидроокиси магния: MgCO3 + 2Н2О Mg(OH)2 + H2CO3. Карбонаты кальция образуют в котле карбонатную накипь. С повышением щелочности воды они осаждаются в грубодисперсном состоянии и входят в состав шлама. Соединение Mg(OH)2 находится в воде преимущественно в виде шлама и может образовывать вторичную накипь (прикипание осаждающегося шлама). Силикаты CaSiO3 и MgSiO3 в природной воде находятся в коллоидальной форме в небольшом количестве. Однако в случае образования силикатной накипи на поверхности нагрева слой загрязнения становится прочным, трудноудаляемым. Одной из причин образования насыщенных растворов и выпадения осадка является понижение растворимости некоторых соединений при повышении температуры воды. Такие соединения имеют отрицательный коэффициент растворимости. К ним относятся СаСО3, CaSO4, Mg(OH)2, CaSiO4, MgSiO3.
Вторичную накипь могут образовывать продукты коррозии металла, заносимые в котел с питательной водой.
Воду, находящуюся постоянно в природном круговороте, условно делят на атмосферную, поверхностную, подземную (грунтовую) и морскую. Каждая из этих видов воды имеет свои качественные показатели, от которых зависит возможность ее использования в тех или иных целях.
Жесткость - это одна из основных характеристик качества воды. Самым распространенным показателем является общая жесткость ЖO - сумма всех растворимых в воде солей кальция (кальциевая жесткость) и магния (магниевая жесткость), выраженная в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л).
Для пересчета выраженных в единице мг/л концентраций кальция и магния в единице мг-экв/л их значения делят на эквивалентные массы этих катионов, т. е. используют следующие соотношения: 1 мг-экв/л жесткости = 20,04 мг/л Са+2 , 1 мг-экв/л жесткости = 12,16 мг/л Mg2+, где 20,04 и 12,16 – эквивалентные массы кальция и магния.
Таким образом, общая жесткость может быть представлена суммой карбонатной ЖK и некарбонатной ЖНК составляющих или кальциевой ЖСа и магниевой ЖMg жесткостью: ЖO= ЖK + ЖНК = ЖСа + ЖMg.
Подводя итог, можно отметить, что основное влияние на процессы образования накипи и коррозии влияет качество водохимической подготовки, температура, скорость движения воды. Опыт показывает, что подготовке исходной воды не уделяется достаточного внимания и поэтому возникают аварии.
Для проверки правильности принятых технических решений и работы программы были проведёны три эксперимента. Гипотеза первого и второго экспериментов: метод тензометрии применим для постоянного деформационного контроля над проблемными участками.
В качестве экспериментального образца использовалась водогазопроводная труба Ду40х4,0 длиной 1,0м (11) и водогазопроводная труба Ду50х3,5 длиной 0,4м (5) (см. рис 4.3.1). Между ними вварен шаровой кран Ду50 (4). Это сделано, чтобы обезопасить тэн (3), который рассчитан на давление 6 атм. На участке трубы Ду40х4,0 вварен предохранительный клапан (5), рассчитанный на 16 атм, трёхходовой кран для манометра (6).
Перед наклейкой тензорезисторов околошовная зона трубопровода с помощью наждачной бумаги зачищалась от ржавчины и мелких дефектов, далее поверхность обезжиривалась ацетоном. После этого датчики с помощью клея БФ-2 закреплялись на поверхности испытуемой детали по направлению ее главных деформаций. Выводы с датчика, во избежание контакта с поверхностью трубопровода, прокладывались конденсаторной бумагой и далее фиксировались изоляционной лентой. Для измерения приращения сопротивления датчика при деформации была использована мостовая схема (Рис.4.2.1.2).