Введение к работе
Актуальность работы.
Нефтеперекачивающие станции (НПС), являясь одним из основных узлов системы перекачки нефти, представляют собой сложный объект, содержащий весь спектр электромагнитных воздействий (ЭМВ), в том числе, опасных для различных систем, обеспечивающих соблюдение технологического процесса.
В мировой практике (Россия, Республика Судан и др.) имели место не только нарушения технологического процесса, но и большие материальные потери по не выясненным обстоятельствам. Так, например, в 1994 году в результате пожара полностью была уничтожена НПС на трубопроводе из г. Порт-Судан в г. Хартум. Причина аварии заключается в том, что верхний клапан начал закрываться ложным сигналом, что привело к увеличению давления на выходе насоса, пока не разрушилось уплотнение у насоса, и не возник пожар. Рассматриваемая в данной работе НПС была построена в 1999 году по проекту французских специалистов в Республике Судан для транспортировки легких нефтепродуктов. В процессе эксплуатации были перерывы в работе станции из-за возникших проблем с ложными отключениями насосов по сигналам, поступающим с датчиков. Наиболее вероятной причиной таких нарушений в работе НПС являются электромагнитные воздействия на автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУ ТП).
Для выяснения роли ЭМВ и предотвращения их опасных проявлений необходимо провести расчетно-экспериментальные исследования по определению уровней ЭМВ в условиях эксплуатации НПС и разработать мероприятия по защите оборудования от их воздействий.
Приведенные примеры технологических нарушений и аварии на НПС свидетельствуют об актуальности темы диссертации.
Степень проработанности темы.
Применительно к НПС в комплексной форме проблема опасных проявлений ЭМВ и защиты от них не проработана. ЭМВ на объектах входят составной частью проблемы под названием электромагнитная совместимость - "молния и
молниезащита", "заземление и заземлители" и др. По направлениям этих проблем внесли существенный вклад ряд российских и зарубежных ученых. Среди них Дьяков А.Ф., Борисов Р.К., Жуков А.В., Максимов Б.К., Овсянников А.Г., Шишигин С.Л., Хабигер Э., Шваб А., Уильяме Т., Армстронг К., и многие другие. При работе над диссертацией использованы результаты основных работ перечисленных ученых.
Цель работы.
Определение электромагнитных воздействий на входные цепи АСУ ТП нефтеперекачивающих станций и формирование мероприятий по защите от опасных проявлений этих воздействий.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.
-
Определение и анализ источников ЭМВ потенциально опасных для нормального функционирования оборудования НПС.
-
Анализ и выбор методов расчетно-экспериментального определения ЭМВ на вторичные цепи и оборудование НПС.
-
Расчетно-экспериментальное определение уровней ЭМВ в условиях эксплуатации НПС.
-
Формулирование мероприятий по защите АСУ ТП и оборудования НПС от опасных ЭМВ.
Объекты исследования.
Силовое оборудование напряжением выше 1 кВ, система молниезащиты, АСУ ТП.
Методы исследования.
Применены методы математического моделирования, методы численного решения задач, использованы компьютерные программы, выполнены лабораторные исследования.
Научная новизна заключается в следующем.
1. Впервые применительно к условиям эксплуатации НПС Республики Судан на основе расчетно-экспериментального анализа выявлен и обоснован состав источников ЭМВ (короткие замыкания в сети выше 1 кВ, удары молнии,
разряды статического электричества и магнитные поля 50 Гц), представляющих опасность для нормального функционирования АСУ ТП и технологического оборудования.
-
Разработана и реализована (на примере программы "Interference") экспериментальная методика для верификации компьютерных программ, применяемых при расчете наведенных от молнии перенапряжений в кабельных линиях, отличающаяся тем, что канал молнии моделируется протеканием тока по вертикальному проводнику.
-
Разработана и реализована на практике новая методика экспериментального определения коэффициентов экранирования с использованием магни-топровода для воздействия электромагнитных полей на испытуемые кабели, которая обеспечила получение более точных результатов, чем расчеты.
4. Предложена уточненная методика расчета потенциала оператора и
снижения его до допустимых значений, определяемых из условия соблюдения
требования устойчивости АСУ ТП к разрядам СЭ, впервые комплексно учиты
вающая геометрические и физические параметры напольного покрытия и
окружающей среды.
Достоверность результатов базируется на использовании фундаментальных положений теории (теория электромагнитного поля, теория цепей), использовании апробированных компьютерных программ и лабораторных исследований, результаты которых соответствуют опубликованным в литературе данным.
Практическая ценность работы.
1. Разработанная методика экспериментального определения коэффициентов экранирования позволила установить, что для типовых контрольных кабелей: на низких частотах в диапазоне (50+500) Гц заземление резервных жил кабелей более эффективно, чем заземление экранов; на высоких частотах (0,5+10) МГц и при апериодических импульсах (1,2/50; 8/20) мкс - заземление экранов кабелей более эффективно; при воздействии магнитного поля на часто-
тах (5 10" * 10) МГц необходимо заземлять с двух сторон экраны кабелей и резервные жилы.
2. Применительно к НПС Республики Судан определено для наиболее опасных ЭМВ, что:
разность потенциалов между местом однофазного КЗ на землю в сети электропитания двигателей и заземляющим устройством (ЗУ) технического здания составляет более 10 кВ, что представляет опасность для контрольных кабелей;
наведенные от молнии перенапряжения в кабелях существенно превышают допустимые значения;
устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИЛ) имеют ограниченную зону действия и не защищают кабели по всей длине.
В учебном центре нефти (Petroleum training center) в г. Хартум доложены конкретные технико-экономически обоснованные рекомендации: прокладка горизонтальных и вертикальных заземлителеи для выравнивания потенциалов на заземляющем устройстве; экранирование кабелей при прокладке в стальных трубах; замена напольных покрытий на антистатические, а в отдельных помещениях регулирование климатических условий.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Результаты выявления и анализа источников ЭМВ, потенциально опасных для нормального функционирования оборудования НПС.
-
Результаты анализа и выбора методов расчетно-экспериментального определения ЭМВ на вторичные цепи и оборудование НПС.
-
Результаты расчетно-экспериментального определения уровней ЭМВ в условиях эксплуатации НПС.
-
Мероприятия по защите АСУ ТП и оборудования НПС от опасных ЭМВ.
Соответствие паспорту специальности.
Научные положения, отраженные в диссертации, соответствуют специальности 05.14.12 "Техника высоких напряжений" п. 5 области исследований:
"Исследование атмосферных и внутренних перенапряжений, разработка методов и устройств для ограничения перенапряжений, изучение проблем электромагнитной совместимости".
Апробация работы.
Научные и практические результаты диссертационной работы представлялись в «НИУ «МЭИ» (2015-2017 г.г.), ООО «НПФ ЭЛНАП» (2017 г.) и в Учебном Центре нефти (Petroleum training center) в г. Хартум (Республика Судан, 2017 г.).
Публикации по теме диссертации.
По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК РФ [2, 3,4].
Личный вклад.
Постановка задач и методология их решения, основные научные результаты, положения и выводы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем работы составляет 129 страниц и содержит 69 рисунков, 16 таблиц. Список литературы включает 68 наименований.