Обеспечение безопасности технологических установок нефтепереработки с использованием систем противоаварийной защиты: На примере установки ЭЛОУ-АВТ-6 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.21, кандидат технических наук Коптев, Николай Павлович

• Коптев, Николай Павлович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коптев, Николай Павлович

Введение

1. Современное состояние обеспечения безопасности эксплуатации технологических объектов нефтепереработки

1.1. Концепция обеспечения безопасности промышленных объектов с учетом риска возникновения техногенных аварий и катастроф

1.2. Специфические особенности потенциально опасных объектов нефтепереработки и основные причины аварий

1.3. Возможности систем ПАЗ в обеспечении безопасности особо сложных объектов нефтепереработки

1.3.1. Промышленная реализация систем ПАЗ на отечественных нефтеперерабатывающих заводах.

1.3.2 . Анализ функциональных особенностей ПАЗ, разработанных зарубежными фирмами.

1.4 . Цель и задачи исследований

2. Разработка принципов формирования структуры систем ПАЗ для технологических установок НПЗ

2.1. Анализ потенциальной опасности действующих установок

2.2. Разработка принципов создания и выбора структуры систем

2.3. Разработка основных принципов создания логико-информационного обеспечения систем РАЗ

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение безопасности технологических установок нефтепереработки с использованием систем противоаварийной защиты: На примере установки ЭЛОУ-АВТ-6»

Известно, что проблемы обеспечения безопасности остро стоят в нефтеперерабатывающей промышленности, так как огромная энергонасыщенность предприятий, возможность возникновения выбросов вредных и взрывоопасных веществ в процессах производства создают опасность и напряженность не только на промышленных объектах, но и в жилых районах, вблизи которых расположены заводы.

Современное состояние нефтеперерабатывающих заводов таково, что постоянно интенсифицируются процессы и технологии. Вследствие этого технологические параметры (давление, температура и др.) растут и приближаются к критическим значениям, увеличиваются единичные мощности отдельных аппаратов и, соответственно, количество находящихся в них взрывоопасных, пожароопасных и токсичных веществ. Более того, большинство выпускаемых продуктов являются взрывопожароопасными и токсичными. Нефтеперерабатывающий завод (НПЗ) производительностью 10-15 млн. т/год сосредотачивает на своей территории от 200 до 500 тыс. т углеводородного сырья и продуктов его переработки, энергосодержание которого эквивалентно 2-5 Мт тротила [75].

Основными причинами техногенных аварий и катастроф на НПЗ являются износ технологического оборудования и трубопроводных систем, не работоспособное состояние средств автоматизации, блокировок и сигнализаций, а также ошибочное или неправильное принятие решений обслуживающим персоналом в критических ситуациях, обусловленных отказами оборудования и систем противоаварийной защиты.

В настоящее время из всех известных методов и способов обеспечения технологической и экологической безопасности наиболее реальным является дальнейшая эксплуатация особо сложных и потенциально опасных объектов НПЗ на основе разработки и внедрения научно-обоснованных принципов обеспечения безопасности с использованием современных систем противоаварийной защиты, содержащих экспертные системы.

Поэтому обеспечение безопасности с использованием систем про-тивоаварийной защиты (ПАЗ), содержащих экспертные системы (ЭС) и учитывающих специфические особенности эксплуатации особо сложных объектов НПЗ, включая возможность возникновения выбросов взрывопожароопасных и токсичных веществ, а также действия лиц, принимают,!: оперативное решение при критических аварийных ситуациях, является актуальной задачей.

Основные направления исследований выполнены в соответствии с Государственной научно-технической программой Академии наук Республики Башкортостан (АНРБ) «Проблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологий» по направлению 6.2 «Надежность и безопасность технических систем в нефтегазохимическом комплексе» на 1996-2000 годы, утвержденной постановлением Кабинета Министров РБ №204 от 26.06.96, а также по Федеральной целевой программе «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки» на 997-2000 годы (ФЦП «Интеграция») по государственному контракту № 28 «Создание совместного учебно-научного центра «Механика многофазных систем в технологиях добычи, транспорта, переработки нефти и газа».

Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложения.

В первой главе рассматривается современное состояние обеспечения безопасности эксплуатации технологических объектов нефтепереработки. На основе анализа концепции обеспечения безопасности промышленных объектов с учетом риска возникновения техногенных аварий и ¿катастроф, специфических особенностей потенциально опасных объектов нефтепереработки и основных причин аварий, а также функциональных особенностей систем противо-аварийной защиты сформулированы цель работы и задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке принципов формирования структуры системы ПАЗ для технологических установок НПЗ. На основе оценки уровня потенциальной опасности установок предложены и обоснованы общая концепция уменьшения риска, направленная на достижение требуемого уровня безопасности, и выбор структура системы ПАЗ.

В третьей главе приведены основные результаты исследований по разработке экспертной системы для системы ПАЗ. На основе анализа структуры и возможностей известных в литературе ЭС разработана архитектура ЭС для системы ПАЗ. Предложены три варианта взаимодейстг л систем обеспечения безопасности (АСУТП, ЭС диагностики и системы ПАЗ).

В четвертой главе приведена разработка логико-информационного обеспечения системы ПАЗ на примере установки ЭЛОУ-АВТ-6. Составлены деревья отказов, рассчитаны вероятности возникновения аварийной ситуации. Показано, что вероятность аварии в блоке нагревательных печей с использованием системы ПАЗ на 3 порядка выше, чем при отсутствии системы ПАЗ, и составляет 4,0' 10 ~6.

Разработано логико-информационное обеспечение системы ПАЗ, представляющей собой экспертную систему, и программно обеспечение решения формализованных задач. Для реализации на практике экспертной системы обоснован выбор технических средств, способных функционировать в соответствии с разработанным логико-информационным обеспечением.

Основные положения диссертации сформулированы в основных выводах.

Автор выражает искреннюю благодарность доктору технических наук, профессору Попову Ю.П. за оказанную помощь при выполнении диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Безопасность особосложных объектов (по отраслям)», Коптев, Николай Павлович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выявлены специфические особенности технологических установок НПЗ и проведен анализ количества аварий по видам технологического оборудования и по технологическим установкам. Показано, что наибольшее количество аварий происходят на установках, реализующих физические процессы. По фактическим данным количество аварий на установках типа АВТ составляет 12,5%.

2. Проведен анализ структуры и функциональных особенностей современных систем ПАЗ. Показано, что наибольшей надежностью обладают системы ПАЗ с двоированной и троированной ПЛК.

3. Для оценки опасности типовых установок НПЗ определены энергетические показатели и радиусы возможных разрушений. Показано, что установка ЭЛОУ-АВТ-6 относится к I категории взрывоопасносности (QB=67,4).

4. Исходя из оценки уровня потенциальной опасности установок предложены и обоснованы общая концепция уменьшения риска, направленная на достижение требуемого уровня безопасности, и выбор структуры системы ПАЗ в зависимости от энергетического потенциала объекта и вероятности возникновения аварийных ситуаций. Выявлено, что для обеспечения безопасности технологических установок НПЗ наиболее перспективный решением при создании системы ПАЗ является применение троированной ПЛК.

5. Предложен принцип создания логико-информационного обеспечения системы ПАЗ, сущность которой заключается в следующем: при возникновении аварийной ситуации система ПАЗ обеспечивает диагностику состояния объекта, при возможности локализует неисправность и, только в случае необходимости, производит аварийный останов с указанием конкретной причины останова и путей устранения неисправности.

6. В результате анализа функционально-информационной структуры известных ЭС показана возможность проектирования и создания ЭС специально для обеспечения безопасности особо сложных и потенциально опасных объектов НПЗ.

7. Разработана архитектура ЭС для СПАЗ, которая в дополнение к стандартным подсистемам и блокам содержит блок коордг щии функционирования внешних систем управления технологическим процессом и диагностики.

8. Для обеспечения безопасности установки определена жесткая иерархия функционирования АСУТП, ЭС диагностики и системы ПАЗ. Предложены три варианта взаимодействия систем обеспечения безопасности:

- использование эксперта, ж системы диагностики, как отдельную систему обеспечения безопасности;

- наличие системы аварийного останова, действующей автономно от АСУТП и ЭС диагностики;

- использование система ПАЗ, содержащей внутреннюю ЭС.

9. На основании анализа аппаратурного оформления установки ЭЛОУ -АВТ - 6 и физико-химических свойств обращающихся в ней веществ выявлены критические значения технологических параметров и основные причины возникновения аварийных ситуаций. Показано, что наиболее опасными являются дефекты и отказы механического проис . эждения, прекращение подачи технологических и вспомогательных потоков.

10. Разработаны сценарии возможных аварийных ситуаций и показана последовательность их развития при прекращении технологических и вспомогательных потоков. По выявленным причинам возникновения аварийных ситуаций и последовательностям их развития составлены деревья отказов, которые объективно отражают логико-вероятностные связи опасных событий, в совокупности приводящих к результирующему катастрофическому событию.

11. По составленным деревьям отказов рассчитаны вероятности возникновения аварийной ситуации. Показано, что вероятность аварии в блоке нагревательных печей с использованием системы ПАЗ на 3 порядка выше чем при отсутствии системы ПАЗ и составляет 4,0* 10 45.

90

12. Разработано логико-ь .формационное обеспечение системы ПАЗ представляющей собой экспертную систему и программное обеспечение решения формализованных задач. Обоснован выбор технических средств, способных функционировать в соответствии с разработанным логико-информационным обеспечением.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коптев, Николай Павлович, 2000 год

1. Махутов H.A. и др. Концепция второго этапа работы по ГНТП "Безопасность"//ВИНИТИ. Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях.- 1996.-Вып. 1 .-с.4-21.

2. Маршалл В. Основные опасности химических производств: Пер. с англ. -М.: Мир, 1989. -672 с.

3. Ибрагимов И.Г. Иерархическая структура технологических объектов // Там же , с. 17-19.

4. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оцека и предупреждение." М.: Химия, 1991.- 431 с.

5. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением.-М.: Энергоатоми дат, 1990. -128 с.

6. Гольдштейн Р.В., Онищенко Д.А. Принцип избирательности масштабов защиты иерархических технических систем для предотвращения их катастрофического разрушения//ДАН, 1996. т.346, № с.185-187.

7. ГОСТ 12.1.010-76. Взрывобезопасность. Общие требования.- М.: Изд. стандарт, 1976.

8. Ю.Ибрагимов И.Г., Готенко В.Ф., Леликов A.A. Экспертная система поддержки принятия оперативных решений для обеспечения промышленной и экологической безопасрости//Межвузовский сб.научн.статей "Нефть и. газ".-Уфа, УГНТУ, 1996.

9. Ибрагимов И.Г. Обеспечение безопасности Технологических объектов на основе принципа избирательности масштабов защи-ты//Межвузовский сб.научн.статей "Нефть и газ".-Уфа, УГНТУ, 1996.

10. Химмельблау Д. Обнаружение и диагностика неполадок в химических и нефтехимических процессах: Пер. с англ. -JL: Химия, 1983. -352 с.

11. Расмус O.P., Ибрагимов И.Г., Готенко В.Ф. Принципы построения схем функциональных связей // Там же. с. 12-13.

12. Ибрагимов И.Г., Готенко В.Ф., Мухаметов Р.Ш. Оценка функционирования технологических установок нефтепереработки и нефтехимии// В сб. Диагностика, ресурс и прочность оборудования для добычи и переработки нефти.-Уфа, 1988.-е. 15-16.

13. Готенко В.Ф., Расмус O.P., Ибрагимов И.Г. Автоматизированная система диагностики впомощь оператору// В сб. Диагностика, ресурс и прочность оборудования для добычи и переработки нефти.-Уфа,1988.-с.8-9.

14. Башлыков A.A., Еремеев А.П. Экспертные системы поддержки принытия решений в энергетике. -М.: МЭИ, 1994. -213 с.

15. Поспелов Г.С. Искусственный интелект основа новой информационной технологии. Сер. Академиче гие чтения. -М.: Наука, 1988. -200 с.

16. Башлыков A.A. Проектирование систем принятия решений вэнер-гетике. -М.: Энергоатомиздат, 1986. -120 с.

17. Мешалкин В.П. Экспертные системы в химической технологии. -М.: Химия, 1995. 368 с.

18. Попов Э.В. Экспертные системы. Решение неформализуемых задач в диалоге с ЭВМ. М.: Наука, 1987.

19. Уотермен Д. Руководство по экспертным системам. Пер. с англ. -М.: Мир, 1989.

20. Искусственный интеллект. ( ютемы общения и экспертные системы: Справочник/под ред. Э.В.Попова. М.: Радио и связь, 1990. 464 с.

21. Попов Э.В. Диалоговые системы и интерактивная графика. Экспертные системы. Решение н формализованных задач в диалоге с ЭВМ. //Техническая кибернетика. 1987. N5. С. 5 17.

22. Куперман В.Г., Палюх Б.В. Корректировка базы знаний для работы экспертной системы технической диагностики химического производ-ства.//Программные продукты и системы. 1995. N3. С. 25 29.

23. Построение экспертных систем / Пер. с англ. Под ред. Ф. Хейсе-Рота, Д. Уотермена, Д. Лената. М.: Мир, 1987.

24. Р. Левин, Д. Дранг, Б. Эделсон. Практическое введение в технологию искусственного интеллекта и экспертных систем с иллюстрациями на бейсике. Пер. с англ. М.: Фиьшсы и статистика, 1991. - 239 с.

25. Технические средства диагностирования: Справочник /В.В. Клюев, П.П. Пархоменко, В.Е. Абрамчук и др.; Под общ. ред. В.В. Клюева.- М.: Машиностроение, 1989 672 е., ил.

26. Крисевич B.C., Кузьмин Л.А., Шиф A.M. к др. Экспертные системы для персональных компьютеров: методы, средства, реализации. Справочное пособие. Минск: Вышэйшая школа, 1990.

27. Ревунков Г.И., Самохвалов Э.Н., Чистов В.В. Базы и банки данных и знаний. / под ред. В.Н. Четверикова. М.: Высш. шк., 1992.-367 с.

28. Кузнецов В.Е. Представление в ЭВМ неформальных процедур: продукционные системы. М.: Наука, 1989.

29. Любарский Ю.Я. Интеллектуальные информационные системы. -М.: Наука, 1990.

30. Осуга С. Обработка знаний. Пер. с японск. VI.: Мир, 1989.

31. Представление и использование знаний. /Пер. с японск. Под ред. Х.Уэно, М. Исудзука. М.: Мир, 1989.

32. Приобретение знаний. / Пер. с японск. Под ред. С. Осуги, Ю. Са-эки. М.: Мир, 1990.

33. Тиори Т., Фрай Д. Проектирование структур баз данных. Пер. с англ. М.: Мир, 1985.

34. Системы управления базами данных и знаний. Справочное пособие / под ред. А.Н. Наумова. М.: Финансы и статистика, 1991.

35. Таунсенд К., Форт Д Проектирование и программная реализация экспертных систем на ПЭВМ: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 381 с.

36. Финогенов К.Г. Программирование измерительных систем реального времени. М.: Радио и связь, 1988. - 284 с.

37. Нейлор К. Как построить свою экспертную : стему: Пер. с англ.1

38. М.: Финансы и статистика, 1989. 357 с.

39. Страуструп Б. Язык программирования Си++: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1991. - 352 с.

40. Вайнер Р., Пинсон JI. С++ изнутри: Пер. с англ. Киев: ДиаСофт, 1993. - 304 с.

41. Дьюхарст С., Старк К. Программирование на Си++: Пер. с англ. -Киев: ДиаСофт, 1993. 272 с.

42. Пол Ирэ. Объектно-ориентированное программирование с использованием Си++: Пер. с англ. Киев: НИПФ г даСофт Лтд, 1995. -480 с.

43. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник./под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1995. -487 с.

44. Химико-технологические системы. Синтез, оптимизация и управление/ Под ред. И.П. Мухленова.-Л.: Химия, 1986.-424 с.

45. Дорохов И.Н., Кафаров Вяч. В. Системный анализ процессов химической технологии.-М.: 1989.-376 с.

46. Взрывные явления. Оценка и последствия: Пер. с англ. /У. Бей-кер, П. Кокс, П. Уэстайн и др; Под ред. Я.Б. Зельдоъича, Б.Е. Гельфанда-М.: Мир, 1986,-Т. 1. J

47. Зайцев И.Д., Зозуля А.Ф., Мовчан A.A. Автоматизированное проектирование генеральных планов содовых заводов.// Химическая технология. 1976. N6. с. 28-32.

48. Бесчастнов М.В., Соколов В. М., Кац М. И. Аварии в химических производствах и меры их предупреждения. -М.: Химия, 1976. -267 с.

49. Бесчастнов М.В., Соколов В.М. Предупреждение аварий в химических производствах. -М.: Химия, 1979. -390 с.

50. Кафаров В.В., Мешалкиь В.П. Проектирование и расчет оптимальных систем технологических трубопроводов. -М.: Химия, 1991. -361 с.

51. Брейман М.И. Безопасная эксплуатация оборудования на открытых площадках. -М.: Химия, 1978. -с.4-5.

52. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств-М.: Металлургия, 1998.

53. Бесчастнов М.В. Взрывобезопасность и противоаварийная защита химико-технологических процессов.-М.: Химия, 1983.-471 с.

54. Иванов Е.Н. Пожарная защита открытых технологических установок. -М.: Химия, 1975. -199 с.

55. Пожарная безопасность. Взрывобезоп шость. /Под ред. А.Н.Баратова-М.: Химия, 1987.-270 с

56. Рудин М.Г., Драбкин А.Е. Краткий справочник нефтепереработчика." Л.: Химия, 1980.

57. Хуснияров М.Х., Бугаева Ю.В. Оценка последствий аварий на по-жаровзрывоопасных объектах чефтепереработки и нефтехимии.- Уфа.: УГ-НТУ, 1997.- С. 5.

58. ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.

59. В.П. Якимов. Пожарно-технические расче л в технологических процессах при использовании горючих веществ. Учебное пособие. -Л.: Химия, 1983. -81 с.

60. Справочник нефтепереработчика./Под.ред. Г.А.Ластовкина, Е.Д. Радченко, М.Г. Рудина. -Л: Химия, 1986. -648 с.

61. Вредные вещества в промышленности. Справочник/Под ред. Н.В. Лазарева. -Л.: Химия, 1976. Т. 1. -831 с

62. Товарные нефтепродукты. Свойства и применение. Справоч-ник/Под.ред. В.М. Школьникова. -М.: химия, 1978. 472 с.

63. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: Справочник/Под ред. E.H. Судакова. М.: Химия, 1979. -565 с.

64. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник/Под ред. А.Н. Баратова, А .Я. Корольченко. -М: Химия, 1990, в 2-х книгах.

65. Методика оценки последствий аварий на пожаро- взрывоопасных объектах. М.: ВНИИ ГОЧС, 1994.- С. 5.

66. Экспресс-методика прогнозирования последствий взрывных явлений на промышленных объектах. М.: ВНИИ ГОЧС, 1994.- С. 6.

67. А.И.Розенфельд, Г Ч.Канавец. Критерии эффективности в задачах предпроектной оптимизации химических технологий.//Химическая технология. 1987. N6. с. 56-61.

68. Коптев Н.П., Ибрагимов И.Г. Архитектура программируемых логических систем для противоаварийной защиты потев иально опасных объектов. \\ Промышленные АСУ и контроллеры, № 2, 1999, с.9-12.

69. Ибрагимов И.Г., Коптев Н.П. Перспективы применения экспертных систем в нефтепереработке \ \ В сб.: Проблемы защиты окружающей среды на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии, г.Уфа, 1997, с. 198-201.

70. Коптев Н.П. Развитие систем противоаварийной защиты в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. В сб.: Десять лет эксперимента на кафедре МАХП: некоторые результаты. Уфа, 1997, с.62.

71. Коптев Н.П., Ибрагимов И.Г. Комплекс си.¡тем обеспечения технологической безопасности объектов нефтепереработки и нефтехимии \\ В сб.: XX межвузовская научно-техническая конференция, г. Салават, 1998, с28-29.

72. Коптев Н.П., Ибрагимов И.Г. Принципы создания и обеспечения надежности систем противоаварийной защиты \\ Методы кибернетики химико-технологических процессов. Уфа, 1999, с. 15

73. Абросимов A.A. Экологические аспекты производства и применения нефтепродуктов. М: Изд-тво «Барс», 1999 г, 732 с.

74. Стандарт IEC 1508. Системы противоаварийной защиты. Нью-Йорк, февраль 1993.

75. Материалы фирмы TRICONEX. Ирвин, ноябрь 1995.

76. Стандарт ФРГ DIN V VDE 0801. Принципы построения ПЛС систем противоаварийной защиты. Германия, Берлин, 1990.

77. Стандарт ФРГ DIN V 19250. Принципы построения систем противоаварийной защиты. Берлин, январь 1991.

78. Protective Systems In The Petrochemical Industry // Control Engineering, март, 1989.

79. The need for safety system // Safety Solutions. North Black Canyon1. Hwy., 1995.

80. Ибрагимов И.Г. Принципы обеспечения работоспособности агрегатов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств с использованием экспертных систем. Уфа, 1995.

81. Давыдов В.П., Кирьянов Ю.Г. Анализ аварийности и травматизма на предприятиях, подконтрольных Госгортехнадзору России. // Безопасность труда в промышленности, № 4,1999, с.2-8.

82. Технологический регламент установки ЭЛОУ-АВТ-6.

83. План локализации и иквидации аварийных ситуаций на установке ЭЛОУ-АВТ-6.

84. Краткий справочник для инженеров и студентов: Высшая математика. Физика. Теоретическая механика. Сопротивление материалов. / Полянин А.Д. и др. М.: Международная программа обра? ¡анш, 1996.- 432 с.