автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация системы противопожарной защиты технологической установки полимеризации

На правах рукописи

Алешков Александр Михайлович

АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (технические науки, отрасль - промышленность)

1 7 НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005002124

На правах рукописи

Алешков Александр Михайлович

АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (технические науки, отрасль - промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России на кафедре пожарной автоматики.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Федоров Андрей Владимирович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Минаев Владимир Александрович кандидат технических наук, доцент Дешко Игорь Петрович

Ведущая организация:

ФГБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны» (ФГБУ ВНИИПО МЧС России).

Защита состоится «07» декабря 2011г. в 14-00 час. на заседании диссертационного совета Д.205.002.01 в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, Москва, ул. Б. Галушкина, 4.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Академии Государственной противопожарной службы МЧС России.

Автореферат разослан «02» ноября 2011 г., исх. № 70-6-7

Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направить в Академию ГПС МЧС России по указанному адресу. Телефон для справок : 8(495) 683 19 05

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, доцент

С.Ю.Бутузов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Развитие нефтеперерабатывающих комплексов, обладающих высокой энергонасыщенностью, сопровождается ростом количества и масштабов пожаров и взрывов топливно-воздушных смесей (ТВС), наносящих значительный ущерб, как самим предприятиям, так и природной среде и населению. Ущерб от промышленных технологий таких потенциально опасных производств для окружающей среды и здоровья людей характеризуется риском, характер и масштабы которого зависят от типа и объемов потребляемого топлива, способов его использования, уровня технологии и эффективности проведения работ по охране окружающей среды и обеспечению противопожарной защиты. Последовательное увеличение удельного веса углеводородного топлива (нефть, газ, конденсат) в мировом экономическом балансе - сложившаяся закономерность, и в обозримой перспективе эта тенденция сохранится. Поэтому повышение уровня пожаровзрывобезопасности объектов нефтепереработки и нефтехимии остается одной из важнейших составных частей обеспечения защиты населения и окружающей среды от угроз техногенного характера.

Ежегодно в мире на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях происходит до 1500 аварий, которые уносят значительное число человеческих жизней; материальный ущерб составляет свыше 100 млн. долл. в год, причем аварийность имеет тенденцию к росту. Основную опасность представляют аварии с образованием зон взрывоопасных концентраций, пожары и взрывы, при этом пожары составляют 58,5 %, аварии - 17,9 %, взрывы -15,1 %, прочее - 8,5 %.

Существующие на объектах нефтепереработки и нефтехимии отечественные установки пожарной сигнализации, элементы электроуправления установок пожаротушения относятся к обычному (релейному) типу, выполнены автономно, связи между установками и их с микропроцессорной и вычислительной техникой, в основном, отсутствуют. Это не позволяет создавать системы пожаровзрывобезопасности, объединяющие технические средства пожарной и противоаварийной автоматики как единое целое. Отмеченные недостатки ликвидируются при проектировании и внедрении на объектах нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности автоматизированных систем управления противопожарной защитой (АСУПЗ). Открытым остается также вопрос о создании подсистем реализующих функцию оперативного прогнозирования пожароопасных ситуаций в технологических процессах углубленной переработки нефтепродуктов и получения полипропилена. Алгоритмическая структура математического обеспечения АСУПЗ должна включать разработку сетевой модели процесса полимеризации, анализ динамики изменений пожароопасных

параметров с целью определения возможности возникновения аварийной ситуации. Актуальность разработки такой модели состоит в необходимости определять и динамически оценивать состояние системы, изменение параметров процессов при изменении структуры связей ее элементов. Существующий математический аппарат моделирования таких ситуаций не может в полной мере обеспечить комплексное решение данных задач, так как применяемые в настоящее время модели не учитывают одновременное описание изменений структуры связей элементов и изменений процессов внутри структуры сложной системы.

Перечисленные проблемы в комплексе подтверждают необходимость создания АСУПЗ на объектах с технологическим процессом получения полипропилена. Данная научно-техническая задача является актуальной и ее решение направлено на повышение безопасности нефтеперерабатывающих и нефтехимических комплексов.

Значительный вклад в разработку теоретических основ создания АСУПЗ потенциально опасных объектов внесли российские ученые Топольский Н.Г., Федоров A.B., Блудчий Н.П., Абросимов A.A. и др. Результаты данных исследований позволяют разрабатывать общие подходы и теоретические основы автоматизации процесса функционирования систем противопожарной защиты объектов промышленности и гражданского строительства без формализованного описания, алгоритмизации и реализации функций раннего обнаружения и ликвидации аварийных ситуаций в технологических процесссах нефтехимических производств.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Пожарная безопасность в Российской Федерации на период до 2012 года», в рамках "Комплексной программы по созданию автоматизированных систем управления пожарной безопасностью объектов различного назначения для отраслей народного хозяйства на 2005-2010 и последующие годы», в соответствии с планом реконструкции АСУП Московского НПЗ и АСУТП ОАО «Нефтехимия», а также в соответствии с планом научной деятельности Академии ГПС МЧС России.

Объектом исследования является система противопожарной защиты, а предметом исследования - процесс создания и функционирования АСУ противопожарной защитой технологической установки полимеризации.

Цель и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является повышение уровня пожаровзрывобезопасности технологической установки полимеризации на основе разработки формализованных методов построения и алгоритмизации АСУ противопожарной защитой.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие научные задачи:

-выполнить комплексный анализ пожаровзрывоопасности технологической установки полимеризации, включающий статистическую оценку опасности пожаров, взрывов и аварий, установить их причинно-следственные связи; провести анализ технологических особенностей нефтехимического процесса полимеризации; определить уровень опасности и риска основных технологических блоков установки полимеризации с оценкой последствий возможных аварий; определить методы автоматизированного контроля и противопожарной защиты;

- проанализировать существующие модели и расчетные методы по определению параметров полей концентраций пожаровзрывоопасных веществ в атмосфере открытых технологических установок; определить требования к данным моделям, которые являются основой для разработки алгоритмов и программ расчета зон взрывоопасных концентраций (ВОК) в составе программного обеспечения АСУПЗ; выполнить вычислительные эксперименты для моделирования аварийных ситуаций и прогнозирования опасности распространения полей TBC как для самого объекта исследования, так и для ближайших технологических установок, предприятий и жилых районов;

- разработать обобщенную структуру АСУПЗ технологической установки полимеризации и входящих в нее функциональной, организационной структур и структуры комплекса технических средств (КТС);

- на основе анализа сложных систем и тензорного метода разработать сетевую модель функционирования подсистемы оперативного прогнозирования пожароопасных ситуаций в АСУТП полимеризации для реализации в виде алгоритмов вычислительных программ;

- разработать формализованные методы построения информационного и программного обеспечений, а также алгоритмы задач верхнего, нижнего уровней управления и поддержки межуровневого обмена АСУПЗ установки полимеризации, входящих в состав действующей интегрированной информационно-управляющей системы (ИИУС) Московского НПЗ;

Основные методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, моделирования и оптимизации АСУ; расчетные методы прогнозирования динамики распространения полей концентраций пожаровзрывоопасных газов и паров; тензорные методы моделирования пожароопасных ситуаций и расчета сложных систем с использованием теории двойственных сетей; теории графов, теории вероятностей и математической статистики, а также теории дифференциального исчисления.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:

- получены новые результаты комплексной оценки уровня опасности и анализа риска основных технологических блоков и элементов установки полимеризации нефтехимического производства с определением основных характерных аварийных режимов и предложением способов их автоматизированного контроля;

- получены новые результаты моделирования возможных аварийных ситуаций и прогнозирования параметров зон до- и взрывоопасных концентраций на территории исследуемого объекта; алгоритмы, программы расчетов динамики полей TBC и результаты вычислительных экспериментов в соответствии с принятыми сценариями аварий;

- разработаны алгоритмы и программы информационно-управляющей подсистемы АСУПЗ, реализующей функцию оперативного прогнозирования развития аварийной загазованности на промтерритории объекта исследования;

- предложена сетевая модель функционирования подсистемы оперативного прогнозирования пожароопасных ситуаций в АСУТП полимеризации с реализацией в виде алгоритмов вычислительных программ;

получена обобщенная структура АСУПЗ нефтехимического производства, включающая: общесистемные решения, формализованное описание и алгоритмизацию организационной, функциональной, информационной, технической структур АСУПЗ, а также структуры программного обеспечения с представлением алгоритмов решения задач верхнего и нижних уровней управления.

Практическая ценность и значимость 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 полимеризации, методов моделирования и расчета параметров динамики полей до- и взрывоопасных концентраций топливно-воздушных смесей, защищенных свидетельством о государственной регистрации программ для ЭВМ; теоретических основ построения математических моделей прогнозирования пожароопасных ситуаций в виде двойственных сетей, позволяющих проводить одновременное описание как структуры, так и процессов внутри системы.

Реализация результатов работы. Представленные в диссертации результаты исследований нашли практическое применение на промышленных объектах и в учебном процессе, в т.ч.:

- на ОАО «Московский нефтеперерабатывающий завод» на установке полимеризации (ОАО «Нефтехимия»), а именно: методология комплексного подхода к обеспечению пожаровзрывобезопасности процесса полимеризации; результаты анализа опасности и оценки риска; функциональные,

организационные и информационные структуры АСУПЗ установки полимеризации; 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 полимеризации в составе интегрированной информационно-управляющей системы Московского НПЗ;

- на ООО «КИНЕФ» (НПЗ г. Кириши, Ленинградская область) внедрены при разработках: технических решений по повышению информативности средств охранно-пожарной сигнализации и контроля зон взрывоопасных концентраций, исходных данных для создания щитов и шкафов управления автоматическими установками пожаротушения нового поколения.

- в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России использованы при подготовки лабораторных работ по курсу «Производственная и пожарная автоматика для предупреждения пожаров и взрывов», подготовки разделов учебника «Производственная и пожарная автоматика. Часть I. Производственная автоматика для предупреждения пожаров и взрывов» на кафедре пожарной автоматики.

Реализация результатов исследований в промышленности и учебном процессе подтверждена соответствующими актами.

На защиту выносятся:

- научно-методические основы создания автоматизированной системы управления противопожарной защитой технологического процесса полимеризации;

сетевая модель функционирования подсистемы оперативного прогнозирования пожароопасных ситуаций в технологическом процессе полимеризации для реализации в виде алгоритмов вычислительных программ;

обобщенная структура АСУПЗ технологической установки полимеризации с расширенными функциональными возможностями, включающая общесистемные решения, формализованное описание и алгоритмизацию организационной, функциональной и информационной структур АСУПЗ;

структура программного и технического обеспечения АСУПЗ технологической установки полимеризации, а также блок-схемы алгоритмов задач верхнего и нижних уровней управления.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, достигнута за счет применения комплекса взаимодополняющих методов, адекватных цели, объекту, предмету и

задачам исследования; значительным количеством публикаций результатов диссертации в печати; практической проверкой и внедрением полученных результатов; согласованности полученных результатов с известными данными исследований в смежных областях.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены и получили одобрение на следующих международных научно-практических конференциях:

«Интерполитех-2010» в рамках XIII Международной выставки средств обеспечения безопасности государства - Москва, Всероссийский выставочный центр (ВВЦ) (2010 г.).

«Системы безопасности» - Москва, Академия государственной противопожарной службы МЧС России (2008, 2009,2010 гг.).

«Обеспечение безопасности жизнедеятельности: проблемы и перспективы» - Минск, Государственное Учреждение Образования «Командно-Инженерный Институт» МЧС Республики Беларусь (2011 г.).

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 13 научных статей, 7 которых из перечня изданий, рекомендованных ВАК, 5 докладов на конференциях, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (158 наименований) и 6 приложений на 10 стр. Основное содержание работы изложено на 209 стр. машинописного текста, содержит 47 рисунков и 26 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении кратко изложено состояние трактуемой проблемы, обосновывается актуальность темы диссертации, излагается основная идея и подчеркивается отличительные особенности предложенного подхода к разработке АСУ противопожарной защитой процессов полимеризации, отражены научная новизна и практическое значение работы.

В главе 1 «Анализ пожаровзрывоопасности технологической установки полимеризации как объекта автоматизации» проведен анализ пожаровзрывоопасности и оценка риска нефтехимического производства на примере Московского НПЗ. Показано, что количество крупных аварий, сопровождающихся взрывами и пожарами и большим ущербом на объектах по переработке нефти и нефтепродуктов, за последние 10 лет увеличилось более чем в 2 раза. Установлено, что логика событий, как правило, связана с неконтролируемым выбросом горючих сред в атмосферу и образованием

взрывоопасных зон TBC на территории открытых технологических установок. Стадии и характеристики развития подобных аварий отражены на рис.1.

Стадии аварии

Характеристики стадий аварии

• Характер истечения

• Ход истечения

• Максимальная масса газа, способная воспламениться

• Местонахождение и форма взрывоопасной зоны

• Наличие источников зажигания

• Мощность источников зажигания

• Масса взрывоопасного газа

• Тротиловый эквивалент взрыва

• Максимальное значение избыточного давления

• Продолжительность существования избыточного давления

• Статистические предельные нагрузки

• Частоты собственных колебаний зданий, установок и их элементов

Рис. 1. Стадии и характеристики развития аварии с выбросом взрывоопасных газов

Показано, что контроль состояния пожаровзрывоопасного технологического процесса полимеризации с целью предотвращения развития аварийного режима целесообразно осуществлять по комплексному параметру -концентрации газов (паров) органической фазы.

Источниками воспламенения газовоздушных смесей на открытых установках НПЗ являются: нагретая до высокой температуры поверхность технологического оборудования (36,8 %), открытый огонь печей (22,8 %), электрические искры неисправного оборудования (8,9 %), открытый огонь газоэлектросварочных работ (8,8 %), повышение температуры при трении (7,6%), самовоспламенение продуктов (7,5 %), прочие источники (7,6 %). Показано, что 45 % крупных аварий со взрывами и пожарами приводят к серьезным последствиям.

Выполнен анализ уровня опасности объектов Московского НПЗ, исходя из расчета энергетического потенциала обращающегося в технологии углеводородного сырья и продуктов его переработки, приведенного к тротиловому эквиваленту. Определен наиболее опасный технологический блок-реактор R-201. Установлено, что при взрывах облаков TBC зоны избыточных

давлений выходят за пределы предприятия и могут нанести ущерб соседним объектам. Проанализированы состояние вопроса и подходы к определению основных параметров полей концентраций взрывоопасных компонентов, сформулированы основные требования к разработанным моделям с точки зрения их эффективного применения в виде адаптированных алгоритмов и программ расчета полей ВОК для объектов нефтехимического производства.

Дана оценка вероятностей аварийных ситуаций для технологической установки полимеризации. Методом экспертной оценки выделены наиболее опасные компоненты установки полимеризации, потенциальные опасности и аварийные события, приведены соответствующие им вероятности, построены деревья отказов, представлены результаты расчетов параметров выброса фракций углеводородов с учетом технологических параметров пожаровзрывоопасных аппаратов, выполнены расчеты динамики распространения облаков TBC. Показано, что выполнение функций по прогнозированию предаварийных и аварийных режимов целесообразно организовывать в составе отдельной подсистемы АСУПЗ, имеющей свое математическое обеспечение. Методология, разработанная на базе данной установки, явилась основой для оценки аварийных ситуаций на других технологических установках Московского НПЗ.

Произведен расчет индивидуального риска для реактора R-201, как наиболее опасного технологического блока установки полимеризации при возникновении таких поражающих факторов, как избыточное давление, развиваемое при сгорании газопаровоздушных смесей, и тепловое излучение.

Результаты проведенного анализа условий возникновения и развития аварийных ситуаций позволили формализовать все многообразие событий в виде обобщенного «дерева событий» (рис.2) развития аварий для резервуаров, аппаратов и участков трубопроводов, содержащих взрывопожароопасные вещества.

Установлено, что при монтаже на объекте защиты автоматических газоанализаторов-сигнализаторов до- взрывоопасных концентраций можно значительно повысить уровень пожаровзрывобезопасности (снизить величину индивидуального риска, в среднем на 50%).

Вторая глава «Сетевая модель прогнозирования пожароопасных ситуаций в технологическом процессе полимеризации» посвящена разработке сетевой модели прогнозирования пожароопасных ситуаций в технологическом процессе полимеризации, являющейся самостоятельной подсистемой верхнего уровня АСУПЗ. Представлены теоретические основы построения математических моделей прогнозирования пожароопасных ситуаций в виде двойственных сетей, которые предназначены для одновременного описания как структуры, так и процессов в структуре сложной сети.

Рис.2. Логическая схема развития аварии («Дерево событий»), связанной с выбросом полипропилена на установке

полимеризации Московского НПЗ

Существующие математические методы моделирования сложных технических систем не могут в полной мере обеспечить решение задач контроля и управления технологическими процессами, протекающими в структуре связанных элементов. Системы алгебраических, дифференциальных, интегральных уравнений описывают состояние процессов в той или иной системе. Эти уравнения связывают воздействия и отклики через меру сопротивления, метрические характеристики, но составляют уравнения для какого-то одного способа соединения элементов, одной структуры.

Установлено, что наиболее существенными для анализа и прогноза пожароопасной ситуации на нефтехимическом производстве являются режимы, при которых меняются пожароопасные параметры или структура связей. Таким образом, в поведении системы выделены режимы работы, которым соответствуют следующие режимы расчетов: сетевая модель с постоянной структурой связей и сетевая модель с переменной структурой связей.

Показано, что в процессе полимеризации потоками являются конечные продукты, образуемые в ходе технологического процесса. Воздействиями являются изменения температуры, давления, скорости потока, химические воздействия и т.д. Откликами на воздействия являются потоки нефтепродуктов на входе и потоки конечных продуктов на выходе. Потоки продуктов в технологическом процессе проходят по каналам, где преобразуются под действием тех или иных факторов. Совокупность каналов таких потоков образует сеть, элементами которой являются ветви, где происходят этапы преобразования потоков. Подключение или отключение элементов в зависимости от технологических параметров или в результате аварии приводит к изменению значений параметров, обладающих свойствами разрушения.

Представлен метод построения сетевой математической модели потенциально опасного технологического процесса, который включает в себя три последовательных этапа: описание баланса потоков нефтепродуктов во всех узлах технологической цепочки и запись уравнений описания движения потока в одном элементе сети; описание графа соединения элементов в сети технологии полимеризации и построение матриц преобразования при изменении структуры сети; получение уравнений преобразования решения от заданной структуры к сети, изменяемой в результате аварийной ситуации. На основании сетевой модели производится расчет новых откликов и их сопоставление с допустимыми значениями.

Технологическая схема пожаровзрывоопасных блоков установки полимеризации в соответствии с регламентом представлена на рис.3 в виде соединенных ветвей, источников воздействия, где значения температуры соответствуют потенциалу в узлах сети, а токи отклика соответствуют потоку массы (мазута, смеси, компонент). Стрелки в узлах представляют внешние

воздействия на систему, а окружности со стрелками - внутренние воздействия в виде насосов и нагревателей - охладителей.

Показано, что структура сети содержит открытый путь от поступления в систему мономера, до вывода из системы результатов полимеризации -суспензии полимера (получение которого и является основной целью процесса), водорода, растворителя и остатка - не прореагировавшего мономера. Также есть замкнутые пути - контуры циркуляции пара, растворителя, мономера, и контур циркуляции охладителя. Кроме того, мономер также может образовать контур в системе при его использовании в качестве охладителя в рубашке реактора для отвода тепла самой реакции полимеризации. В соответствии с методом двойственных сетей внешние воздействия имеют отклики в базисе разомкнутых путей, а внутренние воздействия имеют отклики в базисе замкнутых путей пространства сети.

Потоки энергии (тепловой и кинетической) в структуре установки разделяются на замкнутые и разомкнутые пути по их роли в технологическом процессе. Матрица преобразования путей от отдельных, свободных ветвей к сети с заданной структурой соединенных ветвей, представляющих конструкцию установки полимеризации, для данной конфигурации имеет вид:

3 4

-1

10' 11' 12' 13' 14'

10 11 12 13 14 1

-1

Буквы ш и ] обозначают подматрицы преобразования замкнутых и разомкнутых путей. Цифры со штрихами обозначают и перечисляют пути в соединенной сети. Цифры без штрихов перечисляют пути в отдельных, несоединенных ветвях, которые представляют отдельные элементы установки полимеризации.

Для расчета подсети разомкнутых путей используется подматрица матрицы преобразования, соответствующая представлению базиса открытых путей в сетевой модели.

Эта матрица используется для расчета основного технологического процесса полимеризации от поступления на установку мономера до вывода основного продукта, т.е. полимера, а также растворителя (бензиновой фракции), не прореагировавшего мономера, пара, а также отвода с установки балансовой части катализатора.

Данная матрица структурно описывает разомкнутые пути от входа до выхода, а источниками воздействия для нее в основном являются разности давлений, создаваемые насосами (а также контуры в двойственной сети).

Результатом расчета сети контуров является вектор потока массы в замкнутых путях (координатах базиса) установки: = (г^)-' е№-= СС2тС)-' тСаа~ еа-. Отклики на воздействия в базисных путях контурной подсети сетевой модели установки:

Г Г 3" 4- 5-

0,25 -0,13 0,00 -0,25 -0,13

-0.13 0,56 0,00 0,13 0,06

0,00 0,00 0,50 0,00 0,00

-0,06 0,03 0,00 1,06 -0,22

-0,19 0,09 0,00 0,19 0,34

Отклики в каждой ветви Ер сетевой модели установки, соответствующие реальным, измеримым составляющим потоков продуктов в отдельных агрегатах установки полимеризации, которые протекают под действием насосов, получены умножением вектора откликов в координатах базиса разомкнутых путей Ер" на матрицу преобразования ]А°"а от путей к отдельным ветвям, которые соответствуют узлам, агрегатам. Они имеют вид:

тС, (2а-ру' еа = "'С, (тС2"'С)~' тС\еа.

Умножением метрической матрицы на этот вектор получим значения тех воздействий, например- давления или температуры, которые приходятся на каждый отдельный агрегат установки, т.е. такие измеряемые величины, которые можно контролировать.

Полученные отклики при расчете контурной и узловой составляющих по каждому агрегату установки суммируются и составляют полное воздействие, которое должно сравниваться с предельно-допустимыми значениями для анализа угрозы пожаровзрывоопасности.

Сетевая модель обеспечивает расчет изменения параметров процессов при изменении структуры связей компонент, подсистем, например, установки полимеризации, связанных с отключением (или нарастанием полимерной пленки), переключением, выходом из строя, разрушением различных частей конструкции по причине возникновения аварийных ситуаций.

Третья глава «Разработка обобщенной структуры автоматизированной системы управления противопожарной защитой технологической установки полимеризации». В основу построения АСУПЗ положены следующие принципы: системный подход, заключающийся в одновременном проектировании и создании как самого защищаемого объекта,

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

■1 ■2 ¡> ? ~7Г ■и ■V -77Г

1 1 1 1 1 1 г 1 I 1 1 1

так и взаимосвязанных между собой необходимых подсистем; принципы новых задач и непрерывного развития системы; максимально возможной типизации; единой информационной базы; согласованности пропускных способностей системы.

Используя системный подход к проблеме создания автоматизированной системы управления противопожарной защитой, для описания ее внутреннего строения и устойчивых связей между элементами, разработана обобщенная структура АСУПЗ, включающая организационную, функциональную, информационную, алгоритмическую, программную и техническую структуры.

В рамках общесистемных решений составлено функциональное описание автоматизированной системы управления технологическим процессом противопожарной защиты, определены ее подсистемы, группы основных и вспомогательных функций, направленных на достижение поставленной цели. Разработана функциональная структура АСУПЗ и задачи, необходимые для реализации функций соответствующих подсистем. По функциональному признаку в АСУПЗ установки полимеризации выделены следующие подсистемы: контроля зон взрывоопасных концентраций (ВОК), пожарной сигнализации, водяного и пенного пожаротушения, модульного (газового, порошкового) пожаротушения и информационно-управляющая подсистема. В соответствии с предложенной функциональной структурой АСУПЗ и, учитывая действующую организационную систему управления пожаровзрывозащитой Московского НПЗ, разработана схема организационной структуры системы и составлено ее описание.

Представлено описание информационного обеспечения, включающая: сигналы, характеризующие состояние АСУПЗ установки полимеризации, систему классификации и кодирования, массивы нормативно-справочной информации, протоколы межмашинного обмена, интерфейс машина-оператор. Определены порядок сбора и передачи информации в АСУПЗ, структура внутри- и внемашинной информационной баз, а также принципы организации видеокадра. В работе, также представлен перечень выходных сигналов АСУПЗ, их характеристики, а также схема потоков информационных связей.

Показано, что схема связей информационной структуры (рис.4), включает связи 1-6, действующие на нижнем уровне управления, остальные - связи верхнего уровня.

Информация о состоянии технологического объекта управления (ТОУ) с датчиков и пожарных извещателей связи 1 собирается программируемыми контроллерами (ПК). Между ПК комплекса связь осуществляется с помощью модулей последовательной связи (115485,118232). Аналогично осуществляется связь 3,4 между комплексами ПК и связь 5, 6 между группой комплексов ПК и ПЭВМ верхнего (второго) уровня управления. Выработанные ПК управляющие воздействия реализуются в ТОУ по связи 2, а информационные

сообщения по связи 8, через рабочую станцию, передаются оператору технологической установки полимеризации.

ТОУ

Условные обозначения:

3-16, 20-23 - информационные связи, осуществляемые микропроцессорной и вычислительной техникой;

17, 18, 19 - безмашинные информационные связи.

Рис.4. Информационная структура связей АСУПЗ технологической установки полимеризации

Также, в работе показано, что при формировании сообщений, предназначенных для передачи на верхний уровень, каждый ПК сопровождает его своим индексом, а главный ПК комплекса и группы комплексов дополняют его соответствующими индексами. Это дает возможность однозначно идентифицировать на верхнем уровне ПК, пославший сообщение.

Сбор информации о состоянии ТОУ производится аппаратными средствами (модулями ввода) параллельно всем ПК. Эта информация используется при выработке управляющих воздействий и формировании сообщений, передаваемых на верхний уровень управления. Обновление информации происходит в каждом цикле работы программы ПК.

Разработана алгоритмическая структура программного обеспечения АСУПЗ установки полимеризации. Даны схемы алгоритмов задач верхнего и нижнего уровней управления, включающие алгоритмы блоков инициализации, контроля оперативного состояния, поддержки нормативно-справочной информации, блока отображения и печати, обработки статистической информации, а также алгоритмов поддержки межуровнего обмена.

Показано, что функционирование АСУПЗ обеспечивается двумя взаимосвязанными комплексами программ. Такое разделение программного обеспечения связано с трехуровневой структурой системы и разными техническими средствами, применяемыми на различных уровнях.

В четвертой главе «Исследование и организация технического обеспечения АСУПЗ технологической установки полимеризации»

представлена организация технического обеспечения АСУПЗ ТУ полимеризации и отражена концепция создания АСУ противопожарной защитой в составе интегрированной информационно-управляющей системы (ИИУС) (на примере Московского НПЗ). Проведен анализ использования средств микропроцессорной и вычислительной техники в системах пожарной автоматики. Показано, что наиболее адаптированным и эффективным программируемым контроллером в составе элементов АСУПЗ нижнего уровня управления является ПК типа 4510. Представлена структура комплекса технических средств (КТС) (рис.5) и составлено описание технического обеспечения АСУПЗ ТУ полимеризации.

Структурная схема КТС предусматривает три уровня управления: нижний (3-й локальный) уровень на базе ПК 4510 и верхний (1 и 2) уровень на базе IBM совместимого ПЭВМ. Таким образом, АСУПЗ строится на базе трехуровневого распределенного комплекса технических средств, функционирование которого обеспечивается аппаратными средствами стыковки. Обмен данными между 1 и 2 уровнем управления АСУПЗ ТУ полимеризации предложено осуществлять по существующему на Московском НПЗ оптико-волоконному кольцу INFINET через специализированный сетевой адаптер (рис.6).

Информация о состоянии каждого технологического объекта управления (цеха, установки) отображается на средствах нижнего уровня управления и автоматически передается на верхний уровень управления. На верхнем уровне управления организуется сбор и отображение информации о состояниях ТОУ и КТС для всей системы, подготовка и выдача информации в центральный

диспетчерский пункт МНПЗ, а также на ПЭВМ абонентских пунктов участка ППА, ГСС, ПЧ. Кроме того, ПЭВМ 2-го уровня выполняет расчеты по прогнозированию аварийной ситуации на объекте противопожарной защиты и информационно-справочные функции.

СТРУКТУРА КОМПЛЕКСА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АСУПЗ ТУ ПЛИ

ВЕРХНШ (первый уровень)

ПЭВМ абонентских пунктов ДИППА ВГСО ПЧ

НИЖНИЙ (второй)

Главная ПЭВМ

Оперативао-дяспетчерское управление

Центральный диспетчер НПЗ

т ретин уровень

ПЭВМ ТУ

Локальный комплекс А%1 программно-логического управления на базе ПК 4510

Модули вводя сигналов Модули выводя сигналов Устройства локального отображе -ния информации

Оператор . -|е\ши<м«-

уезашткн ушшмгршйщш:

ТОГО Датчики, ПН, Датчики

в поме - Комбинир. ПИ, газоанали-

щениа исполните- заторов и

ТОУГО льные метеороги-

устройства ческих

параметров,

сигнализации средства

в составе КТС сигнализации

АСУПЗ на в составе

ТОУГО тот на ОГО

[^Местное удравлеане [

Рис. 5. Схема структуры комплекса технических средств распределенной многоуровневой АСУПЗ установки полимеризации (стрелками обозначено направление передачи информации и управляющих воздействий)

В качестве нижнего (третьего) уровня управления для подсистемы контроля аварийных зон взрывоопасных концентраций рекомендовано использовать стационарные термохимические многоканальные сигнализаторы типа СТМ-30 с децентрализованной структурой, реализованные на основе цифровых каналов (датчиков конвекционно-диффузионного типа).

Применение в КТС АСУПЗ аспирационных пожарных извещателей, позволяет осуществлять постоянный контроль за средой в защищаемых помещениях ТУ полимеризации, что позволяет определить изменение

о

Центральная операторная АСУП НПЗ

АСУ ТП ТУП

I

I

■уШЯь

!ь 4 щ

1

]__

I соя» | 1 сеж» {!

1 ¡1 СОМ5 ¡11 СОН5

«а? I Шй® I '^СШС

тшт

1*111 к %% * \

ЛУПП Сисгсш контроля кш ВОК

Рис.6. Структурная схема связей АСУПЗ технологической установки полимеризации (ТУП) с интегрированной информационно-управляющей системой (ИИУС) Московского НПЗ

параметров на ранней стадии загорания и, соответственно, заблаговременно принять необходимые меры.

Представленная в работе количественная оценка уровня автоматизации технологического объекта управления противопожарной защитой установки полимеризации показала, что использование вычислительной техники для создания АСУПЗ позволяет достичь необходимых показателей уровня автоматизации (0,85) против показателя уровня автоматизации, обеспечиваемого щитовой системой управления (0,53).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные результаты, выводы и предложения, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, сводятся к следующему:

1.Получены новые данные комплексного анализа пожаровзрывоопасности технологического процесса полимеризации, включающий анализ пожаровзрывоопасных параметров и их взаимосвязей, определяющих развитие потенциально опасных режимов; оценку риска основных технологических блоков и элементов открытой установки полимеризации и последствий возможных аварий на примере Московского НПЗ на основе которых определены методы автоматизированного контроля и противопожарной защиты нефтехимических производств.

2.Представлены результаты моделирования возможных аварийных ситуаций и прогнозирования параметров зон до- и взрывоопасных концентраций на территории исследуемого объекта и за его пределами; разработаны алгоритмы и программы информационно-управляющей подсистемы АСУПЗ, реализующей функцию оперативного прогнозирования развития аварийной загазованности на промтерритории объекта исследования и получены результаты вычислительных экспериментов в соответствии с принятыми сценариями аварий.

3.Разработаны научно-практические основы и методы построения сетевых моделей прогнозирования пожароопасных ситуаций технологических установок нефтехимического производства на базе метода моделирования и расчета сложных систем с использованием двойственных сетей, обеспечивающих одновременное представление как процессов, протекающих в системе, так и структуры связей ее элементов. Проведено построение сетевой модели пожаровзрывоопасного процесса полимеризации, с учетом структуры связей и параметров потоков продуктов в процессе полимеризации с целью определения последствий и изменений параметров процессов при изменении структуры и выработки управляющих воздействий для вывода системы из предаварийного режима или снижения последствий аварии.

4.Произведен расчет сетевой модели процесса полимеризации для составляющей потоков продуктов, протекающих в разомкнутых путях установки и расчет контурной составляющей потоков продуктов для замкнутых путей, результаты которого позволили определить аварийные

состояния технологического процесса в которых возможны превышения предельно допустимых значений (ПДЗ) для отдельных узлов и подсистем реакторного блока.

5.На основе системного подхода к проблеме создания АСУ противопожарной защитой, разработаны формализованные методы построения обобщенной структуры АСУПЗ нефтехимического производства, включающая: общесистемные решения, формализованное описание и алгоритмизацию организационной, функциональной, информационной, технической структур АСУПЗ.

6.Разработана структура программного обеспечения АСУПЗ ТУ полимеризации и приведена схема алгоритмов задач верхнего и нижнего уровней управления, включающая алгоритмы блоков инициализации, контроля оперативного состояния, поддержки нормативно-справочной информации, блока отображения и печати, обработки статистической информации, а также алгоритмов поддержки межуровневого обмена. Прикладное программное обеспечение АСУПЗ защищено свидетельством о государственной регистрации программ для ЭВМ.

7.Представлена концепция создания АСУПЗ ТУ полимеризации, как составной части интегрированной информационно-управляющей системы нефтехимического завода.

Таким образом, реализация полученных в диссертации результатов позволит на основе научно обоснованной технической разработки обеспечить решение важной народно-хозяйственной задачи - повышение уровня пожарной безопасности объектов нефтехимической промышленности, путем разработки формализованных методов построения автоматизированной системы управления противопожарной защитой.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1.Алешков A.M., Федоров A.B., Лукьянченко A.A., Чан Донг Хынг. Основы создания автоматизированных систем управления противопожарной защитой потенциально опасных производств [Электронный ресурс] // Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности». - 2008. №2.-http://ipb.mos.ru/ttb.

2. Алешков A.M., Лукьянченко A.A.., Ломаев E.H. Научно-технические основы построения автоматизированного комплекса технических средств противопожарной защиты. [Электронный ресурс] // Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности». Выпуск №3(31)2010г. Раздел Пожарная и Промышленная Безопасность..- http://ipb.mos.ru/ttb.

3. Алешков A.M., Федоров A.B., Лукьянченко A.A., Ломаев E.H. Общесистемные решения и функциональная структура автоматизированной системы управления противопожарной защитой потенциально опасных промышленных объектов. [Электронный ресурс] // Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности». Выпуск №3(3)2010г. Раздел

Пожарная и Промышленная Безопасность..- http://ipb.mos.ru/ttb.

4. Алешков A.M., Лукьянченко A.A., Ломаев E.H. Научно-технические основы построения автоматизированного комплекса технических средств противопожарной защиты. [Электронный ресурс] // Интернет - журнал «Технологии техносферной безопасности». Выпуск №3(3)2010г. Раздел Пожарная и Промышленная Безопасность. - http.V/ipb.mos.ru/ttb.

5. Алешков A.M., Федоров A.B., Лукьянченко A.A., Ломаев E.H., Чан Донг Хынг. Применение тензорного метода для прогнозирования аварийных ситуаций потенциально опасных технологических процессов. [Текст] // Всероссийский Институт Научной и Технической Информации (ВИНИТИ). Журнал «Проблемы Безопасности и Чрезвычайных Ситуаций» Выпуск №3 2010г. Раздел Пожарная и Промышленная Безопасность. - С. 122-127,

6. Алешков A.M., Федоров A.B., Лукьянченко A.A., Ломаев E.H., Чан Донг Хынг. Расчетная оценка надежности автоматизированных систем управления противопожарной защитой с применением технологии автоматизированного структурно-логического моделирования. [Текст] // Всероссийский Институт Научной и Технической информации (ВИНИТИ). Журнал «Проблемы Безопасности и Чрезвычайных Ситуаций» Выпуск №3 2010г. Раздел Пожарная и Промышленная Безопасность. - С. 115-118.

7. Алешков A.M., Федоров A.B., Лебедева М.И. Повышение уровня пожаровзрывобезопасности потенциально опасных производств путем анализа и управления рисками. [Текст] // Журнал «Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация» Выпуск 1,2011. - С. 21-28.

В других изданиях

8. Алешков A.M., Федоров A.B., Лукьянченко A.A., Ломаев E.H. Научные основы автоматизации обнаружения полей взрывоопасных концентраций. [Текст] // Научно-аналитический журнал «Проблемы управления рисками в техносфере № 2- 2010». - С. 30-33.

9. Алешков A.M., Федоров A.B., Лукьянченко A.A. Прогнозирование аварийных ситуаций на потенциально опасных производствах с использованием метода двойственных сетей. [Текст] // Научно-аналитический журнал «Проблемы управления рисками в техносфере №3 - 2010». - С.67- 69.

10. Смирнов В.И., Лукьянченко A.A., Алешков A.M., Ломаев E.H.. Современные системы раннего обнаружения пожара с мультисенсорными пожарными извещателями [Текст] // Международная научно-практическая конференция в рамках XIV Международной выставки «Интерполитех-2010». -С. 200-203.

11. Алешков А.М, Федоров A.B., Чан Донг Хынг. Непрерывный автоматизированный контроль взрывопожароопасности пылевоздушной среды объектов текстильного производства Республики Вьетнам [Текст] Н Материалы семнадцатой научно-технической конференции «Системы безопасности» СБ-2008 - М.: Академия ГПС МЧС РФ, 2008. -С.33-36.

12. Алешков A.M. и др. Модель процесса технического обслуживания и ремонта элементов и систем автоматической противопожарной защиты.

[Текст] // Системы безопасности-2009. - М.: Гротек, 2009. - С.84-85.

13. Алешков A.M., Чан Донг Хынг., Ломаев E.H. Автоматический контроль взрывопожароопасности пылевоздушных смесей потенциально опасных объектов. [Текст] // Восемнадцатая научно-техническая конференция «Системы безопасности» - СБ-2009 - М.: Академия ГПС МЧС РФ, 2009. - С.47-49.

14. Алешков A.M., Федоров A.B., Лукьянченко A.A., Чан Донг Хынг, Ломаев E.H. Актуальные вопросы применения модулей удаленного ввода-вывода с дублированным Ethernet в автоматизированных системах противоаварийной и противопожарной защиты. [Текст] // Восемнадцатая научно-техническая конференция «Системы безопасности» СБ-2010 - М.: Академия ГПС МЧС РФ, 2009. - С. 13-14.

15. Алешков A.M., A.B. Федоров A.B., А.Е. Петров. Сетевая модель процесса полимеризации. [Текст] // Научно-техническая конференция «Системы безопасности»- СБ-2010 -М.: Академия ГПС МЧС РФ, 2010.-С.65-68.

16. Алешков A.M. Системный анализ пожароопасных ситуаций процесса полимеризации. [Текст] // Научно-техническая конференция «Системы безопасности» - СБ-2010 - М.: Академия ГПС МЧС РФ, 2010. - С.28-30.

17. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. №2010615264 от 13 августа 2010. Программа автоматизации контроля концентрации взрывопожароопасных сред в воздухе рабочей зоны потенциально опасных производств. Авторы: Алешков A.M., Лукьянченко A.A., Федоров A.B., Ломаев E.H., Чан Донг Хынг.

18. Алешков A.M., Лебедева М.И., Федоров A.B. Повышение уровня пожаровзрывобезопасности потенциально опасных производств путем анализа и управления рисками [Текст] // Обеспечение безопасности жизнедеятельности: проблемы и перспективы: сборник материалов V Международной научно-практической конференции курсантов, студентов и слушателей. - В 2-х ч. 4.1. -Минск: КИИ, 2011. - С.10-12.

Подписано в печать 25 октября 2011г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ № 215.

129366, Москва, ул. Бориса Галушкина,4. Академия ГПС МЧС России

Введение.

Глава 1. Анализ пожаровзрывоопасности технологической. установки полимеризации как объекта автоматизации

1.1.Опасности пожаров, взрывов и аварий на объектах

Нефтепереработки и нефтехимии

1.2. Оценка уровня опасности технологической установки. полимеризации (на примере Московского НПЗ)

1.3. Анализ пожарной опасности и оценка риска технологической установки полимеризации.

1.4. Моделирование аварийных ситуаций и прогнозирование параметров зон взрывоопасных концентраций в воздухе открытой технологической установки полимеризации.

1.4.1. Анализ и выбор моделей расчета полей аварийной загазованности окружающей среды.

1.4.2. Моделирование аварийных ситуаций на открытых установках НПЗ и расчет параметров полей взрывоопасных концентраций.

Выводы.

Глава 2. Сетевая модель прогнозирования пожароопасных ситуаций в технологических процессах полимеризации.

2.1. Постановка задачи сетевого моделирования пожаровзрывоопасных технологических процессов.

2.2. Сетевая модель процесса производства полипропилена методом полимеризации

2.2.1. Определения для сетевой модели производства полипропилена методом полимеризации . 84"

2.2.2. Особенности автоматизации физического процесса полимеризации

2.2.3. Сетевая модель процесса полимеризации.

2.2.4. Выбор путей и матрицы преобразования.

2.3. Пример расчета сетевой модели полимеризации при пожароопасном режиме работы установки.

2.3.1. Расчет составляющей потоков продуктов, протекающих в разомкнутых путях установки.

2.3.2. Расчет контурной составляющей потоков продуктов.

Выводы по 2 главе.

Глава 3. Разработка обобщенной структуры автоматизированной системы управления противопожарной защитой технологической установки полимеризации

3.1. Принципы построения АСУ противопожарной защитой.

3.2. Описание функциональной структуры АСУПЗ установки полимеризации.ИЗ

3.3. Организационное обеспечение АСУПЗ.

3.4. Информационное обеспечение АСУПЗ ТУП.

3.4.1. Принципы организации информационного обеспечения АСУПЗ.

3.4.2. Построение системы классификации и кодирования.

3.4.3. Организация сбора и передачи информации.

3.4.4.0рганизация внутримашинной и внемашинной информационной базы.

3.4.5. Принципы построения видеокадра.

3.5. Разработка алгоритмического и программного обеспечения

АСУПЗ установки полимеризации

3.5.1. Структура программного обеспечения АСУПЗ.

3.5.2. Описание алгоритма задач верхнего и нижнего уровней управления

3.5.3. Описание алгоритма поддержки межуровневого обмена.

Выводы.

Глава 4. Исследование и организация технического обеспечения

АСУПЗ технологической установки полимеризации МНПЗ.

4.1.Анализ использования средств микропроцессорной и вычислительной техники в системах пожарной автоматики.^^

4.2. Разработка структуры технических средств АСУПЗ.

4.3. Описание процесса функционирования автоматизированного комплекса (АК) противопожарной защитой.

4.4. Расчет уровня автоматизации технологического объекта управления противопожарной защитой.

4.5. Концепция взаимосвязи АСУПЗ с интегрированной информационно-управляющей системой МНПЗ.

Выводы.

Ущерб от промышленных технологий нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов для окружающей среды и здоровья людей можно характеризовать риском, характер и масштабы которого зависят от типа и объемов потребляемого топлива, способов его использования, уровня технологии и эффективности проведения работ по уменьшению загрязнений. Вопросы повышения уровня пожароопасное™ и проблемы охраны окружающей среды для предприятий нефтеперерабатывающей промышленности являются весьма актуальными. Это объясняется следующими факторами: концентрацией химических энергоносителей, нефти и нефтепродуктов, их способностью гореть, взрываться и загрязнять опасными выбросами атмосферу; наличием потенциальных опасностей, вызывающих материальные и людские потери; опережающим развитием объемов производства по сравнению с совершенствованием мер предупреждения аварийных и пожароопасных ситуаций; чрезвычайно высокой энергонасыщенностью объектов нефтеперерабатывающей промышленности. Типовой нефтеперерабатывающий завод 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 [14]; интенсификацией технологии, ростом единичных мощностей аппаратов, вследствие чего такие параметры, как температура, давление, содержание взрывопожароопасных веществ растут и приближаются к критическим; несовершенной технологией сбора и утилизации загрязняющих, в том числе пожароопасных, компонентов, попавших в окружающую среду при производстве нефтепродуктов.

Номенклатура выпуска нефтеперерабатывающего завода с передовой технологией, обеспечивающей комплексную переработку сырья, стала состоять из сотен позиций, причем многие из изготавливаемых продуктов взрывопожароопасны и (или) токсичны. Перечисленные особенности современных объектов нефтепереработки обусловливают их потенциальную взрывопожарную опасность. Экономическая целесообразность кластеризации промышленных предприятий ведет к созданию индустриальных комплексов, в которых узлы энергораспределения, тепло- и газоснабжения в большей части размещаются в местах проживания населения.

Вследствие создания высокоинтенсивных технологических процессов по переработке нефти и их остаточных компонентов, а также установок большой единичной мощности возникли принципиально новые требования по обеспечению безопасности как к созданию этих производств, так и к их размещению: обеспечение высокой надежности их 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 энерготехнологии, экономики, экологии и пожаробезопасности; 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 пожарной 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 системы 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, качеством окружающей среды и взрывопожаробезопасностыо.

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 [14].

Основную опасность промышленной территории объектов нефтепереработки представляют образование зон взрывоопасных концентраций (ВОК), пожары и взрывы. Из них пожары составляют 58,5 % от общего числа опасных ситуаций, образование зон ВОК - 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 Ьред в атмосферу, загазованностью территории и образованием взрывоопасного облака топливно-воздушной смеси (TBC), наличием источников зажигания.

Опасность загрязнения промышленной территории нефтеперерабатывающих объектов связана с образованием полей (зон) концентраций углеводородов, превышающих предельно допустимые значения и достигающих нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР) как при возможной аварии, так и при регламентном режиме работы технологического оборудования.

Изучение причин возникновения аварий на основе научной методологии позволяет решать важнейшие практические вопросы промышленной безопасности. Выявление опасных производственных факторов и зон их воздействия на прилегающие к предприятиям жилые объекты способствует внедрению новых технологий обеспечения безопасности и оптимизации мер и средств подавления развития и локализации аварий.

Проводимые ранее экспериментальные исследования относились в основном к изучению распространения зон ВОК и токсичных концентраций в воздушной среде 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 (трубопроводов, реакторов и др.).

Так, на Московском НПЗ по данным инвентаризации [6, 11] имеется около

300 организованных и неорганизованных стационарных источников выброса (резервуары, реакторы, 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 санитарi но-защитной зоне), не позволяет достаточно объективно оценить опасность воздушной среды объекта исследования. Необходимы комплексные теоретические исследования возможной загазованности воздушной среды территории НПЗ при регламентном и аварийном режимах функционирования технологического оборудования и разработка на базе этих исследований автоматизированной системы управления противопожарной защитой (АСУПЗ). В этой связи представляется целесообразным проведение расчетов, включающих полномасштабную комплексную оценку динамики полей пожаровзрывоопасных компонентов на промышленной территории технологических установок углубленной переработки нефтяного сырья на примере Московского НПЗ. Проведение этой оценки позволит разработать карты содержания углеводородного поллютанта в атмосфере, установить пределы изменения концентрации загрязнителя, определить зоны повышенного содержания опасных компонентов, выбрать тип датчиков для подсистемы автоматического контроля зон ВОК АСУПЗ [21].

Для изучения и прогнозирования рассеивания взрывопожароопасных веществ (в том числе облаков TBC) целесообразно проведение математического моделирования. Значительных результатов в исследованиях в данной области достигли Главная геофизическая обсерватория, Центральная аэрологическая обсерватория РАН и Международная группа по оценке риска "CONCAWE" [22 - 26]. Однако для расчетов полей аварийной загазованности промышленной территории нефтеперерабатывающих объектов можно использовать,весьма ограниченное число моделей в связи со спецификой данного производства, обращающихся в технологии веществ, рельефа местности и метеоусловий. Поэтому для этих потенциально опасных предприятий необходим анализ и выбор расчетных моделей, позволяющих учитывать особенности возможных аварий, и проведение вычислительных эксперимептов для моделирования аварийных ситуаций и прогнозирования опасности зон ВОК как для самого объекта, так и для ближайших жилых районов и соседних промышленных объектов.

Вопросам контроля и защиты промышленной территории НПЗ от аварийных зон ВОК стали уделять внимание сравнительно недавно [27-29]. Согласно установленным нормам [30] промышленная территория открытых технологических установок оснащается автоматическими газоанализаторами-сигнализаторами, спектр производства которых достаточно широк [31-35]. Общими недостатками систем противоаварийной защиты, содержащих в своей основе такие приборы, в большинстве случаев являются: малоканальность отдельного газоанализатора и вследствие этого неоправданно большое количество вторичных приборов; малая информативность; невозможность прогнозирования опасности аварийной загазованности; отсутствие самодиагностики; неудобство в техническом обслуживании; отсутствие контроля исправности и срабатывания систем защиты; отсутствие фиксации аварийных режимов (дата, время, место, причина и т.д.).

Существующие на объектах нефтепереработки и нефтехимии отечественные установки пожарной сигнализации, элементы электроуправления установок пожаротушения относятся к обычному (релейному) типу, выполнены автономно, связи между установками и их с микропроцессорной и вычислительной техникой, в основном, отсутствуют. Это не позволяет создавать системы пожаровзрывобезопас-ности, объединяющие технические средства пожарной и противоаварийной автоматики как единое целое [36]. Отмеченные недостатки ликвидируются при проектировании и внедрении на объектах нефтепереработки автоматизированной системы управления противопожарной защитой (АСУПЗ) [36-39].

Значительный вклад в разработку теоретических основ создания АСУПЗ потенциально опасных объектов внесли российские ученые Топольский Н.Г., Федоров A.B., Блудчий Н.П., Абросимов A.A. и др. Вместе с тем, доля научных публикаций в области формализованного описания и алгоритмизации структур АСУПЗ нефтеперерабатывающих объектов пока незначительна. До настоящего времени не рассмотрены в полном объеме важные вопросы создания подсистем АСУПЗ реализующих функции раннего обнаружения и ликвидации аварийных ситуаций.

АСУПЗ - сложная динамическая система открытого типа, для исследования и описания которой следует использовать принцип системного подхода [40-42, 238]. Ряд фирм выставили на рынок системы подобного типа; например, системы "SAFETY REVIEW" (фирма RIKEN REIKICO., LTD, JAPAN) и "SAFER" (фирма SAFER Emergency Systems Inc., Col., USA) [15, 43]. Однако эти системы не осуществляют прогнозирования распространения зон ВОК, диагностирования и оперативного прогнозирования аварийных ситуаций в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП) и средствами противоаварий-ной защиты объектов нефтепереработки (водяные и паровые завесы, системы орошения, системы отключения, переключения, блокировки и т.п.) [38, 39, 43-57].

Открытым остается также вопрос о создании подсистем реализующих функцию оперативного прогнозирования пожароопасных ситуаций в технологических процессах углубленной переработки нефтепродуктов и получения полипропилена. Алгоритмическая структура математического обеспечения АСУПЗ должна включать разработку сетевой модели процесса полимеризации, анализ динамики изменений пожароопасных параметров с целью определения возможности возникновения аварийной ситуации. Актуальность разработки такой модели состоит в необходимости определять и динамически оценивать состояние системы, изменение параметров процессов при изменении структуры связей ее элементов. Существующий математический аппарат моделирования таких ситуаций не может в полной мере обеспечить комплексное решение данных задач, так как применяемые в настоящее время модели не учитывают одновременное описание изменений структуры связей элементов и изменений процессов внутри структуры сложной системы.

Перечисленные проблемы в комплексе подтверждают необходимость создания АСУПЗ на объектах с технологическим процессом получения полипропилена. Данная научно-техническая задача является актуальной и ее решение направлено на повышение безопасности нефтеперерабатывающих и нефтехимических комплексов.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Пожарная безопасность в Российской Федерации на период до 2012 года», в рамках "Комплексной программы по созданию автоматизированных систем управления пожарной безопасностью объектов различного назначения для отраслей народного хозяйства на 2005-2010 и последующие годы», в соответствии с планом реконструкции АСУП Московского НПЗ, АСУТП ОАО «Нефтехимия», НПЗ «ООО КИНЕФ» и в соответствии с планом научной деятельности Академии ГПС МЧС России.

Объектом исследования является система противопожарной защиты, а предметом исследования - процесс создания и функционирования АСУПЗ, технологической установки полимеризации.

Цель и задачи исследования.

Целью диссертационного исследования является повышение уровня пожа-ровзрывобезопасности объектов нефтехимического производства на основе разработки формализованных методов построения и алгоритмизации АСУ противопожарной защитой технологической установки полимеризации.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие научные задачи:

- комплексный анализ пожаровзрывоопасности технологической установки полимеризации, включающий статистическую оценку опасности пожаров, взрывов и аварий; установление их причинно-следственных связей; анализ технологических особенностей нефтехимического процесса полимеризации; определение уровня опасности и анализ риска основных технологических блоков и элементов установки полимеризации и оценка последствий возможных аварий;

- анализ существующих моделей и расчетных методов по определению параметров полей концентраций пожаровзрывоопасных веществ-в атмосфере открытых технологических установок; определение требований к данным моделям, являющимися основой для разработки алгоритмов и программ расчета зон взрывоопасных концентраций (ВОК); выполнение вычислительных экспериментов для моделирования аварийных ситуаций и прогнозирования опасности распространения полей TBC как для самого объекта исследования, так и для ближайших технологических установок, предприятий и жилых районов;

- разработка обобщенной структуры АСУПЗ технологической установки полимеризации и входящих в нее функциональной, организационной структур и структуры комплекса технических средств (КТС);

- разработка на основе анализа сложных систем и тензорного метода сетевой модели функционирования подсистемы оперативного прогнозирования пожароопасных ситуаций в АСУТП полимеризации с реализацией в виде алгоритмов вычислительных программ;

- разработка формализованных описаний информационного и программного обеспечений, включающих информационную и алгоритмическую структуру АСУПЗ, порядок классификации и кодирования информации, организацию сбора и передачи информации, организацию внутримашинной и внемашинной баз, а также разработку алгоритмов задач верхнего, нижнего уровней управления и поддержки межуровневого обмена АСУПЗ установки полимеризации, входящих в состав действующей интегрированной информационно-управляющей системы (ИИУС) Московского НПЗ;

- реализация результатов диссертационного исследования и оценка уровня автоматизации предлагаемого варианта защиты.

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, которые выносятся на защиту и характеризуются научной новизной:

- Результаты комплексного анализа пожаровзрывоопасности технологической установки полимеризации, включающего анализ параметров и их взаимосвязей, определяющих развитие потенциально опасных режимов; оценку уровня опасности и анализ риска основных технологических блоков и элементов установки полимеризации 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 TBC и результаты вычислительных экспериментов в соответствии с принятыми сценариями аварий.

- Теоретические основы сетевого моделирования и прогнозирования пожароопасных ситуаций в АСУТП полимеризации с применением тензорных методов моделирования и расчета сложных систем с использованием двойственных сетей.

- Обобщенная структура АСУПЗ технологической установки полимеризации, 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 аварийной загазованности на промтерритории объекта исследования.

- Структура программного обеспечения АСУПЗ установки полимеризации с представлением схемы алгоритмов задач верхнего и нижних уровней управления.

Методы исследования. В работе использованы: методы системного анализа, моделирования и оптимизации АСУ противопожарной защитой; расчетные методы прогнозирования динамики распространения облаков TBC; тензорные методы моделирования пожароопасных ситуаций и расчета сложных систем с использованием теории двойственных сетей.

Практическая ценность и значимость 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 по углубленной переработке нефти, методов моделирования и расчета параметров динамики полей до- и взрывоопасных концентраций TBC; теоретических основ построения математических моделей прогнозирования пожароопасных ситуаций в виде двойственных сетей, позволяющих проводить одновременное описание как структуры, так и процессов системы; а также на уровне полезной модели: автоматизированной системы управления противопожарной защитой потенциально опасных производств. '

Реализация результатов работы. Представленные в диссертации результаты исследований нашли практическое применение на промышленных объектах и в учебном процессе, в т.ч.:

На ОАО «Московский нефтеперерабатывающий завод» с целью повышения уровня пожаровзрывобезопасности предприятия реализованы: методология комплексного подхода к обеспечению пожаровзрывобезопасности процесса полимеризации; результаты анализа опасности и оценки риска; функциональные, организационные и информационные структуры АСУПЗ установки полимеризации; 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 полимеризации в в составе интегрированной информационно-управляющей системы МНПЗ.

В ОАО «Нефтехимия» использованы при разработках: технических решений по повышению информативности средств охранно-пожарной сигнализации и контроля зон ВОК, исходных данных для создания щитов и шкафов управления автоматическими установками пожаротушения 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.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, достигнута за счет применения для решения поставленных задач апробированных математических методов; значительного объема аналитических и экспериментальных исследований; согласованности полученных результатов с известными данными исследований в смежных областях.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены и получили одобрение на следующих международных научно-практических конференциях:

Интерполитех-2010» в рамках XIII Международной выставки средств обеспечения безопасности государства - Москва, Всероссийский выставочный центр (ВВЦ) (2010 гг.).

Системы безопасности» - Москва, Академия государственной противопожарной службы МЧС России (2008 гг.);

Системы безопасности» - Москва, Академия государственной противопожарной службы МЧС России ( 2009 гг.);

Системы безопасности» - Москва, Академия государственной противопожарной службы МЧС России (2010 гг.).

У-я Международной научно-практической конференции курсантов, студентов и.слушателей» - г.Минск «Командно-инженерный институт» МЧС РБ.

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 13 научных статей, 7 из перечня изданий, рекомендованных ВАК, 5 доклада на конференциях, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Одна работа опубликована без соавторов.

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 единое и неделимое единство.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (158 наименований) и 6 приложений на 10 стр. Основное содержание работы изложено на 209 стр. машинописного текста, содержит 47 рисунков и 26 таблиц.

15. Результаты работы защищены свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ, реализованы на Московском НПЗ и НПЗ «ООО КИНЕФ» Ленинградской области, а так же используются в учебном процессе Академии ГПС МЧС России.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации осуществлено решение крупной научно-технической задачи, имеющей большое значение для потенциально опасных отраслей промышленности - разработка автоматизированной системы управления противопожарной защитой технологической установки полимеризации НПЗ, позволяющая повысить уровень пожаровзрывобезопасности нефтеперерабатывающих и нефтехимических комплексов.