автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Интегрированная система мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса для превентивного предотвращения пожара

На правах рукописи

Глушко Владимир Сергеевич

ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРЕВЕНТИВНОГО ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОЖАРА

05.26.03 пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ИЮЛ 2Ш

Санкт-Петербург - 2014

005550399

005550399

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский университет

ГПС МЧС России

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Синещук Юрий Иванович,

доктор технических наук, профессор

Гуменюк Василий Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, кафедра управления и защиты в чрезвычайных ситуациях, заведующий кафедрой;

Битуев Борис Жунусович,

кандидат технических наук, заместитель начальника Академии ГПС МЧС России — начальник Института заочного и дистанционного обучения.

ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина)

Защита состоится «30» июня 2014 г. в 11.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 205.003.01 при Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149) и на сайте dsovet.igps.ru. Автореферат разослан «О/» мая 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 205.003.01

Д.Н. Саратов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На территории Российской Федерации насчитывается более 3 тыс. объектов, которые при авариях и катастрофах могут привести к массовым поражениям людей. Из них более 2 тыс. объектов относятся к химически опасным. Технологии нефтехимической промышленности отличаются энергоемкостью и требуют тщательного контроля для обеспечения безопасности и эффективности каждого процесса.

Все эти особенности обуславливают требования к системе обеспечения пожарной безопасности, предполагающей оповещение и управление эвакуацией, использование пожарных извещателей и систем пожаротущения, которые смогут обеспечить наибольшую безопасность для людей.

Обстановка с пожарами в Российской Федерации продолжает оставаться напряженной и оказывать существенное влияние на экономическую и социальную сферы общества. Государственная противопожарная служба принимает меры по стабилизации обстановки с пожарами, вносит изменения в нормативные документы, регламентирующие применение систем противопожарной защиты зданий направленные на совершенствование тактики тушения пожаров и особенно на проведение спасательных работ. Ежегодно в стране происходит около 200 тыс. пожаров, при которых гибнут более 10 тыс. человек и почти столько же получают травмы. Материальный ущерб от пожаров исчисляется в миллиардах рублей.

Поводов для возникновений пожаров множество: нарушение правил устройства и эксплуатации электрооборудования, неисправность производственного оборудования, нарушение технологического процесса производства, неосторожное обращение с огнем и много другое.

Очевидно, что количество пожаров, а также жертв и ущерба от них могло быть меньше за счет совершенствования систем пожарной сигнализации, позволяющих своевременно получить информацию о пожаре, совершить быстрое реагирование на вызов и ликвидировать угрозу.

Несмотря на совершенствование этих систем и увеличивающееся оснащение ими зданий, полной отдачи от них, в частности от автоматической пожарной сигнализации, нет. По статистике 50% всех подвергавшихся пожарам зданий были оборудованы пожарной сигнализацией, но система элементарно не срабатывала в нужный момент.

Одной из важнейших задач в сфере обеспечения пожарной безопасности является осуществление мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса. Актуальным становится решение ряда задач в рамках создания систем мониторинга и их дальнейшее развитие в виде автоматической системы мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса, неотъемлемым компонентом которой должна стать система "сверхраннего обнаружения пожара".

В настоящее время для обнаружения очага и ликвидации пожара в начальной стадии используются автоматические установки пожарной сигнализации (АУПС) и автоматические установки пожаротушения (АУПТ). Развитие такого рода систем идет в направлении их интеграции, создания многофункциональных программно-аппаратных комплексов, предназначенных для отображения информации о параметрах окружающей среды от датчиков -сигнализаторов, оповещения персонала о превышении контролируемыми параметрами заданных пороговых значений, автоматического включения и выключения исполнительных устройств по заданным программам.

Вместе с тем, практика сегодняшнего дня свидетельствует о наличии противоречия между необходимостью поддержать достаточный уровень пожарной безопасности и объективными ограничениями имеющихся ресурсов.

В разрешении указанного противоречия принципиальное место занимает разработка научно-методического аппарата обоснования целесообразного состава и структуры интегрированной системы пожарной безопасности, обеспечивающей реагирование на факторы, предшествующие пожару. Эффективность этих систем определяется чувствительностью, быстротой реагирования на опасный компонент и минимальными экономическими

затратами. В связи с этим, развитие принципов и способов обеспечения пожарной безопасности на основе интеграции существующих пожарных извещателей в программно-аппаратные комплексы мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса, является важной задачей, отвечающей насущным потребностям ГПС МЧС России и общества, отражающей одно из наиболее приоритетных направлений обеспечения пожарной безопасности и обусловливающей актуальность диссертационного исследования.

Целью работы является развитие научных основ создания устройств автоматического контроля и управления системами обеспечения пожарной безопасности, объектов нефтегазового комплекса.

Научной задачей работы является разработка средств и методов предупреждения пожаров объектов нефтегазового комплекса.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих частных задач.

1. Анализ существующих методов и технологий обработки сигналов системой пожарной сигнализации, используемых для обеспечения пожарной безопасности объектов нефтегазового комплекса.

2. Разработка методики интеграции существующих пожарных извещателей в системы мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса на информационном и электрическом уровне.

3. Разработка структурной модели интегрированной системы сверхраннего обнаружения пожара объектов нефтегазового комплекса и алгоритмов оценки ее эффективности.

Объектом исследования являются системы пожарной сигнализации объектов нефтегазового комплекса.

Предмет исследования — средства и способы раннего и сверхраннего обнаружения пожара.

Методы исследования. Работа базируется на методах математического моделирования систем, декомпозиции и агрегирования; сравнительного анализа, системного анализа, теории эффективности и теории вероятностей.

В результате проделанной работы получены и выносятся на защиту следующие научные результаты:

1. Методика интеграции пожарных извещателей в систему мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса (п.п.6,11 паспорта специальности 05.26.03).

2. Модели оценки функциональной и технико-экономической эффективности интегрированной системы сверхраннего обнаружения пожара (оценка) (п.11 паспорта специальности 05.26.03).

Научная новизна заключается в развитии методов и совершенствовании моделей построения и применения систем пожарной сигнализации объектов нефтегазового комплекса и проявляется в работе в:

— развитии методического аппарата обоснования возможности интеграции различных извещателей в интегрированную систему мониторинга окружающей среды потенциально опасных промышленных объектов и организация пространственного размещения извещателей в интегрированной системе;

— разработке модели оценки эффективности интегрированной системы мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса, позволяющих провести их сравнительную оценку;

Научная новизна подтверждается использованием достижений фундаментальных наук, строгими математическими доказательствами полученных результатов, применением апробированных теоретико-экспериментальных методов исследования.

Научно-праетическая значимость работы состоит в разработке научно-методического аппарата обоснования и оценки интегрированной системы сверхраннего обнаружения пожара, позволяющего обеспечить

снижение уровня пожарной опасности объектов нефтегазового комплекса, и определяется возможностями его применения:

- при формировании формализованного замысла и решений на внедрение и применение средств пожарной сигнализации в интересах обеспечения требуемого уровня пожарного риска объектов нефтегазового комплекса;

- для разработки руководящих документов и инструкций структурными подразделениями МЧС России для объектов нефтегазового комплекса;

- для обоснования состава и структуры интегрированной системы мониторинга окружающей среды потенциально опасных промышленных объектов;

- для организации учебного процесса при подготовке специалистов в системе высшего профессионального образования, переподготовке и повышении квалификации по специальности «Пожарная безопасность».

Достоверность научных результатов, достигнутых в диссертационном исследовании, положений и выводов обеспечена использованием апробированных методов исследования, критическим анализом полученных результатов, экспериментальной проверкой теоретических положений, корректной обработкой результатов экспериментов, апробацией на научно-технических конференциях и семинарах и подтверждается их верификацией посредством сравнения с результатами практического использования различных систем пожарной сигнализации.

Основные результаты работы:

- обсуждались на 1У-Й Научно-технической конференции «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы»; У1-й Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности в РФ» в Уральском институте ГПС МЧС России; Международной научно-практической конференции Академии ГПС МЧС «Методические основы повышения качества образовательной деятельности»,

XIII Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика (РИ-2012)», ХХ1У-Й Межвузовской научно-технической конференции «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов»;

- отражены в 8 публикациях, 3 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК;

- реализованы в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России и в ООО «Институт промышленной и пожарной безопасности».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из перечня сокращений, введения, трёх разделов с основными результатами и выводами по каждому из них, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 130 страниц текста, в том числе 17 таблиц и 36 рисунка, 6 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены объект и предмет исследования, цель работы, изложены результаты исследований и положения, выносимые на защиту, их новизна, теоретическая и практическая значимость. Приводится аннотация работы, и даны сведения о публикациях, апробации и реализации результатов исследования.

В первой главе «Анализ состояния и тенденций развития систем пожарной безопасности объектов нефтегазового комплекса» проведенное исследование характера причин аварий в химической и нефтехимической промышленности показывает, что за последнее десятилетие большинство их (95%) связано со взрывами различных химических веществ, причем 54% -внутри аппаратуры, а 46% - в производственных помещениях и на наружных установках. Химические вещества, имеющиеся на объекте или синтезирующиеся в ходе неконтролируемых химических реакций, способны при аварии образовать токсические поражающие поля на больших площадях.

Аварии, возникающие на взрывопожароопасных объектах, характеризуются возникновением взрывов и пожаров и представляют особую опасность для населения. К поражающим факторам аварий на взрывопожароопасных объектах относятся воздушная ударная волна с образованием большого количества осколков из летающих обломков зданий и сооружений, высокая температура от горения различных веществ, материалов и загрязнения воздуха в очаге поражения продуктами горения, в том числе угарным газом. Опыт тушения крупных и сложных пожаров на нефтехимических предприятиях показывает, что успех ведения боевых действий зависит от уровня организации мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса, который может быть реализован интегрированной системой превентивного предотвращения пожара.

Проведенный анализ существующих систем пожарной сигнализации свидетельствует, что они способны предупреждать противопожарную службу лишь на стадии горения. На рисунке 1 приведены пороговые уровни срабатывания различных типов извещателей. На сегодняшний день основными факторами обнаружения пожара являются дым, температура, открытое пламя. В большинстве случаев объекты, на которых сработала пожарная сигнализация, спасти не удается. Это обусловливает повышение требований к системе обеспечения пожарной безопасности, предполагающей оповещение и управление эвакуацией, использование различных извещателей и систем пожарной сигнализации, обеспечивающих раннее обнаружение пожара, своевременное оповещение противопожарной службы и, как результат -повышение уровня безопасности защищаемых объектов и находящихся в них людей.

дымовой )

и ¡вещатель на СО Л дым ионм эвои >ац.

) уровень сработки

|

ДЫМОВОЙ ИО!- за потолком 1.1

/ СО и ¡вен )а потол и,атель сом

11/ дь мовой

оптическим за потолком |

1 23456719 10 II 12 время после зажигания (минуты)

Рисунок 1. Пороговые уровни срабатывания различных типов извещателей

Применяемые сегодня автоматические системы пожарной сигнализации не всегда эффективны. Опасность возгорания нужно обнаруживать заранее, а не когда датчик подаст тревогу уже при распространении пламени. Опыт тушения крупных и сложных пожаров на нефтехимических предприятиях показывает, что успех ведения боевых действий зависит от уровня организации мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса, который может быть реализован интегрированной системой превентивного предотвращения пожара.

В связи с этим возникла необходимость разработки автоматических систем обеспечения пожарной безопасности на основе использования программно-аппаратных комплексов контроля загазованности объектов нефтегазового комплекса на основе газочувствительных приборов, которые реагировали бы на факторы, предшествующие пожару. Эффективность этих систем определяется чувствительностью и быстротой реагирования на опасный компонент.

Во второй главе «Обоснование интегрированной системы мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса»

показаны преимущества интеллектуальных систем пожарной сигнализации с

комбинированными извещателями, позволяющих формировать сигнал "Пожар" до достижения пороговых значений в отдельном канале, сокращая время обнаружения возгораний, сопровождающихся несколькими факторами одновременно и обеспечивая новый более высокий уровень качества систем пожарной сигнализации. Исследована возможность интеграции газосигнализаторов в существующие системы пожарной сигнализации. С этой целью проведен анализ технических характеристик существующих на данный момент газосигнализаторов и их возможности по взаимодействию с ППКП существующих систем пожарной сигнализации. Основные технические характеристики газоанализаторов представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Технические характеристики газоанализаторов

Параметры Тип датчика СО

Мак-СВ Я0/0-С0-МР1 В20-\¥Р024В11/М3

напряжение питания 220В, 12, 24В -220В, 12, 24В

время отклика на наличие газа 30 сек 15 сек 30 сек

ток нагрузки в режиме покоя 4 мА 4 мА 4 мА

ток нагрузки в режиме тревоги 20 мА 10 мА 20 мА

потребляемая мощность 2 Вт 2 Вт 2 Вт

интерфейс передачи информации на пункт обработки 118-485 ЯБ-485 118-485

Типовые значения тока, потребляемого прибором ППКП («Сигнал-20П исп.01» или «Сигнал-20П БМО») в основных режимах работы, при штатном включении не превышают значений, приведенных в таблице 2.

Таблица 2 - Типовое значение тока, потребляемого прибором ППКП

Конфигурация прибора Режим Напряжение питания

12 В 24В

Все ШС на охране, все извещатели контактные (нет извещателей, питающихся по ШС) норма 400мА 200мА

тревога 400мА 200мА

Все ШС на охране, все извещатели токопотребляющие (питающиеся по ШС), ток потребления извещателей 3 мА в каждом ШС (всего 60 мА) норма бООмА ЗООмА

пожар 650мА ЗЗОмА

Газовые сигнализаторы, обладая достаточно привлекательными характеристиками по диапазонам измерений, порогам срабатывания, временем отклика на измеряемый газ и сроком службы превосходят по своим характеристикам современные пожарные извещатели и по этим показателям вполне могли бы повысить эффективность современных систем пожарной сигнализации. Однако по одному из главных системных показателей - току нагрузки, а именно величине тока, которая будет поступать от газосигнализатора на ППКП при подаче сигнала тревога, газовый сигнализатор превышает данный уровень в 6 раз. Другими словами, стандартный пожарный извещатель при выдаче «Тревоги» будет формировать, и выдавать сигнал на ППКП с максимальным током равным 3 мА, а газовый сигнализатор выдаст сигнал на ППКП с током 20 мА.

Повышение эффективности систем пожарной сигнализации может быть обеспечено решением обратной задачи — интеграцией пожарных извещателей в автоматическую систему контроля загазованности объектов нефтегазового комплекса.

В работе обоснована возможность использования пожарных извещателей в составе интегрированной системы мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса на основе автоматической системы контроля загазованности «АВУС-СКЗ».

Исходя из сравнительного анализа технических характеристик системы АВУС-СКЗ и характеристик пожарных извещателей (на примере извещателя ИП 212-39) можно сделать вывод о возможности использования пожарных извещателей в составе автоматической системы контроля загазованности.

Разработанная методика интеграции пожарных извещателей в автоматическую систему контроля загазованности описывает основы функционирования системы, типовую структуру системы и процедуру синтеза интегрированной системы мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса.

Для интеграции пожарных извещателей в систему «АВУС-СКЗ» необходимо и достаточно обеспечить сопряжение пожарного извещателя с блоком контроля на электрическом и информационном уровне.

Для интеграции на электрическом уровне необходимо обеспечить электрическое питание извещателей как по типу электрического тока, так и по его уровню. Большинство современных, используемых в системах пожарной сигнализации извещателей, используют питающие напряжения постоянного тока величиной от 12 до 24 В. Блок контроля СКЗ-БК выдает питающее напряжение 24 В, в то время как для пожарных извещателей рабочим напряжением считается от 8 до 30 В. Нетрудно предположить, что блок контроля полностью удовлетворяет этим требованиям. Однако при значительном удалении от них и значительном количестве датчиков, падение напряжения в конце линии может достичь нерабочего уровня. Учитывая этот факт, возможно, запитать дальние извещатели от отдельного блока питания. Такая возможность в системе «АВУС-СКЗ» существует.

Модель интегрированной системы мониторинга окружающей среды потенциально опасного объекта нефтегазового комплекса представлена в виде структурной схемы на рисунке 2.

Рисунок 2 — Структурная модель интегрированной системы мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса

Таким образом, совместимость пожарных извещателей и системы «АВУС-СКЗ» по цепям питания обеспечивается и не требует введения дополнительных схем или устройств. Кроме того интеграция пожарных извещателей не потребует введения каких-либо дополнительных способов

технического обслуживания, кроме тех, которые уже используются в системе «АВУС-СКЗ».

Интеграция пожарных извещателей на информационном уровне обеспечивается наличием общего интерфейса 118-485. Использование интерфейса ЯБ-485 предусматривает увеличение линии связи до 1500 метров, согласование по уровню информационных сигналов, а также использование одного провода для организации цепей питания извещателей и передачи информации.

Кроме того, программное обеспечение, входящее в состав системы «АВУС-СКЗ» и его дальнейшее развитие позволит обеспечить информационную интеграцию пожарных извещателей и управление ими:

- оперативно регистрировать и отображать состояния извещателей;

- осуществлять интеллектуальный анализ сигналов извещателей;

- сохранять информацию о состоянии извещателей;

- устанавливать логику срабатывания и автоматически передавать команды на включение и отключение при возникновении запрограммированных событий;

- включать сигналы оповещения и выдавать аварийную индикацию;

Показано что, интеграция различных пожарных извещателей в рамках существующих систем позволит:

1. Использовать интегрированную систему мониторинга окружающей среды потенциально опасных промышленных объектов не только в качестве системы контроля загазованности или пожарной сигнализации, но и в качестве системы обеспечения комплексной безопасности (за счет использования исполнительных устройств).

2. Обеспечить комплексный подход к задаче обнаружения пожара на разных этапах его развития, за счёт интеграции в систему «АВУС — СКЗ» различных, по типу обнаружения, пожарных извещателей.

3. Увеличить уровень пожарной безопасности объектов большой

площади, за счёт увеличения числа интегрированных извещателей до 3600 штук, что превосходит возможности существующих систем пожарной сигнализации.

5. Уменьшить стоимость не только самой системы (за счет меньшей стоимости пожарных извещателей в сравнении газовыми сигнализаторами), но и стоимость её обслуживания, что в условиях больших объектов нефтегазового комплекса является очень важным фактором.

В третьей главе «Модель оценки эффективности применения интегрированной системы сверх раннего обнаружения пожара», в качестве примера рассмотрим объект нефтехимического производства КОАО «Азот» г. Кемерово Кемеровской области.

Основным видом деятельности КОАО «Азот» является производство и реализация продуктов химии.

Цеха и производства предприятия оборудованы автоматическими установками пожаротушения (АУПТ) и пожарной сигнализации (АУПС).

Однако при наличии полной оснащенности пожарной техникой и огнетушащими средствами данного предприятия риск возникновения крупных аварий и взрывов очень высок. Продукты химии, производящиеся на нефтехимическом предприятии КОАО "Азот", подвержены к самовоспламенению и самовозгоранию.

Поражение любого резервуара с пожаро- и взрывоопасными веществами в местах их массового хранения может сопровождаться сплошными пожарами, уничтожающими 80-90% основных производственных и материальных фондов организации.

Оценка качества интегрированной системы мониторинга окружающей среды потребовала разработки моделей расчета эффективности применения системы по двум показателям:

1. Качество обнаружения пожара;

2. Технико-экономический показатель качества.

Сравнительная оценка качества обнаружения пожара проводилась для следующих случаев:

- объект обеспечения пожарной безопасности оборудован интегрированной системой мониторинга окружающей среды;

- объект обеспечения пожарной безопасности оборудован одной из существующих интегрированных систем охраны на примере системы «Орион».

Сравнительная оценка по технико-экономическому показателю качества проводилась для случаев когда:

- объект обеспечения пожарной безопасности оборудован интегрированной системой мониторинга окружающей среды;

- объект обеспечения пожарной безопасности не оборудован интегрированной системой мониторинга окружающей среды.

Для оценки качества обнаружения пожара разработан алгоритм, реализующий математическую модель:

Ркоп = 1 - (1 - Рис X Рсоуэ) X (1 - Рис X Рпдз) (1)

где Рж - вероятность безотказной работы интегрированной системы.

Рсоуэ — условная вероятность эффективного срабатывания системы оповещения людей о пожаре и управления эвакуацией людей в случае эффективного срабатывания интегрированной системы сверхраннего обнаружения пожара. Значение параметра Рсоуэ определяется технической надежностью элементов системы оповещения людей о пожаре и управлением эвакуации людей, приводимых в технической документации (При отсутствии сведений по параметрам технической надежности допускается принимать Рсоуэ = 0,8);

^пдз - условная вероятность эффективного срабатывания системы противодымной защиты в случае эффективного срабатывания интегрированной системы сверхраннего обнаружения пожара. Значение

параметра Рпдз определяется технической надежностью элементов автоматики управления противодымной защиты, приводимых в технической документации (При отсутствии сведений по параметрам технической надежности допускается принимать Рпдз = 0,8);

Полной характеристикой надежности системы длительного использования, учитывающей состояние системы, ее безотказность и восстанавливаемость, является вероятность нормального функционирования (общая надежность), под которой будем понимать вероятность эффективного срабатывания интегрированной системы сверхраннего обнаружения пожара.

Общая надёжность системы пожарной безопасности будет определяться вероятностью безотказной работы.

Общая вероятность безотказной работы системы находится по формуле:

где Р — общая вероятность безотказной работы системы; Pi - вероятность безотказной работы элементов системы; t - время работы системы 10000 часов (в качестве времени работы системы предлагается использовать значение наработки на отказ системы АВУС-СКЗ);

п — количество элементов системы.

Значения параметров Рсоуэ и Лщч считаются равными 0,8. Вероятность безотказной работы элемента системы в течение времени наработки на отказ определяется по формуле:

где Р(Т) - вероятность безотказной работы элемента системы в течение времени наработки на отказ;

Т- время наработки на отказ (10000 часов);

X — интенсивность отказов электрорадиоизделий, входящих в состав элемента системы.

Рассмотрим, как изменится показатель вероятности безотказной

работы при использовании на объекте интегрированной системы мониторинга

п

Р(Т) = е", (3)

окружающей среды и существующей интегрированной системы охраны на примере системы «Орион» за 10000 часов. Изменение значения вероятности безотказной работы в зависимости от выбранной системы обеспечения пожарной безопасности представлено в таблице 3. За 100%-й уровень принято значение вероятности безотказной работы при использовании интегрированной системы мониторинга окружающей среды.

Таблица 3 — Значения вероятности безотказной работы

Показатель качества Система обеспечения пожарной безопасности

Интегрированная система мониторинга окружающей среды Интегрированная система охраны на примере системы «Орион»

Вероятность безотказной работы 0,810 0,534

В% 100 65

Рассмотрим, как изменится показатель качества обнаружения пожарной ситуации при использовании на объекте интегрированной системы мониторинга окружающей среды и существующей интегрированной системы охраны на примере системы «Орион» за 10000 часов. Изменение значения качества обнаружения пожара в зависимости от выбранной системы обеспечения пожарной безопасности представлено в таблице 4. За 100%-й уровень принято значение качества обнаружения пожара при использовании интегрированной системы мониторинга окружающей среды.

Таблица 4 - Значения качества обнаружения пожара

Показатель качества Система обеспечения пожарной безопасности

Интегрированная система мониторинга окружающей среды Система пожарной сигнализации на примере системы «Орион»

Качество обнаружения пожара 0,880 0,672

В% 100 76

Представленные таблицы наглядно показывают, что надежность интегрированной системы мониторинга окружающей среды не опускается ниже уровня 0,8, за время эксплуатации равное 10000 часов. А надежность

интегрированной системы охраны на примере системы «Орион» опускается ниже уровня 0,8 после 10000 часов эксплуатации.

Для проведения сравнительной оценки по технико-экономическому показателю качества были проведны сравнительные расчёты по величине ущерба от возможных пожаров при использовании интегрированной системы мониторинга окружающей среды и без её использования на объекте обеспечения пожарной безопасности.

Оценка технико-экономической эффективности.

При таких сценариях событий годовой ущерб от возможных пожаров рассчитывается по формуле

М(П) = М(ПХ) + М(Щ + М(П3), тыс. руб. (4)

где М(П\), М(Пт), М(ПЪ) - математическое ожидание годовых потерь от пожаров, потушенных соответственно первичными средствами пожаротушения; привозными средствами пожаротушения; при отказе всех средств пожаротушения.

Математическое ожидание годовых потерь от пожаров, потушенных первичными средствами пожаротушения, определяется по формуле:

М[и1)=]РСпРмх{\+к)р1 (5)

Математическое ожидание годовых потерь от пожаров, потушенных привозными средствами пожаротушения, определяется по формуле:

М[П,)= Ж{СтР _ +Ск)0,52(1 +¿11 - Л )р2 (6)

Математическое ожидание годовых потерь от пожаров при отказе всех средств пожаротушения, определяется по формуле:

и (Я3) = ЗР (Си Р" „,я +СЛ1 + дф - Р1 - (1 - Рх )р2] (7)

В случае отсутствия, либо неисправности системы обеспечения пожарной безопасности сообщение о возникновении пожара в пожарную часть может произойти после его распространения на значительной площади. Площадь пожара в этом случае составит:

- " (К -в.... У ?

На основании проведённых расчётов в диссертационном исследовании, можно сделать вывод о необходимости и возможности оснащения объектов нефтегазового комплекса интегрированной системой мониторинга окружающей среды. При этом ожидаемый экономический ущерб от возможных пожаров в 2,44 раза ниже в сравнении с отсутствием интегрированной систем мониторинга окружающей среды, либо её неисправностью.

В заключении подводятся итоги диссертационного исследования и перечисляются полученные результаты.

В приложениях представлены схемы подключения пожарных извещателей в существующих системах пожарной сигнализации, а также порядок выбора пожарных извещателей для интегрированной системы сверхраннего обнаружения пожара.

Основные результаты диссертационной работы

1. Проведённый анализ существующих методов и технологий обработки сигналов системой пожарной сигнализации и оперативной обстановки с пожарами на объектах нефтегазового комплекса показывает, что применяемые системы и датчики в некоторых случаях малоэффективны, либо неэффективны вовсе.

2. Показано, что интеграция газовых сигнализаторов в существующие системы пожарной сигнализации невозможна по техническим характеристикам.

3. Показано, что интеграция пожарных извещателей в системы контроля уровня загазованности возможна и обеспечивает решение поставленной задачи. Предложена методика интеграции пожарных извещателей в системы контроля уровня загазованности. Создание

интегрированной системы сверхраннего обнаружения пожара с использованием пожарных извещателей позволит значительно расширить их область применения.

4. Для проверки положений выдвинутых в диссертации была смоделирована интегрированная система сверхраннего обнаружения пожара, определён состав средств, необходимых для качественного обеспечения пожарной безопасности объекта нефтегазового комплекса.

5. Разработаны модели оценки эффективности применения интегрированной системы сверхраннего обнаружения пожара.

6. Результаты оценки эффективности показали, что предложенная система превосходит существующие по надёжности функционирования на 35 %, а по показателю обнаружения пожара на 24%. При этом ожидаемый экономический ущерб от возможных пожаров в 2,5 раза ниже в сравнении с отсутствием интегрированной систем мониторинга окружающей среды, либо её неисправностью.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Глушко B.C. Интегрированная система раннего обнаружения пожара

[ Электронный ресурс] / B.C. Глушко, С.Н. Терехин, Ю.И. Синещук // Научный электронный журнал Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России vestnik.igps.ru - 2013. -№ 3. - 0,7/0,2 пл.

2. Глушко B.C. Метод технико-экономического обоснования интегрированной системы раннего обнаружения пожара [Текст] / B.C. Глушко, Терехин С.Н. // Научно-аналитический журнал «Проблемы управления рисками в техносфере». - 2013. -№ 3. - 0,6/0,3 пл.

3. Глушко B.C. Методика интеграции пожарных извещателей в систему мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса [ Электронный ресурс] / B.C. Глушко, Ю.И. Синещук // Электронный научный журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России»,

vestnik.igps.ru. - 2014. - № 1. - 0,3/0,2 п.л. Сборники трудов всероссийских и международных конференций:

4. Глушко B.C., Концепция комплексной автоматизированной системы обеспечения пожарной безопасности промышленных объектов [Текст] / B.C. Глушко // Материалы IV-й Научно-технической конференции «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы «Обеспечение комплексной безопасности при освоении северных территорий»». СПб.: 2011. -0,25 п.л.

5. Глушко B.C., Методологические особенности моделирования устойчивости функционирования сложных систем [Текст] / B.C. Глушко, Синещук Ю.И., Примакин А.И. // ХШ-я Санкт-Петербургская Международная конференция «Региональная информатика (РИ-2012)» 24-26.10. 2012 СПб., 2013. - 0,4/0,1 п.л.

6. Глушко B.C., Интеграция пожарных дымовых извещателей в системы контроля уровня загазованности [Текст] / B.C. Глушко // Материалы VI-ой Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности в РФ». Уральский институт ГПС МЧС России, 30 мая 2012 г.-0,3/0,3 п.л.

7. Глушко B.C. Модель сравнительного анализа систем мониторинга пожарной обстановки [Текст] / B.C. Глушко // Материалы XXIV-ой Межвузовской научно-технической конференции «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов». СПб, Петродворец, ВМПИ ВУНЦ ВМФ «BMA» 28-29.04.2013 г 2013. - 0,2/0,2 п.л.

8. Глушко B.C. Методика оценки эффективности интегрированной системы [Текст] / B.C. Глушко // Международная научно-практическая конференция «Методические основы повышения качества образовательной деятельности». Москва, Академия ГПС МЧС-2013. -0,1 п.л.

Подписано в печать 25.04.2014г. Формат 60*84 1/16 Печать офсетная. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России 196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149

Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России

На правах рукописи

04201459567

Глушко Владимир Сергеевич

"Интегрированная система мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса для превентивного предотвращения пожара"

05.26.03 Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Синещук Юрий Иванович

Санкт-Петербург - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Перечень сокращений................................................................................................................................4

Введение..............................................................................................................................................................5

1. Анализ состояния и тенденций развития систем пожарной безопасности объектов нефтегазового комплекса........................................................13

1.1 Анализ пожарной опасности объектов нефтегазового комплекса..........13

1.2 Характеристика систем пожарной безопасности, применяемых в

Российской Федерации..........................................................................................................................17

1.2.1. Классификация систем пожарной сигнализации..............................................18

1.2.2 Принципы функционирования пожарных извещателей............................33

1.3 Тенденции развития систем раннего обнаружения пожара........................49

Выводы по разделу....................................................................................................................................52

2. Обоснование интегрированной системы мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса..........................................................................54

2.1 Требования, предъявляемые к системам раннего обнаружения

пожара................................................................................................................................................................60

2.1.1 Основные требования к выбору типов пожарных извещателей

для систем раннего обнаружения пожара................................................................................62

2.1.2 Основные требования к организации зон контроля пожарной сигнализации........................................................................................................................................................64

2.1.3 Основные требования к размещению пожарных извещателей

на объекте..........................................................................................................................................................67

2.2 Анализ возможности интеграции газоанализаторов в систему пожарной сигнализации......................................................................................................................75

2.3 Анализ возможностей комбинированных пожарных извещателей.. 86

2.4 Методика интеграции пожарных извещателей в автоматическую систему мониторинга окружающей среды (АСМОС) объектов

нефтегазового комплекса........................................................... 91

2.4.1 Организация функционирования типовой АСМОС............... 91

2.4.2 Структура системы типовой АСМОС................................... 94

2.4.3 Синтез интегрированной системы мониторинга окружающей среды

объектов нефтегазового комплекса............................................. 96

Выводы по разделу................................................................. 101

3. Модель оценки эффективности применения интегрированной системы сверхраннего обнаружения пожара.............................................. 103

3.1 Оценка качества обнаружения пожара..................................... 104

3.2 Алгоритм оценки функциональной эффективности................... 108

3.3 Алгоритм оценки технико-экономической эффективности......... 113

Выводы по разделу................................................................... 119

Заключение............................................................................ 120

Список используемой литературы................................................ 121

Приложени А........................................................................... 125

Приложени Б.......................................................................... 130

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

АУПС - автоматические установки пожарной сигнализации;

АУПТ - автоматические установки пожаротушения;

АВУС-СКЗ- автоматическая система контроля загазованности;

РФ - Российская Федерация;

ПС - пожарная ситуация;

ППК - прибор приёмно-контрольный;

ИП - извещатель пожарный

ТПИ - тепловой пожарный извещатель;

ПО - программное обеспечение;

ПЧ - пожарная часть;

БК - блок контроля;

НПБ - наставление по пожарной безопасности;

ПЭВМ — персональная электронная вычислительная машина

ВВЕДЕНИЕ

В Российской Федерации в течение последних лет наблюдается тенденция к некоторому снижению количества чрезвычайных ситуаций. Однако при этом увеличиваются масштабы их последствий и ущербы от них. На территории России насчитывается более 3 тыс. объектов, которые при авариях и катастрофах могут привести к массовым поражениям людей. Из них более 2 тыс. объектов относятся к химически опасным.

Прямой ущерб от всех видов чрезвычайных ситуаций - свыше 100 млрд. рублей в год. Суммарный ущерб от всех видов чрезвычайных ситуаций составляет почти 3% внутреннего валового продукта страны. Ежегодно в нашей стране погибает 100 тыс. человек.

Современные условия жизни общества, халатное обращение людей с огнём - всё это способствует увеличению количества пожаров. Пожары ежегодно наносят громадный ущерб нашей стране, не только с материальной точки зрения, но и непосредственно жизням простых граждан, поэтому обеспечение пожарной безопасности является одной из наиглавнейших задач МЧС России.

Пожары происходят ежедневно на любых объектах, как промышленного назначения, так и просто в зданиях или сооружениях с массовым пребыванием людей. Конструктивные особенности каждого такого объекта являются дополнительной опасностью для людей не знакомых с планировкой. Технологии нефтехимической промышленности отличаются энергоемкостью и требуют тщательного контроля для обеспечения безопасности и эффективности каждого процесса.

Все эти особенности обуславливают требования к системе обеспечения пожарной безопасности, предполагающей оповещение и управление эвакуацией, использование пожарных извещателей и систем пожаротушения, которые смогут обеспечить наибольшую безопасность для людей.

За 2012 год произошло 162.975 пожаров, прямой материальный ущерб от которых составил 14.397.379 тысяч рублей. При пожарах погибло 11.635,

а травмировано 11.962 человека. Уничтожено 40.877 и повреждено 97.901 строение.

Поводов для возникновений пожаров множество: нарушение правил устройства и эксплуатации электрооборудования, неисправность производственного оборудования, нарушение технологического процесса производства, неосторожное обращение с огнем и много другое.

Очевидно, что количество пожаров, а также жертв и ущерба от них, могло быть меньше за счет совершенствования организации применения подразделений ГПС МЧС России, технической оснащенности и уровня подготовки личного состава, систем пожарной сигнализации, позволяющих своевременно получить информацию о пожаре, совершить быстрое реагирование на вызов и ликвидировать угрозу.

Пожарная сигнализация - это комплекс технических средств, предназначенных для своевременного оповещения о возгорании на объекте и формирования управляющих сигналов для систем оповещения о пожаре и автоматического пожаротушения. В современных условиях обеспечения безопасности людей на объектах повышенной пожарной опасности при возгорании невозможно без инженерных систем, являющихся составной частью самого сооружения. С этой целью в нормативные документы введены требования об устройстве противопожарного водопровода, автоматических установок пожаротушения, систем противодымной защиты, пожарной сигнализации и других противопожарных систем. Не смотря на совершенствование этих систем и увеличивающееся оснащение ими зданий, полной отдачи от них, в частности от сигнализации, нет. По статистике, 50% всех подвергавшихся пожарам зданий были оборудованы пожарной сигнализацией, но система элементарно не срабатывала в нужный момент.

До конца XX века основное внимание в деятельности МЧС РФ уделялось ликвидации ЧС. Однако, необратимый рост величины ущерба от стихийных бедствий, аварий и катастроф делает эти усилия всё менее эффективными. В мире, особенно в странах с развитой экономикой, произошло

изменение государственной политики на 1-е место вышло предупреждение ЧС и регулирование риска.

Очевидно, что количество пожаров, а также жертв и ущерба от них могло быть меньше за счет совершенствования систем пожарной сигнализации, позволяющих своевременно получить информацию о пожаре, совершить быстрое реагирование на вызов и ликвидировать угрозу.

Одной из важнейших частей в сфере обеспечения пожарной безопасности является осуществление мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса. Актуальным становится решение ряда задач в рамках создания систем мониторинга и их дальнейшее развитие в виде автоматической системы мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса (АСМОС), неотъемлемым компонентом которой должна стать система "сверхраннего обнаружения возгорания".

Особую актуальность вопросы предупреждения пожаров приобретают в замкнутых пространствах. Метрополитен, туннели, замкнутые пространства морских судов, подземные сооружения гражданского и военного назначения все эти объекты относятся к объектам повышенной пожарной опасности.

Пожары в замкнутых помещениях объектов нефтегазового комплекса всегда характеризовались высокой динамикой развития. В современных условиях возросшая пожарная нагрузка помещений, их насыщенность разнообразным оборудованием, приводит при пожаре к большим тепло- и газовыделениям, и, как следствие, к огромным материальным ущербам и человеческим жертвам. Для обнаружения очага и ликвидации пожара в начальной стадии используются автоматические установки пожарной сигнализации (АУПС) и автоматические установки пожаротушения (АУПТ) (стационарные или переносные).

В настоящее время такого рода системы развиваются в направлении их интеграции, создания многофункциональных программно-аппаратных ком-

плексов, предназначенных для отображения информации о параметрах окружающей среды от датчиков - сигнализаторов, оповещения персонала о превышении контролируемыми параметрами заданных пороговых значений, автоматического включения и выключения исполнительных устройств по заданным программам.

Опыт эксплуатации объектов различного назначения свидетельствует, что пожары в них носят достаточно регулярный характер, а при нарушении правил эксплуатации и отсутствия необходимого уровня противопожарной защиты могут иметь катастрофические последствия, сопровождаться большими материальными потерями и нередко массовой гибелью людей.

Расположение любых объектов предопределяет ряд специфических особенностей, которые необходимо учитывать при решении вопросов защиты людей и материальных ценностей от пожара. Воздушная среда, которая нас окружает, может содержать в своем составе не только источник жизни, кислород, но и опасные вещества в виде токсичных и взрывоопасных газов.

Практика сегодняшнего дня свидетельствует о наличии противоречия между необходимостью поддержать достаточный уровень пожарной безопасности и объективными ограничениями имеющихся ресурсов.

В разрешении указанного противоречия принципиальное место занимает разработка научно-методического аппарата обоснования целесообразного состава и структуры интегрированной системы пожарной безопасности на основе газочувствительных приборов, обеспечивающей реагирование на факторы, предшествующие пожару. Эффективность этих систем определяется чувствительностью, быстротой реагирования на опасный компонент и минимальными временными затратами.

В связи с этим, разработка принципов и способов обеспечения пожарной безопасности на основе интеграции существующих пожарных извещате-лей в программно-аппаратные комплексы мониторинга окружающей среды, является важной задачей, отвечающей насущным потребностям ГПС МЧС

России и общества, отражающей одно из наиболее приоритетных направлений обеспечения пожарной безопасности объектов нефтегазового комплекса и обусловливающей актуальность диссертационного исследования.

Целью работы является развитие научных основ создания устройств автоматического контроля и управления системами обеспечения пожарной безопасности, объектов нефтегазового комплекса.

Научной задачей работы является разработка средств и методов предупреждения пожаров объектов нефтегазового комплекса.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих частных задач.

1. Анализ существующих методов и технологий обработки сигналов системой пожарной сигнализации, используемых для обеспечения пожарной безопасности объектов нефтегазового комплекса.

2. Разработка методики интеграции существующих пожарных извеща-телей в системы мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса на информационном и технологическом уровне.

3. Разработка структурной модели интегрированной системы сверхраннего обнаружения пожара объектов нефтегазового комплекса и алгоритмов оценки ее эффективности.

Объектом исследования являются системы пожарной сигнализации объектов нефтегазового комплекса.

Предмет исследования - средства и способы раннего и сверхраннего обнаружения пожара.

Методы исследования. Работа базируется на методах математического моделирования систем, декомпозиции и агрегирования; сравнительного анализа, системного анализа, теории эффективности и теории вероятностей.

В результате проделанной работы получены и выносятся на защиту следующие научные результаты:

1. Методика интеграции пожарных извещателей в систему мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса (п.п.6,11 паспорта специальности 05.26.03).

2. Модели оценки функциональной и технико-экономической эффективности интегрированной системы сверхраннего обнаружения пожара (п.11 паспорта специальности 05.26.03).

Научная новизна заключается в развитии методов и совершенствовании моделей построения и применения систем пожарной сигнализации объектов нефтегазового комплекса и проявляется в работе в:

- развитии методического аппарата обоснования возможности интеграции различных извещателей в интегрированную систему мониторинга окружающей среды потенциально опасных промышленных объектов и организация пространственного размещения извещателей в интегрированной системе;

- разработке модели оценки эффективности интегрированной системы мониторинга окружающей среды объектов нефтегазового комплекса, позволяющих провести их сравнительную оценку;

Научная новизна подтверждается использованием достижений фундаментальных наук, строгими математическими доказательствами полученных результатов, применением апробированных теоретико-экспериментальных методов исследования.

Научно-практическая значимость работы состоит в разработке научно-методического аппарата обоснования и оценки интегрированной системы сверхраннего обнаружения пожара, позволяющего обеспечить снижение уровня пожарной опасности объектов нефтегазового комплекса, и определяется возможностями его применения:

- при формировании формализованного замысла и решений на внедрение и применение средств пожарной сигнализации в интересах обес-

печения требуемого уровня пожарного риска объектов нефтегазового комплекса;

- для разработки руководящих документов и инструкций структурными подразделениями МЧС России для объектов нефтегазового комплекса;

- для обоснования состава и структуры интегрированной системы мониторинга окружающей среды потенциально опасных промышленных объектов;

- для организации учебного процесса при подготовке специалистов в системе высшего профессионального образования, переподготовке и повышении квалификации по специальности «Пожарная безопасность».

Достоверность научных результатов, достигнутых в диссертационном исследовании, положений и выводов обеспечена использованием апробированных методов исследования, критическим анализом полученных результатов, экспериментальной проверкой теоретических положений, корректной обработкой результатов экспериментов, апробацией на научно-технических конференциях и семинарах и подтверждается их верификацией посредством сравнения с результатами практического использования различных систем пожарной сигнализации.

Основные результаты работы:

- обсуждались на 1У-й Научно-технической конференции «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы»; У1-й Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности в РФ» в Уральском институте ГПС МЧС России; Международной научно-практической конференции Академии ГПС МЧС «Методические основы повышения качества образовательной деятельности», XIII Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика (РИ-2012)», ХХ1У-Й Межвузовской научно-технической конференции «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблем