автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Обеспечение промышленной безопасности на этапах строительства и освоения объектов нефтегазового комплекса

11-2 1402

Бондарук Анатолий Моисеевич

кет

На правах рукописи

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НА ЭТАПАХ СТРОИТЕЛЬСТВА И ОСВОЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2011

Работа выполнена в Башкирском государственном университете (БашГУ)

Научный руководитель

- доктор технических наук Ямалстдннова Клара Шанховна

Официальные оппоненты:

■ доктор технических наук, профессор Ну гаев Раис Янфурович

■ кандидат технических наук, доцент Габбасов Дмитрий Фанисович

Ведущее предприятие

- ЗАО Научно-технический центр «Технология, экспертиза и надежность»

Защита диссертации состоится заседании диссертационного совета проблем транспорта энергоресурсов» г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

21 апреля 2011 г. в 900 часов на Д 222.002.01 при ГУЛ «Институт (ГУЛ «ИПТЭР») по адресу: 450055,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУЛ «ИПТЭР».

Автореферат разослан 21 марта 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Л.П. Худякова

^СУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА 2011

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В ближайшее время в России планируется введение новых нефтегазовых мощностей и производств. Острой проблемой стали техническая отсталость и высокий износ основных фондов. Около 50 % используемых в нефтегазовой промышленности технологий физически и морально устарели и только 20 % действующих технологий и оборудования можно считать современными с точки зрения стандартов развитых стран. В связи с этим для обеспечения промышленной безопасности и предупреждения экологических техногенных катастроф необходима коренная модернизация существующих производств.

К сожалению, проблемы обеспечения промышленной безопасности на стадиях проектирования, строительства новых и модернизации действующих предприятий недостаточно исследованы. Представленная диссертационная работа посвящена обобщению накопленного опыта и разработке новых решений в данной области.

Нефтегазовая промышленность относится к потенциально опасным отраслям. Одними из основных загрязнителей атмосферы являются летучие органические соединения, доля которых в выбросах достигает 20 %. Большое количество воды, используемой в технологических процессах, приводит к загрязнению сточных вод. К загрязнителям относятся также нефтяные шламы, образующиеся при строительстве нефтяных и газовых скважин, при разработке и эксплуатации месторождений; сточные воды, содержащие нефтепродукты, образующиеся при очистке резервуаров, емкостей и другого оборудования. Хранение некоторых видов отходов сопряжено с загрязнением природных водоемов, многие хранилища-накопители переполнены или требуют ревизии. К мероприятиям по модернизации производства нефтегазового комплекса относятся управление техногенными рисками; разработка оборотного водоснабжения промышленных предприятий с рециркуляцией сточных вод и с устойчивым функционированием системы, с учетом запаздываний изменения регулируемых параметров жидкости в системе трубопроводов и т.д.

Разработка технологического процесса, разделение технологической схемы на отдельные технологические блоки, ее аппаратурное оформление, выбор типа отключающих устройств и мест их установки, использование средств контроля, управления и противоаварийной защиты при обоснованной технологической целесообразности должны обеспечивать

минимальный уровень взрывоопасности технологических элементов, входящих в технологическую систему.

Ведение взрывопожароопасных технологических процессов осуществляется в соответствии с технологическими регламентами на строительство и освоение объектов нефтегазового комплекса, которые предусматривают анализ, последовательный учет всевозможных рисков и управление ими. Управление рисками включает в себя действия, направленные на компенсацию, диссипацию, уклонение и их локализацию. Для оценки вероятности наступления риска необходимо использовать статистические и экспертные методы анализа, а также разработать математическое и имитационное моделирование процессов.

Основным содержанием процедур по корректирующим мероприятиям являются выявление фактической проблемы и ее регистрация; определение подразделения, ответственного за решение проблемы; формирование аудиторской группы анализа проблемы; проведение анализа, установление и регистрация причины возникновения проблемы; определение, разработка и внедрение корректирующих действий; контроль выполнения действий и оценка их эффективности.

Цель работы - совершенствование методов обеспечения устойчивого и безопасного функционирования предприятий нефтегазового комплекса.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Теоретический анализ факторов, влияющих на промышленную безопасность объектов нефтегазового комплекса на этапах строительства и освоения;

2. Количественная оценка характеристик техногенных рисков на предприятиях нефтегазового комплекса;

3. Оценка устойчивости и надежности функционирования систем очистки промышленных стоков;

4. Повышение устойчивости работы нефтегазовых комплексов за счет совершенствования оборотного водоснабжения.

Методы решения поставленных задач

Поставленные в диссертационной работе задачи решены путем разработки теоретических методов анализа и компьютерного моделирования процессов, выявления и оценки степени значимости факторов, влияющих на промышленную безопасность, лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний.

Научная новизна

1. Выполнены теоретический анализ факторов и компьютерное моделирование процессов, влияющих на промышленную безопасность объектов нефтегазового комплекса на этапах строительства и освоения.

2. Проведен анализ математических методов количественной оценки характеристик техногенных рисков на предприятиях нефтегазового комплекса.

3. Разработана методика оценки устойчивости и надежности функционирования систем очистки промышленных стоков.

4. Разработан способ оптимизации систем очистки промышленных стоков за счет совершенствования оборотного водоснабжения.

На защиту выносятся:

1. Теоретический анализ факторов, влияющих на промышленную безопасность объе!сгов нефтегазового комплекса на этапах строительства и освоения;

2. Оценка характеристик техногенных рисков на предприятиях нефтегазового комплекса;

3. Методика оценки устойчивости и надежности функционирования систем очистки промышленных стоков;

4. Рекомендации по повышению устойчивости работы объектов нефтегазовых комплексов за счет совершенствования оборотного водоснабжения.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Теоретическая и практическая ценность работы заключается в:

- разработке и реализации мероприятий, направленных на повышение промышленной безопасности нефтегазовых комплексов;

- разработке методики оценки характеристик техногенных рисков на предприятиях нефтегазового комплекса;

- выработке рекомендаций по повышению устойчивости работы нефтегазовых комплексов за счет совершенствования оборотного водоснабжения;

- разработке и внедрении в нефтегазовом комплексе системы экологического менеджмента по международным стандартам.

Компьютерное моделирование функционирования автоматизированных систем управления технологическими процессами на нефтегазовых предприятиях внедрено в учебный процесс кафедры «Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды» Башкирского государственного университета.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке Проекта РФФИ № 08-01-97021-р_поволжье_а и Государственного контракта № 14.740.11.0429 на выполнение работ в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.

Достоверность результатов работы

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается за счет использования теоретически обоснованных методов анализа и компьютерного моделирования процессов, выявления и оценки степени значимости факторов, влияющих на промышленную безопасность, лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на Всероссийских научно-методических конференциях «Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике» (Уфа, 2008 г., 2009 г., 2010 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук» (Уфа, 2008 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность человека: проблемы и пути решения в современных условиях» (Уфа, 2009 г.); на секции А «Проблемы ресурсо- и энергосбережения в технологиях освоения трудноизвлекаемых запасов углеводородов» в рамках VIH Международного конгресса нефтегазопромышленников России (Уфа, 2009 г.); Международном форуме «Новые информационные технологии и менеджмент качества» (Египет, Шарм-эль-Шейх, 2009 г.); на научно-практических конференциях «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа», «Проблемы и методы рационального использования нефтяного попутного газа» в рамках XVIII международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии -2010» и на Десятой Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках X Юбилейного российского энергетического форума (Уфа, 2010 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 7 статей в центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получено 4 патента.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной

литературы, включающего 106 наименований. Изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 24 рисунка.

Благодарности

Диссертант выражает благодарность научному руководителю Ямалетдиновой К.Ш., а также доктору технических наук, академику АН РБ Гимаеву Р.Н. и доктору физико-математических наук, профессору Гоцу С.С. за помощь при выполнении исследований и разработке научно-технических рекомендаций.

Автор благодарит соавторов совместных работ и коллег за плодотворное сотрудничество и внимание к работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и основные задачи работы, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

Первая глава посвящена проблемам управления системами обеспечения промышленной безопасности современных нефтегазовых производств.

Ускорение научно-технического прогресса обострило во всем мире проблему обеспечения безопасности человека и окружающей среды в результате хозяйственной деятельности. Каждый шаг в научно-техническом прогрессе достигается в результате реализации тех или иных технологических проектов.

При планировании и внедрении новых технологических мероприятий в больших масштабах в нефтегазовом комплексе стратегия принятия решений по повышению эффективности процессов добычи, промысловой и заводской подготовки природного газа, конденсата и нефти должна обеспечивать поэтапное уменьшение техногенного риска на разных стадиях реализации процесса. И на каждом этапе процесса необходимо оценить целесообразность его продолжения. Важным аспектом обеспечения успехов в реализации различного рода научно-технических проектов являются анализ и последовательный учет всевозможных рисков. Если внедряемая технология является апробированной в промышленном производстве, то большинство рисков можно заранее предсказать, подробно описать, рассчитать вероятность их наступления и оценить все возможные последствия.

Многие вопросы, связанные с обеспечением промышленной и экологической безопасности предприятий, рассмотрены в трудах Брагинского А.Г., Мазепина ДА., Джафарова И.С., Артемова A.B., Брыкина A.B., Шумаева В.А.,

Абросимова A.A., Ерохина Ю.Ю., Теляшева Э.Г., Авдуевского B.C., Шлыкова В.Н., Проскурякова В.А., Шмидта Л.И., Винокурова П.Н., Шишлова Г.В., Нугаева Р.Я., Гумерова А.Г., Ямалетдиновой К.Ш., Гимаева Р.Н., Янгуразовой З.А., Хлесткина Р.Н., Халимова А.Г. и др.

Математические методы теории надежности и статистические методы оценок случайных процессов были разработаны Гнеденко Б.В., Гоцем С.С., Беляевым Ю.К., Соловьевым А.Д., Колемаевым В.А., Гальпериным М.В., Кочаловым P.M. и др.

Как отмечалось выше, нефтегазовая промышленность сильно загрязняет окружающую среду. Для решения системной проблемы нефтегазовой отрасли России нужны согласованные усилия государства и частного бизнеса, необходим комплекс мер промышленной политики.

Учитывая существующую экологическую ситуацию и тенденции ее изменения, все более очевидной становится необходимость поиска новых путей и подходов к решению экологических проблем промышленного производства.

Международные стандарты, распространяющиеся на управление окружающей средой, предназначены для обеспечения предприятия элементами эффективной системы экологического менеджмента, которые могут быть объединены с другими элементами административного управления с тем, чтобы содействовать предприятию в деле достижения экологических и экономических целей. Присоединение России к ВТО позволит урегулировать конфликты, связанные с антидемпинговыми ограничениями, и приведет к увеличению открытости отечественного рынка. Негативным фактором снижения прибыли нефтегазового комплекса может стать ужесточение экологических требований к производству.

Выбор систем контроля, управления и автоматической защиты по надежности, быстродействию, допустимой погрешности измерительных систем и другим техническим характеристикам осуществляется с учетом особенностей технологического процесса и в зависимости от категории взрывоопасности технологических блоков, входящих в объект. Оптимальные методы и средства автоматической защиты выбираются на основе анализа опасности технологических объектов, условий возникновения и развития возможных аварийных ситуаций, особенностей технологических процессов и аппаратурного оформления. Рациональный выбор средств для систем автоматической защиты осуществляется с учетом их надежности, быстродействия и т.п.

Во второй главе проведена оценка статистических характеристик техногенных рисков для технологического оборудования нефтегазового

8

комплекса в различных условиях эксплуатации, обслуживания, ремонта, восстановления и резервирования.

Какое бы решение относительно проведения того или иного технологического мероприятия в нефтегазовом комплексе, включая наземные линии, ни было выбрано, его реализация будет совершаться посредством использования большого объема технологически взаимосвязанного оборудования. Поэтому в работе отмечается, что для расчета вероятностей отказа промышленного оборудования в настоящее время часто используются упрощенные модели, в которых рассматриваются технологические линии, состоящие из N последовательно включенных между собой звеньев со статистически независимыми отказами элементов оборудования во времени.

Предположение о статистической независимости элементов часто оказывается неоправданным для реальных объектов. Причиной взаимного коррелированного выхода из строя элементов могут стать пожар, повышенная радиация, наводнение, прорыв трубопроводов с затоплением производственных помещений, землетрясение и т.п. В любом из перечисленных выше случаев все элементы последовательного соединения могут одновременно стать менее надежными. Для последовательного соединения статистически зависимых элементов вероятность работоспособного состояния одной линии д/л в течение фиксированного промежутка времени Т оказывается меньшей рассчитанной согласно гипотезе о статистической независимости.

Следует заметить, что в инженерных и конструкторских расчетах надежности относительно редко используется предположение о зависимом влиянии элементов друг на друга. Когда же возникают такие случаи коррелированного отказа элементов оборудования, то все списывается на форс-мажорные ситуации. Заметим, что факторами коррелированного отказа элементов на объектах нефтегазового комплекса могут быть:

• разрыв трубопроводов, подающих реагенты и воду в нагнетательные скважины;

• разрыв любых соединений между блоками в технологическом оборудовании нагнетательных и эксплуатационных скважин, а также при транспортировке добытой продукции;

• серьезное нарушение герметичности или разрушение корпуса любого элемента, через который подаются жидкие, газообразные вещества и вода;

• скачки напряжения или полное отключение подачи электроэнергии в электросети;

• воспламенение веществ и оборудования;

• стихийные бедствия и т.п.

По понятным причинам при проектировании оборудования очень сложно осуществить учет приведенных выше факторов взаимного влияния элементов оборудования, т.к. обычно указанные выше события развиваются достаточно непредсказуемо. Наиболее радикальным путем является предотвращение наступления возможности коррелированного отказа оборудования. Для этого можно использовать следующие мероприятия:

• размещать наиболее ответственные или потенциально опасные звенья технологической линии в герметических отсеках производственного здания или сооружения;

• разделять отдельные части технологического оборудования прочными несгораемыми перегородками;

• предусматривать резервное электропитание для всех звеньев технологической линии;

• использовать сейсмически устойчивые здания и сооружения;

• оперативно блокировать работу технологической линии и вспомогательного оборудования при наступлении потенциально опасных чрезвычайных ситуаций.

В качестве следующей статистической модели для оценки надежности рассмотрен расчет вероятности работоспособного состояния оборудования без резервирования с фиксированными вероятностями отказа при смешанном последовательно-параллельном соединении звеньев. Показано, что для расчета надежности подобных технологических систем можно использовать модель с последовательным соединением статистически независимых звеньев.

Проведена сопоставительная оценка надежности технологического оборудования с общим и раздельным резервированием. Из сравнения результатов исследований видно, что при раздельном резервировании вероятность безотказной работы значительно выше, чем при общем резервировании. На рисунке 1 приведены полученные на основе аналитических решений расчетные зависимости значения вероятности безотказной работы оборудования при разных значениях числа звеньев N и коэффициента резервирования (т -1). Расчеты проведены в предположении равнонадежности элементов и вероятности их безотказной работы q = 0,85.

Проведена оценка эффективности использования скользящего резервирования элементов технологических линий. Отмечено, что если замену вышедшего из строя элемента осуществляет автоматическое

10

устройство, то число соединений и коммутаций при скользящем резервировании оказывается очень большим, что может привести к снижению общей надежности резервирования. В связи с этим по соображениям обеспечения высокой надежности скользящее резервирование большого количества элементов целесообразно использовать в ручном режиме замены вышедших из строя элементов.

Рисунок 1 - Расчетные зависимости вероятности безотказной работы оборудования при общем и раздельном резервировании

Проведен анализ статистических распределений потоков ^отказов оборудования. Наибольшее внимание уделено рассмотрению пуассоновского, экспоненциального и гауссовского статистических распределений, а также распределений Вейбулла и Релея. На основе различных статистических распределений проведена оценка интенсивности отказов оборудования и времени наработки до отказа. Отмечено, что в нефтегазовом производстве на стадии приработки технологического оборудования относительно большой начальный поток отказов в основном связан со следующими факторами:

• недостаточной герметичностью трубопроводов, особенно в местах стыковок труб, разветвлений, соединений, сварочных швов;

• некачественной балансировкой вращающихся частей двигателей, турбин, маховиков и т.п. В свою очередь, это приводит к повышенным вибрациям и ускоренному выходу оборудования из строя;

• некачественной или недостаточной смазкой трущихся деталей;

• ошибками в сборке, установке и подключении оборудования;

• недостаточным опытом работы персонала с новым оборудованием. Практика эксплуатации оборудования показывает, что обычно

интенсивность отказов сначала несколько снижается по мере приработки (обкатки) оборудования, затем длительное время остается примерно на одном уровне, а затем постепенно возрастает по мере износа оборудования.

В нормальном режиме эксплуатации интенсивность внезапных отказов можно считать примерно постоянной. Это позволяет использовать для оценки надежности технологического оборудования экспоненциальное статистическое распределение.

Для идентификации вида статистических распределений в работе использованы центральные статистические моменты /4 £-ого порядка (А £ 2), определяемые как

Мк =< (* >- £ (* - *)* ' М?)' ,

и кумулянты.

Кумулянт первого порядка к] определяется средним значением случайного процесса:

кК = тх.

Кумулянт второго порядка определяется дисперсией случайного процесса или центральным моментом ц2 второго порядка:

к2=^2=В(х) = сг2. Кумулянт третьего порядка определяется центральным моментом третьего порядка:

Нормированное на дисперсию безразмерное значение кумулянта третьего порядка

л _3 ст <т

получило название коэффициента асимметрии.

Кумулянт четвертого порядка определяется центральным моментом ц4 четвертого порядка и дисперсией:

К

Нормированное на дисперсию безразмерное значение кумулянта четвертого порядка

получило название коэффициента эксцесса.

Коэффициент эксцесса может являться показателем того, каким является пик функции распределения случайного процесса с заданной дисперсией относительно гауссовской функции распределения. Если кривая распределения более острая, чем нормальное распределение, то к4 > 0. И, наоборот, если кривая распределения более «размытая», то к4 < 0.

Численные расчеты показывают, что для известных в математике случайных процессов минимальное значение коэффициента эксцесса равно минус 2 (бинарный псевдослучайный сигнал). Максимальное значение коэффициента эксцесса не ограничено.

Определим интенсивность отказов следующим образом:

ат.д(т)-в(ту

Для интенсивности отказов, описываемых распределением Вейбулла, справедливо следующее выражение:

2(г) ехр(-Ч->5)

На рисунке 2 приведены расчетные зависимости в относительных единицах интенсивностей отказа оборудования для разных статистических распределений.

/5Г Ингснсианос» от«мм I сз-1 Ер

Рисунок 2 - Расчетные зависимости в относительных единицах интенсивностей отказа оборудования для разных статистических распределений

13

Рассмотрим три интервала изменения величины параметра 5.

При 8 = 1 X(t) является константой (см. рисунок 2, зависимость 1). Такая зависимость характерна для периода нормальной работы оборудования.

При 8 >1 X(t) является возрастающей функцией (см. рисунок 2, зависимость 2). Такая зависимость характерна для периода «стареющего» или изношенного оборудования.

При 8 < 1 X(t) является убывающей функцией (см. рисунок 2, зависимость 3). Такая зависимость характерна для периода приработки или обкатки нового оборудования.

В третьей главе существенное внимание уделено оценке времени наработки оборудования нефтегазовой отрасли до отказа в разных режимах резервирования.

Системы проектирования и эксплуатации должны быть гибкими и адаптирующимися, чтобы можно было оперативно изменять ход разработки месторождения, включая и промысловую подготовку природного газа, конденсата и нефти. С учетом последнего в работе проведен расчет среднего времени наработки оборудования до отказа при общем резервировании при использовании нагруженного резерва («горячий» резерв, active reserve) по формуле

Т2Г =< Т >= JO*(0'Л= Jfl - (1 - ехр("Л • ')Г ] ■■ Л.

о о

В результате проведенных расчетов получена формула для оценки времени наработки до отказа:

о ло о V~x)

1 • м-1 1 ni-l t m-1 t

= J_. [Уx'abe = —-У*—-—-Тв • V—-—, Л ¡U &0 + V tto + v

где To - среднее время наработки до отказа одной основной линии.

На рисунке 3 приведены расчетные зависимости (кривая помечена как «Горячий» резерв) времени наработки до отказа от количества m работающих загруженных технологических элементов.

Из приведенной графической зависимости видно, что эффективность «горячего» нагруженного резервирования снижается с ростом кратности резервирования (m -1). Эта особенность указанной зависимости обусловлена тем, что с увеличением m добавляемые резервные линии берут на себя все меньшую часть общей нагрузки. В связи с этим добавляемые линии не могут заметным образом повлиять на надежность работы всей установки в целом.

Число технологических линий ш

Рисунок 3 - Расчетные зависимости времени (ч) наработки до отказа

от числа работающих загруженных технологических линий

В случае ненагруженного «холодного» резерва (standby reserve) при общем резервировании общее время наработки до отказа подчиняется статистике гамма-распределения:

грпеиир _«тп \ 1 ГО) _гр

¿общ —¿й ' / .Jj 0 1

где r(i) - гамма-функция. При «холодном» резерве ресурсы времени работы оборудования расходуются только в процессе фактической работы в нагруженном состоянии. В связи с этим общее время работы до отказа возрастает пропорционально имеющемуся числу резервных технологических элементов.

Среднее время наработки до отказа основной линии То = 100 ч.

Расчеты показывают, что время наработки до отказа технологического оборудования с облегченным режимом работы резерва

1 1И-/ I 1Я-1 1

Т0*4 =— V -т 1

■** ъ'Я(1+ьк,) 0'£s(\ + i-kp)' где кр - коэффициент загрузки или коэффициент расходования ресурса резервного оборудования. На рисунке 3 приведена кривая зависимости, рассчитанная для коэффициента загрузки кр = 0,2. Из рисунка видно, что значения времени Т^ находятся в промежутке между значениями времени

наработки до отказа ненагруженного резерва и Т'Ц нагруженного резерва.

Особое внимание в работе уделено расчету эксплуатационных параметров, характеризующих надежность с учетом восстановления оборудования.

Введем в рассмотрение коэффициент готовности Кг, характеризующий среднюю вероятность д0(0 того, что технологическое оборудование находится в работоспособном состоянии. Коэффициент готовности Кг численно равен отношению среднего времени нахождения в рабочем состоянии к сумме среднего времени нахождения в рабочем состоянии и эквивалентного среднего времени восстановления:

где То среднее время наработки на отказ, Тв среднее время восстановления после поломки, а — коэффициент соответствия времени восстановления и времени наработки на отказ. В дальнейшем будем предполагать, что после возникновения каждого отказа оборудование немедленно начинают ремонтировать, а после успешного завершения каждого ремонта оборудование немедленно вводится в эксплуатацию. В этом случае а = 1.

Пользуясь полученным ранее выражением, имеем для коэффициента готовности

В теоретических расчетах надежности чаще всего придерживаются правила выбора сроков ремонта по фактическому техническому состоянию и работоспособности оборудования. Рассчитаем время наработки до отказа обслуживаемых технологических линий с (т - 7)-кратным «горячим» резервированием и восстановлением. Будем полагать, что осуществляются немедленное восстановление каждой отказавшей цепи и немедленный ввод в эксплуатацию каждой отремонтированной линии. Аналогично может быть получена формула среднего времени наработки до отказа для оборудования с восстановлением:

где ц - интенсивность восстановления, Я — интенсивность отказов оборудования, То наработка до отказа без резервирования и восстановления. Из приведенного соотношения видно, что для обслуживаемой системы с нагруженным «горячим» (т - 7,)-кратным резервированием и восстановлением с ростом отношения интенсивности восстановления к интенсивности отказов ц/Х время наработки до отказа асимптотически стремится к степенному закону возрастания с показателем степени (т -1).

Введем в рассмотрение коэффициент, характеризующий кратность увеличения времени наработки до отказа за счет восстановления:

1-0

На рисунке 4 изображены рассчитанные на ЭВМ графики изменения времени наработки до отказа В(т, X, ¡л) для резервированной обслуживаемой системы с восстановлением по отношению ко времени наработки до отказа для невосстанавливаемого оборудования без резервирования.

N

Рисунок 4 - Изменение времени наработки до отказа обслуживаемого

технологического оборудования с восстановлением и «горячим» (т - 1)-кратным резервированием в зависимости от отношения интенсивности восстановления к интенсивности отказов (для трех различных значений кратности резервирования)

Из рисунка 4 видно, что коэффициент В(т, X, ц), а вместе с ним и надежность возрастают как с ростом отношения интенсивности восстановления к интенсивности отказов ц/Х , так и с ростом общего числа работающих основных и резервных технологических линий т.

С чисто экономической точки зрения значительное увеличение отношения интенсивности восстановления к интенсивности отказов нецелесообразно, поскольку это мероприятие требует существенного увеличения численности обслуживающего персонала и численности работников в ремонтных бригадах. При этом необходимо отметить, что в силу случайного характера отказов оборудования работники ремонтных бригад будут загружены работой неравномерно и неполностью, что, несомненно, отразится на суммарных производственных затратах и общей эффективности производства.

В четвертой главе рассматриваются вопросы повышения устойчивости и надежности производственного водоснабжения предприятий нефтегазового комплекса, а также математическая модель функционирования нефтегазового предприятия с рециркуляцией воды через очистные сооружения для расчета характеристик изменения объема накопленной жидкости.

На рисунке 5 приведена функциональная схема модели, основу которой составляет аналоговое интегрирующее звено опреде-

ляющее изменение во времени количества накопленной жидкости ун(0-

Kamni потребления

Рисунок 5 - Модель для расчета характеристик изменения объема

накопленной жидкости в емкостях очистных сооружений с учетом задержек в системе рециркуляции жидкости

К входу интегратора ]*(/)• Л подключен выход Л^-входного сумматора

На каждый из входов сумматора без инверсии знака поступают потоки жидкости из различных технологических каналов потребления воды. В

Л'

рассматриваемой модели полагаем, что ]Г 1 • Определим накопленное

за время Т количество жидкости ун (0 в емкостях. Учтем, что уи (О определяется интегралом от суммы потока притока х(0 из водопровода, задержанного по времени потока рециркуляции

УнР т)ф, взятых с обратным знаком потока сброса у($ и потока рециркуляции уи(0 •/?:

Ун(О = Уо + /[*(') + Ун«-т)-0-Ун(О-/1-У (О]• Л . о

Интегральное уравнение может быть преобразовано в эквивалентное дифференциальное уравнение с задержкой следующего вида:

ш

При произвольных значениях времен задержки т потоков жидкости в системе рециркуляции решение дифференциального уравнения с глубокой положительной обратной связью и при больших значениях коэффициента р было выполнено численными методами.

Для обеспечения надежного и устойчивого управления накоплением жидкости в емкостях очистных сооружений предложена система автоматического управления (САУ) (рисунок 6), основу которой составляет логический блок САУ, управляющий тремя вентилями.

Основной контролируемой величиной, определяющей выработку сигналов управления, является объем накопленной жидкости унО)-Соответствующая величина поступает в блок САУ с датчика уровня жидкости в емкости очистных сооружений.

С помощью вентиля 1 блок САУ осуществляет управление величиной х({) притока жидкости, подаваемой на очистку из технологического оборудования. С помощью вентиля 2 блок САУ осуществляет управление величиной потока хр(0 жидкости, который определяется количеством сбрасываемой в реку очищенной жидкости. Управление величиной потока рециркулирующей жидкости осуществляется вентилем 3, состояние которого фактически определяет глубину отрицательной обратной связи (ООС). Возвратно-циркулирующая жидкость предназначена для повторного использования в технологическом процессе.

Приток на очистку

т

Улрплит притоком

Управление рециркулацпеЛ

Обрати (■■и

X

САУ

Р 1 ' Гсцпрцчици

X - -1

Вентиль 3

АварийииД сброс

1 Сброс

,т I

-1

Вентиль 1

2 ЗГТ

¡х№

Управление расходами

Ншошкпп

-1

Расход Хр(0 —*-

Расход Хр(1)

Потерн Яу^

Рисунок 6 - Система автоматического управления уровнем жидкости и потоками в очистных сооружениях

В условиях пуска новых объектов и расширения производства в нефтегазовом комплексе всё более очевидной становится необходимость поиска новых путей и подходов к решению экологических проблем промышленного производства. Основным из таких путей в мире общепризнан экологический менеджмент. Создание системы экологического менеджмента (СЭМ) даёт нефтегазовому комплексу эффективный инструмент, с помощью которого предприятие может оценить влияние различных факторов производства на окружающую среду и осуществлять меры по обеспечению экологической безопасности предприятия, продемонстрировать населению и общественности соответствие системы экологического менеджмента современным требованиям. Наконец, предприятие может получить свидетельство «третьей стороны» о том, что те или иные аспекты деятельности предприятия соответствуют международным стандартам ИСО серии 14000. Разрабатываемая система экологического менеджмента на предприятии обеспечивает:

улучшение деятельности предприятия в области выполнения природоохранных требований (в том числе природоохранного законодательства);

экономию энергии и ресурсов, в том числе направляемых на природоохранные мероприятия, за счёт более эффективного управления ими;

- выделение существенных и несущественных экологических аспектов деятельности предприятия;

- на основании выявленных аспектов разработку экологической политики с указанием экологических показателей, целей и задач;

- для достижения поставленных целей разработку программы экологического менеджмента, документированной процедуры по идентификации экологических аспектов.

Вопросами идентификации, измерения и минимизации объемов загрязняющих веществ на предприятии нефтегазового комплекса занимается цех очистки сточных вод и обезвреживания отходов. Проанализировав реальное положение дел относительно окружающей среды, руководство предприятия и отдел экологической безопасности предприятия устанавливают задачу управления и поддержания минимального уровня воздействия экологических аспектов на окружающую среду.

Материалы диссертационной работы могут быть применены при проектировании, строительстве новых и модернизации действующих нефтегазовых комплексов в России.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Показано, что для повышения устойчивости функционирования технологических систем должен выполняться комплексный теоретический анализ факторов, влияющих на промышленную безопасность объектов нефтегазового комплекса на этапах строительства и освоения.

2. На основе исследований по количественной оценке характеристик техногенных рисков на предприятиях нефтегазового комплекса показано, что для увеличения времени безотказной работы производства в црлом или отдельных технологических узлов могут быть применены различные методы резервирования и восстановления оборудования:

- раздельное резервирование оборудования для замены вышедших из строя отдельных узлов;

- общее резервирование оборудования для всей технологической линии, что позволит экономить затраты на строительство законченных производственных процессов, но при этом сокращается время их безотказной работы;

- скользящее резервирование. Рекомендуется применять при большом количестве однотипных узлов в технологическом оборудовании;

- нагруженное резервирование. Применяется при большом числе работающих и резервных технологических элементов.

Для всех основных типов резервирования и восстановления получены аналитические зависимости для расчета времени наработки до отказа технологического оборудования и численные оценки.

3. На основе компьютерного моделирования и промышленного испытания показано, что для повышения устойчивости функционирования технологических систем нефтегазовых комплексов целесообразно использовать комбинированное водоснабжение, при котором часть сточных вод после очистки и водоподготовки используется в оборотном водоснабжении, а другая часть после очистки используется для поддержания пластового давления.

4. Разработаны рекомендации по оснащению предприятий нефтегазовой отрасли службами экологического менеджмента и определены нормативы проведения экологического аудита для предотвращения техногенных аварий и экологических катастроф.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

В журналах из перечня ведущих рецензируемых научных журналов ВАК

1. Бондарук A.M., Гоц С.С., Ямалетдинова К.Ш., Гимаев Р.Н. Математическое моделирование процессов управления балансами накопления жидкости в очистных сооружениях // Экология и промышленность России. - 2008. - № 2. - С. 13-15.

2. Бондарук A.M., Ямалетдинова К.Ш., Гимаев Р.Н., Пыхов С.И. Система экологического менеджмента на предприятии // Экология и промышленность России. - 2008. - № 4. - С. 28-31.

3. Бондарук A.M., Гоц С.С., Ямалетдинова К.Ш., Фахретдинов И.Р., Оточин В.П., Суяргулова А.З., Гареев Р.Ю., Халадов А.Ш., Саляхов В.В. Моделирование процессов управления накоплением жидкости в очистных сооружениях // Нефтяное хозяйство. - 2008. - № 9. - С. 94-95.

4. Бондарук A.M., Гоц С.С., Хиразов Э.Р., Гимаев Р.Н. Анализ изменения объемной концентрации загрязняющего компонента в буферном накопителе очистных сооружений // Экология и промышленность России. -2008. -№ 11.-С. 46-47.

5. Бондарук A.M., Гимаев А.Р., Гоц С.С., Ямалетдинова К.Ш. Организационно-экономические факторы повышения надежности технологического оборудования // Электронный научный журнал

«Нефтегазовое дело». - 2010. URL: http:/www.ogbus.ru/ authors/Bondaruk/Bondaruk_3 .pdf.

6. Bondaruk A.M., Gimaev M.R., Mukhametzyanova A.F., Yamaletdinova A.A. Quantitative assessment of technological unit explosion in petrochemical production // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело».- 2010. URL: http:/vvww.ogbus.ru/eng/authors/Bondaruk/Bondaruk_l.pdf.

7. Бондарук А.М., Гоц С.С., Гимаев Р.Н., Хакимов Р.М., Нурутдннов А.А., Пыхов Д.С. Анализ функциональных характеристик яркостных профилей оптического изображения структур двухфазных сред // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» /ИПТЭР.-2010. -Вып. 4 (82).-С. 14-19.

Монографии, учебные пособия

8. Автоматизированная система управления в технологических процессах: Учебное пособие / А.М. Бондарук, С.С. Гоц, К.Ш. Ямалетди-нова, Р.Н. Гимаев. - Уфа: Монография, 2008. - 160 с.

Патенты

9. Пат. 81956 РФ. Линейный каскадный накопитель системы очистки потока жидкости / А.М. Бондарук, С.С. Гоц, К.Ш. Ямалетдинова, Р.Н. Гимаев (РФ). - Опубл. 10.04.2009. Бюл. № 10.

10. Пат. 81955 РФ. Кольцевой каскадный накопитель системы очистки потока жидкости / А.М. Бондарук, С.С. Гоц, К.Ш. Ямалетдинова, Р.Н. Гимаев (РФ). - Опубл. 10.04.2009. Бюл. № 10.

11. Пат. 2390501 РФ. Система предварительной подготовки промышленных стоков для биохимической очистки / А.М. Бондарук, С.С. Гоц, К.Ш. Ямалетдинова, Р.Н. Гимаев (РФ). - 2008143535/15. - Опубл. 27.05.2010. Бюл. № 15.

12. Пат. 2390501 РФ. Кольцевой каскадный буферный накопитель системы очистки потока жидкости / А.М. Бондарук, С.С. Гоц, Р.Н. Гимаев, К.Ш. Ямалетдинова (РФ). - 2008140796/15; Заявлено 14.10.20087 Опубл. 20.06.2010. Бюл. № 17.

Другие публикации по теме диссертации

13. Бондарук А.М., Ямалетдинова Г.Ф., Фахретдинов Р.Р. К вопросу оптимизации технологической схемы очистных сооружений сточных вод // Проблемы ресурсо- и энергосбережения в технологиях освоения трудноизвлекаемых запасов углеводородов. Научн. тр. секции А в рамках VIII Междунар. конгресса нефтегазопромышленников России. - Уфа: Монография, 2009.-С. 121-126.

14. Бондарук А.М., Хакимов Р.М., Хисамиева Г.М., Саляхов В.В. Методика планирования и оптимизации исследований путем процессного подхода // Новые информационные технологии и менеджмент качества.

Матер. Междунар. форума 28 марта - 4 апреля 2009 г. (Египет, Шарм-эль-Шейх). - М.: Фонд «Качество», 2009. - С. 231-234.

15. Бондарук A.M., Ямалетдинова Г.Ф., Фахретдинов P.P., Могильникова JI.H. Оптимизация технологической схемы очистных сооружений сточных вод // Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике. Матер. V Всеросс. научн.-метод. конф. 16-17 апреля 2009 г. - Уфа: РИО РУНМЦ МО РБ, 2009. - С. 128-132.

16. Бондарук A.M., Ямалетдинова К.Ш., Понаиотов O.JL, Перескоков С.Ф., Пыхов С.И. Экологические аспекты промышленного предприятия крупного мегаполиса // Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике. Матер. VI Всеросс. научн.-метод. конф. 14-15 апреля 2010 г. - Уфа: РИЦ БашГУ, 2010. - С. 259-262.

17. Бондарук A.M., Гоц С.С., Ямалетдинова К.Ш., Гимаев Р.Н. Система автоматического управления накоплением жидкости в емкостях // Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике. Матер. VI Всеросс. научн.-метод. конф. 14-15 апреля 2010 г. - Уфа: РИЦ БашГУ, 2010. - С. 297-302.

18. Бондарук A.M. Процессный подход в оценке существующего оборудования и обеспечении современного технопарка для управления качеством выпускаемой продукции // Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике. Матер. VI Всеросс. научн.-метод. конф. 14-15 апреля 2010 г. - Уфа: РИЦ БашГУ, 2010. - С. 309-315.

19. Бондарук A.M., Понаиотов О.Л., Перескоков С.Ф., Гимаев Р.Н. Идентификация экологических аспектов промышленного предприятия крупного мегаполиса // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Проблемы и методы рационального использования нефтяного попутного газа. Матер, научн.-практ. конф. в рамках XVIII международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии - 2010» 26 мая 2010 г. - Уфа, 2010. -С. 306-308.

20. Нурутдинов А.А., Гимаев М.Р., Бондарук A.M., Пыхов Д.С. Роль гидрофильно-липофильного баланса в выборе поверхностно-активных веществ // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. Десятой Всеросс. научн.-практ. конф. 20 октября 2010 г. - Уфа, 2010. - С. 124-125.

21.Хакимов P.M., Бондарук А.М., Кузнецов Ю.А., Саляхов В.В. К вопросу о проблеме измерения пористости твердых веществ // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. Десятой Всеросс. научн.-практ. конф. 20 октября 2010 г. - Уфа, 2010. - С. 122-123.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 17.03.2011 г. Бумага писчая. Заказ № 62. Тираж 100 экз. Ротапринт ГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

2010176877