автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Повышение безопасности промышленных объектов на основе совершенствования методов и средств дистанционного детектирования газовых утечек

Введение

1 Анализ современного состояния и путей повышения эффективности \ о мониторинга промышленной безопасности на основе методов и средств детектирования газовых утечек

1.1 Система управления промышленной безопасностью Ю

1.2 Обзор методов детектирования газовых утечек, используемых 1 з для обеспечения безопасности производственных объектов

1.2.1 Классификация методов детектирования 1 з

1.2.2 Пробоотборные методы

1.2.3 Методы локального контроля утечек

1.2.4 Оптико-электронные методы дистанционного мониторинга утечек

1.2.5 Особенности построения дистанционных детекторов

1.2.6 Классификация и отличительные особенности дистанционных 25 методов детектирования газовых утечек

1.3 Постановка задачи исследования

1.3.1. Сопоставление укрупненных методов детектирования утечек газов

1.3.2. Постановка задачи исследования

2 Разработка методологии оценки эффективности методов и средств мониторинга 33 утечек

2.1 Традиционные подходы к оценке эффективности

2.2 Развитие методологии оценки эффективности

2.2.1 Этапы оценивания эффективности методов и средств мониторинга

2.2.2 Разработка специфических критериев оценки эффективности

2.3 Сравнительный анализ методов детектирования на базе предложенных 39 критериев

2.3.1 Качественный анализ методов детектирования утечек

2.3.2 Количественные оценки методов детектирования утечек

2.4 Сравнительный анализ средств детектирования утечек

2.5 Разработка специализированного алгоритма оценки эффективности 46 методов и средств, используемых для мониторинга безопасности

Выводы по главе

3 Разработка методов повышения безопасности промышленных объектов 52 на основе анализа и совершенствования дистанционных методов детектирования газовых утечек

3.1 Анализ эффективности и моделирование предельных возможностей 52 детектирования утечек абсорбционными методами

3.1.1 Принцип действия дистанционного абсорбционного детектора утечек

3.1.2 Обобщение параметров дистанционных детекторов утечек

3.1.3 Закономерности изменений верхнего предела детектируемых 57 концентраций

3.1.4 Закономерности изменений порога чувствительности системы

3.1.5 Закономерности изменения диапазона детектируемых концентраций б ]

3.1.6 Особенности детектирования узкого газового шлейфа

3.1.7 Методика выбора требуемого детектора утечки

3.2 Анализ источников погрешности дистанционного мониторинга утечек 66 3.2.1 Точностные характеристики мониторинга с разнесенным приемопередатчиком с учетом реальных условий промышленного производства

3.2.1.1 Точность измерения концентрации

3.2.1.2 Вибрационные характеристики

3.2.1.3 Фоновые характеристики

3.2.1.4 Оптимизация углового поля приемной системы

3.2.1.5 Влияние оптических параметров окружающей среды 73 3.2.2 Модельные вычислительные эксперименты по восстановлению пространственного распределения концентрации утечки

3.3 Аппаратурные методы повышения точности измерений

3.3.1 Особенности алгоритмической обработки эхо-сигналов 80 при детектировании утечек

3.3.2 Структура детектора и методика измерений

§3 Выводы по главе

4 Техническая реализация дистанционных детекторов утечек

4.1 Возможности дистанционных методов детектирования утечек

§

4.2 Особенности технической реализации дистанционного детектора утечек 88 аммиака

4.2.1 Принципы построения и особенности технической реализации

4.2.2 Структура прибора

4.2.3 Передающий тракт дистанционного детектора

4.2.4 Приемный тракт дистанционного детектора

4.2.5 Результаты испытаний

4.3 Особенности технической реализации дистанционного детектора утечек 96 предельных углеводородов

4.3.1 Возможности и ограничения дистанционного детектирования утечек 96 предельных углеродов

4.3.2 Структура дистанционного детектора

4.3.2 Конструкция дистанционного детектора

4.3.3 Результаты испытаний 100 Выводы по главе

В настоящей работе обобщены результаты исследований, выполненных автором в период 1995-2001 гг., направленных на развитие теории и разработку методов и средств повышения безопасности производственных объектов на основе дистанционных методов контроля утечек газов.

Актуальность

Одним из важнейших аспектов предупреждения аварийных ситуаций, пожаров и взрывов является контроль содержания в воздухе производственных объектов пожаровзрывоопасных и токсичных компонентов. Причем не только в случае их выброса при аварийных разгерметизациях оборудования, но и при регламентных режимах технологических установок, поскольку утечки компонентов при неисправности оборудования и нарушениях технологии могут привести к аварийным ситуациям. Для обеспечения эффективного контроля и своевременного обнаружения утечек, принятия управленческих решений необходимы высокоэффективные приборы, отвечающие современным требованиям и способные функционировать в разнообразных условиях применения.

Для контроля утечек опасных веществ в настоящее время широко применяются самые разные методы и средства: термохимические, термо-кондуктометрические, ионизационные, ионизационно-пламенные и др. При этом обычно осуществляется отбор проб воздуха с последующим анализом состава на месте или в лаборатории. Необходимость ручного или иного отбора проб, значительное время анализа, сложность контроля объектов в труднодоступных местах и т.д. не позволяют реализовать оперативный автоматизированный контроль состояния воздуха и обеспечить реальную безопасность производственных объектов. В связи с этим очевидны перспективы методов дистанционного детектирования утечек опасных веществ, основанных на использовании оптико-электронных приборов дистанционного действия, в том числе, лазерных абсорбционных детекторов.

Однако для практической реализации и внедрения методов лазерного дистанционного контроля необходимо решение комплекса научно-технических задач, включая разработку методологии технико-экономического обоснования их использования, обоснование параметров детектора для обеспечения требуемого диапазона концентраций и дальности действия, оценку эффективности методов дистанционного детектирования на основе их математического моделирования и т.п. Без решения этих задач совершенствование системы управления промышленной безопасностью в значительной степени тормозится. Поэтому актуальность такой постановки задачи не вызывает сомнений.

Исследования и разработки проводились в соответствии с планами важнейших направлений науки и техники на основании:

- Целевой программы "Развитие государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций Республики Татарстан в 1997-98 гг.";

- "Комплексной программы Республики Татарстан по предупреждению чрезвычайных ситуаций на 1999-2003 гг.", раздел "Создание и развитие систем мониторинга, прогнозирования и оценки ЧС природного и техногенного характера";

- важнейших направлений науки, принятыми Миннауки и Минобразования Российской Федерации;

- программы "Экологическая безопасность России";

- Российских программ по промышленной безопасности и чрезвычайным ситуациям.

Цель работы и основные задачи Целью работы являлись исследование и разработка оптико-электронных методов и приборов дистанционного контроля утечек газов.

В соответствии с поставленной целью решались следующие научные задачи:

- разработка научных основ и методики оценки технико-экономической эффективности методов и средств мониторинга токсичных и газо-взры5 воопасных компонентов в воздухе производственных объектов на основе учета специфики проблемы обеспечения промышленной безопасности;

- анализ, математическое моделирование и разработка методов оценки предельных возможностей дистанционных детекторов газовых утечек;

- исследование и количественная оценка влияния искажающих факторов на точность измерения пространственного распределения концентрации утечки; разработка методов повышения точности измерения и алгоритмов обработки;

- разработка, исследование и промышленные испытания лазерных дистанционных детекторов утечек газов.

Методы исследования Проведенные теоретические исследования и разработанные методы проектирования базируются на использовании современных методов теории системного анализа, теории измерений, математического программирования, спектрального анализа, численного моделирования. В экспериментальных исследованиях использованы современные средства цифровой и аналоговой измерительной техники и микро-ЭВМ.

Научная новизна

- разработан количественный метод оценки технико-экономической эффективности методов и средств, используемых для мониторинга состояния воздушной среды на опасных производственных объектах;

- предложен обобщенный технический показатель качества абсорбционных детекторов утечек; на его основе разработаны количественные критерии для определения порога чувствительности детекторов в зависимости от дальности уверенного детектирования утечки, выявлены закономерности изменения диапазона детектируемых концентраций, разработана методика выбора параметров детектора утечки для конкретных условий промышленного применения;

- получены теоретические оценки влияния искажающих факторов (вибрации, внешней фоновой засветки, оптической изменчивости среды) на точность дистанционного определения пространственного распределения опасных газов; разработаны методы и алгоритмы обработки эхо-сигналов дистанционного детектора, повышающие точность определения пространственного распределения утечек.

Практическая значимость результатов исследований Разработанная методология оценки эффективности методов и средств контроля утечек позволяет обосновать их выбор с учетом специфики задачи обеспечения безопасности и конкретного производства. Результаты теоретического и экспериментального анализа дистанционных систем мониторинга, разработанные методы повышения их эффективности являются базой для широкого использования этих средств с целью надежного обеспечения безопасности производственных объектов. Основные результаты работы доведены до уровня инженерных формул, алгоритмов и методик, облегчающих их использование.

Разработанные макеты дистанционных детекторов утечки успешно прошли натурные испытания в промышленности. По сравнению с традиционными они имеют большую дальность действия и разрешающую способность при высокой чувствительности. Это значительно повышает пространственный масштаб, информативность и точность результатов мониторинга промышленной безопасности. Результаты работы в виде методик дистанционного мониторинга, методик сопоставительного анализа эффективности методов и средств, результатов испытаний разработанных систем внедрены в ПО «Казанский молочный комбинат», НПО «Нижнекамскнеф-техим», ОАО «Таттрансгаз», ООО «Газпром», а также в учебном процессе КГТУ им. А.Н. Туполева в курсовом и дипломном проектировании. Результаты исследований и разработок могут быть использованы в химической, нефте-, газодобывающей и перерабатывающей промышленности.

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: - Международная научно-техническая конференция "Безопасность жизнедеятельности", Казань, 1997г.

- III Республиканской научной конференции "Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан", Казань, 1997;

- Международный симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды", Томск, 1998;

- Международный симпозиум "Аэросенс", конференция -Применение лазерных технологий", Орландо, США, 1998;

- Международный симпозиум "Оптотехника для безопасности", Квебек, Канада, 1998;

- Международный симпозиум "Оптоэлектроника и ее промышленные применения", Сан Диего, США, 1998;

- Конференции по безопасности жизнедеятельности и экологии У1 и УП Международных симпозиумов "Оптика атмосферы и океана", Томск, 1998-2000 гг.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 9 статей в центральных и международных журналах, 3 статьи в научно-технических сборниках и 3 тезисов докладов; получен патент РФ.

Структура и объем диссертации Диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста, иллюстрирована 37 рисунками и 9 таблицами. Состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 66 наименований и приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ современного состояния комплекса проблем, связанных с обеспечением безопасности производственных объектов, в которых используются взрыво-пожароопасные и токсичные газы, показал актуальность исследований и разработок путей совершенствования дистанционных методов и средств мониторинга утечек, способных повысить уровень безопасности объектов.

2. Для обобщенной оценки технико-экономических характеристик методов контроля утечек введены факторы временной и пространственной эффективности, чувствительности, точности, а также экономический фактор, совместно отражающие современные требования и тенденции по обеспечению промышленной безопасности. С учетом совокупности факторов разработан алгоритм оценки результирующей эффективности методов и средств контроля утечек на опасных объектах. Установлено, что дистанционные средства контроля в наибольшей степени удовлетворяют требованиям безопасности производства.

3. Для определения эксплуатационных характеристик систем лазерного мониторинга утечек предложен обобщенный безразмерный показатель качества (системный параметр V). На его основе получены аналитические зависимости для оценки эффективности существующих и потенциальных возможностей проектируемых средств. Разработана методика, позволяющая прогнозировать тактические характеристики и выбирать параметры детекторов утечек, обеспечивающие наилучшую эффективность мониторинга при заданных исходных параметрах (дальности уверенного детектирования утечек, минимальной детектируемой концентрации и т.д.).

4. Установлены основные источники погрешности, присущие лазерным методам определения пространственного распределения концентрации утечек (вибрация, фоновая засветка, оптическая изменчивость среды). Проанализированы закономерности воздействия искажающих факторов на точность измерения концентрации утечки.

5. Предложены алгоритмы обработки сигналов детектора, существенно ослабляющие влияние искажающих факторов и снижающие результирующую относительную погрешность измерений (до 10%). Показаны возможности оптимизации параметров дистанционного детектора утечек (поля зрения приемника); указаны пути обеспечения минимальной чувствительности к вибрации и внешнему фону. Модельные вычислительные эксперименты по восстановлению пространственного распределения концентрации утечки для разных условий измерений показали хорошее согласие с аналитическими расчетами.

6. Разработаны метод повышения точности измерений пространственного распределения концентрации и алгоритмы обработки эхо-сигналов дистанционного детектора. Результаты расчетов подтвердили более высокую эффективность разработанных методов и средств контроля утечек, а также алгоритмов обработки сигналов по сравнению с традиционными.

7. На основе результатов выполненных исследований разработаны и созданы лазерные дистанционные детекторы утечек аммиака и предельных углеводородов. Испытания показали их высокую эффективность и широкие функциональные возможности Разработаны практические рекомендации по выбору структуры и параметров приборов дистанционного контроля утечек.

1. Абросимов A.A. Управление промышленной безопасностью. - М.: Машиностроение, 2000.

2. Давыдов В.Г., Кузьмин А.П. Система управления охраной труда на предприятии. М.: Машиностроение, 1989.

3. Мартынюк В.Ф. Научно-методические основы прогнозирования и предупреждения аварийности в промышленности. М.: Химия, 1998.

4. Колпакова J1.H., Мельников Ю.Н.- Физико-химические методы обработки промышленных стоков и газовых выбросов. Л.: Химия. 1985.

5. Вулих А.И., Загорская М.К., Варламова Л.В.- В НТТС: Промышленная и санитарная очистка газов. М.: ЦИНТИХимнефтемаш, 1984, № 6.

6. Бережковский М.И. Трубопроводный транспорт химических продуктов. Л., Химия, 1979.

7. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. - Л., Химия,1972.

8. Указания по расчету рассеивания в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (СН 369-74). М., Стройиздат, 1975.

9. Андреев П.И. Рассеивание в воздухе газов, выбрасываемых промышленными предприятиями. М., Стройиздат, 1972.

10. Инструкция по составлению планов ликвидации аварий. М., Недра, 1988.

11. Звездин H.A. Автоматическая сигнализация в пожарной охране. -М.: Стройиздат, 1970, 112с.

12. Тименский М.Н., Зуйков Г.М. Контрольно-измерительные приборы для противопожарной и противовзрывной защиты: Справочник. М.: Стройиздат, 1982.

13. Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справочник. В 2-х кн. / А.М.Александров и др. М.: Химия, 1990.

14. Сапунов Н.Е., Никишова А.Г. Пожаро- и взрывобезопасность складов и баз сжиженных углеводородных газов. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1975.

15. Бесчастнов М.В. Взрывобезопасность и противоаварийная защита химических технологических процессов. М.: Химия, 1983.

16. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. М.: Химия, 1991.

17. Водяник В.И. Оценка опасности взрывов больших газовых облаков в открытом пространстве. М.: НИИТЭХим, 1989.

18. Заказнов В.Ф. Взрывы горючих газов в неограниченном пространстве. М.: НИИТЭХим, 1984.

19. Маринина Л.К., Макаров Г.В. Взрывы промышленных пылей и их предупреждение на предприятиях химической промышленности. М.: МХТИ, 1977.

20. Никитин B.C., Рябец В.А. Основные параметры взрывов и пожароопасное™ газов и паров в СССР, США и ФРГ. Обзор. М.: ВНИИОТ, 1974.

21. Брейман М.И. Инженерные решения по технике безопасности в пожаро- и взрывоопасных производствах. М.: Химия, 1974.

22. Веселов А.И., Мешман Л.М. Автоматизация пожаро- и взрывоопасных предприятий химической и нефтехимической промышленности М.: Химия, 1975.

23. Лысцев В.Е., Монастырский К.Е. / В кн.: Проблемы и методы дистанционного измерения оптических параметров атмосферы (Труды НИ-ИГП, вып.36). М., 1978.

24. Применение лазеров для определения состава атмосферы / Костко O.K., Портасов B.C., Хаттатов В.У. и др./ Под ред. В.М.Захарова. Л.: Гид-рометеоиздат, 1983.

25. Лазерный контроль атмосферы / Под ред. Э.Хинкли. М.: Мир, 1979.

26. Мейер П., Зигрист М. Контроль загрязнений атмосферы методами лазерной спектроскопии // Приборы для научных исследований. 1990. №7, с.3-28.

27. Schiff H.I., Robbins J., Nadler S.D. SENSAIR an improved DOAS System//Proceedings SPIE, 1995, Vol. 1711, pp. 464-468.

28. Маркова В.А., Костриков В.И. Методы очистки газо-воздушных выбросов от аммиака. М.: ЦИНТИХимнефтемаш, 1989.

29. Сборник отраслевых методик измерений концентрации загрязняющих веществ в промышленных выбросах. Ч. 2. М.: Гидрометеоиздат, 1985.

30. Харламович Г.Д., Закаменных Т.М., Кудряшова Р.И. // Химическая промышленность. 1984. №1, с.29-31.

31. Перегуд Е.А. Инструментальные методы контроля загрязнений атмосферы. JL: Химия, 1985.

32. Kubo I., Karube I., Moruzumi Т. // Analytic Chemistry Letters, 1986, v.19, № 5-6, p.697-706.

33. Тодосейчук С.П., Коряжин С.П., Парамонов В.В. Методические подходы к оценке технического уровня инструмента // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуация. М., 2000, №4, с. 118-122.

34. Палий А.И., Чураков Ю.И. Методика оценки относительной эф-фектив-ности средств гражданской защиты объектов экономики. // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуация. М., 1998, №12, с.76-85.

35. Овчинников В.В., Резников В.М., Хомяков H.H. и др. Определение технико-экономической эффективности оснащения сил РСЧС // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуация. М., 1997, №11, с.74-81.

36. Безопасность и предупреждение ЧС / Нормативно-правовая база и технические средства / Химическая и нефтеперерабатывающая промышленность // Каталог-справочник. Кн.З. М.: Институт риска и безопасности, 1999.

37. Экономические аспекты создания новой техники / Под ред. С.В.Моисе-ева. М.: Машиностроение, 1986.

38. Экономическое обоснование проектов по приборостроению / Под ред. С.В.Моисеева. М.: Машиностроение, 1989. ■

39. Рэди Дж. Промышленные применения лазеров. М.: Мир, 1986.

40. Агишев P.P. Защита от фоновой помехи в оптико-электронных системах контроля состояния атмосферы. М.: Машиностроение, 1994.

41. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М.: Мир,1987.

42. СНиП 2.02.05-87. Фундаменты машин с динамическими нагрузками.-М.: 1991.

43. Малашин М.С., Каминский Р.П., Борисов Ю.Б. Основы проектирования лазерных локационных систем.- М.: Высшая школа, 1983.

44. Эффективность сложных систем/Под ред. А.В.Ильичева. М.: Наука, 1993.

45. Немец В.И. Спектральный анализ неорганических газов. М., Мир, 1988.

46. Спектроскопические методы определения следов элементов / Под ред. О.В.Петрухина. М.: Мир, 1979.

47. Hitran database / National Climatic Center, National Oceanic & Atmospheric Administration, Washington, USA, 1999.

48. Перегуд E.A. Химический анализ воздуха. JI.: Химия, 1989.

49. Коренман И.Н. Фотометрический анализ. М.: Химия 1975. С.76

50. Goldstein N., Lee J., Bien F. Automated remote monitoring of toxic gases with diode-laser-based sensor systems / SPIE Proceedings, 1994, Vol.2112, pp.130-139.

51. Агишев P.P., Власов B.A. Лазерная невозмущающая диагностика и дистанционный экспресс-анализ для обеспечения безопасности производственных объектов / Республиканская научно-техническая конференция "Безопасность жизнедеятельности". Казань, 1997г.

52. Власов В.А., Гараев О.М., Зиганшин М.И. и др. Превращение массивов информации о чрезвычайных ситуациях в банки данных / Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях, М., 1997, вып.11, с.60-67.

53. Власов В.А. Вопросы безопасности жизнедеятельности / SOS -Systems ofSafety, 1997, No. 1, с.4-11.

54. Агишев P.P., Айбатов Л.Р., Власов В.А. и др. Дистанционное бесконтактное обнаружение утечек аммиака в цеховых условиях / Международный симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды". Тезисы докладов. Томск, Изд. СО РАН, 1998, с.46-47.

55. Agishev R.R., Vlasov V.A. Stability of Vis&NIR LIDAR Against sky background clutter: Analysis and improvement Methods // in: Targets & Backgrounds: Characterization & Representation. Proceedings of SPIE, 1998. Washington, USA, v.3375, pp.203-210.

56. Агишев P.P., Айбатов Л.Р., Власов В.А. и др. Дистанционное бесконтактное обнаружение утечек аммиака в цеховых условиях // Оптика атмосферы и океана, 1999, №1, с.70-74.

57. Агишев P.P., Власов В.А., Сагдиев Р.К. Детектирование газовых утечек LD-FM-CW-лидаром /У 1 Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана". Томск, ИОА СО РАН, 1999, с.90-91.

58. Agishev R.R., Aibatov L.R., Vlasov V.A. at al. Remote detection of ammo-nia leakage under indoor conditions / Atmospheric & Oceanic Optics,1999, vol.12, No.l, pp. 69-73.

59. Агишев P.P., Власов B.A., Сагдиев Р.К. Повышение точности оптико-электронной системы пространственного мониторинга газовых загрязнений воздуха / Известия ВУЗов: Авиационная техника, 2000, №3, с.76-77.

60. Agishev R.R., Vlasov V.A., Sagdiev R.K. Increasing of optoelectronic sys-tem accuracy for spatial monitoring of air gaseous pollutions / Russian Aero-nautics, 2000, vol. 43, No. 3, pp. 116-118.

61. Агишев P.P., Власов В.А., Сагдиев Р.К. Способ определения пространственного распределения физических параметров газовой среды // Патент РФ на изобретение № 2167409 от 20.05.2001. *

62. Агишев P.P., Власов В.А., Оценка эффективности средств дистанционного мониторинга техногенных загрязнений воздуха для обеспечениябезопасности промышленных объектов / Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях, 2001, № 2, с.37-39.

63. Агишев P.P., Власов В.А. Лазерное дистанционное детектирование газовых утечек: анализ характеристики «чувствительность-дальность»/ Приборы и системы: Управление, контроль, диагностика. 2001, № 7, с.60-64.

64. Агишев P.P., Власов В.А. Анализ пределов детектируемых концентраций утечек при использовании лазерных абсорбционных газоанализаторов / Безопасность труда в промышленности. 2001, № 5, с.37-40.