автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Синтез систем противоаварийной защиты для процессов подготовки продукции нефтегазовых скважин

На правах рукописи

Телюк Антон Сергеевич

СИНТЕЗ СИСТЕМ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ ДЛЯ ПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ ПРОДУКЦИИ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» (промышленность) (технические науки)

Автореферат ] о ДСК 2014

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2014

005556866

005556866

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина».

Научный руководитель:

Карманов Анатолий Вячеславович,

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры Автоматизации технологических процессов РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина.

Официальные оппоненты:

Каштанов Виктор Алексеевич,

доктор физико-математических наук, профессор,

профессор кафедры Высшей математики Московского института электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики».

Ливанов Юрий Васильевич, кандидат технических наук, доцент, генеральный директор ООО «Риск Анализ».

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Вычислительный центр им. А. А. Дородницына Российской академии наук.

Защита состоится «^»(^Ь^брС^^С. года в часов минут

на заседании диссертационного совета Д 212.200.09 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина» по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, 65, аудитория 260.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина» и на сайте http://gubkin.ru.

Автореферат разослан « » года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Великанов Дмитрий Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В соответствии с Федеральным законом №116-ФЗ «О промышленной безопасности ...» практически все производственные объекты нефтегазовой отрасли являются опасными производственными объектами (ОПО). Функционирующие ОПО обладают тем свойством, что на этих объектах возникают аварии, которые могут привести к существенным негативным последствиям: значительным экономическим потерям; нанесению вреда производственному персоналу, окружающей среде и населению. Уровень безопасного функционирования на всем периоде эксплуатации ОПО поддерживается за счет различных организационных мероприятий и технических систем безопасности. В частности, в состав автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) в нефтегазовой отрасли входят системы противоаварийной защиты (ПАЗ), основной функцией которых является предотвращение аварий, возникающих на ОПО.

Статистические данные показывают, что только по зарегистрированным авариям за последние 5 лет потери в нефтегазовой отрасли развитых стран мира составляют около 500 млн. $ в год. При этом результаты анализа этих аварий указывают на то, что большинство из них можно было избежать, если бы технические средства, обеспечивающие безопасную эксплуатацию ОПО, обладали необходимыми защитными свойствами.

Таким образом, актуальной проблемой является повышение уровня безопасности функционирования ОПО. Одним из важных направлений решения указанной проблемы является повышение качества проектирования ПАЗ, в частности, за счет научно обоснованного синтеза ПАЗ, основанного на детальном учете взаимодействия ПАЗ и ОПО.

Целью диссертационной работы является повышение уровня безопасности функционирования ОПО за счет разработки метода и программного обеспечения синтеза многоканальной ПАЗ на основе

формализации принципа АЬАШ\ рекомендованного к применению ГОСТ Р МЭК 61508, 61511. При этом под синтезом ПАЗ понимается указание технических средств и их конфигурации, на базе которых реализуется ПАЗ (т.е. указание варианта исполнения ПАЗ), а принцип АЬАЯР, применительно к разработке технических систем безопасности, имеет следующую формулировку: система безопасности должна обеспечивать снижение риска настолько, насколько это «практически целесообразно».

Для достижения указанной цели последовательно решаются следующие задачи:

• Разработка математической модели процесса взаимодействия многоканальной ПАЗ с группой ОПО.

• Формирование стоимостного функционала, отражающего затраты на обеспечение безопасности ОПО средствами ПАЗ и потери от возникновения аварий и иных внештатных ситуаций на ОПО.

• Формирование задачи синтеза ПАЗ на основе принципа АЕАЯР.

• Разработка алгоритма и программного обеспечения для автоматизированного решения задачи синтеза ПАЗ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• Предложена математическая модель процесса взаимодействия многоканальной ПАЗ с группой ОПО, которая представляет собой случайный процесс с остановкой в момент времени возникновения аварии, учитывающий основные особенности функционирования ПАЗ. При этом данный случайный процесс с авариями задается совокупностью исходных данных, включающих в себя перечень технических средств, архитектур подсистем каждого канала и иных характеристик, необходимых для синтеза ПАЗ, т.е. определяющих конкретный вариант исполнения ПАЗ.

• Предложена структура стоимостного функционала на реализациях случайного процесса с авариями, которая отражает затраты на обеспечение

безопасности ОПО средствами конкретной ПАЗ и потери от возникновения аварий и иных внештатных ситуаций на ОПО.

• Сформирована задача синтеза ПАЗ на основе принципа ALARP как задача оптимального управления случайным процессом с авариями, в которой множество управлений представляет собой множество различных вариантов исполнения ПАЗ.

• Предложен алгоритм решения задачи синтеза ПАЗ на основе метода Монте-Карло (статистического моделирования).

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что разработано программное обеспечение, которое позволяет инженерам-проектировщикам осуществить в автоматизированном режиме синтез ПАЗ в соответствии с принципом ALARP. Это программное обеспечение передано к использованию в организацию ООО «РусГазАвтоматика», занимающуюся проектированием ПАЗ в составе АСУ технологических процессов подготовки продукции нефтегазовых скважин.

Основные защищаемые положения:

1. Математическая модель процесса взаимодействия многоканальной ПАЗ с группой ОПО, учитывающая основные особенности функционирования ПАЗ и представляющая собой случайный процесс, задаваемый вариантом исполнения ПАЗ.

2. Задача синтеза ПАЗ на основе принципа ALARP является задачей нахождения такого варианта исполнения ПАЗ из множества возможных вариантов, который минимизирует значение предложенного стоимостного функционала на случайном процессе. При этом стоимостной функционал включает в себя затраты на обеспечение безопасности ОПО средствами ПАЗ и потери от возникновения аварий и иных внештатных ситуаций на ОПО.

3. Алгоритм решения задачи синтеза ПАЗ и соответствующее программное обеспечение позволяют осуществить в автоматизированном режиме синтез ПАЗ в соответствии с принципом ALARP.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: Международная научная конференция "НЕФТЬ И ГАЗ-2011", Москва, 2011; Девятая всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (газ, нефть, энергетика), Москва, 2011; Международная научно-практическая конференция «Промышленная безопасность и охрана труда на предприятиях топливно-энергетического комплекса», Москва, 2011; IX Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», Москва, 2012; Семинар «Обеспечение безопасности на производстве», Московская область, 2012; X Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов "Новые технологии в газовой промышленности", Москва, 2013; Всероссийская научно-практическая интернет-конференция «Проблемы автоматизации технологических процессов добычи, транспорта и переработки нефти и газа», Уфа, 2013; X Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», Москва, 2014.

Публикации. Основные результаты (научных исследований) диссертационной работы опубликованы в 18 печатных работах, из которых 11 работ - в периодических изданиях, рекомендованных ВАК, 6 - в иных научных сборниках; также получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Объем диссертации 111 страниц. Список литературы содержит 111 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и формулируется цель диссертационной работы, а также предлагается последовательность задач для

достижения этой цели. Указывается научная новизна, практическая значимость работы и основные защищаемые положения.

В первой главе «Особенности функционирования систем противоаварийной защиты» указывается место системы противоаварийной защиты (ПАЗ) в составе систем безопасности опасных производственных объектов (ОПО), рассматриваются особенности процесса взаимодействия ПАЗ с ОПО, и предлагается математическая модель, учитывающая основные особенности этого процесса. Математическая модель представляет собой некоторый случайный многомерный процесс, являющийся модификацией полумарковского процесса с катастрофами, предложенного для целей оценки характеристик безопасности Соловьевым А.Д., Каштановым В.А., Северцевым H.A., Зайцевой О.Б. и др. Эта глава состоит из следующих пяти разделов.

В первом разделе рассматривается классификация систем, обеспечивающих безопасность функционирования ОПО. Указывается, что ПАЗ является основным предотвращающим слоем защиты в составе АСУ ТП в нефтегазовой отрасли по классификации технических средств защиты, рекомендованной в ГОСТ Р МЭК 61508, 61511 по промышленной безопасности. Предотвращающий слой защиты характеризуется тем, что предназначен для существенного снижения частоты возникновения аварий на ОПО и как следствие - снижения риска от аварий и их последствий. В частности, ПАЗ предназначается для автоматического перевода объекта, на котором возник инцидент, в безопасное состояние, т.е. для осуществления мотивированного останова ОПО. Здесь под инцидентом понимается такое опасное событие на функционирующем ОПО, когда значение некоторого технологического параметра ОПО попадает в область критических значений (в критическую область). При этом дальнейшая эксплуатация ОПО запрещается согласно технологическому регламенту, т.к. это может привести к возникновению аварии.

Во втором разделе приводится структурная схема многоканальной ПАЗ, обслуживающей группу Г = (0П01,...,0П0„) непрерывно работающих ОПО, где п > 1; при этом каждый ]-ый ОПО имеет п^ критических областей (КО), ]= 1,...,п, п^ > 1. Эта структурная схема представлена на рисунке 1.

ПАЗ

Рисунок 1 - Структура многоканальной ПАЗ Каждую Б-ую критическую область (КО$), где 8 = на _|'-ом ОПО

обслуживает один (]',з)-канал ПАЗ, представляющий собой совокупность подсистем: (Д,.5, ПЛК, ИУ}), (1)

где Д,,5 - подсистема датчиков (¡,з)-канала; ПЛК - программируемый логический контроллер, имеющий число входов не меньше т = пи + ... + тп; ИУ; - подсистема исполнительных устройств обслуживающая ]-ый ОПО. При этом подсистема датчиков Д^ регистрирует попадание опасного технологического параметра в К05 на >ом ОПО; подсистема ПЛК осуществляет опрос датчиков и вырабатывает команду на останов ]-ого ОПО при возникновении инцидента; подсистема И У] осуществляет останов _)'-ого ОПО по команде ПЛК. Укажем основные особенности функционирования ПАЗ:

1. При попадании технологического параметра в э-ую КО возникает инцидент на]-ом ОПО, и при этом возможны следующие два варианта развития событий:

1.1. ()',5)-канал ПАЗ находится в работоспособном состоянии и тогда ПАЗ осуществляет мотивированный останов ^ого ОПО;

1.2. (],8)-канал ПАЗ находится в неработоспособном состоянии и тогда возникает неотработанный инцидент.

2. Подсистемы (¡^-канала ПАЗ могут отказывать в процессе функционирования независимо друг от друга. При этом отказ подсистемы Д ^ датчиков приводит к отказу только (¡,з)-канала, отказ подсистемы ИУ, исполнительных устройств приводит к отказу всех (¡^-каналов, обслуживающих _)-ый ОПО, а отказ подсистемы ПЛК приводит к отказу всех каналов ПАЗ.

3. Каждая подсистема, входящая в состав (¡,5)-канала, может иметь достаточно сложную архитектуру, определяемую характеристикой (М^'^ооЫ^Д где V = 1, 2, 3. При этом индекс V = 1 определяет подсистему датчиков, V = 2 -подсистему ПЛК, V = 3 - подсистему исполнительных устройств. Например, если подсистема датчиков Д 3 имеет архитектуру 5оо№^>5), то -общее количество параллельно работающих датчиков (элементов подсистемы) и N^¿.¡>1, а М(|)л>3 - количество датчиков (элементов подсистемы), которые должны быть в работоспособном состоянии для того, чтобы подсистема корректно выполнила свою основную функцию и 1 ¿М'1^^!^'^. При этом отказ подсистемы с архитектурой (М'^ооЫ^^) наступает, если отказали (N^,5- М(у\5+ 1) элементов подсистемы.

4. Каждая подсистема (],з)-канала может генерировать так называемые ложные срабатывания, которые осуществляют останов ]-ого ОПО в отсутствии на нем инцидента, т.е. осуществляют немотивированный останов ОПО. При этом у-ая подсистема (¡"^-канала, имеющая архитектуру М<ч,)^ооН<ч\5, может привести к ложному срабатыванию, если сбой в работе происходит в 3 элементах подсистемы.

5. Отказ каждого элемента любой подсистемы (¡,з)-канала может быть выявлен (обнаружен) и устранен одним из следующих двух способов:

5.1. Средствами самодиагностики ПАЗ, которые осуществляют практически мгновенную индикацию отказа. При этом проводится восстановление отказавшего элемента.

5.2. Отказы, не выявленные самодиагностикой, выявляются и устраняются во время периодических контрольных проверок работоспособности ПАЗ.

6. Функционирование ПАЗ ведется на ограниченном периоде времени [0,Т], где Т на практике часто равняется периоду амортизации ПАЗ, который в настоящее время не превышает 10 лет.

В настоящей работе взаимодействие ПАЗ с группой обслуживаемых ОПО представляется случайным процессом £,(1:), 1е[0,Т], являющимся совокупностью статистически зависимых процессов взаимодействия каждого (],з)-канала ПАЗ с соответствующим ОПО, где — многомерный случайный процесс, компонентами которого являются случайные потоки следующих событий: 1) инцидентов; 2) отказов и восстановлений (¡^-канала; 3) мотивированных остановов ОПО; 4) немотивированных остановов ОПО; 5) неотработанных инцидентов.

В третьем разделе предлагается и рассматривается совокупность исходных сведений X = (Ь,А), которой можно задать процесс 4(0, где Ь -характеристика группы Г = (ОПО!,...,ОПОп) опасных объектов, А -характеристика многоканальной ПАЗ.

В совокупность Ь входят следующие характеристики ОПО по каждой критической области: частота возникновения инцидентов; интервал времени от момента появления инцидента до момента наступления аварии в отсутствии ПАЗ.

В совокупность А входят характеристики, которые полностью идентифицируют ПАЗ, т.е. определяют конкретный вариант исполнения ПАЗ (и соответственно инженерную спецификацию ПАЗ). К этим характеристикам

относятся: архитектура каждой подсистемы; тип и наименование технического средства, являющегося элементом у-ой подсистемы каждого (¡,з)-канала ПАЗ, а также надежностные характеристики этого элемента (такие как функции надежности, интенсивность ложных срабатываний, уровень самодиагностики и т.п.); правило ремонтно-профилактического обслуживания каждой подсистемы ПАЗ; быстродействие канала или время, затрачиваемое каналом от момента обнаружения инцидента на ОПО и до перевода ОПО в безопасное состояние; правило опроса подсистем датчиков ПАЗ. При этом ПАЗ, которая идентифицируется совокупностью А, обозначается ПАЗ(А).

Процесс 4(0, задаваемый конкретной совокупностью Ъ = (Ь,А), обозначается 4(2,0-

В четвертом разделе вводится определение аварии как события со на множестве Я всевозможных реализаций (траекторий) процесса 4(2,0- При этом со определяется как множество реализаций (траекторий), на которых возник хотя бы один неотработанный инцидент, т.е.:

г т|

М={Г6Я|ЕХ пр^(Т,г)>1}, (2)

И 5 = 1

где пр^5(Т, г) — число неотработанных (¡,з)-каналом ПАЗ инцидентов в интервале времени [0,Т] на реализации г. Далее вводится случайное время Х(г) до аварии, представляющее собой время до первого неотработанного инцидента в группе Г = (0П01,...,0П0„), и определяется процесс (4(2,1:),со) с авариями, являющийся математической моделью процесса взаимодействия многоканальной ПАЗ с этой группой ОПО. При этом процесс (4(2,1),со) является процессом 4(2,0, в котором каждая реализация г е Я рассматривается на следующем интервале времени: [0, Х(г)], если г е со; [0, Т], если г е со.

Таким образом, инцидент, возникший на опасном объекте в условиях неработоспособности ПАЗ, т.е. неотработанный инцидент, влечет за собой возникновение аварии, а момент времени возникновения аварии формально является моментом времени прерывание процесса 4(2,0-

В пятом разделе рассматриваются основные показатели безопасности для каждого (j,s)-Kanana ПАЗ, такие как коэффициент снижения риска и уровень полноты безопасности, рекомендованные международными (и российскими) стандартами IEC 61508, 61511 (или ГОСТ Р МЭК 61508, 61511).

Во второй главе «Синтез системы противоаварийной защиты» осуществляется как качественная, так и формальная постановка задачи синтеза ПАЗ, входящей в состав АСУ опасных технологических процессов подготовки продукции нефтегазовых скважин. Синтез ПАЗ основывается на принципе ALARP («as low as reasonably practicable»), рекомендованном к использованию для этих целей стандартами ГОСТ Р МЭК 61508, 61511. Формализация этого принципа, предложенная в данной работе, позволяет провести синтез ПАЗ, обслуживающей группу ОПО, таким образом, чтобы достичь «компромисс» между затратами на обеспечение безопасности ОПО средствами ПАЗ и риском от эксплуатации ОПО. Эта глава состоит из следующих четырех разделов.

В первом разделе приводится анализ существующих методов синтеза ПАЗ. Эти методы синтеза основываются на различных форматизациях принципа ALARP. Принцип ALARP для целей синтеза ПАЗ можно сформулировать следующим образом: ПАЗ должна обладать такими показателями качества функционирования (показателями безопасности), которые позволяют снизить риск возникновения внештатных ситуаций на ОПО настолько, насколько это «практически целесообразно». На основе этого предлагается несколько количественных и качественных методов определения требований к показателям безопасности ПАЗ. В соответствии с ГОСТ Р МЭК 61508, основным требованием к ПАЗ является обеспечение заданного уровня полноты безопасности (SIL - safety integrity level) или коэффициента снижения риска (КСР). При этом SIL может принимать одно из четырех значений SIL1,...,SIL4 в зависимости от значения коэффициента снижения риска. Далее синтез ПАЗ осуществляется в большинстве проектных организаций по схеме, состоящей из следующих основных этапов:

1. Экспертами по безопасности задается требуемый уровень SIL (или КСР), определяемый различными качественными или количественными методами, рекомендованными в ГОСТ Р МЭК 61508 и 61511.

2. Далее проектировщиками подбираются технические средства и конфигурация ПАЗ, обеспечивающие требуемый уровень SIL (или КСР).

Указанная схема синтеза имеет один существенный недостаток: практически не учитывается соотношение между затратами на обеспечение безопасности ОПО средствами ПАЗ и потерями (риском) от возникновения внештатных ситуаций на ОПО. Однако такой учет может являться важным обстоятельством, т.к. снижение риска, как правило, связано со значительным увеличением затрат на создание и эксплуатацию ПАЗ.

В данной работе предлагается при синтезе ПАЗ использовать принцип ALARP, в котором «практическая целесообразность снижения риска» трактуется как «компромисс» (оптимальный баланс) между достигнутым снижением риска и затратами на мероприятия по его снижению. На целесообразность такой трактовки указывается, в частности, в монографии Д.Макдональд - «Промышленная безопасность, оценивание риска и системы аварийного останова», посвященной разработке технических систем безопасности.

Во втором разделе «компромисс между снижением риска и затратами на мероприятия по его снижению» трактуется следующим образом: качество функционирования проектируемой ПАЗ должно быть таковым, чтобы обеспечить минимум суммы, включающей в себя затраты на создание, эксплуатацию ПАЗ (т.е. затраты на обеспечение безопасности ОПО средствами ПАЗ) и ожидаемые потери (риск), связанные с возникновением внештатных ситуаций на ОПО. При этом предлагается стоимостной функционал, заданный на процессе (¿;(Z,t),a>) взаимодействия ПАЗ с группой ОПО. Этот функционал имеет следующий вид:

a>(4(Z,t),(ü) = C(Z) = CMT(Z) + Cn0T(Z), (3)

где C^Z), Cn0T(Z) - математические ожидания соответственно затрат на обеспечение безопасности ОПО средствами ПАЗ и потерь (риск) от возникновения внештатных ситуаций на ОПО, отнесенные к одному году эксплуатации ПАЗ. Отметим, что вычисление математических ожиданий Сзат(2), Cn0T(Z) (и соответственно C(Z)) является трудно выполнимой задачей, обусловленной сложностью многомерного процесса (£(Z,t),ra). Поэтому, в дальнейшем, для определения значений CMT(Z), Cn0T(Z) будет использоваться метод статистического моделирования процесса (^(Z,t),to), позволяющий определить точечные статистические оценки указанных величин по множеству реализаций моделируемого процесса.

В этом разделе формулируется задача синтеза ПАЗ, обслуживающая группу Г = (OnOi,...,OnO„) опасных объектов, как задача нахождения минимума стоимостного функционала на процессе (4(Z,t),to), где Z = (L,A), AeD и D - множество возможных совокупностей А (т.е. множество возможных вариантов исполнения ПАЗ). Эта задача формулируется следующим образом: найти такую совокупность А* и соответственно ПАЗ(А*), для которой выполняется соотношение:

C(Z*) = C(L, А*) = min { C(L, А) | А е D }. (4)

По сути, задача синтеза ПАЗ, соответствующая выражению (4), является задачей оптимального управления процессом Z,t),ca) со стоимостным функционалом и критерием оптимальности, являющимся минимумом этого функционала, где Z = (L, А), AeD.

В том случае, когда подмножество D'cD определяемое равенством:

D* = { А е D | C(L, А) = C(L, А*) }, (5)

не является одноточечным, т.е. решение задачи (4) не является единственным, то в качестве решения выбирается такая совокупность А* е D*, для которой риск минимален, т.е. CnoT(L, А1) = min {CnOT(L, А) | А е D*}. При этом величина С„от(Ь,А') именуется приемлемым риском обусловленным принципом ALARP, а ПАЗ(А') является оптимальной ПАЗ в смысле соотношений (4) и (5).

Часто на практике целесообразно иметь некоторое множество D*(e) совокупностей А, Е-близких к А', где е - относительное отклонение, е > 0. Тогда задачу синтеза можно представить в виде:

найти множество D (е), для которого выполняется равенство:

D*(e) = {А б D | [C(L, А) - C(L, А')] • C"'(L, А1) < Е}. (6)

В третьем разделе рассматривается структура затрат C3aT(Z) и потерь CnoT(Z), а также приводятся выражения для вычисления затрат и потерь по каждой реализации (траектории) процесса (c,(Z,t), со), где Z = (L,A).

Затраты CMT(Z) на обеспечение безопасности ОПО средствами ПАЗ включают в себя следующие составляющие:

• затраты на разработку, создание и ввод в эксплуатацию ПАЗ;

• затраты на проведение контрольных проверок ПАЗ;

• затраты на восстановление работоспособности ПАЗ в случае ее отказа. Потери Cn0T(Z) от возникновения внештатных ситуаций на ОПО

включают в себя следующие составляющие:

• потери от остановов ОПО, которые включают себя как мотивированные, так и немотивированные остановы;

• потери от возникновения аварий на ОПО.

В четвертом разделе рассматриваются основные ограничения, которые могут присутствовать в задаче синтеза ПАЗ. Эти ограничения касаются в основном стоимостных ресурсов, которые выделяются на создании ПАЗ.

В третьей главе «Моделирование системы противоаварийной защиты» предлагается алгоритм статистического моделирования случайного процесса (¡;(Z,t),co). Это моделирование, основанное на методе Монте-Карло, позволяет получить реализации (траектории) процесса (i;(Z,t),a>) и вычислить значение оценки стоимостного функционала C(Z) = 0[(4(Z,t),co)], где Z = (L, А). Эта глава состоит из следующих четырех разделов.

В первом разделе приводятся выражения для определения значения C*(Z) оценки стоимостного функционала С(Z) и для определения необходимого

числа реализаций процесса (¿;(7,1),ю) с целью получения этой оценки с заданной абсолютной ошибкой и доверительной вероятностью.

Во втором разделе рассматриваются особенности процесса влияющие на алгоритм получения его реализаций методом Монте-Карло.

В третьем разделе предлагается алгоритм получения одной реализации (траектории) многомерного процесса (^Дю) с учетом взаимозависимости точечных потоков, являющихся компонентами этого процесса, и приводится алгоритм вычисления значения функционала на этой реализации. Третий раздел состоит из двух подразделов.

В первом подразделе приводится процедура 1 - алгоритм определения неработоспособных интервалов и времен ложных срабатываний у-ой подсистемы (¡^-канала ПАЗ на интервале [0,Т].

Во втором подразделе приводится процедура 2 - алгоритм получения одной реализации процесса основанный на применении

процедуры 1, и вычисления значения функционала на этой реализации.

В четвертом разделе приводится процедура 3 - алгоритм получения значения С*(г) оценки стоимостного функционала С(Т). При этом основой процедуры 3 является процедура 2.

В четвертой главе «Алгоритм и программное обеспечение синтеза систем противоаварийной защиты» предлагается алгоритм решение задачи синтеза ПАЗ в постановках, определяемых выражениями (4)-(6). Этот алгоритм основывается на процедурах изложенных в третьей главе и реализуется в виде программного обеспечения синтеза ПАЗ. Также приводится пример реализации синтеза ПАЗ для двух ОПО, входящих в состав процесса десорбции деэтанизированого насыщенного абсорбента и предназначенных для нагрева абсорбента. Эта глава состоит из четырех разделов.

В первом разделе излагаются исходные данные, используемые для решения задачи синтеза ПАЗ. В состав этих данных входят:

• Характеристики группы ОПО, обслуживаемых ПАЗ. Эти характеристики входят в состав совокупности Ь, где Ь является компонентой совокупности Ъ.

• Множество различных возможных совокупностей А (т.е. множество возможных вариантов исполнения ПАЗ), образующих конечное множество Б, где А также является компонентой совокупности Ъ.

• Оценки характеристик входящих в затраты на обеспечение безопасности ОПО средствами ПАЗ и в потери от внештатных ситуаций на ОПО.

Во втором разделе предлагается алгоритм, осуществляющий синтез ПАЗ. Этот алгоритм основывается на вычислительной процедуре 3 определения значений оценок стоимостного функционала на процессе где Z=(L,A),

АеБ, Б - конечное множество, и решает задачу синтеза ПАЗ, определяемую выражениями (4), (5). Таким образом, определяется А1 € Б и соответственно ПАЗ(А'), которая обеспечивает приемлемый риск при эксплуатации группы Г = (ОПОь...,ОПОп) опасных объектов, обусловленный принципом АЬАИР. Блок-схема этого алгоритма имеет следующий вид:

Рисунок 2 — Блок-схема алгоритма синтеза ПАЗ

В приведенной блок-схеме обозначение ПАЗ(А') определяет вариант исполнения ПАЗ соответствующий совокупности А' (по которой может быть сформирована инженерная спецификация ПАЗ).

Также указывается модификация этого алгоритма, которая позволяет найти множество D*(e), определяемое выражением (6).

В третьем разделе предлагается структура и описание программного обеспечения, позволяющего осуществить синтез ПАЗ. Это программное обеспечение состоит из следующих четырех модулей: модуль формирования всех возможных вариантов исполнения ПАЗ (позволяющий сформировать множество всех возможных вариантов исполнения ПАЗ, используя выбранные технические средства); модуль формирования стоимостного функционала (позволяющий сформировать стоимостной функционал для конкретного технологического процесса); модуль моделирование процесса функционирования ПАЗ (позволяющий осуществить моделирование конкретного варианта исполнения ПАЗ и определить значение оценки стоимостного функционала для этого варианта); модуль синтеза оптимальной ПАЗ (позволяющий определить оптимальный вариант исполнения ПАЗ из всех возможных и сформировать спецификацию ПАЗ).

Программное обеспечение реализовано в среде Visual Studio на языке программирования С# и позволяет в автоматизированном режиме осуществить синтез ПАЗ и сформировать инженерную спецификацию.

В четвертом разделе рассматривается пример решения задачи синтеза ПАЗ для группы Г = {ОПО,, 0П02}, состоящей из двух технологических печей и их арматурных блоков, входящих в технологический процесс десорбции деэтанизированого насыщенного абсорбента и предназначенных для нагрева абсорбента.

Решение задачи синтеза ПАЗ иллюстрируется на рисунке 3 фрагментом графика {[C*(L,A), Cn0T*(L,A)] | AeD} на плоскости в декартовой системе координат, где по оси ординат указываются значения C*(L,A) оценки

функционала Ф[^((Ь,А),1:),ю], определяемого вьфажением (3), где Ъ = (Ь,А), а по оси абсцисс - значение СПОТ*(ЦА) оценки потерь (риска) СП0Х(Ь,А) от возникновения внештатных ситуаций на ОПО.

X ю5 руб / ГОД

41,

-I—--1—и~

о г

4<> ,

8 О.

О 3.9 С

О со

°о о

5>°

о о

000 о "оо^ов оо

Н°о °о© о о°оооа,0 о§ о (9 осо ° о

о

о о &

о

. о

о о ° о°

О О

° 8 ¡ОС °о О О

о

&

а о,

сз

и

3.7 ■

• •

6> %

#

Вариант исполнения ПАЗ обеспечивающий минимум суммарных затрат и потерь

1.3

1.5

1 1.1 1.2

Потери х Ю5руб / год

Рисунок 3 - Суммарные затраты и потери для различных вариантов исполнения

ПАЗ

Каждая точка [С*(Ь,А), СП0Т*(Ь,А)] на данном графике соответствует некоторой совокупности АеБ. Конечное множество Б состоит из порядка 9 млн. различных совокупностей А, каждой из которых соответствует свой вариант исполнения ПАЗ. Совокупность А' е Б и соответствующая ПАЗ(А'), являющиеся решением задачи синтеза сформулированной в виде (4), (5), соответствует точке минимума стоимостного функционала С(Ь,А1), указанной стрелкой на рисунке 3; значение Спот(Ь,А') соответствует значению приемлемого риска. Из приведенного графика видно, что для всякой ПАЗ(А), где А Ф А', значение стоимостного функционала, включающее в себя затраты на

создание, эксплуатацию ПАЗ и потери (риск) от функционирования группы Г={0П01, 0П02} опасных объектов, имеет значение выше, чем для ПАЗ(А'). Таким образом, вариант исполнения ПАЗ(А') является оптимальным вариантом построения ПАЗ в соответствии с принципом ALARP.

Решение задачи синтеза, сформулированной в виде (6) с е = 0,03 (т.е. 3%) представляет собой множество D*(s) совокупностей А e-близких к А'. На рисунке 3 точки графика, для которых А е D*(0,03), выделены черным цветом.

Основные результаты диссертационной работы

В настоящей работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана математическая модель процесса взаимодействия многоканальной ПАЗ с группой ОПО, представляющая собой многомерный случайный процесс с авариями.

2. Предложена структура функционала на реализациях процесса взаимодействия многоканальной ПАЗ с группой ОПО, соответствующая принципу ALARP и отражающая затраты на обеспечение безопасности группы ОПО средствами ПАЗ и потери от внештатных ситуаций на группе ОПО.

3. Сформулирована задача синтеза ПАЗ на основе принципа ALARP как задача нахождения такого варианта исполнения ПАЗ из множества возможных вариантов, который минимизирует значение предложенного функционала.

4. Разработан алгоритм решения задачи синтеза ПАЗ, основанный на методе Монте-Карло и учитывающий особенности процесса взаимодействия многоканальной ПАЗ с группой ОПО, т.е. взаимозависимость компонент многомерного случайного процесса с авариями.

5. Разработано программное обеспечение на основе алгоритма решения задачи синтеза, которое позволяет инженерам-проектировщикам осуществить синтез ПАЗ в автоматизированном режиме в соответствии с принципом ALARP.

Приведенные выше результаты показывают, что в работе содержится решение важной научно-технической задачи, обеспечивающей синтез ПАЗ в соответствии с требованиями современных нормативных документов к

промышленной безопасности технологических процессов подготовки продукции нефтегазовых скважин.

СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1.Телюк A.C. Программный модуль расчета характеристик взаимодействия технологического объекта с системой противоаварийной защиты / Карманов A.B., Шершукова К.П., Телюк A.C. // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - 2011. - № 9. - С. 25-28.

2. Телюк A.C. Определение приемлемого уровня полноты безопасности и его обеспечение средствами приборных систем безопасности / Шершукова К.П., Телюк A.C. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2011. - Отдельный выпуск 9. - С. 54-59.

3. Телюк A.C. Модель распределенной системы управления как слоя защиты технологических объектов / Шершукова К.П., Телюк A.C. // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. — 2012. — №7. — С. 21-25.

4. Телюк A.C. Оценка риска опасных производственных объектов для проектирования автоматических систем безопасности / Шершукова К.П., Телюк A.C. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2012. - Отдельный выпуск 6. - С. 82-89.

5. Телюк A.C. Метод расчета показателей безопасности отсекающих и предохранительных клапанов как слоя защиты технологического объекта / Карманов A.B., Телюк A.C. // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. — 2012. —№ 6. — С. 28-32.

6. Телюк A.C. Система показателей для оценки функционирования средств противоаварийной защиты / Шершукова К.П., Телюк A.C. // Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М.Губкина. — 2012. — №3/268.-С. 173-184.

7. Телюк A.C. Метод определения проектных показателей безопасности системы противоаварийной защиты для процессов подготовки продукции

нефтегазовых скважин / Карманов A.B., Шершукова К.П., Телюк A.C. // Научно-технический журнал «Надежность». - 2012. - №3 (42). - С. 97-107.

8. Телюк A.C. Модель и алгоритм расчета основных показателей многоканальной системы противоаварийной защиты / Карманов A.B., Телюк A.C. // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. -2013. -№2. - С.41-45.

9. Телюк A.C. Влияние характеристик многоканальной системы противоаварийной защиты на показатели безопасности / Телюк A.C. // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - 2013. - № 9. - С. 15-18.

10. Телюк A.C. Определение приемлемых показателей безопасности для многоканальных систем противоаварийной защиты / Карманов A.B., Телюк A.C. // Научно-технический журнал «Надежность». - 2013. - №3 (46). - С.88-95.

11. Телюк A.C. Программное обеспечение автоматизированного синтеза систем противоаварийных защит / Телюк A.C. // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - 2014. - № 1. - С. 36-39.

Прочие публикации:

12. Телюк A.C. Оценка показателей безопасности автоматизированных систем управления как слоя защиты технологических процессов в газодобывающей отрасли / Шершукова К.П., Телюк A.C. // Материалы Девятой всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (газ, нефть, энергетика). - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2011. - С. 32

13. Телюк A.C. Синтез систем противоаварийной защиты (в соответствии с ГОСТ Р МЭК 61508) / Шершукова К.П., Телюк A.C. // Материалы Международной молодежной конференции в рамках фестиваля науки. Министерство образования и науки Российской Федерации, Воронежский институт высоких технологий, Воронежский государственный технический

университет. — Воронеж: Издательско-полиграфический центр «Научная книга», 2012. - С. 118-121.

14. Телюк A.C. Разработка технического задания на проектирование автоматических систем противоаварийной защиты / Карманов A.B.,Телюк A.C., Шершукова К.П. // Тезисы докладов IX-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России». - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012. - С. 104-105.

15. Телюк A.C. Проектирование автоматических систем безопасности для процессов подготовки продукции нефтегазовых скважин / Шевцов В.А., Шершукова К.П., Телюк A.C. // Тезисы докладов IX-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России». - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012. -С. 126-127.

16. Телюк A.C. Определение коэффициента снижения риска многоканальной системы противоаварийной защиты / Телюк A.C. // Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы автоматизации технологических процессов добычи, транспорта и переработки нефти и газа». — Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. - С. 112-116.

17. Телюк A.C. Реализация принципа ALARP при проектировании систем противоаварийной защиты / Карманов A.B., Шершукова К.П., Телюк A.C. // Тезисы доклада на конференции X Всероссийская научно-техническую конференцию «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России». - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2014. - С. 273.

18. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014617175 от 14.07.2014. Программа ЭВМ для моделирования систем противоаварийной автоматической защиты / Телюк A.C., Карманов A.B., Шершукова К.П.

Подписано в печать 14.11.2014 Формат 60x90/16

Бумага офсетная Усл. п.л.

Тираж 100 экз. Заказ № 455

Издательский центр РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, 65 Тел.: (499) 507 82 12