Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ взрывопожароопасности и управление рисками в технологическом процессе первичной переработки нефти 10
1.1. Опасности пожаров, взрывов и аварий на объектах нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности в Российской Федерации 10
1.2. Анализ взрывопожарной опасности технологического процесса первичной переработки нефти 16
1.3. Оценка влияния систем противоаварийной и противопожарной защиты на риск возникновения взрывопожароопасньгх ситуаций в технологическом процессе первичной переработки нефти 34
1.4. Моделирование аварийных ситуаций и прогнозирование параметров зон взрывоопасных концентраций в воздухе промышленного предприятия 49
Выводы по главе 1 58
Глава 2. Сетевая модель прогнозирования пожароопасных ситуаций в технологическом процессе первичной переработки нефти 59
2.1. Особенности применения тензорного метода двойственных сетей 59
2.2. Сетевая модель процесса первичной переработки нефти
2.2.1. Анализ и расчет сетевой модели 89
2.2.2. Сетевая модель с постоянной структурой 97
2.2.3. Расчет узловой сети сетевой модели для оценки потоков тепла 103
2.2.4. Сетевая модель с переменной структурой 106
2.3. Расчет сетевой модели технологического процесса первичной переработки нефти для прогнозирования пожароопасных ситуаций 110
Выводы по главе 2 114
Глава 3. Научно-технические основы создания автоматизированной системы управления взрывопожарозащитои технологического процесса первичной переработки нефти 115
3.1. Описание функциональной структуры АСУ ВПЗ 117
3.2. Описание организационной структуры АСУ ВПЗ 127
3.3. Информационное обеспечение АСУ ВПЗ 132
3.3.1. Построение системы классификации и кодирования 133
3.3.2. Организация сбора и передачи информации 139
3.3.3. Организация внутримашинной и внемашинной информационной базы 140
3.4. Структура алгоритмического и программного обеспечения АСУ ВПЗ
технологического процесса первичной переработки нефти 142
3.4.1. Структура программного обеспечения АСУ ВПЗ 142
3.4.2. Описание алгоритма задач верхнего и нижнего уровней управления 143
Выводы по главе 3 145
Глава 4. Исследование и организация технического обеспечения АСУ ВПЗ технологического процесса первичной переработки нефти 146
4.1. Разработка структуры комплекса технических средств АСУ ВПЗ 146
4.2. Разработка алгоритма функционирования АСУ ВПЗ технологического процесса первичной переработки нефти 156
4.3. Концепция взаимосвязи АСУ ВПЗ с интегрированной информационно-управляющей системой нефтеперерабатывающего предприятия 160
Выводы по главе 4 166
Заключение 167
Список сокращений 169
Список литературы
- Оценка влияния систем противоаварийной и противопожарной защиты на риск возникновения взрывопожароопасньгх ситуаций в технологическом процессе первичной переработки нефти
- Сетевая модель процесса первичной переработки нефти
- Информационное обеспечение АСУ ВПЗ
- Разработка алгоритма функционирования АСУ ВПЗ технологического процесса первичной переработки нефти
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Увеличение количества чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера на нефтеперерабатывающих и нефтехимических комплексах, влекущих за собой значительные материальные и людские потери, делают крайне актуальной проблему обеспечения взрывопожарной безопасности указанных объектов. Поэтому обеспечение промышленной безопасности с использованием автоматизированных систем управления взрывопожарной защитой (АСУ ВПЗ), учитывающие специфические особенности технологического процесса объектов нефтеперерабатывающих предприятий является актуальной задачей.
Проблемы промышленной безопасности на объектах нефтегазового комплекса имеют особое значение. Они связаны с физико-химическими свойствами углеводородных веществ, приводящими к их возгоранию или взрыву в случае аварий. Аварии на нефтеперерабатывающих предприятиях характерны большим объемом выбросов взрывопожароопасных веществ, разливы нефтепродуктов, образующие облака топливно-воздушных смесей (ТВС) приводят к пожарам, взрывам, разрушениям соседних аппаратов и целых установок. Согласно статистике, материальный ущерб от общего количества аварий на нефтеперерабатывающих предприятиях только за 2011 год составил больше 1 млрд. руб.
Практика показывает, что полностью исключить аварии и уменьшить до нуля опасность, несущую опасными производственными объектами, невозможно. Поэтому техногенные аварии необходимо предупреждать или ослаблять их вредное воздействие.
Значительный вклад в разработку теоретических основ создания АСУ ВПЗ потенциально опасных объектов внесли такие ученые, как Топольский Н.Г., Федоров А.В., Абросимов А.А., Алешков A.M. и другие. Результаты данных исследований позволяют разрабатывать теоретические основы автоматизации процесса функционирования систем противопожарной защиты объектов промышленности без формализованного описания, алгоритмизации и реализации функций оперативного прогнозирования аварийных ситуаций, локализации и ликвидации аварийных ситуаций в технологических процессах нефтехимических производств.
До настоящего времени не рассмотрены в полном объеме важные вопросы создания АСУ ВПЗ нефтехимических производств, а именно:
на действующих объектах первичной переработки нефти отсутствует логическая структура связи АСУ ВПЗ с противоаварийной защитой (ПАЗ) и системой аварийного останова (АО);
не автоматизирован процесс управления системой водяного орошения технологических колонн и аппаратов, системами паровых завес трубчатых печей и системой паротушения технологических помещений;
раннее обнаружение пожара на открытых установках не обеспечивается в связи с автономным устройством систем противопожарной защиты;
алгоритм работы системы оповещения и управления эвакуацией людей при чрезвычайной ситуации не рассмотрен в полном объеме;
отсутствует комплексный подход и не приводится алгоритм функционирования газоаналитических систем, регистрирующих предельно-допустимые концентрации (ПДК) и нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР) на территории установки;
значительное количество существующих на объектах нефтепереработки отечественных установок пожарной сигнализации являются неадресными, исполнительные элементы противопожарной и противоаварийной защиты относятся к обычному (релейному) типу, выполнены автономно;
не рассмотрена подсистема, реализующая функцию оперативного прогнозирования пожароопасных ситуаций в технологических процессах (ТП) первичной переработки нефти, так как алгоритмическая структура математического обеспечения АСУ ВПЗ не включает разработку сетевой модели с целью мониторинга пожароопасных параметров и определения возможности возникновения аварийных ситуаций.
Актуальность разработки сетевой модели автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) состоит в необходимости определять и динамически оценивать состояние системы, изменение параметров процессов при изменении структуры связей ее элементов, а также в интеграции АСУ ВПЗ и ПАЗ объекта.
Перечисленные проблемы не позволяют создавать системы взрывопожар-ной защиты, как единое целое, с четким алгоритмом работы, и в комплексе подтверждают необходимость создания АСУ ВПЗ технологического процесса первичной переработки нефти (ППН). Данная научно-техническая проблема является актуальной и ее решение направлено на повышение безопасности нефтеперерабатывающих и нефтехимических комплексов.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Пожарная безопасность в Российской Федерации на период до 2017 года», с планом реконструкции технологической установки ЭЛОУ АВТ-6 (электрообессоливающая установка атмосферно-вакуумная трубчатка) ОАО «Газпромнефть - МНПЗ», и в соответствии с планом научной деятельности ОАО «Газпром» и Академии ГПС МЧС России в период 2011 - 2015 гг.
Объектом исследования является АСУ ВПЗ технологического процесса первичной переработки нефти.
Предметом исследования - модели и алгоритмы создания АСУ ВПЗ.
Целью диссертационного исследования является повышение уровня взры-вопожарной безопасности нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств путем анализа и управления рисками и разработки на данной основе формализованных моделей и алгоритмов автоматизации системы взрывопожа-розащиты технологического процесса первичной переработки нефти.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
комплексный анализ взрывопожарной опасности объектов нефтеперерабатывающей промышленности, а также анализ уровня опасности технологического процесса первичной переработки нефти, исходя из общего энергетического потенциала установки и вероятности возникновения аварий;
количественная оценка влияния автоматических систем противоаварийной и противопожарной защиты на риск возникновения взрывопожароопасных
ситуаций в технологическом процессе первичной переработки нефти с определением уровня взрывопожарной опасности установки ЭЛОУ АВТ-6.
моделирование аварийных ситуаций и прогнозирование параметров зон до- и взрывоопасных концентраций в воздухе промышленного предприятия;
формализованное описание и структурные решения организационного, информационного и технического обеспечений АСУ ВПЗ, включающие алгоритмы задач верхнего и нижних уровней управления;
разработка сетевой модели процесса первичной переработки нефти для прогнозирования пожароопасных ситуаций;
разработка алгоритма функционирования АСУ ВПЗ в составе интегрированной информационно-управляющей системы (ИУС) предприятия.
Методы исследования. Для решения поставленных задач используются методы моделирования и оптимизации АСУ ВПЗ, методы системного анализа, тензорные методы моделирования с использованием теории двойственных сетей, методы прогнозирования динамики распространения облаков ТВС, метод логических деревьев событий.
Научную новизну представляют полученные автором новые результаты:
-
Количественная оценка влияния автоматических систем противоаварий-ной и противопожарной защиты на риск возникновения взрывопожароопасных ситуаций в технологическом процессе первичной переработки нефти с определением уровня взрывопожарной опасности установки ЭЛОУ АВТ-6.
-
Модели и алгоритмы противоаварийной защиты, включающие функцию прогнозирования параметров зон до- и взрывоопасных концентраций на промышленной территории НПЗ для различных сценариев аварии.
-
Сетевая модель и алгоритмы прогнозирования пожароопасных ситуаций в блоке атмосферной ректификации технологической установки ЭЛОУ АВТ-6 нефтеперерабатывающего завода.
-
Формализованное описание и структурные решения организационного, информационного и технического обеспечений АСУ ВПЗ, включающие алгоритмы задач верхнего и нижних уровней управления.
Практическая ценность и значимость работы заключается:
в модернизации, повышении надежности и информативности АСУ ВПЗ ТП первичной переработки нефти, в том числе в разработке методологии комплексного подхода к структурным решениям создания АСУ ВПЗ;
в усовершенствовании системы оперативного прогнозирования взрывопожароопасных ситуаций в ТП первичной переработки нефти с применением тензорного метода двойственных сетей.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достигнута за счет применения апробированных математических методов, значительного объема аналитических и экспериментальных исследований, согласованности полученных результатов с известными данными исследований в смежных областях.
В основу диссертационной работы положены результаты, полученные автором в ходе исследований, проводимых по планам научно-исследовательских работ Академии Государственной противопожарной службы МЧС России в период 2011-2015 гг.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены и получили одобрение на следующих 8 научно-практических конференциях и одном конкурсе:
«Обеспечение безопасности жизнедеятельности: проблемы и перспективы» - Минск, Командно-инженерный институт (2011г.)
«Системы безопасности» - Москва, Академия Государственной противопожарной службы МЧС России (2011 - 2014гг.);
«Проблемы современной науки и их решения» - Липецк, Липецкая областная общественная организация Всероссийского общества изобретателей (2012г.);
«Пожаротушение, проблемы, технологии, инновации» - Москва, Академия государственной противопожарной службы МЧС России (2013г.);
«Актуальные проблемы обеспечения комплексной безопасности и пути их решения» - Воронеж, Воронежский ИГПС МЧС России (2013г.);
- Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи
«НТТМ-2015» - Москва, Министерство образования и науки Российской Феде
рации (2015г.).
Публикации. По тематике диссертации опубликована 21 работа, в том числе 12 научных статей, 11 из перечня изданий, рекомендованных ВАК, 8 докладов на конференциях, 1 учебное пособие, получен патент на полезную модель. Одна работа опубликована без соавторов.
Личный вклад автора. В совместных публикациях автору принадлежит: постановка и формализация задач исследования, разработка методов и конструктивных решений, теоретические обобщения и прикладные расчеты, участие в технической реализации и внедрении разработок.
Внедрение результатов работы. Представленные в диссертации результаты исследований нашли практическое применение на промышленном объекте, а также в высших учебных заведениях пожарно-технического профиля, в том числе:
в практической деятельности ОАО «Газпромнефть - МНПЗ» на технологической установке (ТУ) ЭЛОУ АВТ-6 в комплексе технических решений по повышению уровня взрывопожарной безопасности установки;
на ОАО «Газпром» использованы в учебном процессе в области автоматизированных производственных процессов, а также смежных специальностей, осуществляющих деятельность в области монтажа и эксплуатации установок пожаротушения и пожарной сигнализации, и преподавателей, занимающихся повышением квалификации;
на кафедре пожарной автоматики Академии ГПС МЧС России при подготовке раздела для учебника «Производственная и пожарная автоматика. Часть I. «Производственная автоматика для предупреждения пожаров и взрывов» Глава № 9 «Автоматизированные системы управления»;
при проведении научно-исследовательской работы в Академии ГПС МЧС России на тему «Повышение эффективности автоматизированной системы управления взрывопожарозащитой нефтеперерабатывающих объектов» Раздел 3.2.2, п. 85 плана научно-технической деятельности АГПС МЧС России.
Практическое применение результатов исследования подтверждается актами внедрения.
На защиту выносятся:
-
Результаты количественной оценки влияния автоматических систем противоаварийной и противопожарной защиты на риск возникновения взрыво-пожароопасных ситуаций в технологическом процессе первичной переработки нефти с учетом комплексного анализа взрывопожарной опасности технологической установки ЭЛОУ АВТ-6.
-
Математическая модель прогнозирования пожароопасных ситуаций в технологическом процессе первичной переработки нефти на основе тензорного метода двойственных сетей.
-
Формализованное описание и структурные решения организационного, информационного и технического обеспечений АСУ ВПЗ, включающие алгоритмы задач верхнего и нижних уровней управления.
-
Алгоритм функционирования АСУ ВПЗ в составе интегрированной информационно-управляющей системы (ИУС) промышленного предприятия.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (118 наименований) и 6 приложений на 10 стр. Основное содержание работы изложено на 182 стр. машинописного текста, содержит 33 рисунка и 20 таблиц.
Оценка влияния систем противоаварийной и противопожарной защиты на риск возникновения взрывопожароопасньгх ситуаций в технологическом процессе первичной переработки нефти
Всего за отчетный период произошли 44 несчастных случая со смертельным исходом. Доля ожоговых травм, которые привели к смертельному исходу, составляет 55% от общего количества травм. Причиной 3 смертельных случаев явилось падение с высоты (7%), пребывание пострадавших в зоне с пониженным содержанием кислорода (25%), гибель персонала в результате поражения взрывной волной (2%), поражение персонала при разрушении технических устройств (9%), а также прочие смертельные случаи (2%).
В таблице 1.3 приведен анализ крупных аварий на объектах нефтеперерабатывающей промышленности Российской Федерации за последние 5 лет.
Причины аварий на объектах нефтехимической и нефтеперерабатывающие промышленности можно разделить на организационные и технические [14, 113]. Анализ результатов расследования технических причин происшедших аварий показал, что основными факторами возникновения и развития аварии являются неудовлетворительное состояние технических устройств, зданий и сооружений, а также несовершенство технологий или конструктивные недостатки. К организационным причинам относятся: нарушение технологии производства работ, неправильная организация производства работ, не 12 эффективность производственного контроля, умышленное отключение средств защиты, сигнализации или связи, низкий уровень знаний требований промышленной безопасности, нарушение производственной дисциплины, неосторожные (несанкционированные) действия исполнителей работ.
Анализ основных причин аварий, происшедших на предприятиях нефтепереработки в период с 2009 года по 2013 год показал, что: на объекте, в технологическом процессе которого обращается большое количество нефтепродукта, являющихся горючими жидкостями (ГЖ) и легковоспламеняющимися жидкостями (ЛВЖ) с широкими температурными пределами воспламенения, даже незначительная утечка нефтепродукта может привести к возгоранию, что чревато дальнейшим расширением масштабов аварии; относительно невысокая температура начала кипения углеводородов и, как следствие, достаточно высокая упругость паров при рабочих температурах может привести к значительной концентрации их паров в воздухе рабочей зоны при испарении из пролива, а наличие замкнутых объемов способствует возможности взрыва образовавшихся облаков паров ЛВЖ; транспортировка опасных веществ по трубопроводам под давлением и при высоких температурах создает опасность разгерметизации системы из-за резкого колебания давления или температуры в трубопроводе; коррозионная активность нефтепродукта может привести к разгерметизации системы; потеря механических свойств материала прокладки может привести к разгерметизации фланцевых соединений; попадание воды в оборудование, работающее при высокой температуре, может привести к разрушению, деформации или разрыву оборудования и к последующему выбросу нефтепродукта в окружающую среду; наличие открытого пламени в печах нагрева может привести к воспламенению аварийно выброшенных взрывоопасных сред; ошибки персонала при ведении технологического процесса (нарушение температурного режима печей, непринятие своевременных мер по ликвидации пропусков нефтепродуктов, отсутствие контроля за состоянием оборудования и трубопроводов) могут привести к разгерметизации системы и развитию аварийных ситуаций; ошибки персонала при ведении ремонтных работ (нарушение правил промышленной безопасности при подготовке оборудования к ремонту, нарушение правил пожарной безопасности при ведении огневых работ) могут привести к возгоранию нефтепродукта; несовершенство конструкций насосов (наличие сальниковых уплотнений на насосах, перекачивающих нефтепродукт), отсутствие систем противоаварийной защиты, обеспечивающих останов насосов при разгерметизации торцевых уплотнений и разрушении подшипниковых узлов, а также при отсутствии перекачиваемой жидкости в корпусе насоса, могут привести к выбросу нефтепродукта в окружающую среду и его возгоранию; прекращение подачи электроэнергии ведет к аварийной остановке производства.
Согласно статистическим данным аварии и сопровождающие их пожары и взрывы на производствах, связанных с переработкой углеводородного сырья, в большинстве случаев происходят из-за утечек горючей жидкости и углеводородного газа [3, 4, 8]. Наибольшее число проанализированных аварий произошло из-за отказов оборудования (43%), при этом стоит отметить, что большинство из этих аварий произошло вследствие коррозии металла.
Высокий процент (35%) аварий, произошедших из-за внешних причин техногенного характера, объясняется достаточно частыми отключениями электроснабжения, что в свою очередь приводит к аварийной остановкой оборудования.
Пятую часть всех аварий составляют аварии, произошедшие из-за человеческого фактора [2]. Также аварии могут происходить из-за внешних причин природного характера (2%). К ним относятся удары молний, разливы рек, ураганы, смерчи и т.п. Следует отметить, что в большинстве случаев внешняя причина природного характера не является единственной причиной, приводящей к аварии, в основном к таким авариям приводят несколько причин.
Источниками воспламенения газовоздушных смесей на открытых установках являются [5]: нагретая до высокой температуры поверхность технологического оборудования; открытый огонь печей; электрические искры неисправного оборудования; открытый огонь газоэлектросварочных работ; повышение температуры при трении; самовоспламенение продуктов; прочие источники.
На примере комбинированной установки атмосферно-вакуумной перегонки нефти с предварительным обессоливанием и вторичной перегонкой бензина (ЭЛОУ АВТ-6) Московского перерабатывающего завода проведен анализ взрывопожарной опасности технологического процесса первичной переработки нефти.
ЭЛОУ АВТ-6 предназначена для переработки сырой нефти с целью получения продуктов первичной перегонки и полуфабрикатов - сырья установок каталитического риформинга, газофракционирования, битумной, гидроочисток, каталитического крекинга и фракции 150-250С. Предусмотрена возможность переработки совместно с сырой нефтью газового конденсата (широкой фракции) в соотношении не более 8:1. Произво-дительность установки ЭЛОУ АВТ-6 - 990 м /ч по сырой нефти.
Сетевая модель процесса первичной переработки нефти
Матрица изменений при соединении и разъединении ветвей Изменению структуры исследуемой системы соответствует изменение связей ветвей в сетевой модели. При изменении связей ветвей в сети необходимо заново выводить уравнения поведения и решать их. При частых изменениях, когда расчет каждого из них трудоемок, целесообразно использовать результаты расчета сети с одной структурой для получения решения сети с другой структурой. Это необходимо, например, для создания банка решений при различных отключениях или переключениях элементов установки, которые могут приводить к авариям. При потере (разрушении) некоторых частей можно рассматривать отсоединение соответствующих ветвей от сетевой модели.
Задача состоит в том, чтобы по матрице решения одной сети и матрице изменения структуры, получить матрицу решения для другого соединения тех же ветвей. При соединении или разделении ветвей меняется число узлов, меняется число базисных замкнутых и разомкнутых путей. Пусть в сети а і из п ветвей есть J і узлов и одна подсеть, т.е. Si = 1. Независимых разомкнутых путей jj = Jj — Sj, SL контуров ті = п —jj. Если в сети а2, также одна подсеть, число узлов изменилось, например, часть узлов AJ соединили с другими, и стало узлов J2 = Ji — AJ, то изменится число разомкнутых путей: j2=J2-s1=J1-AJ-s1=j1-AJ, (2.24) и число замкнутых путей, контуров: т2 = п- j2 = п -jj + AJ = Ш] + AJ. (2.25)
Таким образом, уменьшение числа узлов увеличивает количество независимых контуров и уменьшает количество независимых разомкнутых путей (и размерность соответствующих им подпространств), и наоборот.
Обозначим вектор базисных путей в старой сети как/? а = ГР, Jp). Пусть часть узлов в этой сети была замкнута, и в результате количество независимых контуров увели у чилось на Am = AJ. Для простоты допустим, что новые пути в сети, р т в том числе и новые контуры Am, состоят из тех же ветвей, что и прежние пути. Это удобно для вывода формул пересчета - изменения матриц решения при изменении структуры. Вместе с тем выбор путей в каждой сети может быть произвольным. Дело в том, что матрицы решения не зависят от выбора путей и их матриц преобразования.
В этом случае в матрицах преобразования путей от свободных ветвей к связанной сети oti - Сача и сети %2 - Са 2а, все элементы останутся прежними, но строк m-путей тр будет на Am больше, а строк у-путей Зр , соответственно, на Am меньше. Новые строки m-путей составят матрицу изменений структуры сети; обозначим как АС. Тогда матрица преобразования путей новой сети через матрицы преобразования старой сети, включая матрицу изменений АС, имеет вид:
Если часть узлов разомкнуть, то их станет больше J2 = J і + AJ. Разомкнутых путей базиса станет больше на Aj = AJ (число подсетей прежнее), а контуров меньше на Am = AJ. Подматрица АС в новой сети переходит от тС2 KJC2, т.е. они меняются местами: т2 dm AC
В двойственной сети произойдут соответствующие изменения, то есть, замкнутся узлы, уменьшится число разомкнутых путей и увеличится число контуров.
Матрица изменений играет главную роль при тензорном преобразовании метрической матрицы от старой сети к новой сети. Не имеет значения, какие именно пути выбраны в качестве изменяемых среди тех путей, которые могут отображать сделанные изменения.
Преобразования структуры связывает инвариант двойственности, который рассматривается в [76-78]. Инвариантом преобразований структуры является сумма метрических тензоров двух двойственных сетей. В указанных работах показано также, что в физике инварианту двойственности соответствует закон сохранения потока энергии.
Инвариантом преобразований структуры является сумма метрических тензоров двух двойственных сетей. Сумма прямых метрических тензоров двух сетей равна метрическому тензору свободных контуров - замкнутые системы. Сумма обратных метрических тензоров этих сетей равна тензору свободных разомкнутых ветвей.
Если число векторов базиса, т.е. замкнутых или разомкнутых путей, при изменении структуры увеличивается и появляется матрица изменений, то можно решить задачу расчета новой сети по найденной матрице решения старой сети и матрице изменений. Если число переменных уменьшается, то прямо такую задачу решить нельзя, поскольку число строк в матрице преобразований новой сети сокращается, и матрица изменений исчезает. В работах [78, 79] показано, что инвариант двойственности решает эту проблему. Получив решение для сети, в которой число переменных растет, можно с помощью инварианта двойственности получить решение для сети, где при изменении структуры число переменных уменьшается и преобразование кажется вырожденным.
Матрицы решения сети при изменении структуры связей ветвей При наложении связей базис контуров в заданной сети растет, а количество разомкнутых путей соответственно уменьшается. В двойственной сети наложению связей соответствует разрывание связей. Для пересчета решения старой сети в решение новой сети устанавливается связь между их матрицами решения, Y с и Y с, и матрицей изменений АС. Рассмотрим получе 7-\ ние матриц решения, которые обозначим как Y с, для базиса замкнутых путей при со-единениях узлов, и матриц решения Z с для базиса разомкнутых путей, при разъединениях узлов. Далее получим с использованием инварианта двойственности матрицы решения для обратных задач: при введении разъединения узлов получим матрицу решения
Информационное обеспечение АСУ ВПЗ
Для отбора остальных фракций используется циркуляционное орошение (ЦО), которое, как отмечено выше, располагается наверху очередной секции (под тарелкой вывода бокового продукта). Отводят циркулирующую флегму двумя тарелками ниже, охлаждают, и подают в колонну. Это охлаждает основной поток до температуры, при которой нужная фракция переходит в жидкую фазу, что позволяет ее вывести из установки на дальнейшее применение. Отводят циркулирующую флегму двумя тарелками ниже. В установке К-2 отвод тепла осуществляется тремя циркуляционными орошениями (через колонны К-6, К-7 и К-9). Кроме того, по шлемовой линии газопаровая смесь поступает в воздушные холодильники, затем в водяной холодильник, где конденсируется и собирается в емкость ЕЗ. Часть бензина из этой емкости подается в шлем колонны К-2 в качестве острого орошения. Температуруострого орошения принимают равной 40 С. В нижних секциях избыточное тепло снимают циркуляционным орошением, которое вводится в колонну на 1 - 2 тарелки выше вывода его из колонны.
В нижней части колонны выводится мазут, который разделяется на масляные фракции, а остаток после ректификации на 6 тарелках представляет собой гудрон. Для построения сетевой модели надо выделить процессы, представленные воздействиями и откликами, а также структуру связей элементов системы, составляющую конструкцию установки. Процессы в данной системе определяют воздействия и отклики. К воздействиям относятся: механическое воздействие в виде давления - создают насосы, нагнетающие и отбирающие потоки. Тепловое воздействие. Нагрев создают печи. Нагрев и охлаждение создают теплообменники. Охлаждение создают воздушные и водяные холодильники.
Виды откликов: поток сырья (сырая нефть) на входе. Фракции нефти на выходе. Водяной пар - подогрев, отпаривание. Жидкое топливо к печам нагрева. Воздух в воздушных холодильниках. Вода в водяных холодильниках.
Структура установки включает в себя открытые пути и замкнутые контуры. Открытыми путями является движение потока сырья от входа до выхода фракций, к которым относятся - парогазовая смесь наверху К-2, фракции, соответствующие бензинам, керосину, дизельному топливу, мазуту. Контуры определяют три циркуляционных орошения, острое орошение, циркуляцию пара.
Общая схема работы ректификационной колонны К-2 установки АВТ с колоннами предварительного испарения К-1, и циркуляционных орошений в колоннах К-6, К-7 и К-9 представлена на рисунке 2.4. В данной сетевой модели колонна К-1 не рассматривается, а колонны К-6, К-7 и К-9 представлены тремя контурами ЦО. При более детальном моделировании, которое значительно повысит размерность решаемой задачи, каждая колонная сама должна быть представлена отдельной сетевой моделью, которая в качестве подсистемы входит в общую сетевую модель. В этом случае целесообразно применять тензорный метод для декомпозиции и расчета по частям.
Схема работы ректификационной колонны установки АВТ. На схеме обозначены: колонна предварительного испаренияКІ; К2- ректификационная колоннаАВТ; колонна Кб; колонна К7; колонна К9; емкость ЕЗ, ЦО - циркуляционное орошение Сетевая модель для этой конструкции установки имеет вид следующий. Потоки нефти и ее фракций, вместе потоками перегретого пара, образуют замкнутые и разомкнутые пути. Структурная схема установки К-2
В блоке К-2 продукты, в соответствии с применяемыми процессами, проходят по нескольким замкнутым и разомкнутым путям, которые обладают структурными сетевыми особенностями, рассмотренными выше. Контурами являются пути циркуляции пара, в том числе перегретого пара, который служит для подогрева нефтепродуктов до соответствующей температуры, а также уменьшения коксования от циркуляции в змеевиках печи потоков мазута.
Структурная схема сетевой модели установки представлена на рисунке 2.5.
Внешним воздействиям (насосы, подающие и откачивающие нефтепродукты) соответствуют разомкнутые пути, а внутренним воздействиям (нагреватели и охладители) соответствуют замкнутые пути (контуры).
Выбор замкнутых и разомкнутых путей в данной сетевой модели показан на рис. 2.6, где номера путей даны цифрами со штрихами. Для удобства расчетов пути выбраны так, что они соответствуют каждый своей ветви. На основе выбора путей строится матрица преобразования путей при переходе от свободных ветвей к связанной сети, соответствующей моделируемой установке. Матрицы в преобразования для замкнутых и разомкнутых путей обеспечивают расчет сети при заданных внутренних и внешних воздействиях соответственно. В зависимости от целей расчета можно получить матрицу решения, умножение которой на любой вектор воздействий сразу дает отклики на ветвях, соответствующих элементам установки. Или выполнять все действия с матрицами и заданным вектором последовательно, чтобы получить отклики на конкретное воздействие, не вычисляя матрицу решения. Промежуточ-ноеопотттение
Следуя технологии тензорного метода, модели рассмотрим сначала установку с минимальным набором элементов, необходимых для реализации процесса ректификации. Для нее установим аналогии и выберем адекватную сетевую модель. Затем применим полученные результаты для расчета сетевой модели, представляющей колонну К-2. Далее можно дополнять и расширять сетевую модель до необходимого уровня детализации, а также подключать другие установки процесса нефтепереработки.
Такую простую реализацию процесса ректификации можно представить схемой колонны на рисунке 2.7.а, которой соответствуют сетевые модели из пяти ветвей. Эти сети представлены на рисунке 2.7.6 и рисунке 2.7.в. На вход колонны подается нагретое сырье в виде парогазовой смеси. В колонне смесь делится на тяжелые высококипящие компоненты (ВКК), уходящие вниз, и смесь легких низкокипящих компонентов (НКК), которые уходят верх. Для того, чтобы разделить НКК на фракции, вводится циркуляционное орошение. По этому контуру часть смеси уходит на охлаждение, а затем подается в колонну, чтобы понизить температуру потока до уровня перехода отделяемой фракции в жидкую фазу. Эта фракция здесь выводится из установки (сети), а оставшаяся смесь выводится из верхней части колонны. Парогазовая смесь, НКК
Разработка алгоритма функционирования АСУ ВПЗ технологического процесса первичной переработки нефти
Алгоритм блока инициализации Инициализация системы происходит при подготовке программы к работе и выполняется при ее загрузке. При инициализации происходит: - настройка параметров, таких как имена директорий с рабочими файлами, номер коммуникационного порта, используемого для работы в локальной сети и др.; - формирование рабочих таблиц; - в первичном опросе периферийных узлов и занесение сведений об их состоянии. Формирование рабочих таблиц происходит на основании информации без данных и сведений, полученных при опросе периферийных узлов. Если в процессе инициализации появляются сбои оборудования или несоответствие конфигурации ПЭВМ заданной, то на экран выводится сообщение об этом и работа системы заканчивается. Если при опросе периферийных узлов, некоторые из них не подтвердили готовность или сообщили о неисправностях, то список таких узлов отображается на экране ПЭВМ и оператору ДП ППА предоставляется право выбирать: завершить работу системы; продолжить работу, исключив из списка "сбойные" узлы; продолжить работу, следуя за состоянием всех периферийных узлов. Если инициализация прошла без отключений от нормы, система переходит в дежурный режим [12].
Алгоритм контроля оперативного состояния В таблице оперативного состояния в оперативной памяти ПЭВМ отображается оперативное состояние системы. Изначально формирование таблицы происходит при инициализации системы, а по мере поступления информации от периферийных узлов или по запросу оператора ДП ППА корректируется. При корректировке таблиц оперативного состояния информация об этом передается блокам обработки статистической информации и отображения и печати. Диспетчер ДП ППА может как запрашивать информацию об оперативном состоянии без внесения корректировок, так и управлять системой по мере необходимости (снять узел с дежурства и возобновить его рабочий режим, перевести узел в режим профилактического обслуживания и т.д.).
Алгоритм поддержки нормативно-справочной информации Алгоритм поддержки нормативно-справочной информации заключается в создании и (или) корректировке базы данных, который с помощью средств базы данных создает промежуточные текстовки файлов на магнитном носителе ("жестком" диске) и преобразовывает текстовые файлы в рабочие наборы данных [87].
Алгоритм блока обработки статистической информации Информация об изменениях, которые происходят в системе, а также при корректировке баз данных оператором ДП ППА передается блоку обработки статической информации с указанием даты и времени.
Эти данные используются для формирования отчета о работе системы и корректировки набора данных "Статистика отказов", после чего информация из него удаляется. По требованию оператора ДП ППА набор данных "Статистика отказов" оформляется в виде отчета и выводится на печатающее устройство.
Алгоритм задач нижнего уровня управления Блок-схемы алгоритмов функционирования Решение проблемы обеспечения пожарной безопасности объектов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности неразрывно связано с построением современных систем противоаварийной и противопожарной защиты и их интеграцией с ИУС объекта, с учетом последних научных достижений в области новых технических средств обнаружения и тушения пожара, современных интегрированных систем автоматизации, технико-экономическими тенденциями развития отрасли [117].
На действующих объектах нефтепереработки отсутствует взаимодействие АСУ ВПЗ с ПАЗ и системой аварийного останова, не автоматизированы системы водяного орошения ректификационных колонн и территории установки, отсутствует связь с системой паровых завес трубчатых печей. Раннее обнаружение пожара не обеспечивается в связи с автономным устройством устаревших систем противопожарной защиты, это ликвидируется за счет применения на объекте видеорегистраторов и тепловизоров. Открытым также остается вопрос безопасности персонала объекта, так как отсутствуют газоаналитические системы, регистрирующие ПДК на территории установки. Это не позволяет создавать системы противопожарной защиты, как единое целое, с четким алгоритмом работы. Отмеченные недостатки ликвидируются при проектировании и внедрении интегрированных автоматизированных систем взрывопожарной защиты.
За последние 10 лет существенное развитие в информационных технологиях получило направление автоматизации систем противопожарной защиты с применением программных логических контроллеров, что отмечено в работах [12, 13, 89, 112, 114-116]. Данная техника позволяет максимально автоматизировать процесс управления, а также прогнозировать, своевременно предотвращать и ликвидировать аварийные ситуации.
ПЛК - это техника специального назначения, которая используется для обеспечения безопасности и критического управления системами противопожарной защиты. Эти контроллеры являются центральным компонентом АСУ ВПЗ, и предназначены для выявления потенциально опасных технологических ситуаций, и предотвращения их дальнейшего развития. В том случае, если подобная ситуация все-таки возникает, система программируется таким образом, чтобы автоматически перевести процесс в безопасное состояние.
Требования к контроллерам противоаварийной и противопожарной защиты в России не стандартизованы. Согласно [45, 90], надежность и время срабатывания систем защиты определяются разработчиками с учетом требований технологической части проекта. При этом учитываются категория взрывоопасное технологических блоков, входящих в объект, и время развития возможной аварии. Обоснованная оценка технических требований к контроллерам противоаварийной и противопожарной защиты представляет в каждом конкретном проекте достаточно сложную научно-техническую задачу. Ниже сформулированы требования к программируемым логическим контроллерам для систем противоаварийной и противопожарной защиты, реализация которых необходима для безопасной работы объекта нефтепереработки:
Следующие изготовители программируемых контроллеров систем противоаварийной и противопожарной защиты, представляющие продукцию с наиболее высокими характеристиками по европейским стандартам, зарекомендовали себя в мировой практике: Honeywell, Gould Medicon, Allen-Bradlig, General Electric, Texas Instruments, Telemecanique, Siemens, Bosch, Philips, Fuji Electric, Mitsubishi Electric Corp., Omron, Gei Industrial Controls. К их числу отечественных производителей ПЛК, наиболее адаптированных к системам противопожарной защиты, относятся ЗАО «Экоресурс», ЗАО "Модульные Системы Торнадо", ООО «АКБ ЛенСпепАвтоматика».