Поскольку рассматриваемые модули являются взрывопожароопасными, система ПАЗ на 4-ом уровне «ИУС-Безопасность» оснащена компьютеризированными средствами оперативного мониторинга, регулирования и защиты путем автоматических блокировок, отключающих насосы, подводящие теплоноситель.
При разработке сценариев развития аварийных ситуаций по данным «САПР-Безопасность» на данных установках в модулях колонных аппаратов с целью исключения прекращения подачи нефти, пара, воды, электроэнергии, воздуха и топлива [98] в системе мониторинга на колоннах, аппаратах установлены датчики уровня. Кроме того установлены дополнительные датчики загазованности территории. На самих колоннах, аппаратах установлены датчики уровня кубовой жидкости, датчики температуры в верхней части колонны и датчики давления с соответствующими измерительными блоками, подключенными к устройству «АРМ-оператор» ИУС.
Для обеспечения безопасности эксплуатации нагревательных модулей на нижнем уровне «ИУС-Безопасность» установлены следующие компьютеризированные узлы системы ПАЗ, подключенные к устройству «АРМ-оператор» [38-53. ]:
· блок измерения концентрации углеводородов в выходящих газах;
· блок измерения концентрации углеводородов в окружающем пространстве;
· блок измерения уровня в емкости для сбора конденсата;
· блок регулирования аварийного байпасного клапана для подачи продукта в змеевик;
· блок индикации пламени в камере сгорания.
Кроме того, в систему оперативного мониторинга безопасности включен блок измерения давления топлива в заводской сети.
Разработанная подсистема нижнего уровня «ИУС-Безопасность» обеспечивает следующие режимы безопасности при эксплуатации ОПО [38-53, 89]:
· соответствие номинальных значений объема подаваемого сырья проектным решениям;
· соответствие температуры подогретого сырья оптимальным значениям;
· соответствие температуры низа температуре подаваемого сырья и температуре холодного орошения;
· обеспечивает подачу оптимального объема топлива на горелки направленного модуля;
· обеспечивает проверку состояния насосов и насосного оборудования;
· при повышении температуры холодного орошения осуществляет автоматическую подачу воздушного охлаждения;
· обеспечивает в автоматическом и ручном режимах посредством АРМ оператора запуск резервного откачивающего насоса с остановом насоса неисправного в случае уменьшения откачки продукта;
· при увеличении расхода сырья осуществляется уменьшение расхода до оптимального путем включения байпаса и отключения основной задвижки в случае ее неисправности;
· обеспечивает соответствие давления нагнетания насоса, подающего продукт в нагревательный модуль, давлению, измеренному на модуле;
· в случае нарушения работоспособности насоса обеспечивает его останов и запуск резервного насоса.
Все факты нарушений режимов эксплуатации заносятся оператором в базу данных и автоматически передаются посредством информационно-вычислительной сети на верхние уровни ИУС для принятия управляющих решений. Результаты внедрения разработанной технологии приведены в главе 5.
По результатам промышленного автоматизированного мониторинга и противоаварийной защиты на нижнем уровне «ИУС-Безопасность» была проведена количественная оценка уровня опасностей на основе разработанной технологии минимизации рисков. Результаты расчета вероятности возникновения и развития аварийных ситуаций по алгоритму, приведенному в Приложении 7, позволили уменьшить риск возникновения аварийных ситуаций на три порядка, что составляет величину 8,0 × 10-6.
Выводы по главе 3
1. Разработаны требования к созданию информационно-управляющей системы безопасного проектирования и эксплуатации нестационарных ОПО нефтегазового комплекса.
2. Предложены и разработаны принципы информационного обеспечения технологии управления минимизацией нестационарных рисков.
3. Предложены и разработаны принципы алгоритмического и программного обеспечения функционирования системы управления «ИУС-Безопасность» для ОПО нефтегазового комплекса.
4. Предложены и разработаны технология и модель информационно-управляющей системы минимизации рисков, основанные на раннем распознавании предаварийных и аварийных ситуаций.
5. Рассмотрены технические и технологические мероприятия по предотвращению и своевременной локализации предаварийных ситуаций на основе использования компьютизированной противоаварийной защиты.
6. Показаны результаты промышленной апробации разработанной технологии, позволяющей уменьшить синергетический риск возникновения аварийных ситуаций на три порядка.
ГЛАВА 4 Повышение безопасности эксплуатации опасных
производственных объектов нефтегазового комплекса с использованием оперативного мониторинга и
управления минимизацией синергетического риска
4.1 Разработка критериев управления безопасностью опасных производственных объектов с использованием минимизации синергетического риска
В работах [38-53] автором предложены и разработаны основы инновационной технологии управления экологической и промышленной безопасностью ОПО, основанной на минимизации не только взрывопожароопасных факторов, но и токсической опасности, позволяющей предотвратить выбросы нефтепродуктов в окружающую среду и загрязнения окружающего пространства и, вместе с тем, позволяющей за счет оптимизации технологических процессов минимизировать нестационарные технические риски при эксплуатации ОПО [38-53] и обеспечить обезвреживание и улавливание летучих органических и сернистых соединений наряду с техническими мероприятиями по минимизации выбросов в процессе эксплуатации нефтегазового оборудования и транспортирования нефти, газа и нефтепродуктов.
Результаты анализа вредного воздействия предприятий нефтегазового комплекса на окружающую среду свидетельствуют о том, что в последнее время сохраняется тенденция увеличения объемов выбросов загрязняющих веществ при добыче, транспортировке и переработке углеводородного сырья, что обусловлено наращиванием промышленного потенциала в нефтегазовом комплексе РФ.
Учитывая, что большинство ОПО и технологических трубопроводных систем функционирует на данный момент по устаревшим технологиям на изношенном технологическом оборудовании и находятся вблизи крупных населенных пунктов, когда даже современные производства являются источниками загрязнения атмосферного воздуха углеводородами, диоксидом серы, оксидом углерода, оксидом азота и другими токсичными веществами, а при попадании их в поверхностные грунтовые воды и водоемы особенно актуальным становится создание системы мониторинга и управления промышленной и экологической безопасностью на ОПО, включая трубопроводные системы транспортирования углеводородов и химически опасных соединений в режиме реального времени.
Успешному развитию и внедрению новых эффективных технологий по снижению выбросов в атмосферу вредных веществ (таких как летучие органические соединения (ЛОС), оксид углерода (СО), оксид азота (NOх), диоксид серы (SO2) и др.) будут способствовать требования соблюдения нормативных и законодательных актов по минимизации технических рисков. В настоящее время только принят федеральный закон от 4 марта 2013г., а разработка и внедрение его основные положения находятся на первоначальной стадии, поэтому первостепенную роль играют разработка и внедрение новых технологий обеспечения промышленной безопасности ОПО, включая объекты транспортирования взрывопожароопасных сред.
В условиях нестационарности объемов и давлений перекачки углеводородных сред наиболее актуальным становится обеспечение эффективного эксплуатационного мониторинга и управления режимными параметрами действующих трубопроводных систем и эксплуатации оборудования.
Анализ результатов исследований по безопасной эксплуатации нестационарных взрывопожароопасных объектов, включая трубопроводные системы, позволил автору предложить и разработать следующие основные критерии управления промышленной и экологической безопасностью ОПО, использующие инновационные ресурсы и энергосберегающие технологии минимизации рисков:
- обеспечение оптимальных величин давления и расхода транспортируемой среды по всей протяженности трубопровода;
- обеспечение оперативного контроля индекса нестационарности Rотн согласно алгоритму (23);
- наличие обратной связи в виде управляющих сигналов, регулирующих допустимые давления на входе и выходе насосной станции и минимальные величины индекса нестационарности;
- необходимость применения технологических средств и системы измерений, функционирующей в рабочем диапазоне температур;
- — необходимость применения технического обеспечения в интервале изменения рабочих давлений.
4.2 Разработка технических требований к созданию системы
оперативного мониторинга и управления промышленной
и экологической безопасностью опасных производственных объектов на основе минимизации рисков
Проведенные теоретические и экспериментальные стендовые исследования позволили сформулировать следующие требования к системе оперативного управления промышленной и экологической безопасностью ОПО, трубопроводных систем, использующих с целью повышения экологической защищенности технологию минимизации рисков [43, 47, 150].
Основные требования, положенные в основу разработки оперативного мониторинга эксплуатации трубопроводных систем и оборудования, сводятся к следующим:
- система управления должна состоять из контрольно-измерительного модуля и модуля обратной связи;
- система управления должна обеспечивать регулирование нестационарных процессов в режиме «On-Line» как в линейных участках трубопроводов, так и в разветвленных участках, включая развилки, насосные агрегаты, задвижки, фильтры, обратные клапаны и др.;
- модуль обратной связи в системе управления должен осуществлять регулирование производительности насосных агрегатов и расхода в оптимальных режимах, обеспечивающих параметры перекачки согласно задаваемой расчетной карте технологических режимов;
- в системе должно быть предусмотрено регулирование индекса нестационарности Rотн, обеспечивающего минимизацию нестационарности течения углеводородных сред в трубопроводной системе;
- в системе должно быть предусмотрено включение модуля регулирования гасителя ударной волны;
- в системе должен быть включен модуль аварийной защиты насосных агрегатов, функционирующий при минимальном и максимальном давлениях на входе и выходе насосных станций и максимальном перепаде давления на заслонках регулятора давления;
- в систему должен быть включен модуль оперативного контроля напряженно-деформированного состояния стенок трубопровода.
Следует отметить, что отличительными особенностями разрабатываемой системы оперативного мониторинга и управления является возможность регулирования нестационарности рисков в реальном времени, когда отпадает необходимость в проведении сложных математических расчетов по моделированию эксплуатационных осложнений и режимов течения углеводородных сред в трубопроводных системах, а эффективный эксплуатационный мониторинг и возможность оперативного регулирования режимов действующих трубопроводных систем на основе минимизации нестационарных рисков позволяют впервые решить следующие задачи:
‑ устранение побочных эффектов многофазности транспортируемой среды;
‑ снижение пульсаций давления перекачиваемых газожидкостных смесей;
‑ ликвидация осложнений, связанных с уменьшением проходного сечения или полной закупоркой трубопроводной системы из-за образования газовых и водяных пробок;
‑ устранение коррозионного износа трубопровода, вызванного наличием влаги в транспортируемом продукте и гидратообразованием при соответствующих температуре и давлении;
‑ обеспечение эксплуатационной надежности и энергоэффективности эксплуатации трубопроводных систем.
4.3 Разработка принципов построения комплекса
оперативного диспетчерского мониторинга и управления
безопасностью эксплуатации трубопроводных систем
при транспортировании углеводородных и химически
опасных сред
Существующие на данный момент системы оперативного мониторинга эксплуатации трубопроводных систем предназначены, в основном, для обнаружения утечек транспортируемых углеводородных сред (система LeakSpy NT, разработанная ; система Sherlog Security Pipelines фирмы «Технолоджи», Чехия; система Тюменского государственного нефтяного университета и др.) и не позволяют осуществить раннее распознование предаварийных ситуаций по всей длине трубопроводной системы и предотвратить эксплуатационные осложнения по трассе трубопровода.
Обоснованные и разработанные автором в течение гг. научно-методические основы управления синергетическим риском позволили сформулировать принципы построения аппаратно-программного комплекса управления синергетическим риском при эксплуатации трубопроводных систем, транспортирующих углеводородные среды, на низшем уровне информационно-управляющей системы
«ИУС-Безопасность», включая подсистемы методического и программного обеспечения.
Разработанный комплекс предназначен для решения следующих задач:
- контроль технологических режимов функционирования трубопроводной системы;
- обеспечение в режиме «On-Line» расчетных оптимальных значений гидродинамических давлений транспортируемой среды с помощью блока регулирования давлений согласно алгоритму
<
, (26),
где и ‒ максимальное и минимальное давления на выходе из насосной станции и входе в насосную станцию соответственно;
- контроль расхода транспортируемой среды;
- обеспечение в режиме «On-Line» стабилизации минимальных значений индекса нестационарности гидродинамического давления по трассе трубопроводной системы согласно алгоритму
, (27)
где ‒ текущее значение индекса нестационарности, вычисляемого по алгоритму (23);
‒ задаваемая расчетная величина минимального синергетического риска;
‒ контроль системы аварийной защиты с целью автоматического отключения насосов по минимальному давлению на входе в насосную станцию, максимальному давлению на выходе насосной станции и максимальному дифференциальному давлению на заслонках блока регулирования;
‒ контроль в режиме «On-Line» напряженного состояния металлических стенок трубопровода и индекса нестационарности коррозионного износа при помощи пьезоэлектрических акселерометров, разнесенных по длине линейной части трубопроводной системы, при помощи которых осуществляется регистрация продольных и поперечных упругих волн, распространяющихся по металлу трубопровода при нестационарном движении транспортируемой среды (методика определения напряженного состояния металла трубопровода в режиме «On-Line» разработана совместно с к. т.н. [4, 152, 154, 156, 157];
‒ контроль температуры транспортируемой среды;
‒ контроль влагосодержания в транспортируемом потоке.
Комплекс функционирует на основе корреляционной обработки входной информации и предусматривает дистанционную передачу данных на верхний уровень согласно информационно-вычислительной системе, представленной на рисунке 21.
4.3.1 Техническое обеспечение комплекса
Комплекс технических средств, предназначенный для реализации оперативного мониторинга и управления нестационарными рисками с целью их минимизации, представлен на рисунке 24 и включает в себя следующие основные модули и блоки:
- гидродинамический модуль (блок 1), включающий датчики давления и расхода, установленные на входах и выходах насосных станций;
- технологический модуль (блок 2), служащий для контроля температуры и влагосодержания в транспортируемом потоке;
- акустический модуль (блок 3) с 3-компонентными акселерометрами, разнесенными по длине трубопровода, служащий для измерения в реальном времени упруго-деформационных свойств металла трубопровода;
- основной процессор (блок 8) с периферийными устройствами для корреляционной обработки входной информации;
- матричный сопроцессор (блок 10), разработанный для расчета синергетического риска;
- модуль управления (блок 12), предназначенный для регулирования давлений на входе и выходе насосных станций и стабилизации минимальных значений индекса нестационарности Ro;
- модуль измерения индекса нестационарности Ro (блок 11) согласно алгоритму (23), учитывающий возможную величину нестационарных рисков при транспортировании углеводородного сырья, описанных в главе 4.1.
Комплекс должен обеспечивать одновременный прием и регистрацию корреляционных параметров входных сигналов и их производных в реальном масштабе времени и автоматически определять моменты выхода величины Ro за пределы минимальных значений синергетического риска.
Рисунок 24 ‒ Функциональная схема аппаратно-программного
комплекса для оперативного мониторинга безопасной эксплуатации трубопроводных систем транспортировки углеводородного сырья
В дальнейшем комплекс должен быть адаптирован к составу технических средств аварийной защиты и программному обеспечению расчета математических моделей нестационарных процессов в трубопроводных системах типа EA ModOS и Cassandra (), позволяющих не допустить выбросов давления выше максимального уровня, и вместе с тем, не допустить аварийных ситуаций. При этом совместное использование системы обнаружения утечек, разработанной , и использование современных технических решений, разработанных аэрокосмической отраслью и используемых в , с разработанной технологией оперативного управления рисками позволит повысить уровень безопасности эксплуатации трубопроводных систем в осложненных условиях (подводные и подземные трубопроводы, межобъектовые трубопроводы при бурении и добыче углеводородного сырья и др.) на качественно новый уровень.
4.3.2 Гидродинамический модуль и модуль управления комплекса
Система регулирования режимов работы насосных станций реализуется по двум уставкам:
- по минимальному давлению на входе в насосную станцию, обеспечивающему минимальную величину индекса нестационарности Ro;
- по максимальному давлению на выходе насосной станции, обеспечивающего заданное расчетное значение синергетического риска.
При этом система аварий защиты функционирует согласно алгоритмам автоматизированной системы отключения насосов по трем уставкам:
- по максимальному давлению;
- по максимальному перепаду давления на выходе системы регулирования давления;
- по минимальному давлению на входе в насосную станцию.
Система аварийной защиты позволяет осуществлять запуск или остановку как одного, так и нескольких насосов в автоматизированном режиме, открывать и закрывать задвижки.
Модуль управления режимами работы насосов настроен на стабилизацию минимальных значений индекса нестационарности Ro по всей длине трубопроводной системы и обеспечивает стабильный режим эксплуатации гидродинамической системы.
4.3.3 Акустический модуль аппаратно-программного комплекса оперативного мониторинга
Акустический модуль предназначен для минимизации риска аварийных ситуаций, связанных с коррозионным износом и деформацией трубопроводной системы на сложных участках трассы [43, 47, 150].
Модуль обеспечивает регистрацию волнового поля, возникающего в металлической оболочке трубопроводной системы при движении транспортируемой среды под давлением.
Модуль обеспечивает реализацию следующих функций:
- многоканальный прием волнового поля при помощи акустических преобразователей, разнесенных по длине трубопровода;
- регистрацию суммарной акустической мощности в полосе частот 0…5 Гц;
- вычисление и накопление автокорреляционных и взаимокорреляционных функций (ФАК и ФВК) с временной привязкой и привязкой по длине трубопровода с длительной ФАК и ФВК не менее 2500 мс;
- вычисление индекса нестационарности волнового поля по длине трубопровода согласно алгоритму (23) с интервалом измерения 100 м;
- стабилизация во времени минимальных значений индекса нестационарности Ro путем регулирования давлений на входах и выходах насосных станций.
Обеспечение во время эксплуатации трубопроводной системы стабилизации минимальных значений индекса нестационарности позволит значительно снизить уровень аварийности и увеличить сроки эксплуатации за счет снижения напряженного состояния металла трубопровода.
Раннее распознавание предаварийной ситуации позволит выявить заранее опасные участки трубопровода и произвести ремонтные работы или их замену.
Основные технические характеристики акустического модуля представлены в таблице 14.
Таблица 14 ‒ Технические характеристики акустического модуля
№ п/п | Технические данные | Диапазон | Примечание |
1. | Диапазон регистрируемых частот | 0…5 Гц | Характеристики приведены для сигналов акустических преобразователей, расположенных на расстояниях 100 м от входа и выхода насосной станции. |
2. | Диапазон регистрируемых ускорений | 0,01…0,5 g | |
3. | Полоса частот для корреляционной обработки | 0…5 Гц | |
4. | Шаг дискретизации | 5…10 мс | |
5. | Длительность замера | 100…300 с | |
6. | Длины ФАК и ФВК | не менее 2500 мс | |
7. | Диапазон значений выходного сигнала | 0…10 В | |
8. | Разрядность выходного цифрового сигнала | 10 разрядов | |
9. | Уровень цифрового сигнала | ТТЛ-логика |
4.3.4. Программное обеспечение комплекса
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 |
