Обеспечение безопасности трубчатых печей на основе оперативной диагностики аварийных состояний Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ДИАГНОСТИКА

УДК 66.04.454

А.п. верёвкин, д.т.н., профессор, e-mail: apverevkin@mail.ru; д.с. Матвеев, аспирант;

М.х. хуснияров, д.т.н., профессор; Уфимский государственный нефтяной технический университет

обеспечение безопасности трубчатых печей на основе оперативной диагностики аварийных состояний

В работе рассматривается методика диагностирования трубчатых печей с применением моделей формальных и эвристических процедур мониторинга состояния по технологическим параметрам процесса, которая позволяет выявлять технологические отказы, в частности прогар змеевика, а также неисправности технических средств штатной системы управления и системы противоаварийной защиты.

введение

При разработке систем обеспечения безопасности (СОБ) на взрывопожа-роопасных и химически опасных производствах, к которым относятся объекты добычи, транспорта, переработки нефти и газа, нефтехимии, одним из параметров процедуры обслуживания, в значительной мере определяющим показатели безопасности и риски возникновения аварийных ситуаций, является время восстановления отказавшего оборудования [1,2,3,4]. Существенный вклад в этот показатель вносит время обнаружения факта и места отказа (локализация причины отказа), минимизация которого возможна только при наличии систем оперативной диагностики. В нормативной документации в области промышленной безопасности устанавливается, что разработка систем диагностики отказов и защиты от их последствий является одной из необходимых задач при разработке систем управления и защиты опасных производств [5,6]. Современные системы диагностики элементов автоматизированных технологических комплексов (АТК) реализуются в рамках автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и позволяют обосновывать управленческие

решения в условиях дефицита временных, информационных и материальных ресурсов [7].

Анализ аварийных ситуаций на взрыво-пожароопасных производствах показал, что трубчатая печь является одним из наиболее опасных объектов, обладающим повышенными параметрами риска по сравнению с другими видами оборудования. Большое количество аварий на трубчатых печах связано с разгерметизацией трубчатого змеевика и выброса технологической среды в объем печи. Своевременное обнаружение прогара змеевика позволяет существенно снизить количество вещества, участвующе-

го в пожаре, и соответственно снизить возможный ущерб от аварии, который может достигать десятков миллионов рублей. Кроме того, аварии на трубчатых печах являются источником загорания и взрыва оборудования, расположенного в непосредственной близости от печи. Поэтому разработка и внедрение систем диагностики состояния трубчатых печей является важным элементом обеспечения их безопасной эксплуатации, и решению этих вопросов посвящено достаточно большое количество литературы [8, 9 и др.]. В данной статье рассматривается один из возможных методов и алгоритмов

Рис. 1. Схема получения диагностических показателей на основе модели объекта для одного параметра Т

диагностики прогара змеевика, а также исправности технических средств штатной системы управления (СУ) и системы противоаварийной защиты (СПАЗ).

В настоящее время для диагностики прогара змеевика применяются методы, которые не позволяют проводить мониторинг толщины стенки змеевика на работающей печи. Предлагаемый подход к решению задачи базируется на использовании диагностических показателей на основе анализа технологических параметров, полученных с объекта диагностирования и сопоставления их с параметрами модели объекта.

определение работоспособности производится в следующем порядке:

1. выделяются элементы объекта диагностирования;

2. на основе вектора параметров состояния у=1,2,...) объекта диагностирования формируется множество диагностических показателей Е={£,1Г£3,„. ¡;п}, по которым оценивают состояние объекта диагностирования.

в качестве диагностических показателей выступают:

• физические (технологические) параметры;

• показатели, получаемые из измеренных параметров, характеристик оборудования в статике и динамике, расчетных характеристик и показателей (материальные и энергетические балансы, показатели эффективности, КПД).

Схема получения диагностического показателя \ на основе модели объекта для одного параметра Т - температуры продукта на выходе печи приведена на рисунке 1;

3. разрабатывается процедура диагностирования. Для этого вначале проводится оценка состояния объекта диагностирования путем проверки условий выполнения ограничений вида:

где и - нижняя и верхняя граница изменения диагностических показателей.

Далее устанавливаются причинно-следственные связи между фактами нарушения ограничений и их возможными причинами. Заметим, что процедура диагностирования существенно упрощается, если отдельные элементы системы управления и системы ПАЗ дублируются.

Определенные трудности вызывает диагностирование отказов исполнительных устройств (ИУ). В этом случае диагностирование может проводиться на основе сравнения реакций одного или нескольких технологических параметров Т объекта управления на изменение управляющего сигнала V и реакции модели ОУ на те же сигналы. Алгоритмы диагностирования могут быть построены как на основе детерминированных, так и случайных моделей сигналов V, Т, Тм. В первом случае сравниваться могут значения параметров Т, Тм и их скорости. Во втором случае - математические ожидания и дисперсии, взаимные корреляционные и автокорреляционные функции.

При установлении факта отказа необходимо обеспечить восстановление функций отказавшего элемента путем его замены или ремонта.

WWW.NEFTEGAS.INFO

ДИАГНОСТИКА

Рис. 2. Общая схема одноконтурной АСР х - задающее воздействие, £=х - у - ошибка регулирования, и - управляющее воздействие, f - возмущающее воздействие

Для описания эвристических моделей и методов управления АТК печи могут применяться нечеткие когнитивные карты (НКК) - математические модели топологического или структурного уровня в виде, например, ориентированного графа (для структурного уровня моделирования - с весами на дугах), отображающего причинно-следственные связи между элементами сложного объекта. НКК сочетают в себе преимущества нечеткой логики (они не требуют знания точных математических моделей, базируются на эмпирически полученных правилах ЕСЛИ-ТО, хорошо работают с плохо формализованными объектами), а также обладают известными достоинствами нейронных сетей (нелинейность описания, возможность обучения и самообучения, направленность на получение оптимальных законов управления). Когнитивная карта предназначена для выявления структуры причинных связей между элементами системы, сложного объекта, составляющими проблемы и т.п., а также оценки последствий, происходящих под влиянием воздействий на эти элементы или изменения характера связей [7].

В качестве примера реализации методики рассматривается одноконтурная автоматическая система регулирования (АСР), схема которой изображена на рисунке 2. Упрощенная функциональная схема автоматизации однопоточной печи с одним контуром регулирования приведена на рисунке 3 [10], модель АТК печи в виде когнитивной карты -на рисунке 4.

*„ых, ^двых - температура сырья на выходе печи, текущая и заданная соответственно; - температура перевала печи; Fc , Fт - расходы сырья и топлива соответственно; и - выход регулятора; \ - ошибка регулирования; wp - передаточная функция регулятора; wиу - передаточная функция ИУ; w1, w2, Wз, w4, w5 - весовые коэффициенты дуг, определяемые экспериментально (для разомкнутой системы снимаются кривые разгона

в зависимости от Fт). Для переменных, вычисляемых по модели, соответствующие переменные индексируются буквой «м», например, Рвых. Учет внешней среды моделируется подачей на узлы графа воздействий, характерных для реального объекта, в частности, изменение расхода сырья Рс.

1. ВЫДЕЛИМ СЛЕДУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОБЪЕКТА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ:

• неисправность датчика температуры на перевале печи;

• неисправность исполнительного устройства;

• неисправность датчика давления топливного газа или исполнительного устройства;

• неисправность датчика расхода сырья;

• неисправность датчика температуры на выходе печи;

• прогар змеевика печи.

2. ФОРМИРУЕМ ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ.

Введем следующие обозначения:

В( - величина разбаланса (в т.ч. теплового) ( 1=1,___,5);

q - теплотворная способность топлива;

Сс - теплоемкость сырья; т| - К.П.Д. печи;

д( - допустимые границы отклонений 0=1.....б).

В примере не используются датчики давления топливного газа, но как одна из причин разбаланса изменение давления может быть учтено в процедуре диагностирования.

В качестве моделей для расчета переменных используются следующие выражения:

1) tвых=W5.Рc+Wз.tпер+Wl.Рт; В^вых-^вых

2) tMпер=W2.Рт+W4.Рc; В2=^Мпер

3) Вз=Рт.д.Рс.Сс<„,х.п;

4) B4=wцy.Wl.U-Wl.Рт;

5) B5=wuy.W2.U-W2.Рт;

6) Р^/Мр.^АвыхЛых).

Далее формируются диагностические показатели на основе реальных и модельных переменных.

Рис. 3. Упрощенная функциональная схема автоматизации однопоточной печи с одним контуром регулирования

Рис. 4. Когнитивная карта взаимосвязей параметров АТК печи

\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

№ 4 \\ апрель \ 2010

Наиболее сложными при реализации диагностических процедур являются задачи идентификации операторов связей и имитации объекта в реальном времени на базе стандартных контроллеров.

Идентификация может производиться на основе обработки как детерминированных сигналов входных,выходных элементов, так и случайных процессов [11]. В ряде случаев, могут быть использованы идеи ситуационного моделирования [10].

Диагностические показатели:

1) ^вых-^выхИ!;

2) ¡Н^ер-^перИг;

3) ¡ИВзИз;

4) ^К;

5) ^=^N5;

6) ¿Н^тК,

где д, - допустимые границы отклонений (1=1,..., 6) определяются экспертным образом.

3. ПРОЦЕДУРА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Определяется в виде системы продукционных правил, составленных на основе эвристических знаний оператора о причинах разбалансов и нарушения допустимых границ изменения значений диагностических показателей.

Правила располагаются в порядке, который позволяет однозначно сделать заключения о причине неисправности, если таковая имеет место.

ПРОДУКЦИОННЫЕ ПРАВИЛА:

1) «ЕСЛИ» £з{исправныРс, Рт, tвых}^2 - «ТО» {неисправность датчика температуры на перевале печи};

2) «ЕСЛИ» - «ТО» {неисправность (ИУ)};

3) «ЕСЛИ» - «ТО» {неисправность датчика давления топливного газа или ИУ};

4) «ЕСЛИ» - «ТО» {неисправность датчика расхода сырья};

5) «ЕСЛИ» ¡^^ - «ТО» {неисправность датчика температуры на выходе печи}. Если одновременно наблюдается более чем один разбаланс (по температурам, тепловой, по топливу и т.д.), то это говорит либо о том, что имеет место прогар змеевика печи, либо о неадекватности модели из-за ее нестационарности или нелинейности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в работе представлена методика оперативного диагностирования трубчатой печи, которая позволяет на основе мониторинга технологических параметров процесса выявлять как технологический отказ - прогар змеевика, - так и неисправности технических средств штатной системы управления и СПАЗ - неисправность датчиков температуры на перевале печи, давления топливного газа, расхода сырья, температуры на выходе печи, исполнительных устройств. Это, в свою очередь, позволяет своевременно предотвращать развитие аварийных ситуаций и повысить уровень безопасности производства.

^^ ®

I ЕКСКОМП-КИТЭМА

V ЧЛЕН НАУЧНО-ПРОМЫШЛЕННОЙ АССОЦИАЦИИ АРМАТУРОСТРОИТЕЛЕЙ

ООО "ТЕКСКОМП-КИТЭМА" предлагает новое 2-х томное издание Номенклатурного каталога-справочника по трубопроводной арматуре, выпускаемой в СНГ ■АРМАТУРА-ЮН".

Каталог-справочник содержит подробные технические характеристики всех видов и типов трубопроводной арматуры и приводных устройств производимых 208 предприятиями - изготовителями, их реквизиты (почтовые и электронные адреса, телефоны).

СОСТАВИТЕЛИ НАДЕЮТСЯ, ЧТО ДАННОЕ ИЗДАНИЕ ОКАЖЕТ ЭФФЕКТИВНУЮ ПОМОЩЬ:

• персоналу коммерческо-сбытовых структур и предприятий производственно-технической комплектации;

• инженерно-техническим работникам предприятий, изготавливающим и эксплуатирующим трубопроводную арматуру;

• специалистам строительных и монтажных организаций;

• инженерно-техническим сотрудникам научно-исследовательских, проектных и конструкторских организаций.

Литература:

1. 1. Международный стандарт IEC 61508 «Functional Safety of Electrical/ Electronic/Programmable Electronic Safety Related Systems» (Функциональная безопасность систем электрических, электронных и программируемых электронных систем, связанных с безопасностью).

2. Международный стандарт IEC 61511 «Functional Safety. Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector» (Функциональная безопасность: Оборудованные под безопасность системы для перерабатывающего сектора промышленности), разработанный для совместного использования с IEC 61508.

3. Федоров Ю.Н. Основы построения АСУТП взрывоопасных производств. В 2-х томах.- М.: СИНТЕГ, 2006. - Т.1 -720 с., Т.2- 632 с.

4. Методические указания по проведению анализа риска опасных промышленных объектов. РД 03-418-01. Утв. ГГТН 01.10.2001 г. 15 с. (Вместо РД 08120-96). НТЦ «Промышленная безопас-ность».Утв. ГГТН РФ 17.07.96.-27 с.

5. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств: ПБ 09-540-03: утв. Постановлением Госгортехнадзора России от 05.05.2003г. №29.

6. Правила промышленной безопасности для нефтеперерабатывающих производств: ПБ 09-563-03: утв. Постановлением Госгортехнадзора России от 29.05.2003г. №44.

7. Васильев В.И., Ильясов В.Г. «Интеллектуальные системы управления. Теория и практика».

8. Мозгалевский А.В., Койда А.Н. Вопросы проектирования сичстем диагностирования. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 112 с.

9. Ахметов С.А., Ишмияров М.Х., Верев-кин А.П., Докучаев Е.С., Малышев Ю.М.; Под ред. Ахметова С.А., Технология, экономика и автоматизация процессов переработки нефти и газа: Учеб. пособие/ М.: Химия, 2005. - 736 с.

10. Веревкин А.П., Кирюшин О.В. Автоматизация технологических процессов и производств в нефтепереработке и нефтехимии. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. - 171 с.

11. Методы классической и современной теории автоматического управления. В 3 т./Под ред. Н.Д. Егупова.-М.:Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000.- Т.1 - 748 с.; Т.2 - 736 с.; Т.3 - 748 с.

Ключевые слова: диагностика, обеспечение безопасности, трубчатая печь, когнитивные карты, прогар змеевика

125284, г. Москва, ул. Беговая, д. 4, офис 1 (495) 945-34-59 (495)945-01-29

E-mail: texcomp@mail.cnt.ra (495) 945-25-33 (495) 945-24-87

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ ДИАГНОСТИКА \\ 23