Обеспечение промышленной безопасности на этапах строительства и освоения объектов нефтегазового комплекса

• размещать наиболее ответственные или потенциально опасные звенья технологической линии в герметических отсеках производственного здания или сооружения;
• разделять отдельные части технологического оборудования прочными несгораемыми перегородками;
• предусматривать резервное электропитание для всех звеньев технологической линии;
• использовать сейсмически устойчивые здания и сооружения;
• оперативно блокировать работу технологической линии и вспомогательного оборудования при наступлении потенциально опасных чрезвычайных ситуаций.

В качестве следующей статистической модели для оценки надежности рассмотрен расчет вероятности работоспособного состояния оборудования без резервирования с фиксированными вероятностями отказа при смешанном последовательно-параллельном соединении звеньев. Показано, что для расчета надежности подобных технологических систем можно использовать модель с последовательным соединением статистически независимых звеньев.

Проведена сопоставительная оценка надежности технологического оборудования с общим и раздельным резервированием. Из сравнения результатов исследований видно, что при раздельном резервировании вероятность безотказной работы значительно выше, чем при общем резервировании. На рисунке 1 приведены полученные на основе аналитических решений расчетные зависимости значения вероятности безотказной работы оборудования при разных значениях числа звеньев N и коэффициента резервирования (m 1). Расчеты проведены в предположении равнонадежности элементов и вероятности их безотказной работы q = 0,85.

Проведена оценка эффективности использования скользящего резервирования элементов технологических линий. Отмечено, что если замену вышедшего из строя элемента осуществляет автоматическое устройство, то число соединений и коммутаций при скользящем резервировании оказывается очень большим, что может привести к снижению общей надежности резервирования. В связи с этим по соображениям обеспечения высокой надежности скользящее резервирование большого количества элементов целесообразно использовать в ручном режиме замены вышедших из строя элементов.

Рисунок 1 Расчетные зависимости вероятности безотказной работы

оборудования при общем и раздельном резервировании

Проведен анализ статистических распределений потоков отказов оборудования. Наибольшее внимание уделено рассмотрению пуассоновского, экспоненциального и гауссовского статистических распределений, а также распределений Вейбулла и Релея. На основе различных статистических распределений проведена оценка интенсивности отказов оборудования и времени наработки до отказа. Отмечено, что в нефтегазовом производстве на стадии приработки технологического оборудования относительно большой начальный поток отказов в основном связан со следующими факторами:

• недостаточной герметичностью трубопроводов, особенно в местах стыковок труб, разветвлений, соединений, сварочных швов;
• некачественной балансировкой вращающихся частей двигателей, турбин, маховиков и т.п. В свою очередь, это приводит к повышенным вибрациям и ускоренному выходу оборудования из строя;
• некачественной или недостаточной смазкой трущихся деталей;
• ошибками в сборке, установке и подключении оборудования;
• недостаточным опытом работы персонала с новым оборудованием.

Практика эксплуатации оборудования показывает, что обычно интенсивность отказов сначала несколько снижается по мере приработки (обкатки) оборудования, затем длительное время остается примерно на одном уровне, а затем постепенно возрастает по мере износа оборудования.

В нормальном режиме эксплуатации интенсивность внезапных отказов можно считать примерно постоянной. Это позволяет использовать для оценки надежности технологического оборудования экспоненциальное статистическое распределение.

Для идентификации вида статистических распределений в работе использованы центральные статистические моменты k k-ого порядка (), определяемые как

,

и кумулянты.

Кумулянт первого порядка k1 определяется средним значением случайного процесса:

.

Кумулянт второго порядка определяется дисперсией случайного процесса или центральным моментом 2 второго порядка:

.

Кумулянт третьего порядка определяется центральным моментом 3 третьего порядка:

.

Нормированное на дисперсию безразмерное значение кумулянта третьего порядка

получило название коэффициента асимметрии.

Кумулянт четвертого порядка определяется центральным моментом 4 четвертого порядка и дисперсией:

.

Нормированное на дисперсию безразмерное значение кумулянта четвертого порядка

получило название коэффициента эксцесса.

Коэффициент эксцесса может являться показателем того, каким является пик функции распределения случайного процесса с заданной дисперсией относительно гауссовской функции распределения. Если кривая распределения более острая, чем нормальное распределение, то k4 > 0. И, наоборот, если кривая распределения более «размытая», то k4

Численные расчеты показывают, что для известных в математике случайных процессов минимальное значение коэффициента эксцесса равно минус 2 (бинарный псевдослучайный сигнал). Максимальное значение коэффициента эксцесса не ограничено.

Определим интенсивность отказов следующим образом:

.

Для интенсивности отказов, описываемых распределением Вейбулла, справедливо следующее выражение:

.

На рисунке 2 приведены расчетные зависимости в относительных единицах интенсивностей отказа оборудования для разных статистических распределений.

Рисунок 2 Расчетные зависимости в относительных единицах интенсивностей

отказа оборудования для разных статистических распределений

Рассмотрим три интервала изменения величины параметра .

При (t) является константой (см. рисунок 2, зависимость 1). Такая зависимость характерна для периода нормальной работы оборудования.

При (t) является возрастающей функцией (см. рисунок 2, зависимость 2). Такая зависимость характерна для периода «стареющего» или изношенного оборудования.

При (t) является убывающей функцией (см. рисунок 2, зависимость 3). Такая зависимость характерна для периода приработки или обкатки нового оборудования.

В третьей главе существенное внимание уделено оценке времени наработки оборудования нефтегазовой отрасли до отказа в разных режимах резервирования.

Системы проектирования и эксплуатации должны быть гибкими и адаптирующимися, чтобы можно было оперативно изменять ход разработки месторождения, включая и промысловую подготовку природного газа, конденсата и нефти. С учетом последнего в работе проведен расчет среднего времени наработки оборудования до отказа при общем резервировании при использовании нагруженного резерва («горячий» резерв, active reserve) по формуле

.

В результате проведенных расчетов получена формула для оценки времени наработки до отказа:

где T0 – среднее время наработки до отказа одной основной линии.

На рисунке 3 приведены расчетные зависимости (кривая помечена как «Горячий» резерв) времени наработки до отказа от количества m работающих загруженных технологических элементов.

Из приведенной графической зависимости видно, что эффективность «горячего» нагруженного резервирования снижается с ростом кратности резервирования (m 1). Эта особенность указанной зависимости обусловле-на тем, что с увеличением m добавляемые резервные линии берут на себя все меньшую часть общей нагрузки. В связи с этим добавляемые линии не могут заметным образом повлиять на надежность работы всей установки в целом.

Рисунок 3 Расчетные зависимости времени (ч) наработки до отказа

от числа работающих загруженных технологических линий

В случае ненагруженного «холодного» резерва (standby reserve) при общем резервировании общее время наработки до отказа подчиняется статистике гамма-распределения:

,

где Г(i) – гамма-функция. При «холодном» резерве ресурсы времени работы оборудования расходуются только в процессе фактической работы в нагруженном состоянии. В связи с этим общее время работы до отказа возрастает пропорционально имеющемуся числу резервных технологических элементов.

Среднее время наработки до отказа основной линии T0 = 100 ч.

Расчеты показывают, что время наработки до отказа технологического оборудования с облегченным режимом работы резерва

,

где kp коэффициент загрузки или коэффициент расходования ресурса резервного оборудования. На рисунке 3 приведена кривая зависимости, рассчитанная для коэффициента загрузки kp = 0,2. Из рисунка видно, что значения времени находятся в промежутке между значениями времени наработки до отказа ненагруженного резерва и нагруженного резерва.

Особое внимание в работе уделено расчету эксплуатационных параметров, характеризующих надежность с учетом восстановления оборудования.

Введем в рассмотрение коэффициент готовности КГ, характеризующий среднюю вероятность q0(t) того, что технологическое оборудование находится в работоспособном состоянии. Коэффициент готовности КГ численно равен отношению среднего времени нахождения в рабочем состоянии к сумме среднего времени нахождения в рабочем состоянии и эквивалентного среднего времени восстановления:

,

где T0 – среднее время наработки на отказ, TВ – среднее время восстановления после поломки, – коэффициент соответствия времени восстановления и времени наработки на отказ. В дальнейшем будем предполагать, что после возникновения каждого отказа оборудование немедленно начинают ремонтировать, а после успешного завершения каждого ремонта оборудование немедленно вводится в эксплуатацию. В этом случае = 1.

Пользуясь полученным ранее выражением, имеем для коэффициента готовности

.

В теоретических расчетах надежности чаще всего придерживаются правила выбора сроков ремонта по фактическому техническому состоянию и работоспособности оборудования. Рассчитаем время наработки до отказа обслуживаемых технологических линий с (m 1)-кратным «горячим» резер-вированием и восстановлением. Будем полагать, что осуществляются немедленное восстановление каждой отказавшей цепи и немедленный ввод в эксплуатацию каждой отремонтированной линии. Аналогично может быть получена формула среднего времени наработки до отказа для оборудования с восстановлением:

,

где – интенсивность восстановления, – интенсивность отказов оборудования, T0 – наработка до отказа без резервирования и восстановления. Из приведенного соотношения видно, что для обслуживаемой системы с нагруженным «горячим» (m 1)-кратным резер-вированием и восстановлением с ростом отношения интенсивности восстановления к интенсивности отказов / время наработки до отказа асимптотически стремится к степенному закону возрастания с показателем степени (m 1).

Введем в рассмотрение коэффициент, характеризующий кратность увеличения времени наработки до отказа за счет восстановления:

.

На рисунке 4 изображены рассчитанные на ЭВМ графики изменения времени наработки до отказа B(m, , ) для резервированной обслуживае­мой системы с восстановлением по отношению ко времени наработки до отказа для невосстанавливаемого оборудования без резервирования.

Рисунок 4 Изменение времени наработки до отказа обслуживаемого

технологического оборудования с восстановлением и «горячим»

(m 1)-кратным резервированием в зависимости от отношения

интенсивности восстановле­ния к интенсивности отказов

(для трех различных значений кратности резервирования)

Из рисунка 4 видно, что коэффициент B(m, , ), а вместе с ним и надежность возрастают как с ростом отношения интенсивности восстановления к интенсивности отказов /, так и с ростом общего числа работающих основных и резервных технологических линий m.

С чисто экономической точки зрения значительное увеличение отношения интенсивности восстановления к интенсивности отказов нецелесообразно, поскольку это мероприятие требует существенного увеличения численности обслуживающего персонала и численности работников в ремонтных бригадах. При этом необходимо отметить, что в силу случайного характера отказов оборудования работники ремонтных бригад будут загружены работой неравномерно и неполностью, что, несомненно, отразится на суммарных производственных затратах и общей эффективности производства.

В четвертой главе рассматриваются вопросы повышения устойчи-вости и надежности производственного водоснабжения предприятий нефтегазового комплекса, а также математическая модель функционирования нефтегазового предприятия с рециркуляцией воды через очистные сооружения для расчета характеристик изменения объема накопленной жидкости.

На рисунке 5 приведена функциональная схема модели, основу которой составляет аналоговое интегрирующее звено , опреде-ляющее изменение во времени количества накопленной жидкости yН(t).

Рисунок 5 – Модель для расчета характеристик изменения объема

накопленной жидкости в емкостях очистных сооружений

с учетом задержек в системе рециркуляции жидкости

К входу интегратора подключен выход N-входного сумматора . На каждый из входов сумматора без инверсии знака поступают потоки жидкости из различных технологических каналов потребления воды. В рассматривае­мой модели полагаем, что . Определим накопленное за время T количество жидкости yН (t) в емкостях. Учтем, что yН (t) определяется интегралом от суммы потока притока x(t) из водопровода, задержанного по времени потока рециркуляции
yH(t ), взятых с обратным знаком потока сброса y(t) и потока рециркуляции yH(t):

.

Интегральное уравнение может быть преобразовано в эквивалентное дифференциальное уравнение с задержкой следующего вида:

.

При произвольных значениях времен задержки потоков жидкости в системе рециркуляции решение дифференциального уравнения с глубокой положительной обратной связью и при больших значениях коэффициента было выполнено численными методами.

Для обеспечения надежного и устойчивого управления накоплением жидкости в емкостях очистных сооружений предложена система автоматического управления (САУ) (рисунок 6), основу которой составляет логический блок САУ, управляющий тремя вентилями.

Основной контролируемой величиной, определяющей выработку сигналов управления, является объем накопленной жидкости yH(t). Соответствующая величина поступает в блок САУ с датчика уровня жидкости в емкости очистных сооружений.

С помощью вентиля 1 блок САУ осуществляет управление величиной x(t) притока жидкости, подаваемой на очистку из технологического оборудования. С помощью вентиля 2 блок САУ осуществляет управление величиной потока xР(t) жидкости, который определяется количеством сбрасываемой в реку очищенной жидкости. Управление величиной потока рециркулирующей жидкости осуществляется вентилем 3, состояние которого фактически определяет глубину отрицательной обратной связи (ООС). Возвратно-циркулирующая жидкость предназначена для повторного использования в технологическом процессе.

Рисунок 6 – Система автоматического управления уровнем жидкости

и потоками в очистных сооружениях

В условиях пуска новых объектов и расширения производства в нефтегазовом комплексе всё более очевидной становится необходимость поиска новых путей и подходов к решению экологических проблем промышленного производства. Основным из таких путей в мире общепризнан экологический менеджмент. Создание системы экологического менеджмента (СЭМ) даёт нефтегазовому комплексу эффективный инструмент, с помощью которого предприятие может оценить влияние различных факторов производства на окружающую среду и осуществлять меры по обеспечению экологической безопасности предприятия, продемонстрировать населению и общественности соответствие системы экологического менеджмента современным требованиям. Наконец, предприятие может получить свидетельство «третьей стороны» о том, что те или иные аспекты деятельности предприятия соответствуют международным стандартам ИСО серии 14000. Разрабатываемая система экологического менеджмента на предприятии обеспечивает:

- улучшение деятельности предприятия в области выполнения природоохранных требований (в том числе природоохранного законодательства);

- экономию энергии и ресурсов, в том числе направляемых на природоохранные мероприятия, за счёт более эффективного управления ими;

- выделение существенных и несущественных экологических аспектов деятельности предприятия;

- на основании выявленных аспектов разработку экологической поли-тики с указанием экологических показателей, целей и задач;

- для достижения поставленных целей разработку программы эколо-гического менеджмента, документированной процедуры по идентификации экологических аспектов.

Вопросами идентификации, измерения и минимизации объемов загрязняющих веществ на предприятии нефтегазового комплекса занимается цех очистки сточных вод и обезвреживания отходов. Проанализировав реальное положение дел относительно окружающей среды, руководство предприятия и отдел экологической безопасности предприятия устанавливают задачу управления и поддержания минимального уровня воздействия экологических аспектов на окружающую среду.

Материалы диссертационной работы могут быть применены при проектировании, строительстве новых и модернизации действующих нефтегазовых комплексов в России.

Основные выводы и рекомендации